Кіріспе
Компактты топологиялық кеңістіктер жиынының көбейтіндісі компактты. Тихонов есімімен аталған басқа теоремалар. Математикада Тихонов теоремасы, кез келген компактты топологиялық кеңістіктер жиынының көбейтіндісі, көбейтінді топологиясына қатысты компактты екенін көрсетеді. Теорема алғаш 1930 жылы жабық бірлік аралығының дәрежелерін дәлелдеген, ал 1935 жылы толық теореманы тұжырымдаған Андрей Николаевич Тихоновтың (оның тегі кейде Тихонов деп транскрипцияланады) есімімен аталған. Ол толық теореманың дәлелі ерекше жағдайға ұқсас екенін атап өткен. Бұл теореманың ең ерте жарияланған дәлелі 1935 жылғы Тихоновтың мақаласында кездеседі. Тихонов теоремасы жалпы топологиядағы ең маңызды нәтижелердің бірі саналады (Урысон леммасымен қатар). Бұл теорема тұйықталған жиындарға негізделген топологиялық кеңістіктер үшін де қолданылады.
other theorems named after Tychonoff
In mathematics, Tychonoff's theorem states that the product of any collection of compact topological spaces is compact with respect to the product topology. The theorem is named after Andrey Nikolayevich Tikhonov (whose surname sometimes is transcribed Tychonoff), who proved it first in 1930 for powers of the closed unit interval and in 1935 stated the full theorem along with the remark that its proof was the same as for the special case. The earliest known published proof is contained in a 1935 article by Tychonoff, italic=no. Tychonoff's theorem is often considered as perhaps the single most important result in general topology (along with Urysohn's lemma). The theorem is also valid for topological spaces based on fuzzy sets.
Топологиялық анықтамалар
Теорема компакттылық пен өнім топологиясының нақты анықтамаларына тікелей байланысты; шындығында, Тихоновтың 1935 жылғы жұмысы өнім топологиясын алғаш рет анықтайды. Керісінше, оның маңыздылығының бір бөлігі – осы нақты анықтамалардың ең тиімді (яғни, ең жақсы қасиеттерге ие) екендігіне сенімділік тудыру. Расында, Хайне-Борельдің компакттылық анықтамасы – кеңістіктің ашық жиынтармен жабылуының кез келгені шекті кіші жабылуға ие болады – салыстырмалы түрде жаңа. 19-шы ғасыр мен 20-шы ғасырдың басында Болцано-Вейерштрасс критерийі кеңінен таралған, ол кез келген шектес шексіз тізбектің жинақтаушы кіші тізбегі болатынын айтады, бұл қазір тізбектік компакттылық деп аталады. Бұл шарттар метрикалық кеңістіктер үшін эквивалентті, бірақ олардың екеуі де барлық топологиялық кеңістіктер класында бір-бірін қамтымайды. Екі тізбектік компактты кеңістіктің көбейтіндісі тізбектік компактты екенін дәлелдеу өте оңай – бірінші компонент үшін кіші тізбекке өтесіз, содан кейін екінші компонент үшін кіші-кіші тізбекке өтесіз. Сәл күрделірек «диагонализация» аргументі тізбектік компактты кеңістіктердің санаулы көбейтіндісінің тізбектік компакттылығын белгілейді. Дегенмен, жабық бірлік аралығының континуум санындағы көшірмелерінің көбейтіндісі (әдеттегі топологиясымен) өнім топологиясына қатысты тізбектік компактты болмайды, тіпті ол Тихонов теоремасы бойынша компактты болса да (мысалы, қараңыз). Бұл өте маңызды кемшілік: егер X толыққанды реттелген Хаусдорф кеңістігі болса, онда X-тен [0,1]C(X,[0,1])-ге табиғи ену бар, мұнда C(X,[0,1]) – X-тен [0,1]-ге дейінгі үздіксіз функциялар жиыны. [0,1]C(X,[0,1])-дің компакттылығы осылайша әрбір толыққанды реттелген Хаусдорф кеңістігі компактты Хаусдорф кеңістігіне енетінін көрсетеді (немесе «компактификацияланады»). Бұл құрылыс – Стоун-Чех компактификациясы. Керісінше, компактты Хаусдорф кеңістіктерінің барлық ішкі кеңістіктері толыққанды реттелген Хаусдорф кеңістіктері болып табылады, сондықтан бұл толыққанды реттелген Хаусдорф кеңістіктерін компактификацияланатын кеңістіктер ретінде сипаттайды. Мұндай кеңістіктер қазір Тихонов кеңістіктері деп аталады.
