В книжной версии
Том 7. Москва, 2007, стр. 376
Скопировать библиографическую ссылку:
ГОМЕОМОРФИ́ЗМ (от гомео . и греч. μορφή – вид, форма) (гомеоморфное отображение), одно из осн. понятий топологии. Два топологич. пространства называются гомеоморфными, если существует взаимно однозначное непрерывное отображение одного из них на другое, для которого обратное отображение также непрерывно, само отображение называется гомеоморфизмом. Напр., любой круг гомеоморфен любому квадрату, любые два отрезка гомеоморфны, но отрезок не гомеоморфен ни окружности, ни прямой. Прямая гомеоморфна любому интервалу. Свойства фигур, которые не меняются при переходе к гомеоморфным фигурам, называются топологическими. Примерами топологич. свойств являются компактность и связность.
Видео:Фундаментальная группа окружностиСкачать

Окружность не гомеоморфна прямой
План. Непрерывное отображение топологических пространств. Свойства непрерывных отображений. Категория . Гомеоморфизм. Гомеоморфность топологических пространств как отношение эквивалентности. Локальный гомеоморфизм.
Цель лекции — ввести понятие непрерывного отображения, установить его связь с понятием непрерывной числовой функции, дать строгие доказательства привычных свойств непрерывных отображений, привести пример категории, исследовать понятие гомеоморфизма и дать наглядные примеры гомеоморфных и локально гомеоморфных пространств.
Непрерывным называется отображение топологических пространств, при котором выполнено следующее свойство: прообраз каждого открытого в пространстве подмножества является открытым подмножеством в пространстве .
Равносильное определение: непрерывным называется отображение, при котором прообразы замкнутых множеств замкнуты.
Упражнение. Проверьте эквивалентность двух определений непрерывного отображения.
Также нам потребуется определение отображения, непрерывного в точке.
Отображение топологических пространств называется непрерывным в точке если для всякой окрестности точки существует такая окрестность точки , что
Сравним это общее определение с привычным определением непрерывной в точке числовой функции из курса математического анализа. Функция непрерывна в точке , если выполнено условие: 0 ;exists delta>0|; |x-x_0|
Числовая прямая является метрическим пространством с метрикой вида поэтому, выбрав окрестности точек в виде открытых шаров (которые в данном случае являются открытыми интервалами), получим определение функции, непрерывной в точке.
Можно доказать, что отображение топологических пространств непрерывно тогда и только тогда, когда оно непрерывно в каждой точке.
В самом деле, если отображение непрерывно, а — окрестность точки , то ее прообраз является окрестностью точки , причем . Обратно, если отображение непрерывно в каждой точке и — открытое множество в пространстве , то каждая точка множества обладает окрестностью, образ которой принадлежит множеству . Таким образом, прообраз является объединением открытых подмножеств, следовательно, он открыт в пространстве .
Теперь обратимся к простейшим свойствам непрерывных отображений топологических пространств.
Теорема 1. Тождественное отображение топологического пространства в себя непрерывно.
Для доказательства рассмотрим тождественное отображение , переводящее каждую точку пространства в себя. Пусть — открытое подмножество, тогда, очевидно, и, следовательно, , что и требовалось.
Теорема 2. Для любого пространства постоянное отображение , где — одноточечное пространство, непрерывно.
Доказать это свойство читателю предлагается в качестве упражнения .
Теорема 3. Отображение вложения подпространства в топологическое пространство непрерывно.
Действительно, рассмотрим вложение подпространства , и пусть — произвольное открытое в подмножество. Тогда — открытое в подмножество, согласно определению топологии подпространства.
Теорема 4. Композиция непрерывных отображений топологических пространств непрерывна.
Для доказательства рассмотрим непрерывные отображения топологических пространств и и их композицию
Пусть — произвольное открытое подмножество пространства . Его прообраз относительно композиции равен
По определению непрерывного отображения, подмножество открыто в пространстве , а подмножество открыто в пространстве .
Совокупность подмножеств называется покрытием множества , если . Здесь символом обозначено множество индексов, нумерующих элементы покрытия , при этом мощность покрытия может быть счетной (конечной или бесконечной) или несчетной. Покрытие топологического пространства называют открытым , если все составляющие его подмножества открыты в . Топологическое пространство называется компактным , если всякое его открытое покрытие содержит конечное покрытие.
Ясно, что конечное множество, наделенное дискретной топологией, компактно, а бесконечное множество с дискретной топологией некомпактно. Менее тривиальный пример некомпактного топологического пространства — хорошо знакомое читателю евклидово вещественное пространство , топология которого задана с помощью метрики Для доказательства некомпактности пространства достаточно указать одно его открытое покрытие, которое не содержит конечного подпокрытия. Такое покрытие образуют открытые шары радиуса , центры которых расположены во всех точках с целочисленными координатами. Действительно, такие шары образуют покрытие, причем любой конечный набор таких шаров покрытия не образует.
