Skriftlig eksamen - med besvarelse Topologi I (MM508)

Relaterede dokumenter
Analyse 2. Gennemgå bevis for Sætning Supplerende opgave 1. Øvelser. Sætning 1. For alle mængder X gælder #X < #P(X).

83 - Karakterisation af intervaller

Punktmængdetopologi. Mikkel Stouby Petersen. 1. marts 2013

Gult Foredrag Om Net

GEOMETRI-TØ, UGE 8. X = U xi = {x i } = {x 1,..., x n }, U α, U α = α. (X \ U α )

Besvarelse, Eksamen Analyse 1, 2013

Skriftlig Eksamen Diskret Matematik (DM528)

Skriftlig Eksamen Kombinatorik, sandsynlighed og randomiserede algoritmer (DM528)

ANALYSE 1. Uge 7, 4. juni juni, 2007

t a l e n t c a m p d k Matematiske Metoder Anders Friis Anne Ryelund 25. oktober 2014 Slide 1/42

= λ([ x, y)) + λ((y, x]) = ( y ( x)) + (x y) = 2(x y).

MASO Uge 1. Relle tal Følger. Jesper Michael Møller. 10. september Department of Mathematics University of Copenhagen

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 4. fjerdedel

MASO Uge 5. Topologi i euklidiske rum. Jesper Michael Møller. Uge 5. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

MASO Uge 5. Topologi i euklidiske rum. Jesper Michael Møller. Uge 5. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

1: Fundamentale begreber.

Skriftlig Eksamen Beregnelighed (DM517)

Skriftlig Eksamen DM507 Algoritmer og Datastrukturer

MASO Uge 1. Relle tal Følger. Jesper Michael Møller. 7. september Department of Mathematics University of Copenhagen

Skriftlig Eksamen DM507 Algoritmer og Datastrukturer

01017 Diskret Matematik E12 Alle bokse fra logikdelens slides

Matematisk Metode Notesamling

Analyse 2. Bevis af Fatous lemma (Theorem 9.11) Supplerende opgave 1. Øvelser

Afgør for hver af følgende rækker om den er divergent, betinget konvergent eller absolut konvergent. 2 n. n=1 2n (n + 1)2 1 = 2(n + n+1

Eksamensopgaver i DM17, Januar 2003

Kalkulus 2 - Grænseovergange, Kontinuitet og Følger

MM502+4 forelæsningsslides

Projekt 1.4 De reelle tal og 2. hovedsætning om kontinuitet

Aarhus Universitet 5. februar Meddelelse 2

Første konstruktion af Cantor mængden

Besvarelses forslag til Tag-hjemeksamen Vinteren 02 03

Analyse 1, Prøve 4 Besvarelse

ANALYSE 1, 2014, Uge 6

Skriftlig eksamen BioMatI (MM503)

Om begrebet relation

Skriftlig Eksamen Kombinatorik, sandsynlighed og randomiserede algoritmer (DM528)

ANALYSE 1, 2014, Uge 5

Skriftlig Eksamen Introduktion til lineær og heltalsprogrammering (DM515)

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 8

Skriftlig eksamen Science statistik- ST501

MASO Uge 6. Følger i euklidiske rum Ekstremværdisætningen. Jesper Michael Møller. Department of Mathematics University of Copenhagen.

Grundlæggende Matematik

Skriftlig eksamen Vejledende besvarelse MATEMATIK B (MM02)

t a l e n t c a m p d k Kalkulus 1 Mads Friis Anders Friis Anne Ryelund Signe Baggesen 10. januar 2015 Slide 1/54

Eksamen i Calculus Mandag den 8. juni 2015

Grundlæggende Matematik

Eksempel på den aksiomatisk deduktive metode

MATEMATIK 11 Eksamensopgaver Juni 1995 Juni 2001, 3. fjerdedel

Eksempel på muligt eksamenssæt i Diskret Matematik

Normale tal. Outline. Hvad er tilfældighed? Uafhængighed. Matematiklærerdag Simon Kristensen. Aarhus Universitet, 24/03/2017

Opgaver i logik, torsdag den 20. april

13 Markovprocesser med transitionssemigruppe

Meddelelse 2. Forelæsningerne i uge 6 ( ) Gennemgangen af BPT fortsættes. Vi afslutter Kapitel 4 og når sikkert et godt stykke ind i Kapitel 5.

Reeksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Skriftlig Eksamen Algoritmer og sandsynlighed (DM538)

UGESEDDEL 9 LØSNINGER. Sydsæter Theorem 1. Sætning om implicitte funktioner for ligningen f(x, y) = 0.