Қолданбалар
Тихонов теоремасы көптеген басқа математикалық теоремаларды дәлелдеу үшін қолданылған. Оларға белгілі бір кеңістіктердің компакттығы туралы теоремалар жатады, мысалы, нормаланған векторлық кеңістіктің қос кеңістігінің бірлік шардың әлсіз * компакттығы туралы Банах-Алаоглу теоремасы, және әрбір ішкі тізбегі біркелкі жинақты тізбекке ие функциялар тізбегін сипаттайтын Арзела-Асколи теоремасы. Олар сондай-ақ компакттылықпен тікелей байланысы жоқ мәлімдемелерді де қамтиды, мысалы, әрбір минималды k-хроматикалық граф шекті екенін көрсететін Де Брюйн-Эрдёс теоремасы, және жасушалық автоматтардың топологиялық сипаттамасын беретін Кертис-Хедлунд-Линдон теоремасы. Қағида бойынша, кез келген конструкция, егер ол салыстырмалы түрде жалпы нысанды (көбінесе алгебралық немесе топологиялық алгебралық сипаттағы) кіріс ретінде алып, компакт кеңістікті шығаратын болса, Тихоновты қолдануы мүмкін: мысалы, коммутативті C* алгебрасының максималды идеалдарының Гельфанд кеңістігі, Буль алгебрасының максималды идеалдарының Стоун кеңістігі және коммутативті Банах сақинасының Беркович спектрі.
Тихонов теоремасының дәлелдемелері
1) Тихоновтың 1930 жылғы дәлелі толық жинақтау нүктесі тұжырымдамасын қолданды. 2) Теорема – Александр теоремасының жылдам салдары. Заманауи дәлелдемелер келесі ойларға негізделген: кіші реттіліктердің конвергенциясы арқылы компакттылыққа қарау саналатын индекс жиындары үшін қарапайым және түсінікті дәлелдемеге алып келеді. Дегенмен, кеңістік бірінші санау аксиомасын қанағаттандырса (метризацияланатын кеңістіктер сияқты), реттіліктерді пайдалана отырып топологиялық кеңістікте конвергенцияға қарау жеткілікті, бірақ әдетте басқаша емес. Бірақ, әрқайсысы кем дегенде екі нүктесі бар, санала алмайтын көптеген метрикалық кеңістіктердің көбейтіндісі бірінші санаулы емес. Сондықтан, кез келген кеңістікте конвергенцияның тиісті түсінігі метрикалық кеңістіктердегі тізбекті компакттылықты жалпылайтын компакттылық критерийіне алып келеді деп үміттену орынды. Бұл өнімдердің компакттығын шығаруды жеңілдетеді. Осылай болды. 3) Анри Картанға қарыздар және 1937 жылы Бурбаки дамытқан сүзгілер арқылы конвергенция теориясы келесі критерийге әкеледі: ультрафильтр леммасын қабылдасақ, кеңістік компактты болады, егер және тек қана кеңістіктегі әрбір ультрафильтр конвергенцияланатын болса. Осымен, дәлелдеме оңай болады: өнім кеңістігіндегі ультрафильтрдің (сүзгінің) кез келген проекциялық бейнесі факторлық кеңістіктегі ультрафильтр болып табылады, сондықтан ол кем дегенде бір xi-ға жинақталады. Содан кейін бастапқы ультрафильтр x = (xi)-ға конвергенцияланатынын көрсетеді. Мункрес өзінің оқулығында Картан-Бурбаки дәлелінің қайта жаңартылған нұсқасын ұсынады, ол ешқандай сүзгі теориялық тілді немесе алғышарттарды тікелей қолданбайды. 4) Сол сияқты, Мур-Смит желілер арқылы конвергенция теориясы, Келлидің әмбебап желі түсінігімен толықтырылған, кеңістік компактты болады, егер және тек қана кеңістіктегі әрбір әмбебап желі конвергенцияланатын болса деген критерийге әкеледі. Бұл критерий Тихонов теоремасының дәлеліне (Келли, 1950) әкеледі, ол сөзбен сөз Картан/Бурбаки дәлелімен сәйкес келеді, тек "ультрафильтрлік база" орнына "әмбебап желі" қайта-қайта ауыстырылған. 5) 1992 жылы Пол Чернов желілерді, бірақ әмбебап желілерді қолданбайтын дәлел келтірді.