Теорема 5. Пусть — сюръективное непрерывное отображение топологических пространств. Если — компактное топологическое пространство, то и компактно.
Действительно, пусть — открытое покрытие пространства . Множества для составляют открытое покрытие пространства , и если — его конечное подпокрытие, то — конечное подпокрытие покрытия пространства .
Теперь обратимся к понятию категории.
Категория состоит из двух классов — класса объектов и класса морфизмов, — удовлетворяющих требованиям : 
1. Для каждой пары объектов определено множество морфизмов из в ; 
2. Для каждой тройки объектов определено отображение
ставящее в соответствие двум морфизмам и их композицию . 
3. Множества и композиция морфизмов удовлетворяют аксиомам: 
а) композиция ассоциативна: для каждой тройки морфизмов
имеет место равенство ; 
б) для каждого объекта существует тождественный морфизм такой, что любых объектов и и для любых морфизмов и имеют место равенства , ; 
в) если пары и различны, то пересечение множеств и пусто.
Рассматривая в качестве объектов все топологические пространства (то есть все множества со всевозможными топологиями на них) и в качестве морфизмов все возможные непрерывные отображения между топологическими пространствами, получим категорию топологических пространств (и непрерывных отображений) . Читателю также знакомы категории множеств (и их отображений), векторных пространств (и их линейных отображений), групп (и их гомоморфизмов) и колец (и их гомоморфизмов).
Отображение топологических пространств называется гомеоморфизмом , если оно 
1) непрерывно, 
2) взаимно однозначно, 
3) обладает непрерывным двусторонним обратным отображением , то есть таким непрерывным отображением , что , .
Для любого неодноточечного пространства постоянное отображение не является гомеоморфизмом (оно не взаимно однозначно и тем более не обратимо).
Из непрерывности обратимого отображения не следует непрерывность обратного отображения . Пусть — тождественное отображение непустого множества наделенного дискретной топологией, в то же множество , наделенное любой другой топологией. Такое отображение непрерывно ( проверьте! ). Обратное отображение не является непрерывным.
Приведем примеры гомеоморфных топологических пространств, известных из других курсов геометрии.
1. Параболоид вращения, заданный в трехмерном евклидовом пространстве уравнением , гомеоморфен евклидовой плоскости.
Для построения отображения, осуществляющего гомеоморфизм, будем считать, что плоскость задана уравнением (рис. 4). Отображение — проектирование параболоида на плоскость параллельно координатной оси — задается в координатах следующим образом:
Обратное отображение плоскости на параболоид имеет вид:
Оба отображения заданы непрерывными функциями и, следовательно, непрерывны, что и доказывает гомеоморфизм.
2. Трехосный эллипсоид гомеоморфен сфере.
Каноническое уравнение трехосного эллипсоида имеет вид:
Уравнение сферы с центром в начале координат: Отображение эллипсоида на сферу, осуществляющее гомеоморфизм, задается в координатах следующим образом:
Гомеоморфизм устанавливает взаимно однозначное соответствие между открытыми подмножествами гомеоморфных топологических пространств. В самом деле, в силу непрерывности отображения , осуществляющего гомеоморфизм, прообраз любого открытого в множества открыт, то есть
Аналогично, в силу непрерывности обратного отображения прообраз при отображении любого открытого в множества также открыт:
Доказанное означает, что если некоторое топологическое утверждение верно для одного из двух гомеоморфных топологических пространств, то такое же утверждение верно для другого. Гомеоморфные пространства топологически неразличимы, поэтому о них говорят, что они имеют один топологический тип.
Отношение гомеоморфности в классе топологических пространств рефлексивно, симметрично и транзитивно, то есть является отношением эквивалентности (докажите!)
Отображение топологических пространств называется локальным гомеоморфизмом, если у каждой точки пространства имеется такая окрестность , что ограничение отображения осуществляет гомеоморфизм окрестности на ее образ . При этом пространства и называются локально гомеоморфными .
Топологические пространства могут быть негомеоморфными, но локально гомеоморфными. Таковы, например, тор (компактное пространство) и евклидова плоскость (некомпактное пространство.)
Действительно, представим тор как поверхность, образованную вращением окружности около оси, лежащей в плоскости окружности и не пересекающей ее. Тогда точки тора снабжаются угловыми координатами, например, так, как показано на рисунке 5. Положительные углы отсчитываются от положительного направления оси в сторону положительного направления оси , положительные углы отсчитываются от плоскости в сторону положительного направления оси . Тогда область, соответствующая значениям угловых координат и , гомеоморфна прямоугольнику (рис. 6).
Локальные гомеоморфизмы чрезвычайно важны в дифференциальной геометрии, а точнее — при построении дифференциального и интегрального исчислений на геометрических объектах, отличных от евклидова пространства (например, прямой или плоскости ).
Видео:Геометрия и группы. Алексей Савватеев. Лекция 14.3. Топология. ГомеоморфизмыСкачать

