Кіріспе
Топологиялық кеңістіктің өлшемінің топологиялық инвариант анықтамасы. Математикада Лебег қаптамалық өлшемі немесе топологиялық өлшем – топологиялық кеңістіктің өлшемін топологиялық түрде өзгермейтін бірнеше әртүрлі тәсілдің бірі.
In mathematics, the Lebesgue covering dimension or topological dimension of a topological space is one of several different ways of defining the dimension of the space in a
topologically invariant way.
Бейресми талқылау
Кәдімгі Евклидтік кеңістіктер үшін Лебегтің қаптамалық өлшемдері дәл Евклидтік өлшемдермен сәйкес келеді: нүктелер үшін нөл, сызықтар үшін бір, жазықтықтар үшін екі және т.б. Дегенмен, барлық топологиялық кеңістіктер мұндай "көзғалымды" өлшемге ие болмайды, сондықтан мұндай жағдайларда нақты анықтама қажет. Анықтама кеңістікті ашық жиынтықтармен жабу арқылы қарастырылады. Жалпы алғанда, X топологиялық кеңістігін ашық жиынтықтармен жабуға болады, яғни X олардың бірігімінде орналасқан ашық жиынтықтар жиынын табуға болады. Қаптамалық өлшем – бұл ең кіші n саны, яғни кез келген қаптама үшін X кеңістігінің әрбір нүктесі n+1 қаптама жиынтығының қиылысында жатады. Бұл төмендегі ресми анықтаманың мәні. Анықтаманың мақсаты – кеңістікті сипаттайтын және кеңістік үздіріссіз деформацияланғанда өзгермейтін санды (толық санды) беру; яғни гомеоморфизмдерге қатысты инвариантты сан. Жалпы идея төмендегі суреттерде көрсетілген, олар шеңбердің және төртбұрыштың қаптамасын және оның жетілдірілуін көрсетеді. Бірінші суретте қара түсті шеңбердің түсті қаптамасының (жоғарыда) жетілдірілген түрі (төменде) көрсетілген. Көріп отырғаныңыздай, жетілдірілген түрінде шеңбердегі ешбір нүкте екі жиынтықтан көп кірмейді, сонымен қатар жиынтықтар бір-бірімен байланысып, "тізбек" құрайды. Екінші суреттің жоғарғы жартысында жазық пішіннің (қара) түсті қаптамасы көрсетілген, онда пішіннің барлық нүктелері қаптаманың бірінен төрт жиынтығына дейін кіруі мүмкін. Төменгі жағында көрсетілгендей, аталған қаптаманы тазартуға жасалған кез келген әрекет, яғни ешбір нүкте екі жиынтықтан көп кірмеуі үшін, жиынтық шекараларының қиылысында сәтсіздікке ұшырайды. Осылайша, жазық пішін "торлы" емес: оны "тізбектермен" жабуға болмайды. Керісінше, ол қандай да бір мағынада қалың болып шығады. Нақтырақ айтқанда, оның топологиялық өлшемі 1-ден үлкен болуы керек.
Ресми анықтама
Қаптама өлшемнің алғашқы ресми анықтамасын Эдуард Чех берді, ол Генри Лебегтің бұрынғы нәтижесіне негізделген. Қазіргі заманғы анықтамасы мынадай: Топологиялық кеңістік X-тің ашық қаптамасы – Uα ашық жиындарының жиыны, олардың біріктірілісі бүкіл кеңістікке тең, яғни Uα = X. Ашық қаптаманың реті немесе қабаты = {Uα} – кеңістіктің әрбір нүктесі қаптамадағы ең көп дегенде m ашық жиынға жататындай ең кіші сан m (егер мұндай сан болса): яғни, α1, …, αm+1 ерекше болғанда Uα1 ∩ … ∩ Uαm+1 = ∅. Ашық қаптама = {Uα} үшін тазарту – әрбір Vβ жиыны кейбір Uα жиынының ішінде болатын = {Vβ} тағы бір ашық қаптама. Топологиялық кеңістік X-тің қаптама өлшемі – X-тің кез келген шекті ашық қаптамасы n+1 реті бар ашық тазартуға ие болатындай n-нің ең кіші мәні ретінде анықталады. Осылайша, егер n шекті болса, β1, …, βn+2 ерекше болғанда Vβ1 ∩ … ∩ Vβn+2 = ∅. Егер мұндай минималды n болмаса, кеңістіктің қаптама өлшемі шексіз деп айтылады. Ерекше жағдай ретінде, бос емес топологиялық кеңістік қаптама өлшемі бойынша нөлдік өлшемді болады, егер кеңістіктің кез келген ашық қаптамасы ажыратылған ашық жиындардан тұратын тазартуға ие болса, яғни кеңістіктегі кез келген нүкте осы тазартудың дәл бір ашық жиынында орналасқан болады.
