Кіріспе

Топологиялық кеңістікті тығыз кеңістікке тығыз қосалқы жиын ретінде ендіру. Математикада, жалпы топологияда, тығыздау – топологиялық кеңістікті тығыз кеңістікке айналдыру процесі немесе нәтижесі. Тығыз кеңістік – кеңістіктің кез келген ашық жамылғысында шекті субжамылғы болатын кеңістік. Тығыздау әдістері әртүрлі, бірақ олардың әрқайсысы нүктелердің "шексіздікке қашуын" болдырмау үшін, бір жолмен "шексіздіктегі нүктелерді" қосу арқылы немесе мұндай "қашуды" алдын алу арқылы бақылаудың тәсілі болып табылады.

Мысал

Нақты сызықты оның әдеттегі топологиясымен қарастырайық. Бұл кеңістік тығыз емес; белгілі бір мағынада нүктелер шексіздікке солға немесе оңға қарай кетуі мүмкін. Нақты сызықты ∞ символымен белгіленетін бір "шексіздіктегі нүкте" қосып, тығыз кеңістікке айналдыруға болады. Нәтижесіндегі тығыздалу жазықтықтағы шеңберге гомеоморфты (Евклид жазықтығының жабық және шектелген ішкі жиыны ретінде тығыз). Нақты сызықта шексіздікке кеткен әрбір тізбек осы тығыздауда ∞-ға жақындайды. Сандар сызығында санның шексіздікке жақындасу бағыты (теріс немесе оң бағытта) шеңберде сақталады; егер сан сан сызығында теріс бағыттан шексіздікке жақындаса, онда шеңбердегі сәйкес нүкте, мысалы, сол жақтан ∞-ға жақындауы мүмкін. Егер сан сан сызығының оң бағытынан шексіздікке жақындаса, онда шеңбердегі сәйкес нүкте оң жақтан ∞-ға жақындауы мүмкін. Интуитивті түрде бұл процесті келесідей бейнелеуге болады: алдымен нақты сызықты x осіндегі ашық аралыққа дейін қысқартыңыз; содан кейін осы аралықтың ұштарын жоғары қарай (оң y бағытында) иіп, бір-біріне жақындатыңыз, бір нүктесі (жоғарғысы) жоқ шеңберге дейін. Бұл нүкте – біздің жаңа ∞ "шексіздіктегі" нүктеміз; оны қосу толыққанды тығыз шеңберді құрайды. Сәл формальдырақ: бірлік шеңбердегі нүктені оның бұрышымен, радиандармен, қарапайымдық үшін -π-ден π-ге дейін көрсетеміз. Шеңбердегі әрбір θ нүктесін нақты сызықтағы сәйкес нүктемен теңестіріңіз: tan(θ/2). Бұл функция π/2 нүктесінде анықталмаған, өйткені tan(π/2) анықталмаған; осы нүктені ∞ нүктемізбен теңестіреміз. Тангенстер мен кері тангенстер үздісіз болғандықтан, біздің теңестіру функциямыз ∞ нүктесіз нақты сызық пен бірлік шеңбер арасындағы гомеоморфизм болып табылады. Біз құрған нәрсе – нақты сызықтың Александровтың бір нүктелік тығыздалуы деп аталады, ол төменде көбірек талқыланады. Сондай-ақ, нақты сызықты екі нүкте, +∞ және −∞ қосу арқылы тығыздауға болады; бұл кеңейтілген нақты сызыққа әкеледі.

Анықтама

Топологиялық X кеңістігінің тығыз жиын ретінде компактты кеңістікке енгізілуі X-тің компактификациясы деп аталады. Топологиялық кеңістіктерді компактты кеңістіктерге енгізу, компактты кеңістіктердің ерекше қасиеттері болғандықтан, көбінесе пайдалы болады. Компактты Хаусдорф кеңістіктеріне енгізу ерекше қызығушылық тудыруы мүмкін. Барлық компактты Хаусдорф кеңістігі – Тихонов кеңістігі болғандықтан және Тихонов кеңістігінің кез келген қосалқы кеңістігі Тихонов кеңістігі болғандықтан, Хаусдорф компактификациясына ие кез келген кеңістік Тихонов кеңістігі болуы керек деген қорытындыға келеміз. Шындығында, керісі де дұрыс; Тихонов кеңістігі болу, Хаусдорф компактификациясына ие болу үшін қажетті де, жеткілікті де шарт. Ірі және қызықты классқа жататын компакт емес кеңістіктердің нақты түрдегі компактификациялары бар екендігі компактификацияны топологияда жиі қолданылатын тәсіл етеді.