Окружность не гомеоморфна прямой
I. Общая топология
Часть топологии, ориентированная на аксиоматическое изучение непрерывности, называется общей топологией. Наряду с алгеброй, общая топология составляет основу современного теоретико-множественного метода в математике.
Аксиоматически непрерывность можно определить многими (вообще говоря, неравносильными) способами. Общепринята аксиоматика, основывающаяся на понятии открытого множества. Топологической структурой, или топологией, на множестве Х называют такое семейство его подмножеств, называемых открытыми множествами, что: 1) пустое множество  и всё Х открыты; 2) объединение любого числа и пересечение конечного числа открытых множеств открыто. Множество, на котором задана топологическая структура, называют топологическим пространством. В топологическом пространстве Х можно определить все основные понятия элементарного анализа, связанные с непрерывностью. Например, окрестностью точки 


По определению,  и Х являются одновременно замкнутыми и открытыми множествами. Если в Х нет других множеств, одновременно замкнутых и открытых, то топологическое пространство Х называют связным. Наглядно связное пространство состоит из одного «куска», а несвязное — из нескольких.
Открытым покрытием топологического пространства Х называют семейство его открытых множеств, объединением которого является всё X. Топологическое пространство Х называют компактным (в другой терминологии — бикомпактным), если любое его открытое покрытие содержит конечное число элементов, также образующих покрытие. Классическая теорема Гейне — Бореля утверждает, что любое ограниченное замкнутое подмножество 
Важные классы топологических пространств получаются наложением так называемых аксиом отделимости. Примером является так называемая аксиома Хаусдорфа, или аксиома T2, требующая, чтобы любые две различные точки обладали непересекающимися окрестностями. Топологическое пространство, удовлетворяющее этой аксиоме, называется хаусдорфовым, или отделимым. Некоторое время в математической практике встречались почти исключительно хаусдорфовы пространства (например, любое метрическое пространство хаусдорфово). Однако роль нехаусдорфовых топологических пространств в анализе и геометрии постоянно растет.
Отображение 




II. Топология многообразий
Хаусдорфово паракомпактное топологическое пространство называется n-мерным топологическим многообразием, если оно «локально евклидово», то есть если каждая его точка обладает окрестностью (называемой координатной окрестностью, или картой), гомеоморфной топологическому пространству 