Мысалдар
Бос жиынның жабу өлшемі 1-ге тең: бос жиынның кез келген ашық жабылуы үшін, бос жиынның әрбір нүктесі жабылудың ешбір элементіне кірмейді, сондықтан кез келген ашық жабылудың реті 0 болады. Бірлік шеңбердің кез келген ашық жабылуы ашық доғалар жиынтығынан тұратын нақтырақ жабылуға ие болады. Осы анықтама бойынша шеңбердің өлшемі бірге тең, себебі кез келген мұндай жабылуды шеңбердің берілген x нүктесі ең көп дегенде екі ашық доғада орналасқан деңгейге дейін нақтырақ етуге болады. Яғни, біз қандай доғалар жиынтығымен бастасақ та, кейбіреулерін жоюға немесе қысқартуға болады, сонда қалғандары шеңберді жабуын сақтайды, бірақ жабысулар қарапайым болады. Сол сияқты, екі өлшемді жазықтықтағы бірлік дискінің кез келген ашық жабылуын дискінің кез келген нүктесі үштен артық ашық жиынға кірмейтіндей етіп нақтырақ етуге болады, ал екеуі көбінесе жеткіліксіз. Сондықтан дискінің жабу өлшемі екіге тең. Көбінесе, n өлшемді Евклид кеңістігінің жабу өлшемі n-ге тең.
Қасиеттері
Гомеоморфты кеңістіктердің жабу өлшемдері бірдей болады. Яғни, жабу өлшемі – топологиялық инвариант. Нормалды кеңістік X-тің жабу өлшемі n-ге тең, егер және тек қана егер X-тің кез келген жабық A жиыны үшін, егер f : A → Sn үздіксіз болса, онда f функциясын X-ке дейін кеңейтуге болады. Мұнда Sn – n өлшемді сфера. Острандтың түсті өлшем туралы теоремасы. Егер X – нормалды топологиялық кеңістік болса және {Uα} = {Uα} – X-тің ≤ n + 1 реттік жергілікті шекті жабыны болса, онда әр 1 ≤ i ≤ n + 1 үшін i = {Vi,α} –ке жұптық жалгаспайтын ашық жиындардың отбасы бар, яғни Vi,α ⊆ Uα, және олар бірге X-ті жабады.
Өлшемнің басқа ұғымдарымен байланысы
Паракомпактты X кеңістігі үшін жабу өлшемі, X-тің кез келген ашық жабынының (кез келген мөлшерде) n+1 реттік ашық тазартуына ие болатын, n-нің ең төменгі мәні ретінде эквивалентті түрде анықталады. Атап айтқанда, бұл барлық метрикалық кеңістіктер үшін орындалады. Лебегтің жабу теоремасы. Лебегтің жабу өлшемі, шекті симплициалдық кешеннің аффиндік өлшемімен сәйкес келеді. Нормалды кеңістіктің жабу өлшемі үлкен индуктивті өлшемнен кем немесе тең болады. Паракомпактты Хаусдорф кеңістігінің жабу өлшемі, оның когомологиялық өлшемінен (шешімдер мағынасында) үлкен немесе тең болады, яғни, -нің әрбір шешімі үшін және жабу өлшемінен үлкен кез келген үшін. Метрикалық кеңістікте, жабудың көптігі түсінігін күшейтуге болады: егер әрбір r шар жабындағы ең көп дегенде n+1 жиынмен қиылысса, онда жабудың r көптігі n+1 болады. Бұл идея кеңістіктің асимптотикалық өлшемдері мен Асуад-Нагата өлшемдерінің анықтамаларына әкеледі: асимптотикалық өлшемді n кеңістігі "ірі масштабта" n өлшемді, ал Асуад-Нагата өлшемді n кеңістігі "әр масштабта" n өлшемді болады.
Тарихи
Карл Менгер, Жалпы кеңістік және Картезиан кеңістік, (1926) Амстердам ғылым академиясының хабарламалары. Ағылшын тіліндегі аудармасы Джеральд Эдгардың редакторы болған "Фракталдар классикасы" кітабында қайта басылды, Addison Wesley (1993). Карл Менгер, Dimensionstheorie, (1928) B. G Teubner Publishers, Лейпциг.
Karl Menger, Dimensionstheorie, (1928) B. G Teubner Publishers, Leipzig.
Қазіргі заманғы
В. В. Федорчук, "The Fundamentals of Dimension Theory", "Математикалық ғылымдар энциклопедиясы", 17-том, Жалпы топология I, (1993) А. В. Архангельский және Л. С. Понтрягин (ред.), Springer Verlag, Берлин.