Александровтың бір нүктелі тығыздалуы

Кез келген тығыз емес топологиялық X кеңістігі үшін X-тің бір нүктелік (Александроф) тығыздалуы αX, бір қосымша нүкте ∞ (көбінесе шексіздік нүктесі деп аталады) қосу арқылы және жаңа кеңістіктің ашық жиындары X-тің ашық жиындарымен және G ∪ {∞} түріндегі жиындармен бірге анықталады, мұнда G – X-тің жабық және тығыз ашық ішкі жиыны. X-тің бір нүктелік тығыздалуы Хаусдорф кеңістігі болады, тек және ғана егер X Хаусдорф кеңістігі және жергілікті тығыз болса.

ТасЧехиялық тығыздалу

Әсіресе Хаусдорф тығыздалулары қызығушылық тудырады, яғни тығыздалған кеңістік Хаусдорф кеңістігі болып табылатын тығыздалулар. Топологиялық кеңістіктің Хаусдорф тығыздалуы бар, егер және тек қана егер ол Тихонов кеңістігі болса. Бұл жағдайда бірегей (гомеоморфизмге дейін) «ең жалпы» Хаусдорф тығыздалуы бар, ол X-тің Стоун-Чех тығыздалуы деп белгіленеді және βX арқылы таңбаланады; формальды түрде, бұл тығыз Хаусдорф кеңістіктері мен үздіксіз бейнелеулер санаттарының Тихонов кеңістіктері мен үздіксіз бейнелеулер санаттарының рефлексивті кіші санаттары ретінде көрінеді. «Ең жалпы» немесе формальды түрде «рефлексивті» дегеніміз, βX кеңістігі X-тен компактты Хаусдорф кеңістігіне K дейінгі кез келген үздіксіз функцияның βX-тен K-ға бірегей түрде кеңейтілуі мүмкін болатын әмбебап қасиетпен сипатталады. Нақтырақ айтқанда, βX – X-ті қамтитын компактты Хаусдорф кеңістігі, сондықтан βX-тің X-тегі индукцияланған топологиясы X-тегі берілген топологиямен сәйкес келеді, және кез келген үздіксіз бейнелеу үшін f: X → K, мұнда K – компактты Хаусдорф кеңістігі, g: βX → K бірегей үздіксіз бейнелеуі бар, ол X-ке шектелгенде f-ке толық сәйкес келеді. Стоун-Чех тығыздалуын былай құрастыруға болады: C – X-тен жабық аралыққа [0, 1] дейінгі үздіксіз функциялар жиыны болсын. Содан кейін X-тің әрбір нүктесін C-дегі бағалау функциясымен сәйкестендіруге болады. Осылайша X, C-ден [0, 1]-ге дейінгі барлық функциялар кеңістігі [0, 1]C-нің кіші жиынымен сәйкестендіріледі. Соңғысы Тихонов теоремасы бойынша компактты болғандықтан, осы кеңістіктегі X-тің кіші жиын ретіндегі жабылуы да компактты болады. Бұл Стоун-Чех тығыздалуы.

Уақыт кеңістігін тығыздату

Уолтер Бенц пен Исаак Яглом стереографиялық проекцияны бір қабатты гиперболоидқа түсіру арқылы бөлінген кешендік сандарды тығыздауға болатынын көрсетті. Шындығында, гиперболоид – нақты проективті төрт өлшемді кеңістіктегі квадриканың бір бөлігі. Бұл әдіс, кеңістік-уақыттың конформдық тобының топтық әрекеті үшін базалық манифольдты қамтамасыз етуге қолданылатын әдіске ұқсас.

