พื้นที่ที่แยกออกจากกันได้
ในทางคณิตศาสตร์ปริภูมิเชิงทอพอโลยีเรียกว่าปริภูมิแยกได้ (separable space ) ถ้ามันประกอบด้วย เซตย่อย หนาแน่นที่นับได้ (countable dense subset) กล่าวคือ มีลำดับ อยู่ขององค์ประกอบในปริภูมิซึ่งเซตย่อยเปิด ที่ไม่ว่างเปล่าทุกเซต ในปริภูมิจะต้องมีองค์ประกอบอย่างน้อยหนึ่งตัวของลำดับนี้
เช่นเดียวกับสัจพจน์อื่นๆของความนับได้ ความสามารถ ในการแยกได้เป็น "ข้อจำกัดด้านขนาด" ไม่จำเป็นต้องเป็นในแง่ของจำนวนสมาชิก (แม้ว่าในกรณีที่มีสัจพจน์ของเฮาส์ดอร์ฟแล้ว จะกลายเป็นเช่นนั้นก็ตาม ดูด้านล่าง) แต่ในความหมายเชิงโทโพโลยีที่ละเอียดอ่อนกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งฟังก์ชันต่อเนื่องทุกฟังก์ชันบนปริภูมิที่แยกได้ ซึ่งภาพของฟังก์ชันนั้นเป็นเซตย่อยของปริภูมิเฮาส์ดอร์ฟ จะถูกกำหนดโดยค่าของฟังก์ชันนั้นบนเซตย่อยหนาแน่นที่นับได้
เปรียบเทียบความสามารถในการแยกออกจากกันได้กับแนวคิดที่เกี่ยวข้องอย่างความสามารถในการนับได้แบบที่สองซึ่งโดยทั่วไปแล้วมีความแข็งแกร่งกว่าแต่เทียบเท่ากันในกลุ่มของปริภูมิเมตริกซ์ได้
ตัวอย่างแรก
ปริภูมิเชิงทอพอโลยีใดๆ ที่เป็นเซตจำกัดหรืออนันต์นับได้นั้น ย่อมเป็นปริภูมิที่แยกได้ เพราะปริภูมิทั้งหมดเป็นเซตย่อยหนาแน่นนับได้ของตัวมันเอง ตัวอย่างที่สำคัญของปริภูมิที่แยกไม่ได้และนับไม่ได้คือเส้นจำนวนจริงซึ่งจำนวนตรรกยะเป็นเซตย่อยหนาแน่นนับได้ ในทำนองเดียวกัน เซตของความยาวทั้งหมด-เวกเตอร์ของจำนวนตรรกยะเป็นเซตย่อยหนาแน่นที่นับได้ของเซตที่มีความยาวทั้งหมด-เวกเตอร์ของจำนวนจริงดังนั้นสำหรับทุกๆ,ปริภูมิยูคลิดมิติ n สามารถแยกส่วนได้
ตัวอย่างง่ายๆ ของปริภูมิที่ไม่สามารถแยกออกจากกันได้คือ ปริภูมิ แบบไม่ต่อเนื่องที่มีจำนวนสมาชิกนับไม่ได้
ตัวอย่างเพิ่มเติมแสดงไว้ด้านล่าง
ความสามารถในการแยกเทียบกับความสามารถในการนับครั้งที่สอง
ปริภูมิที่นับได้แบบวินาทีใดๆ ก็สามารถแยกได้: ถ้าเป็นฐานที่นับได้ โดยเลือกฐานใดๆจากที่ไม่ว่างเปล่าให้เซตย่อยหนาแน่นที่นับได้ ในทางกลับกัน ปริภูมิเมตริกซ์จะแยกได้ก็ต่อเมื่อเป็นปริภูมิที่นับได้ลำดับที่สอง ซึ่งจะเป็นเช่นนั้นก็ต่อเมื่อเป็นปริภูมิ Lindelöf