Banach-Tarski Paradokset

Matematik A 5 timers skriftlig prøve

Analyse 1. Mads Friis Anders Friis Anne Ryelund. 25. maj 2018

Matematik A. Højere teknisk eksamen

8 Regulære flader i R 3

Appendix 1. Nogle egenskaber ved reelle tal.

Fundamentale begreber fra Analysen. Introduktion. De reelle tal. Carsten Lunde Petersen

Archimedes Princip. Frank Nasser. 12. april 2011

Punktmængdetopologi, metriske rum, fuldstændighed. Morten Grud Rasmussen 17. november 2017

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Sandsynlighed (DM538)

UENDELIG, MERE UENDELIG, ENDNU MERE UENDELIG, Indledning

Lad os som eksempel se på samtidigt kast med en terning og en mønt:

Om uendelighedsbegrebet

Skriftlig Eksamen Introduktion til lineær og heltalsprogrammering (DM515)

Eksamen 2014/2015 Mål- og integralteori

En differentiabel funktion hvis afledte ikke er kontinuert Søren Knudby

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer (DM507)

Eksamen i Calculus Tirsdag den 11. juni 2013

Potensrækker. Morten Grud Rasmussen november Definition 1 (Potensrække). En potensrække er en uendelig række på formen

Indledning. 1 Martingalerepræsentationssætningen

Matematisk induktion

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer (dads)

Polynomier. Indhold. Georg Mohr-Konkurrencen. 1 Polynomier 2. 2 Polynomiumsdivision 4. 3 Algebraens fundamentalsætning og rødder 6

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer (DM507)

Eksamen i Calculus. Første Studieår ved Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet og Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet. 6.

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET

Gamle eksamensopgaver (MASO)

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

Grafregnerkravet på hf matematik tilvalg

Reeksamen i Diskret Matematik

Om brugen af matematiske tegn og objekter i en god matematisk fremstilling

Reeksamen i Calculus Mandag den 11. august 2014

Eksamen i Calculus. Onsdag den 1. juni Første Studieår ved Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet og Det Sundhedsvidenskabelige Fakultet

Nogle grundlæggende begreber

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

(Prøve)Eksamen i Calculus

Eksamen i Diskret Matematik

Matematik A. 5 timers skriftlig prøve. Højere Teknisk Eksamen i Grønland maj 2009 GLT091-MAA. Undervisningsministeriet

Reeksamen i Diskret Matematik

Asymptoter. for standardforsøgene i matematik i gymnasiet Karsten Juul

z 1 = z 1z 1z 1 z 1 2 = z z2z 1 z 2 2

DATALOGISK INSTITUT, AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet EKSAMEN. Grundkurser i Datalogi

Transkript:

INSTITUT FOR MATEMATIK OG DATALOGI SYDDANSK UNIVERSITET, ODENSE Skriftlig eksamen - med besvarelse Topologi I (MM508) Mandag d. 14. januar 2007 2 timer med alle sædvanlige hjælpemidler tilladt. Opgavesættet indeholder 4 opgaver med ialt 12 spørgsmål. Der lægges vægt på udformningen af besvarelsen, herunder specielt, at argumentationen for hvert svar fremtræder klart og fyldestgørende. Når resultater fra lærebogsmaterialet anvendes som begrundelse, er eksplicitte henvisninger ønsket. Om besvarelsen: Af hensyn til den evt. udnyttelse af dette eksempel på en opgavebesvarelse i undervisningen, har jeg medtaget relativt mange detaljer. En besvarelse kan udmærket få en topkarakter uden at have helt så mange detaljer med. Hans J. Munkholm

