微分几何入门与广义相对论 习题1
准备自己做一遍,然后看从网上找来的答案.
1.试证A−B=A∩(X−B),∀A,B⊂X.
/proof/
A−B={x∣x∈A,x∈/B}={x∣x∈A}∩{x∣x∈/B}=A∩(X−B)
至此得证.
2.试证X−(B−A)=(X−B)∪A,∀A,B⊂X.
/proof/
X−(B−A)={x∣x∈/(B−A)}={x∣x∈/{x∣x∈B,x∈A}}={x∣x∈(X−B)或x∈A}=(X−B)∪A
至此得证.
3.用“对”或“错”在下表填空:
f:R→R | 是一一的 | 是到上的 |
---|
f(x)=x3 | | |
f(x)=x2 | | |
f(x)=ex | | |
f(x)=cosx | | |
f(x)=5,∀x∈R | | |
/solution/
f:R→R | 是一一的 | 是到上的 |
---|
f(x)=x3 | 对 | 对 |
f(x)=x2 | 错 | 错 |
f(x)=ex | 对 | 错 |
f(x)=cosx | 错 | 错 |
f(x)=5,∀x∈R | 错 | 错 |
感想:“一一”就是自变量和因变量一一对应,不会一对二;“到上”就是因变量的所有取值都对应至少一个自变量.
4.判断下列说法的是非并简述理由:
(a) 正切函数是由R到R的映射;
(b) 对数函数是由R到R的映射;
© (a,b]⊂R用Tu衡量是开集;
(d) [a,b]⊂R用Tu衡量是闭集.
/solution/
(a) 错. 因为x=π/2+kπ(k∈Z)时,tan函数没有取值.
(b) 错. 因为ln函数的定义域是(0,+∞).
© 错. 因为(a,b]不能表示为有限个开区间之并.
(d) 对. 因为[a,b]的补集是(−∞,a)∩(b,+∞),为有限个开区间之并.
5.举一反例证明命题“(R,Tu)的无限个开子集之交为开”不真.
/proof/
考虑开子集(开区间)(−n1,n1),当n遍历N+时,构成无限个开子集. 这些开子集之并为
n=0⋂∞(−n1,n1)={0}
{0}的补集(−∞,0)∩(−,+∞)为有限个开子集之并,所以是开子集,这说明{0}是闭集,这就构成一个命题“(R,Tu)的无限个开子集之交为开”的反例,于是证明了这个命题不真.
6.试证§1.2例5中定义的诱导拓扑满足定义1的3个条件.
先回顾一下例5和定义1:
例5中的定义是,对于拓扑空间(X,T)的子集A,其诱导拓扑S为
S={V⊂A∣∃O∈T,V=A∩O}
而定义1指的是拓扑必须满足的三个条件:
(a) X,∅∈T;
(b) 若Oi∈T,i=1,2,⋯,n,则i=1⋂nOi∈T.
© 若Oα∈T,∀α,则α⋃Oα∈T. 注意这里Oα的个数没有限制.
/proof/
(a) A满足条件,只需要找一个原拓扑中的开子集O⊃A;而空集则一定满足条件,这是显然的.
(b) 设Vi=A∩Oi,Oi∈T,则
i=1⋂nVi=i=1⋂n(A∩Oi)=A∩(i=1⋂nOi)
而i=1⋂nOi∈T,所以i=1⋂nVi∈S. 证毕.
© 设Vα=A∩Oα,Oα∈T,则
α⋃Vα=α⋃(A∩Oα)=A∩(α⋃Oα)
与上面(b)的证明类似,证毕.
7.举例说明(R3,Tu)中存在不开不闭的子集.
/solution/
考虑某个开球,挖去球心,如(0,1)3,其补集为{0}∩[1,+∞),并不是开集,所以这个集不是闭集;而这个开球已经被挖去球心,所以也不是开球,也就不是Tu下的开集.
综上所述,这个集就是题中要求的不开不闭的子集.
8.常值映射f:(X,T)→(Y,S)是否连续?为什么?
/solution/
分析一下,假设B⊂Y且B∈S,则f−1[B]必须满足f−1[B]⊂X且f−1[B]∈T.
这时可以分类讨论,若常值b∈B,则f−1[B]=X∈T;若常值b∈/B,则f−1[B]=∅∈T,这证明映射是连续的.