เพื่อเปรียบเทียบคุณสมบัติทั้งสองนี้เพิ่มเติม:
- ปริภูมิย่อยใดๆของปริภูมิที่นับได้แบบลำดับที่สอง ก็สามารถนับได้แบบลำดับที่สองเช่นกัน ปริภูมิย่อยของปริภูมิที่แยกได้ไม่จำเป็นต้องแยกได้ (ดูด้านล่าง)
- ภาพต่อเนื่องใดๆ ของปริภูมิที่แยกได้ก็จะเป็นปริภูมิที่แยกได้เช่นกัน( Willard 1970 , Th. 16.4a)แม้แต่ผลหารของปริภูมิที่นับได้แบบที่สองก็ไม่จำเป็นต้องนับได้แบบที่สองเสมอไป
- ผลคูณของปริภูมิที่แยกได้จำนวนมากที่สุดเท่ากับจำนวนต่อเนื่องกัน จะเป็นปริภูมิที่แยกได้( Willard 1970 , หน้า109, Th 16.4c)ผลคูณที่นับได้ของปริภูมิที่นับได้ลำดับที่สอง จะเป็นปริภูมิที่นับได้ลำดับที่สอง แต่ผลคูณที่นับไม่ได้ของปริภูมิที่นับได้ลำดับที่สอง ไม่จำเป็นต้องเป็นปริภูมิที่นับได้ลำดับแรกด้วยซ้ำ
เราสามารถสร้างตัวอย่างของปริภูมิเชิงทอพอโลยีที่แยกได้ซึ่งไม่ใช่ปริภูมิที่นับได้ลำดับที่สองได้ พิจารณาเซตใดๆ ที่นับไม่ได้เลือกมาบ้างและกำหนดให้โทโพโลยีคือกลุ่มของเซตทั้งหมดที่ประกอบด้วย(หรือว่างเปล่า) จากนั้น การปิดคือพื้นที่ทั้งหมด (เป็นเซตปิดที่เล็กที่สุดที่ประกอบด้วย) แต่ทุกชุดของรูปแบบเป็นพื้นที่เปิด ดังนั้น พื้นที่นั้นจึงสามารถแยกออกจากกันได้ แต่ไม่สามารถมีฐานที่นับได้
จำนวนสมาชิก
คุณสมบัติของการแยกได้นั้นไม่ได้จำกัดจำนวนสมาชิกของปริภูมิเชิงทอพอโลยีแต่อย่างใด กล่าวคือ เซตใดๆ ที่มีทอพอโลยีแบบไม่สำคัญนั้นสามารถแยกได้ รวมทั้งสามารถนับได้เป็นอันดับสองกึ่งกระชับและเชื่อมต่อกันได้ ปัญหาของทอพอโลยีแบบไม่สำคัญคือ คุณสมบัติการแยกที่ไม่ดีนัก กล่าวคือ ผลหารของคอลโมโกรอฟของมันคือปริภูมิจุดเดียว
ปริภูมิ เฮาส์ดอร์ฟ ที่นับได้และแยกได้ (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปริภูมิเมตริกที่แยกได้) จะมีขนาดสมาชิกอย่างมากที่สุดเท่ากับค่าคอนทินิวอัมในปริภูมิเช่นนี้การปิดจะถูกกำหนดโดยลิมิตของลำดับ และลำดับลู่เข้าใดๆ จะมีลิมิตอย่างมากที่สุดเพียงหนึ่งเดียว ดังนั้นจึงมีแผนที่ทั่วถึงจากเซตของลำดับลู่เข้าที่มีค่าอยู่ในเซตย่อยหนาแน่นที่นับได้ไปยังจุดต่างๆ ของ.
