Bu bölümde topolojik uzayları ele alacağız. Yolların tanımında kullanacağımız
I
{\displaystyle \ I}
aralığı
[
0
,
1
]
{\displaystyle \ [0,1]}
kapalı aralığı olacaktır. Son olarak, başlangıç noktası
p
{\displaystyle \ p}
ve bitiş noktası
q
{\displaystyle \ q}
olan yollara
p
{\displaystyle \ p}
’den
q
{\displaystyle \ q}
’ya giden yollar diyeceğiz.
Bir
X
{\displaystyle \ X}
uzayı alalım. Bir
α
:
[
0
,
1
]
→
X
{\displaystyle \alpha \colon [0,1]\to X}
sürekli fonksiyonuna
X
{\displaystyle \ X}
uzayında bir yol denir. Böyle bir
α
{\displaystyle \alpha }
yolu için
α
(
0
)
{\displaystyle \alpha (0)}
noktası başlangıç noktası ve
α
(
1
)
{\displaystyle \alpha (1)}
noktası bitiş noktası olarak adlandırılır.
x
,
y
∈
X
{\displaystyle \ x,y\in X}
olsun. Başlangıç ile bitiş noktaları sırasıyla
x
{\displaystyle \ x}
ve
y
{\displaystyle \ y}
olan ve
I
=
[
0
,
1
]
{\displaystyle \ I=[0,1]}
'den
X
{\displaystyle \ X}
uzayına giden bütün yolların kümesi
P
(
x
,
y
)
=
{
f
:
[
0
,
1
]
→
X
|
f
(
0
)
=
x
,
f
(
1
)
=
y
}
{\displaystyle \ \mathbf {P} (x,y)=\{f\colon [0,1]\to X|f(0)=x,f(1)=y\}}
olarak tanımlanır.
Şekil 1:
f
{\displaystyle f}
'in grafiği üzerinde kırmızı ok ile belirtilen oryantasyonu.
İlk örnek olarak,
X
=
[
0
,
1
]
{\displaystyle \ X=[0,1]}
uzayında bir
f
:
[
0
,
1
]
→
X
{\displaystyle \ f\colon [0,1]\to X}
fonksiyonunu
f
(
x
)
=
x
2
{\displaystyle \ f(x)=x^{2}}
olarak tanımlayalım.
X
=
{\displaystyle \ X=}
R
2
{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}
uzayındaki yollar genellikle
φ
:
[
0
,
1
]
→
{\displaystyle \varphi \colon [0,1]\to }
R
2
{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}
,
t
→
(
x
(
t
)
,
y
(
t
)
)
{\displaystyle \ t\to (x(t),y(t))}
fonksiyonu ile temsil edilir. Burada
x
(
t
)
{\displaystyle \ x(t)}
ve
y
(
t
)
{\displaystyle \ y(t)}
sürekli fonksiyonlardır. Şimdi bir
φ
:
[
0
,
1
]
→
{\displaystyle \varphi \colon [0,1]\to }
R
2
{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}
yolunu
φ
(
t
)
=
(
t
,
t
2
)
{\displaystyle \varphi (t)=(t,t^{2})}
şeklinde tanımlayalım. Bu durumda
•
φ
(
0
)
=
(
0
,
0
)
{\displaystyle \varphi (0)=(0,0)}
noktası, başlangıç noktası ve
•
φ
(
1
)
=
(
1
,
1
)
{\displaystyle \varphi (1)=(1,1)}
bitiş noktasıdır.
Ayrıca
[
0
,
1
]
{\displaystyle \ [0,1]}
üzerindeki oryantasyonun,
φ
{\displaystyle \varphi }
fonksiyonunun görüntüsünün yönlendirmesini içerdiğinin de altını çizelim.
Diğer bir örnek olarak da bir
g
:
[
−
1
,
1
]
→
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle \ g\colon [-1,1]\to [-1,1]}
fonksiyonunu ele alalım ve
g
(
x
)
=
x
3
{\displaystyle \ g(x)=x^{3}}
olsun.
g
{\displaystyle \ g}
fonksiyonunun grafiği
X
{\displaystyle \ X}
uzayı olmak üzere bu uzaydaki yollara bakalım. Bir
β
1
:
I
→
X
{\displaystyle \beta _{1}\colon I\to X}
fonksiyonunu
β
1
(
t
)
=
(
t
,
t
3
)
{\displaystyle \beta _{1}(t)=(t,t^{3})}
olarak tanımlayalım.
