Espacio paracompacto

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En matemáticas, un espacio paracompacto es un espacio topológico en el que cada cubierta abierta tiene un refinamiento abierto que es localmente finito. Estos espacios fueron introducidos por Dieudonné (1944). Todo espacio compacto es paracompacto. Todo espacio de Hausdorff paracompacto es normal, y un espacio de Hausdorff es paracompacto si y sólo si admite particiones de unidad subordinadas a alguna cubierta abierta. A veces, los espacios paracompactos se definen para que siempre sean Hausdorff.

Todo subespacio cerrado de un espacio paracompacto es paracompacto. Si bien los subconjuntos compactos de los espacios de Hausdorff siempre están cerrados, esto no es cierto para los subconjuntos paracompactos. Un espacio tal que cada subespacio de él es un espacio paracompacto se llama hereditariamente paracompacto. Esto es equivalente a exigir que todo subespacio abierto sea paracompacto.

La noción de espacio paracompacto también se estudia en topología sin sentido, donde se comporta mejor. Por ejemplo, el producto de cualquier cantidad de lugares paracompactos es un lugar paracompacto, pero el producto de dos espacios paracompactos puede no ser paracompacto. Compare esto con el teorema de Tychonoff, que establece que el producto de cualquier colección de espacios topológicos compactos es compacto. Sin embargo, el producto de un espacio paracompacto y un espacio compacto siempre es paracompacto.

Todo espacio métrico es paracompacto. Un espacio topológico es metrizable si y sólo si es un espacio de Hausdorff paracompacto y localmente metrizable.

Definición

A cubierta de un conjunto es una colección de subconjuntos de cuya unión contiene . En símbolos, si es una familia indexada de subconjuntos de , entonces es una cubierta de si

Una cubierta de un espacio topológico es abierto si todos sus miembros están abiertos. A perfeccionamiento de una cubierta de un espacio es una nueva cubierta del mismo espacio tal que cada conjunto en la nueva cubierta es un subconjunto de algunos conjuntos en la vieja cubierta. En símbolos, la cubierta es un refinamiento de la cubierta si y sólo si, por cada dentro , hay algunos dentro tales que .

Una cubierta abierta de un espacio es localmente finito si cada punto del espacio tiene un vecindario que intersecta sólo finitamente muchos conjuntos en la cubierta. En símbolos, es localmente finito si y sólo si, para cualquier dentro , existe algún vecindario de tal que el conjunto

es finito. Un espacio topológico ahora se dice que paracompactar si cada cubierta abierta tiene un refinamiento abierto localmente finito.

Esta definición extiende literal a los locales, con excepción de los locales finitos: una cubierta abierta de es localmente finito si el conjunto de aperturas que intersecta sólo finitamente muchos abre también forman una cubierta de . Tenga en cuenta que una cubierta abierta en un espacio topológico es localmente finito sif su cubierta localmente finita del local subyacente.

Ejemplos

Algunos ejemplos de espacios que no son paracompactos incluyen:

Propiedades

La paracompactidad es débilmente hereditaria, es decir, todo subespacio cerrado de un espacio paracompacto es paracompacto. Esto también se puede extender a los subespacios F-sigma.

Aunque un producto de espacios paracompactos no necesita ser paracompacto, lo siguiente es cierto:

Ambos resultados pueden demostrarse mediante el lema tubular que se utiliza en la demostración de que un producto de finitamente muchos espacios compactos es compacto.

Espacios de Hausdorff paracompactos

A veces se requiere que los espacios paracompactos también sean Hausdorff para extender sus propiedades.

Particiones de unidad

La característica más importante de los espacios paracompactos de Hausdorff es que son normales y admiten particiones de unidad subordinadas a cualquier cubierta abierta. Esto significa lo siguiente: si X es un espacio de Hausdorff paracompacto con una cubierta abierta dada, entonces existe una colección de funciones continuas en X con valores en el intervalo unitario [0, 1] tales que:

De hecho, un espacio T1 es Hausdorff y paracompacto si y sólo si admite particiones de unidad subordinadas a alguna cubierta abierta (ver más abajo). Esta propiedad se usa a veces para definir espacios paracompactos (al menos en el caso de Hausdorff).

Las particiones de unidad son útiles porque a menudo permiten extender las construcciones locales a todo el espacio. Por ejemplo, la integral de formas diferenciales en variedades paracompactas se define primero localmente (donde la variedad se parece al espacio euclidiano y la integral es bien conocida), y luego esta definición se extiende a todo el espacio a través de una partición de la unidad.

Prueba de que los espacios paracompactos de Hausdorff admiten particiones de unidad

(Click "show" at right to see the proof or "hide" to hide it.)