Тихонов теоремасы және таңдау аксиомасы
Жоғарыда келтірілген дәлелдемелердің барлығы қандай да бір жолмен таңдау аксиомасын (AC) пайдаланады. Мысалы, үшінші дәлелдеме әрбір сүзгі ультрафильтрде (яғни максималды сүзгіде) қамтылғанын пайдаланады, бұл Зорн леммасын қолдану арқылы көрсетіледі. Зорн леммасы Келли теоремасын дәлелдеу үшін де қолданылады, яғни әрбір желіде әмбебап кіші желі болады. Шындығында, AC-ның осы қолданыстары маңызды: 1950 жылы Келли Тихонов теоремасы ZF-те таңдау аксиомасын білдіретінін дәлелдеді. AC-ның бір формулировкасы – бос емес жиындар отбасының декарт көбейтіндісі бос емес екендігі; бірақ бос жиын, әрине, компактты болғандықтан, дәлелдеу осы тікелей жолмен жүргізілмейді. Осылайша, Тихонов теоремасы AC-ге эквивалентті басқа да бірнеше негізгі теоремаларға (мысалы, әрбір векторлық кеңістіктің базасы бар) қосылады. Екінші жағынан, әрбір сүзгі ультрафильтрде қамтылған деген тұжырым AC-ны білдірмейді. Шындығында, оның Бульдік жай идеал теоремасымен (BPI) эквивалентті екенін көру қиын емес, бұл Зермело-Френкель жиын теориясының (ZF) аксиомалары мен таңдау аксиомасымен толықталған ZF теориясының (ZFC) аралық нүктесі болып табылады. Тихоновтың екінші дәлеліне бірінші қарағанда, дәлелдеуде жоғарыда айтылғандарға қайшылық тудыратындай (BPI)-дан артық ештеңе қолданылмағаны көрінеді. Дегенмен, әрбір конвергентті сүзгіде бірегей лимит болатын кеңістіктер – дәл Хаусдорф кеңістіктері. Жалпы алғанда, біз индекс жиынтығының әрбір элементі үшін жобаланған ультрафильтр базасының бос емес лимиттері жиынынан бір элементті таңдауымыз керек, және бұл, әрине, AC-ны қолданады. Алайда, бұл компактты Хаусдорф кеңістіктерінің көбейтіндісінің компакттығын (BPI) пайдалану арқылы дәлелдеуге болатынын, және керісінше де дұрыс екенін көрсетеді. Тихонов теоремасының кеңістіктердің түрлі шектелген кластары үшін күшін зерттеу – жиын теориялық топологияның белсенді саласы болып табылады. Мағынасыз топологиядағы Тихонов теоремасының аналогы таңдау аксиомасының ешқандай түрін қажет етпейді.