β
1
(
0
)
=
(
0
,
0
)
,
β
1
(
1
)
=
(
1
,
1
)
{\displaystyle \beta _{1}(0)=(0,0),\beta _{1}(1)=(1,1)}
olduğunu görüyoruz.
β
1
{\displaystyle \beta _{1}}
’in bileşenleri olan
t
{\displaystyle t}
ve
t
3
{\displaystyle t^{3}}
,
I
{\displaystyle I}
üzerinde sürekli birer fonksiyon olduğundan
β
1
{\displaystyle \beta _{1}}
'in
y
=
x
3
{\displaystyle y=x^{3}}
fonksiyonu için bir yol olduğunu söyleyebiliriz.
Şekil 2: Mavi oklar
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
fonksiyonunu ve siyah oklar
β
1
{\displaystyle \beta _{1}}
yolunu temsil etmektedir.
Şimdi
φ
1
:
[
−
1
,
1
]
→
{\displaystyle \varphi _{1}\colon [-1,1]\to }
R
2
{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}
fonksiyonunu ele alalım, öyle ki
φ
1
(
t
)
=
(
t
,
t
3
)
{\displaystyle \varphi _{1}(t)=(t,t^{3})}
olsun.
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
, bir yol değildir çünkü tanım kümesi
I
=
[
0
,
1
]
{\displaystyle I=[0,1]}
değildir.
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
fonksiyonunu kullanarak
x
3
{\displaystyle x^{3}}
grafiğinin üzerinde başka bir yol bulacağız.
Bunun için, sürekli ve daima artan bir fonksiyon tanımlayalım.
f
:
I
→
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle \ f\colon I\to [-1,1]}
fonksiyonu
f
(
t
)
=
2
t
−
1
{\displaystyle f(t)=2t-1}
olarak tanımlansın.
Sonra bileşke fonksiyonu yazalım.
φ
1
∘
f
(
t
)
:
I
→
{\displaystyle \varphi _{1}\circ \ f(t)\colon I\to }
R
2
{\displaystyle \mathbb {R} ^{2}}
öyle ki
φ
1
∘
f
(
t
)
=
(
2
t
−
1
,
(
2
t
−
1
)
3
)
{\displaystyle \varphi _{1}\circ \ f(t)=(2t-1,(2t-1)^{3})}
olsun.
φ
1
∘
f
(
0
)
=
{\displaystyle \varphi _{1}\circ \ f(0)=}
(
−
1
,
−
1
)
{\displaystyle (-1,-1)}
ve
φ
1
∘
f
(
1
)
=
(
1
,
1
)
{\displaystyle \varphi _{1}\circ \ f(1)=(1,1)}
olmaktadır.
Bu bileşke fonksiyonunun bileşenleri
2
t
−
1
{\displaystyle 2t-1}
ve
(
2
t
−
1
)
3
{\displaystyle (2t-1)^{3}}
,
I
{\displaystyle I}
tanım aralığında sürekli fonksiyon olduklarından bu bileşke fonksiyonun sürekli olduğu sonucuna ulaşılır.
Sonuç olarak
φ
1
∘
f
{\displaystyle \varphi _{1}\circ \ f}
,
X
{\displaystyle X}
uzayında bir yol olur.
Şekil 3:
φ
{\displaystyle \varphi }
ve
φ
¯
{\displaystyle {\bar {\varphi }}}
yolları.
p
{\displaystyle p}
’den
q
{\displaystyle q}
’ya giden bir
φ
:
I
→
X
{\displaystyle \varphi \colon I\to X}
yolu için,
φ
¯
{\displaystyle {\bar {\varphi }}}
ters yolu
φ
¯
(
t
)
=
{\displaystyle {\bar {\varphi }}(t)=}
φ
(
1
−
t
)
{\displaystyle \varphi (1-t)}
olarak tanımlanır. Bu durumda
φ
¯
{\displaystyle {\bar {\varphi }}}
yolunun başlangıç noktası
q
{\displaystyle q}
ve bitiş noktası
p
{\displaystyle p}
olur.
Örnek olarak,
φ
:
I
→
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle \varphi \colon I\to [-1,1]}
yolunu
φ
(
t
)
=
2
t
−
1
{\displaystyle \varphi (t)=2t-1}
olarak tanımlayalım. Bu durumda
φ
(
0
)
=
−
1
{\displaystyle \varphi (0)=-1}
ve
φ
(
1
)
=
0
{\displaystyle \varphi (1)=0}
olur.