Условимся произвольный гомеоморфизм между открытыми множествами из 
Пусть 






















Основной метод современной теории многообразий состоит в сведении её задач к проблемам алгебраических топологий для некоторых нужным образом сконструированных топологических пространств. Эта тесная связь теории многообразий с алгебраической топологией позволила, с одной стороны, решить много трудных геометрических проблем, а с другой — резко стимулировала развитие самой алгебраической топологии.
Примерами гладких многообразий являются n-мерные поверхности в 


Каждое p-многообразие является t-многообразием. Оказывается, что на любом s-многообразии можно некоторым естественным образом ввести p-структуру (которая называется обычно у айтхедовской триангуляцией). Можно сказать, что любое 








Существует только два одномерных топологических многообразия: окружность S 1 (компактное многообразие) и прямая линия 



Аналогично, на любом двумерном топологическом многообразии (поверхности) существует единственная 






На каждом трёхмерном топологическом многообразии при любом 

Для четырёхмерных (компактных и связных) топологических многообразий вопрос о существовании и единственности 

Замечательно, что для компактных и связных топологических многообразий размерности 




















































В частности, на сфере S n существует единственная кусочно-линейная структура. Гладких структур на сфере S n может быть много, например, на S 7 существует 28 различных гладких структур. На торе T n (топологических произведении n экземпляров окружности S 1 ) существует при 








Актуальность данной темы в том, что классификация трехмерных топологических многообразий представляет несомненный интерес для развития теорий жидких кристаллов, для решения проблемы классификации элементарных частиц и множества других разделов теоретической физики.
1. Александров П. С. Введение в теорию множеств и общую топологию / П. С. Александров. – М.: Наука, 1977. – 368с.
2. Кириллов А. А. Элементы теории представлений / А. А. Кириллов. – М.: Наука. – 1978.
3. Понтрягин Л. С. Непрерывные группы / Л. С. Понтрягин. – М.: Наука, 1968.
4. Серр Ж. П. Линейные представления конечных групп / Ж. П. Серр. – М.: Мир, 1970.
5. Келли Дж. Общая топология / Дж Келли. Пер. с англ.. – 2-е изд. – М.: Наука, 1981. – 432 с.
6. Мищенко А.С., Фоменко А.Т. Курс дифференциальной геометрии и топологии / А.С. Мищенко, А.Т. Фоменко – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. – 439 с.
📺 Видео
Гомотопическая эквивалентность.Скачать

Лекция 34 | Геометрия и топология | Сергей Иванов | ЛекториумСкачать

Гугнин Д.В. - Геометрия. Часть 4. Семинары - 5. Гомеоморфные и гомотопные многообразияСкачать

Фоменко Т. Н. - Основы общей топологии - Факторизация геометрических фигурСкачать

Ошемков А. А. - Наглядная геометрия и топология. Семинары - Семинар 5Скачать

Фоменко А. Т. - Элементы топологии и симплектической геометрии - Гладкие многообразияСкачать

Топология-1, лекция 8, Ю.М.БурманСкачать

Фоменко Т. Н. - Основы общей топологии - Непрерывные отображения в произведении пространствСкачать

Фоменко Т. Н. - Основы общей топологии - Непрерывные отображения и гомеоморфизмыСкачать

Топология 6 | Общая топология. Топологические пространства. Многообразия. Гомеоморфизмы.Скачать

Лекция 9 | Геометрия и топология | Сергей Пилюгин | ЛекториумСкачать

Беседы о математике Топология 1Скачать

Лекция 6. Гомотопность ломаных. Векторные поляСкачать

Лекция 35 | Геометрия и топология | Сергей Пилюгин | ЛекториумСкачать

Лекция 1 | Группы, действующие на окружности | Илья АлексеевСкачать

Лекция 39 | Геометрия и топология | Сергей Пилюгин | ЛекториумСкачать

Фоменко А. Т. - Элементы топологии и симплектической геометрии - Расслоение ХопфаСкачать

Фоменко А. Т. - Элементы топологии и симплектической геометрии -Классификация двумерных многообразийСкачать