Opgave 1 I denne opgave er R 2 udstyret med den sædvanlige topologi, og der betragtes følgende delmængder: C 1 = { (x, y) 0 x π, 1 y cos(x) }, C 2 = { (x, y) π x 2π, 1 y < cos(x) }. (i) Skitser de to delmængder i en figur. (ii) Hvilke af de to delmængder er lukkede i R 2? Og hvilke af dem er åbne i R 2? (iii) Gør rede for, at begge delmængder er stisammenhængende, og at begge er sammenhængende. (iv) Vis, at C 1 er kompakt og at C 2 ikke er kompakt. (v) C 1 og C 2 betragtes nu som delrum af R 2. Vis, at de ikke er homeomorfe. Besvarelse 1 (i) Figur ikke inkluderet i denne fil. Kan beses på http://www.imada.sdu.dk/ hjm/mm508/mm508.jan08.eps (ii) C 1 er LUKKET, fordi alle fortætningspunkter for C 1 er med i C 1,jvf. Proposition 3.7.15(a) og Definition 3.7.11. 1 C 2 er IKKE LUKKET, fordi (f.eks.) (π, 1) er et fortætningspunkt for C 2, som ikke er med i C 2, jvf. Proposition 3.7.15(a) og Definition 3.7.11. C 1 er IKKE ÅBEN, fordi (f.eks.) enhver disk B ɛ ((π/2, 1)) med ɛ > 0, indholder punktet (π/2, 1 ɛ/2), som ikke er med i C 1, jvfr. Definition 2.3.8. C 2 er IKKE ÅBEN, fordi (f.eks.) enhver disk B ɛ ((3π/2, 1)) med ɛ > 0, indholder punktet (3π/2, 1 ɛ/2), som ikke er med i C 2, jvfr. Definition 2.3.8. (iii) Ethvert punkt (x 1, y 1 ) C 1 kan forbindes med (x 1, 1) v. h. a. en lodret sti, som forløber helt i C 1. Tilsvarende kan ethvert (andet) punkt (x 2, y 2 ) C 1 lodret stiforbindes med (x 2, 1) inden for C 1. Da (x 1, 1) og (x 2, 1) kan forbindes med en vandret sti, som forløber helt i C 1, har vi alt i alt en sti i C 1 som forbinder (x 1, y 1 ) og (x 2, y 2 ). Altså er C 1 stisanmmenhængende. Helt tilsvarende vises det, at C 2 er stisammenhængende. Proposition 6.4.1 medfører, at både C 1 og C 2 også er sammenhængende. (iv) Da C 1 B 100 ((0, 0)), er C 1 (udover lukket, også) begrænset. Derfor giver Theorem 5.7.1, at C 1 er kompakt. Da C 2 ikke er lukket i R 2, siger Proposition 5.4.2, at C 2 ikke er kompakt (idet R 2 jo er Hausdorff, ifølge Example 4.2.3). 1 Dette argument appellerer til intuitionen. Et mere formelt argument kan gives således: Funktionerne p 1 : R 2 R og p 2 : R 2 R, givet ved forskrifterne p 1((x, y)) = x, hhv. p 2((x, y)) = y, er kontinuerte, og intervallerne [0, π], [π, 2π] er lukkede. Ifølge Proposition 3.7.8 er p 1 1 ([0, π]) og p 1 2 ([π, 2π]) derfor lukkede. Da C 1 netop er fællesmængden af p 1 1 ([0, π]) og p 1 2 ([π, 2π]), er C1 lukket i medfør af Propositions 3.7.4. 2

(v) Ifølge 5.5.2 er kompakthed en topologisk egenskab, d.v.s. at to homeomorfe rum er begge kompakte eller begge ikke kompakte. Da C 1 er kompakt, mens C 2 ikke er kompakt, kan C 1 og C 2 altså ikke være homeomorfe. Opgave 2 I denne opgave genbruges notationen fra Opgave 1. Vi sætter C = C 1 C 2 og betragter en kontinuert funktion f : C R. (i) Gør rede for, at hver af mængderne f(c 1 ), f(c 2 ) og f(c) er et interval. (ii) Ét af intervallerne i spørgsmål (i) er med sikkerhed lukket og begrænset. Hvilket er det? Og hvorfor? Betragt yderligere en følge s : N C, om hvilken det oplyses, at den ikke har nogen delfølge, som konvergerer mod et punkt i C. (iii) Vis, at følgende udsagn er sandt: N N : n N s(n) C 2. Besvarelse 2 (i) Ifølge svaret på opgave 1 er både C 1 og C 2 sammenhængende. Proposition 6.2.10 viser da, at f(c 1 ) og f(c 2 ) er sammenhængende. Da de samtidig er delrum af R, følger det af Theorem 6.2.7, at de er intervaller. Samme argument viser, at f(c) er et interval, forudsat, at det er vist, at C er sammenhængende. At dette er tilfældet, følger f.eks. fra Corollary 6.2.16 anvendt med indeksmængde I = {1, 2} og B = linjen y = 1. 2 (ii) Ifølge opgave 1 er C 1 kompakt. Fra Proposition 5.5.1 følger da, at f(c 1 ) er kompakt. Og dermed er f(c 1 ) både lukket og begrænset, jvfr. Proposition 5.4.1 og Proposition 5.4.2. (iii) Beviset føres indirekte. Vi antager altså, at det givne udsagn er falskt og udleder herfra en modstrid. Vor antagelse kan skrives således N N n N : s(n) C 1. Det følger nu, at s har en delfølge, som ligger helt i C 1. Delfølgens numre vælges ved induktion: Første led i delfølgen fås ved at bruge antagelsen med N = 1 til at vælge n 1 N med s(n 1 ) C 1. Antag så for et vilkårligt helt tal r 1, at vi har fundet indekser 0 < n 1 < n 2 < < n r med s(n i ) C 1 for i = 1, 2,, r. Den fremhævede antagelse bruges nu for N = n r til at vælge et indeks n r+1 > n r med s(n r+1 ) C 1. Da C 1 er kompakt, er C 1 også følgekompakt i sig selv (Proposition 7.2.6). Delfølgen (s(n i )) har derfor en konvergent delfølge med grenseværdi i C 1. Da en delfølge af en delfølge af (s(n)) igen er en delfølge af (s(n)), strider dette imod den givne egenskab ved den oprindelige følge. 2 Bemærk, at punktet (π, 1) / C 2, så Proposition 6.2.15 kan ikke anvendes til at konkludere, at C er sammenhængende. 3