Жобалау кеңістігі

Нақты проективті кеңістік RPn – Евклид кеңістігі Rn-нің тығыздалуы. Rn нүктелерінің "қаша алатын" әрбір мүмкін "бағыты" үшін бір жаңа шексіз нүкте қосылады (бірақ әр бағыт өзінің қарама-қарсы бағытымен теңестіріледі). Жоғарыдағы мысалда біз құрастырған R-дің Александровтың бір нүктелік тығыздалуы, шын мәнінде, RP1-ге гомеоморфты. Дегенмен, RP2 проекциялық жазықтығы R2 жазықтығының бір нүктелік тығыздалуы емес екенін ескеру қажет, себебі бірнеше нүкте қосылады. Кешенді проективті кеңістік CPn де Cn-нің тығыздалуы болып табылады; C жазықтығының Александровтың бір нүктелік тығыздалуы – CP1 кешенді проективті түзуі, ал ол өз кезегінде сферамен, яғни Риман сферасымен теңестіріледі. Проективті кеңістікке өту – алгебралық геометрияда жиі қолданылатын құрал, өйткені қосылған шексіз нүктелер көптеген теоремаларды қарапайым түрде тұжырымдауға мүмкіндік береді. Мысалы, RP2-дегі кез келген екі түзу дәл бір нүктеде қиылысады, бұл R2 үшін дұрыс емес. Көбірек айтқанда, қиылыс теориясындағы негізгі теорема – Безу теоремасы проективті кеңістікте орындалады, бірақ аффиндік кеңістікте орындалмайды. Аффиндік және проективті кеңістіктегі қиылыстардың осы ерекше мінез-құлқы алгебралық топологияда кохомология сақиналары арқылы көрінеді: аффиндік кеңістіктің кохомологиясы тривиалды, ал проективті кеңістіктің кохомологиясы тривиалды емес және қиылыс теориясының маңызды ерекшеліктерін көрсетеді (субварианттың өлшемі мен дәрежесі, қиылысының кубок көбейтіндісіне қатысты Пуанкаре дуалы). Модульдік кеңістіктерді тығыздау көбінесе белгілі бір дегенерацияларға рұқсат беруді қажет етеді, мысалы, белгілі бір ерекшеліктерге немесе азайтылатын сорттарға рұқсат беруді. Бұл, әсіресе, алгебралық қисықтардың модульдік кеңістігінің Делинье-Мамфорд тығыздалуында қолданылады.

Ли тобының компактификациясы және дискретті кіші топтары

Ли тобының дискретті кіші топтарын зерттеуде, косеттердің үлестік кеңістігі көбінесе топологиялық деңгейден артық құрылымды сақтау үшін, одан да нәзік тығыздануға мүмкіндік береді. Мысалы, модульдік қисықтар әрбір шетіне бір нүкте қосылып тығыздалады, осылайша Риман беттеріне (ал олар тығыз болғандықтан, алгебралық қисықтарға) айналады. Мұндағы шеттердің болуының себебі бар: қисықтар торлар кеңістігін параметризациялайды, ал осы торлар деңгейдің қосымша құрылымын ескере отырып, әртүрлі жолдармен дегенерацияға ұшырауы мүмкін ("шексіздікке қашып кетуі"). Шеттер осы әртүрлі "шексіздікке қарайтын бағыттарды" білдіреді. Бұл жазықтықтағы торларға қатысты. n-өлшемді Евклид кеңістігінде де осы сұрақтар туындайды, мысалы... Бұл тығыздау қиынға соғады. Борел-Серр тығыздануы, редуктивті Борел-Серр тығыздануы және Сатак тығызданулары сияқты түрлі тығызданулар жасалуы мүмкін.

Басқа тығыздалу теориялары

Ғарыш пен жайқы ұштардың теориясы. Ашық көпқырлыны жабыстыру, Мартин шекарасы, Шилов шекарасы және Фурстенберг шекарасы сияқты кейбір "шекаралық" теориялар. Топологиялық топтың Бор тығыздауы дерлік периодты функцияларды қарастырудан туындайды. Топологиялық сақинаның сақина үстіндегі проективтік түзу оны тығыздай алады. Эрмиттік симметриялық кеңістіктің бөлігінің Бейли-Борель тығыздауы. Алгебралық топтардың бөлігінің тамаша тығыздауы. Жергілікті дөңес кеңістікте бір мезгілде дөңес кіші жиындықтар болып табылатын тығыздаулар дөңес тығыздаулар деп аталады, олардың қосымша сызықтық құрылымы, мысалы, дифференциалдық есептеуді және одан да кеңірек қарастыруларды, мысалы, вариациялық есептеудегі немесе оптимизация теориясындағы серпілуді дамытуға мүмкіндік береді.