9.设T为集X上的离散拓扑,S为集Y上的凝聚拓扑,
(a) 找出从(X,T)到(Y,S)的全部连续映射;
(b) 找出从(Y,S)到(X,T)的全部连续映射.
/solution/
(a) 这时,Y中的开集只有∅和Y本身,要求逆像对应X中的任何一个子集即可. 任何一个映射都能满足条件.
(b) 常值映射可以满足条件.
证明其他映射不满足条件:假设存在x,y∈g[Y],x=y,则取O={x},有g−1[O]=g−1[{x}]∈/S,于是只能为常值映射.
10.试证明定义3a与3b的等价性.
定义3a:设(X,T)和(Y,S)为拓扑空间. 映射f:X→Y称为连续的(continuous),若f−1[O]∈T,∀O∈S.
定义3b:设(X,T)和(Y,S)为拓扑空间. 映射f:X→Y称为在点x∈X处连续的,若∀满足f(x)∈G′的G′∈S,∃G∈T使x∈G且f[G]⊂G′. f:X→Y称为连续的,若它在所有点x∈X上连续.
/proof/
若映射满足定义3a:取(Y,S)开子集O′中的元素f(x),有f−1[O′]=O∈T,元素x一定属于O⊆O,而且对于任一元素x均有上述事实成立,所以定义3b被满足;
若映射满足定义3b:对于任一一点x∈X,存在一个x∈G,f[G]⊂G′,遍历所有的x∈G,则f(x)∈G′被遍历一遍,有f[G]=G′. 所以定义3a被满足.
综上所述,证毕.
11.试证任意开区间(a,b)⊂R与R同胚.
/proof/
构造一个满足条件的映射即可,可以是:
tan(b−aπx−b−ab+a2π)
当x遍历(a,b)时,tan函数的宗量遍历(−2π,2π),整个函数的值遍历R. 这个函数是一个初等函数,在ε-δ定义下是连续的. 这就证明了任意开区间(a,b)⊂R与R同胚.
12.设X1和X2是R的子集,X1=(1,2)∪(2,3),X2=(1,2)∪[2,3). 以T1和T2分别代表由R的通常拓扑Tu在X1和X2上的诱导拓扑. 拓扑空间(X1,T1)和(X2,T2)是否连通?
/solution/
拓扑空间(X1,T1)不连通. 由诱导拓扑定义,(1,2)∈T1,所以区间(1,2)是一个开集,而其补集(2,3)∈T1,所以它又是一个闭集,这说明拓扑空间(X1,T1)有除X1和∅之外的既开又闭的子集,不连通.
拓扑空间(X2,T2)连通. 这个网上的证明我没有看懂…但是我自己是因为没有找到反例才得出的结论.
13.任意集合X配以离散拓扑T所得的拓扑空间是否连通?
/solution/
显然不连通. ∀O∈T都有X−O∈T.
14.设A⊂B,试证:
(a) Aˉ⊂Bˉ;(提示:A⊂B表明Bˉ是含A的闭集.)
(b) i(A)⊂i(B).
/proof/
(a) A⊂B⊂Bˉ⟹Aˉ⊂Bˉ.
(b) i(A)⊂A⊂B⟹i(A)⊂i(B).
都是用定义证明的.
15.试证“x∈Aˉ”⟺“x的任一邻域与A之交集非空”. (对⇒证明的提示:设O∈T且O∩A=∅,先证A⊂X−O,再证(利用闭包的定义)Aˉ⊂X−O.)
/proof/
先证⇒:假设存在O是x的开邻域,且O∩A=∅,那么一定有A⊂X−O,又因为O∈T,所以X−O是闭集,所以Aˉ⊂X−O,即有x∈X−O与O是x的开邻域矛盾,所以假设不成立,⇒证毕.
再证⇐:假设x∈/Aˉ,那么x∈X−Aˉ,显然这是一个开集. 所以一定存在一个x的开邻域O∩A=∅,与题设矛盾,所以假设不成立,⇐证毕.
16.试证R不是紧致的.
/proof/
找到反例即可. 可以设定一个开覆盖{(−n1,n1)},其中n∈N+. 这个开覆盖没有有限子覆盖,证毕.