Opgave 3 Lad A og B være ikke tomme delmængder af R, og antag, at der gælder a < b for alle a A og alle b B. (i) Vis, at A har et supremum, at B har et infimum, og at der gælder sup(a) inf(b). Besvarelse 3 (i) Da mængderne ikke er tomme, kan vi vælge et a 0 A og et b 0 B. Da er a < b 0 for alle a A, hvilket betyder, at A har b 0 som en øvre grænse. Ifølge Axiom 1.1.4 har A derfor et supremum. Tilsvarende er a 0 en nedre grænse for B, og Proposition 1.1.5 garanterer eksistensen af et infimum for B. Da ethvert b er en øvre grænse for A, gælder der ifølge egenskab (b) i Definition 1.1.2, at b sup(a) for ethvert b B. sup(a) er altså en nedre grænse for B og dermed mindre end eller lig med den største nedre grænse. Altså sup(a) inf(b). Opgave 4 Betragt følgende system af delmængder af R (i) Vis, at T u er en topologi på R. T u = { (, a) a R } {, R }. (ii) Vis, at det topologiske rum (R, T u ) ikke er Hausdorff. Lad T betegne den sædvanlige topologi på R, og lad i : R R være den identiske funktion, givet ved forskriften i(x) = x, x R. (iii) Hvilke(n) af de to funktioner i : (R, T ) (R, T u ) og i : (R, T u ) (R, T ) er kontinuert(e)? Besvarelse 4 (i) Vi skal verificere aksionmerne (T1), (T2), og (T3) fra Defionition 3.1.1. (T1) gælder, fordi og R eksplicit er angivet som medlemmer af T u. For at vise (T2) betragtes to vilkårlige mængder U, V T u. Det skal vises, at U V T u. Hvis enten U eller V er tom, så er U V = T u. Hvis U = R, da er U V = V T u. Tilsvarende argument gælder, hvis V = R. Tilbage bliver tilfældet, hvor U og V har formen U = (, u), V = (, v) med u, v R. Sætter vi m = min(u, v), gælder da U V = (, m) T u. For at vise (T3) betragtes en indekseret familie af mængder V i T u, i I, med foreningsmængde F = i I V i. Det skal eftervises, at F T u. Hvis V i = R for mindst et 4

i I, er F = R T u. Eventuelle forekomster af i den givne familie kan udelades uden at ændre på F. Vi kan altså antage, at familiens mængder har formen V i = (, a i ) med a i R for alle i I. Der skelnes nu mellem to tilfælde: Hvis mængden A = {a i i I} ikke har nogen øvre grænse, da gælder for ethvert reelt tal x, at der findes et i I med x < a i. Derfor ligger x i intervallet V i og dermed i F. Da x var vilkårligt valgt, sluttes det, at F = R, så F T u i dette tilfælde. I det andet tilfælde har mængden A en øvre grænse, og dermed eksisterer tallet s = sup(a). Vi påstår, at der i dette tilfælde gælder F = (, s), hvilket klart vil afslutte beviset. Vi skylder dog stadig at vise F = (, s). Da s a i for ethvert i I, gælder V i = (, a i ) (, s) for hvert i. Heraf ses, at inklusionen F (, s) gælder. Omvendt gælder for ethvert tal x (, s), at x ikke er en øvre grænse for A. Der findes altså et indeks i med x < a i. Men så er x V i F. Dette viser inklusionen F (, s). (ii) Ifølge Definition 4.2.1 skal vi påvise eksistensen af to forskellige tal b, c R med den egenskab, at ethvert par U, V T u med c U og b V har U V. Faktisk kan b, c vælges vilkårligt med c < b. Thi er b V T u så er c V (og dermed c U V for alle relevante U). (iii) For funktionen i gælder i 1 (U) = U for enhver delmængde U R. Da T u T, ses det at i : (R, T ) (R, T u ) er kontinuert. Omvendt viser den kendsgerning, at intervallet (0, 1) T, men (0, 1) / T u, at i : (R, T u ) (R, T ) ikke er kontinuert. 5