ปริภูมิเฮาส์ดอร์ฟที่แยกได้จะมีขนาดไม่เกิน, ที่ไหนคือจำนวนสมาชิกของความต่อเนื่อง สำหรับการปิดนี้ จะถูกกำหนดลักษณะในแง่ของขีดจำกัดของฐานตัวกรอง : ถ้าและ, แล้วก็ต่อเมื่อมีฐานตัวกรองอยู่เท่านั้นประกอบด้วยเซตย่อยของที่บรรจบกันที่จำนวนสมาชิกของเซตฐานตัวกรองดังกล่าวมีค่าสูงสุดเท่านั้นนอกจากนี้ ในปริภูมิเฮาส์ดอร์ฟ จะมีลิมิตอย่างมากที่สุดเพียงหนึ่งเดียวสำหรับฐานตัวกรองแต่ละฐาน ดังนั้นจึงมีการส่งแบบทั่วถึงเมื่อไร
เหตุผลเดียวกันนี้ยังนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ครอบคลุมกว่าด้วย กล่าวคือ สมมติว่าปริภูมิเชิงทอพอโลยีแบบเฮาส์ดอร์ฟประกอบด้วยเซตย่อยที่มีความหนาแน่นของจำนวนสมาชิก. แล้วมีจำนวนสมาชิกอย่างมากที่สุดและจำนวนสมาชิกสูงสุดถ้าเป็นคำนามนับได้คำแรก
ผลคูณของปริภูมิที่แยกออกจากกันได้จำนวนมากที่สุดเท่ากับจำนวนอนันต์ ก็คือปริภูมิที่แยกออกจากกันได้( Willard 1970 , หน้า109, Th 16.4c)โดยเฉพาะอย่างยิ่งปริภูมิ ของฟังก์ชันทั้งหมดจากเส้นจำนวนจริงไปยังตัวมันเอง ซึ่งมีโทโพโลยีแบบผลคูณ เป็นปริภูมิเฮาส์ดอร์ฟที่แยกได้ซึ่งมีจำนวนสมาชิกเท่ากับโดยทั่วไปแล้ว ถ้าถ้าเป็นจำนวนเชิงคาร์ดินัลอนันต์ใดๆ ผลคูณของค่าไม่เกิน 1 จะเท่ากับ 1พื้นที่ที่มีเซตย่อยหนาแน่นขนาดไม่เกินมีเซตย่อยที่มีความหนาแน่นสูงขนาดมากที่สุด( ทฤษฎีบทฮิววิตต์-มาร์เชฟสกี-พอนดิเชรี )
คณิตศาสตร์เชิงสร้างสรรค์
การแยกส่วนได้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขและคณิตศาสตร์เชิงสร้างสรรค์เนื่องจากทฤษฎีบทหลายข้อที่สามารถพิสูจน์ได้สำหรับปริภูมิที่ไม่สามารถแยกส่วนได้นั้น มีการพิสูจน์เชิงสร้างสรรค์ได้เฉพาะสำหรับปริภูมิที่สามารถแยกส่วนได้เท่านั้น การพิสูจน์เชิงสร้างสรรค์ดังกล่าวสามารถเปลี่ยนเป็นอัลกอริทึมเพื่อใช้ในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขได้ และเป็นการพิสูจน์เพียงประเภทเดียวที่ยอมรับได้ในการวิเคราะห์เชิงสร้างสรรค์ ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงของทฤษฎีบทประเภทนี้คือทฤษฎีบทฮาห์น-บานาค
ตัวอย่างเพิ่มเติม
พื้นที่ที่แยกออกจากกันได้
- ปริภูมิเมตริกกระชับทุกปริภูมิ(หรือปริภูมิเมตริกที่สามารถแปลงเป็นปริภูมิได้) สามารถแยกส่วนได้
- ปริภูมิเชิงทอพอโลยีใดๆ ที่เป็นผลรวมของปริภูมิย่อยที่แยกได้จำนวนนับได้ จะเป็นปริภูมิที่แยกได้ ตัวอย่างสองข้อแรกนี้รวมกันแล้วให้การพิสูจน์ที่แตกต่างออกไปว่าปริภูมิยูคลิดมิติ n สามารถแยกส่วนได้
- พื้นที่ของฟังก์ชันต่อเนื่องทั้งหมดจากเซตย่อยกระชับไปยังเส้นจริงสามารถแยกออกจากกันได้
- พื้นที่เลเบสก์เหนือพื้นที่การวัด ซึ่งพีชคณิต σ ถูกสร้างขึ้นโดยนับได้ และการวัดของมันเป็น σ-จำกัด จะแยกออกจากกันได้สำหรับทุก ๆ[ 1 ]
- พื้นที่ของฟังก์ชันค่าจริงต่อเนื่องบนช่วงหน่วยด้วยเมตริกของการลู่เข้าแบบสม่ำเสมอถือเป็นปริภูมิที่แยกได้ เนื่องจากเป็นผลมาจากทฤษฎีบทการประมาณค่าของไวเออร์สตรัสว่าเซตเซตย่อยหนาแน่นที่นับได้ของพหุนามตัวแปรเดียวที่มีสัมประสิทธิ์เป็นจำนวนตรรกยะ คือเซตของพหุนามตัวแปรเดียวทฤษฎีบทบานาค-มาซูร์กล่าวว่าปริภูมิบานาค ที่แยกส่วนได้ใดๆ จะสมมาตรเชิงไอโซเมตริกกับ ปริภูมิย่อยเชิงเส้นปิดของ.