φ
{\displaystyle \varphi }
üzerindeki oryantasyonu ters çevirirsek,
φ
¯
:
I
→
[
−
1
,
1
]
{\displaystyle {\bar {\varphi }}\colon I\to [-1,1]}
olarak tanımlı
φ
¯
(
t
)
=
{\displaystyle {\bar {\varphi }}(t)=}
φ
(
1
−
t
)
{\displaystyle \varphi (1-t)}
olan ters yolunu elde ederiz (Şekil 3).
φ
¯
(
0
)
=
{\displaystyle {\bar {\varphi }}(0)=}
φ
(
1
)
=
1
{\displaystyle \varphi (1)=1}
ve
φ
¯
(
1
)
=
−
1
{\displaystyle {\bar {\varphi }}(1)=-1}
,
φ
(
0
)
=
−
1
{\displaystyle \varphi (0)=-1}
,
φ
(
1
)
=
1
{\displaystyle \varphi (1)=1}
olduğunu not edelim.
Şekil 4: Birim çember ve üzerindeki
φ
{\displaystyle \varphi }
yolu (kırmızı oklarla gösterilmiştir.)
Birim çember üzerinde yol örneğini inceleyelim;
S
1
{\displaystyle S^{1}}
birim çember olmak üzere,
φ
:
I
→
S
1
⊂
C
{\displaystyle \varphi \colon I\to S^{1}\subset \mathbb {C} }
fonksiyonunu
φ
(
t
)
=
{\displaystyle \varphi (t)=}
e
2
i
π
=
cos
2
π
t
+
i
sin
2
π
t
{\displaystyle e^{2i\pi }=\cos 2\pi t+i\sin 2\pi t}
[ 2] olarak tanımlayalım.
Bu fonksiyon aşağıdaki özellikleri sağlamaktadır:
•
φ
{\displaystyle \varphi }
süreklidir, çünkü üstel fonksiyonun sürekli olduğunu biliyoruz.[ 3]
•
φ
(
0
)
=
1
{\displaystyle \varphi (0)=1}
,
φ
(
1
4
)
=
i
{\displaystyle \varphi {\bigg (}{\frac {1}{4}}{\bigg )}=i}
,
φ
(
1
2
)
=
−
1
{\displaystyle \varphi {\bigg (}{\frac {1}{2}}{\bigg )}=-1}
,
φ
(
3
4
)
=
−
i
{\displaystyle \varphi {\bigg (}{\frac {3}{4}}{\bigg )}=-i}
,
φ
(
1
)
=
1
{\displaystyle \varphi (1)=1}
.
Bu nedenle,
φ
{\displaystyle \varphi }
birim çember üzerindeki pozitif yönlü bir yoldur (Şekil 4).
Birim küre üzerinde yol örneğinde ise,
R
3
{\displaystyle R^{3}}
üzerindeki birim küreyi ele alalım:
S
2
=
{
(
x
,
y
,
z
)
∈
R
3
∣
x
2
+
y
2
+
z
2
=
1
}
{\displaystyle S^{2}=\left\{(x,y,z)\in \mathbb {R} ^{3}\mid x^{2}+y^{2}+z^{2}=1\right\}}
.
φ
:
[
0
,
1
]
→
S
2
⊂
R
3
{\displaystyle \varphi \colon [0,1]\to S^{2}\subset \mathbb {R} ^{3}}
fonksiyonunu
φ
(
t
)
=
{\displaystyle \varphi (t)=}
(
cos
π
t
,
sin
π
t
,
0
)
{\displaystyle (\cos \pi t,\sin \pi t,0)}
şeklinde tanımlayalım. Bu şekilde tanımlı
φ
{\displaystyle \varphi }
fonksiyonu bariz bir şekilde süreklidir çünkü kosinüs ve sinüs fonksiyonları süreklidir.
Sonuç olarak,
φ
(
0
)
=
(
1
,
0
,
0
)
,
φ
(
1
2
)
=
(
0
,
1
,
0
)
{\displaystyle \varphi (0)=(1,0,0),\varphi {\bigg (}{\frac {1}{2}}{\bigg )}=(0,1,0)}
ve
φ
(
1
)
=
(
−
1
,
0
,
0
)
{\displaystyle \varphi (1)=(-1,0,0)}
olur. Bu yüzden,
φ
{\displaystyle \varphi }
fonksiyonu
S
2
{\displaystyle S^{2}}
üzerinde bir yoldur ve oryantasyonu Şekil 5’teki gibidir.