A Hausdorff space is paracompact if and only if it every open cover admits a subordinate partition of unity. The if direction is straightforward. Now for the only if direction, we do this in a few stages.

Lemma 1: If is a locally finite open cover, then there exists open sets for each , such that each and is a locally finite refinement.
Lemma 2: If is a locally finite open cover, then there are continuous functions such that and such that is a continuous function which is always non-zero and finite.
Theorem: In a paracompact Hausdorff space , if is an open cover, then there exists a partition of unity subordinate to it.
Proof (Lemma 1):
Let be the collection of open sets meeting only finitely many sets in , and whose closure is contained in a set in . One can check as an exercise that this provides an open refinement, since paracompact Hausdorff spaces are regular, and since is locally finite. Now replace by a locally finite open refinement. One can easily check that each set in this refinement has the same property as that which characterised the original cover.
Now we define . The property of guarantees that every is contained in some . Therefore is an open refinement of . Since we have , this cover is immediately locally finite.
Now we want to show that each . For every , we will prove that . Since we chose to be locally finite, there is a neighbourhood of such that only finitely many sets in have non-empty intersection with , and we note those in the definition of . Therefore we can decompose in two parts: who intersect , and the rest who don't, which means that they are contained in the closed set . We now have . Since and , we have for every . And since is the complement of a neighbourhood of , is also not in . Therefore we have .

(Lem 1)

Proof (Lemma 2):
Applying Lemma 1, let be continuous maps with and (by Urysohn's lemma for disjoint closed sets in normal spaces, which a paracompact Hausdorff space is). Note by the support of a function, we here mean the points not mapping to zero (and not the closure of this set). To show that is always finite and non-zero, take , and let a neighbourhood of meeting only finitely many sets in ; thus belongs to only finitely many sets in ; thus for all but finitely many ; moreover for some , thus ; so is finite and . To establish continuity, take as before, and let , which is finite; then , which is a continuous function; hence the preimage under of a neighbourhood of will be a neighbourhood of .

(Lem 2)

Proof (Theorem):
Take a locally finite subcover of the refinement cover: . Applying Lemma 2, we obtain continuous functions with (thus the usual closed version of the support is contained in some , for each ; for which their sum constitutes a continuous function which is always finite non-zero (hence is continuous positive, finite-valued). So replacing each by , we have now — all things remaining the same — that their sum is everywhere . Finally for , letting be a neighbourhood of meeting only finitely many sets in , we have for all but finitely many since each . Thus we have a partition of unity subordinate to the original open cover.

(Thm)

Relación con la compacidad

Existe una similitud entre las definiciones de compacidad y paracompacidad: Para paracompacidad, "subcover" se reemplaza por "refinamiento abierto" y "finito" by se reemplaza por "localmente finito". Ambos cambios son significativos: si tomamos la definición de paracompacto y cambiamos "refinamiento abierto" volver a "subcover", o "localmente finito" Volviendo a "finito", terminamos con los espacios compactos en ambos casos.

La paracompactidad tiene poco que ver con la noción de compacidad, sino más bien con la división de entidades espaciales topológicas en piezas manejables.

Comparación de propiedades con compacidad

La paracompactidad es similar a la compacidad en los siguientes aspectos:

Es diferente en estos aspectos:

Variaciones

Hay varias variaciones de la noción de paracompactidad. Para definirlos, primero necesitamos ampliar la lista de términos anterior:

Un espacio topológico es:

El adverbio "contable" se puede agregar a cualquiera de los adjetivos "paracompacto", "metacompacto" y "totalmente normal" para hacer que el requisito se aplique solo a las cubiertas abiertas contables.

Todo espacio paracompacto es metacompacto y todo espacio metacompacto es ortocompacto.

Definición de términos relevantes para las variaciones

La notación para la estrella no está estandarizada en la literatura, y esta es sólo una posibilidad.

Como su nombre lo indica, un espacio completamente normal es normal. Todo espacio totalmente T4 es paracompacto. De hecho, para los espacios de Hausdorff, la paracompacidad y la normalidad total son equivalentes. Por lo tanto, un espacio totalmente T4 es lo mismo que un espacio paracompacto de Hausdorff.

Sin la propiedad de Hausdorff, los espacios paracompactos no son necesariamente totalmente normales. Cualquier espacio compacto que no sea regular proporciona un ejemplo.

Una nota histórica: los espacios completamente normales fueron definidos antes que los espacios paracompactos, en 1940, por John W. Tukey. La prueba de que todos los espacios metrizables son completamente normales es fácil. Cuando A. H. Stone demostró que para los espacios de Hausdorff la normalidad total y la paracompactidad son equivalentes, demostró implícitamente que todos los espacios metrizables son paracompactos. Más tarde Ernest Michael dio una prueba directa de este último hecho y M. E. Rudin dio otra prueba elemental.