- ปริภูมิ ฮิลเบิร์ตจะแยกได้ก็ต่อเมื่อมีฐานเชิงตั้งฉาก ปกติที่นับได้ ดังนั้น ปริภูมิฮิลเบิร์ตแบบแยกได้ที่มีมิติอนันต์ใดๆ จึงสมมาตรกับปริภูมิของลำดับที่สามารถหาผลรวมกำลังสองได้
- ตัวอย่างของปริภูมิที่แยกได้แต่ไม่สามารถนับได้แบบที่สองคือเส้นซอร์เกนเฟรย์เซตของจำนวนจริงที่มี โทโพโล ยีขีดจำกัดล่าง
- σ -พีชคณิตที่แยกออกจากกันคือσ -พีชคณิตนั่นคือปริภูมิที่แยกได้เมื่อพิจารณาว่าเป็นปริภูมิเมตริกที่มีเมตริกสำหรับและการวัด แบบจำกัดที่กำหนดไว้(และด้วย)โดยเป็น ตัวดำเนินการ ผลต่างสมมาตร ) [ 2 ]
พื้นที่ที่ไม่สามารถแยกออกจากกันได้
- ลำดับที่นับไม่ได้ตัวแรกด้วยโทโพโลยีลำดับ ธรรมชาติของมัน จึงไม่สามารถแยกออกจากกันได้
- พื้นที่บานาคของลำดับจำนวนจริงที่มีขอบเขตทั้งหมด ซึ่งมีบรรทัดฐานสูงสุดนั้นไม่สามารถแยกได้ เช่นเดียวกันนี้ก็ใช้ได้กับ .
- ปริภูมิบานาคของฟังก์ชันที่มีความแปรผันจำกัดนั้นไม่สามารถแยกส่วนได้
คุณสมบัติ
- ปริภูมิย่อยของปริภูมิที่แยกได้ไม่จำเป็นต้องแยกได้เสมอไป (ดูระนาบซอร์เกนเฟรย์และระนาบมัวร์ ) แต่ปริภูมิย่อยเปิดทุกปริภูมิของปริภูมิที่แยกได้นั้นแยกได้( วิลลาร์ด 1970 , ทฤษฎีบท 16.4b)นอกจากนี้ ปริภูมิย่อยทุกปริภูมิของปริภูมิเมตริก ที่แยกได้ ก็แยกได้เช่น กัน
- ในความเป็นจริงแล้ว ปริภูมิเชิงทอพอโลยีทุกปริภูมิเป็นปริภูมิย่อยของปริภูมิที่แยกได้ซึ่งมีจำนวนสมาชิก เท่า กัน จำเป็นต้องเพิ่มจุดเพียงจำนวนนับได้เท่านั้น คือ จุดของเซตย่อยหนาแน่นที่นับได้ของปริภูมิที่แยกได้ มีการสร้างปริภูมิดังกล่าวไว้ใน( Sierpiński 1952 , หน้า49)นอกจากนี้ การสร้างนี้ยังฝังปริภูมิเฮาส์ดอร์ฟทุกปริภูมิลงในปริภูมิเฮาส์ดอร์ฟที่แยกได้อีกด้วย
- เซตของฟังก์ชันต่อเนื่องค่าจริงทั้งหมดบนปริภูมิที่แยกได้นั้น มีจำนวนสมาชิกเท่ากับจำนวนสมาชิกของอนุกรมต่อเนื่องซึ่งเป็นผลมาจากการที่ฟังก์ชันดังกล่าวถูกกำหนดโดยค่าของฟังก์ชันนั้นบนเซตย่อยที่มีความหนาแน่นสูง
- จากคุณสมบัติข้างต้น เราสามารถอนุมานได้ดังนี้: ถ้าXเป็นปริภูมิที่แยกได้ซึ่งมีปริภูมิย่อยแบบปิดที่ไม่ต่อเนื่องและนับไม่ได้แล้วXจะไม่สามารถเป็น ปริภูมิ ปกติได้นี่แสดงให้เห็นว่าระนาบซอร์เกนเฟรย์ไม่ใช่ปริภูมิปกติ
- สำหรับปริภูมิเฮาส์ดอร์ฟแบบกระชับXนั้น สิ่งต่อไปนี้ถือว่าเทียบเท่ากัน:
- Xเป็นจำนวนนับลำดับที่สอง
- พื้นที่ของฟังก์ชันค่าจริงต่อเนื่องบนXที่มีนอร์มสูงสุดสามารถแยกได้
- Xสามารถวัดได้ด้วยเมตริก
การฝังปริภูมิเมตริกที่แยกออกจากกันได้
- ปริภูมิเมตริกที่แยกได้ทุกปริภูมิจะสมมูลกับเซตย่อยของลูกบาศก์ฮิลเบิร์ตสิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วในบทพิสูจน์ทฤษฎีบทการกำหนดเมตริกของอูรีโซห์น
- ปริภูมิเมตริกที่แยกได้ทุกปริภูมิจะสมมาตร กับเซตย่อยของปริภูมิ บานาค (ที่ไม่สามารถแยกได้) l ∞ของลำดับจำนวนจริงที่มีขอบเขตทั้งหมดที่มีนอร์มสูงสุดซึ่งเรียกว่าการฝังแบบเฟรเชต์( Heinonen 2003 )
- ปริภูมิเมตริกที่แยกได้ทุกปริภูมิจะสมมาตรกับเซตย่อยของ C([0,1]) ซึ่งเป็นปริภูมิบานาคที่แยกได้ของฟังก์ชันต่อเนื่อง [0,1] → Rโดยมีนอร์มสูงสุดนี่เป็นผลงานของสเตฟาน บานาค ( ไฮโนเนน 2003 )
- ปริภูมิเมตริกที่แยกได้ทุกปริภูมิจะสมมาตรกับเซตย่อยของปริภูมิสากลอูรีโซห์น
สำหรับช่องว่างที่ไม่สามารถแยกออกจากกันได้ :
- ปริภูมิเมตริกที่มีความหนาแน่นเท่ากับจำนวนคาร์ดินัลอนันต์αนั้นเป็นไอโซเมตริกกับปริภูมิย่อยของC([0,1] α , R )ซึ่งเป็นปริภูมิของฟังก์ชันต่อเนื่องจริงบนผลคูณของ ช่วงเวลาหน่วยจำนวน αชุด( Kleiber & Pervin 1969 )
- ไฮโนเนน, จูฮา (มกราคม 2546), การฝังเชิงเรขาคณิตของปริภูมิเมตริก (PDF) , สืบค้นเมื่อ 6 กุมภาพันธ์ 2552
- เคลลีย์, จอห์น แอล. (1975), โทโพโลยีทั่วไป , เบอร์ลิน, นิวยอร์ก: สปริงเกอร์-เวอร์แลก , ISBN 978-0-387-90125-1, MR 0370454
- Kleiber, Martin; Pervin, William J. (1969), "ทฤษฎีบท Banach-Mazur ทั่วไป", Bull. Austral. Math. Soc. , 1 (2): 169– 173, doi : 10.1017/S0004972700041411
- Sierpiński, Wacław (1952), โทโพโลยีทั่วไป , นิทรรศการคณิตศาสตร์, ฉบับที่ 7, โทรอนโต, ออนแทรีโอ: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยโทรอนโต, MR 0050870
- Steen, Lynn Arthur ; Seebach, J. Arthur Jr. (1995) [1978], ตัวอย่างค้านในโทโพโลยี ( พิมพ์ซ้ำโดย Dover ฉบับ ปี 1978 ) เบอร์ลิน นิวยอร์ก: Springer-Verlag , ISBN 978-0-486-68735-3, MR 0507446
- วิลลาร์ด, สตีเฟน (1970), โทโพโลยีทั่วไป , แอดดิสัน-เวสลีย์ , ISBN 978-0-201-08707-9, MR 0264581