Diğer yandan,
β
:
I
→
S
2
⊂
R
3
{\displaystyle \beta \colon I\to S^{2}\subset \mathbb {R} ^{3}}
,
β
(
t
)
=
{\displaystyle \beta (t)=}
(
0
,
sin
π
2
t
,
cos
π
2
t
)
{\displaystyle (0,\sin \pi 2t,\cos \pi 2t)}
biçiminde tanımlı olan fonksiyon süreklidir ve
β
(
0
)
=
(
0
,
0
,
1
)
,
β
(
1
)
=
(
0
,
1
,
0
)
{\displaystyle \beta (0)=(0,0,1),\beta (1)=(0,1,0)}
olduğundan
β
{\displaystyle \beta }
fonksiyonu
S
2
{\displaystyle S^{2}}
üzerinde başka bir yola örnektir (Şekil 6).
Herhangi
X
{\displaystyle X}
ve
Y
{\displaystyle Y}
topolojik uzayları arasında bir homeomorfizma ,
f
:
X
→
Y
{\displaystyle \ f\colon X\to Y}
birebir ve örten bir fonksiyon şeklinde tanımlanır;
f
{\displaystyle f}
ve
f
−
1
:
Y
→
X
{\displaystyle \ f^{-1}\colon Y\to X}
sürekli fonksiyonlardır.
I
{\displaystyle I}
’dan
I
{\displaystyle I}
’ya giden daima artan homeomorfizmaların kümesi şu şekilde tanımlanır:
Homeo
+
(
I
,
I
)
=
{
f
:
I
→
I
∣
f
daima artan ve homeomorfizma
}
{\displaystyle \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)=\left\{f\colon I\to I\mid f\ {\text{daima artan ve homeomorfizma}}\right\}}
.
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
kümesi fonksiyon bileşkesi
∘
{\displaystyle \circ }
altında bir gruptur .
Kanıtı için, önce
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
kümesinin
∘
{\displaystyle \circ }
işlemi altında kapalı olduğunu göstermek yeterlidir. Herhangi
f
,
g
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle f,g\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
seçelim.
f
∘
g
:
I
→
I
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle f\circ g\colon I\to I\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
olduğunu göstereceğiz.
f
{\displaystyle f}
, daima artan ve sürekli bir fonksiyon olup tersi de süreklidir. Aynı şekilde
g
{\displaystyle g}
için de aynı özellikler sağlanır. İki artan fonksiyonun bileşkesi de artan olacağından
f
∘
g
{\displaystyle f\circ g}
fonksiyonu da artan olur.[ 4]
İki sürekli fonksiyonun bileşkesi de sürekli bir fonksiyon olduğundan
f
∘
g
{\displaystyle f\circ g}
fonksiyonu da sürekli olur.
Öte yandan,
f
−
1
{\displaystyle f^{-1}}
ve
g
−
1
{\displaystyle g^{-1}}
fonksiyonlarının sürekli olduğunu biliyoruz. O halde
(
f
∘
g
)
−
1
=
{\displaystyle (f\circ g)^{-1}=}
g
−
1
∘
f
−
1
{\displaystyle g^{-1}\circ f^{-1}}
fonksiyonu da sürekli olur. Sonuç olarak
f
∘
g
:
I
→
I
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle f\circ g\colon I\to I\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
elde ederiz.
Şimdi (
Homeo
+
(
I
,
I
)
,
∘
{\displaystyle \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I),\circ }
) kümesinin grup aksiyomlarını (bileşim, birim eleman, terslenebilme) sağladığını gösterelim.[ 5]
•Bileşim özelliği: Herhangi
f
,
g
,
h
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle f,g,h\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
seçelim. Rastgele bir
x
∈
I
{\displaystyle x\in I}
elemanı alalım. O halde,
•
h
∘
(
g
∘
f
)
(
x
)
=
h
(
g
∘
f
(
x
)
)
=
h
(
g
(
f
(
x
)
)
)
{\displaystyle h\circ (g\circ f)(x)=h(g\circ f(x))=h(g(f(x)))}
ve
•
(
h
∘
g
)
∘
f
(
x
)
=
(
h
∘
g
)
(
f
(
x
)
)
=
h
(
g
(
f
(
x
)
)
)
{\displaystyle (h\circ g)\circ f(x)=(h\circ g)(f(x))=h(g(f(x)))}
olduğundan her
x
∈
I
{\displaystyle x\in I}
için
h
∘
(
g
∘
f
)
(
x
)
=
(
h
∘
g
)
∘
f
(
x
)
{\displaystyle h\circ (g\circ f)(x)=(h\circ g)\circ f(x)}
olur.
•Birim eleman:
Id
:
I
→
I
{\displaystyle \operatorname {Id} \colon I\to I}
fonksiyonu,
Id
(
x
)
=
x
{\displaystyle \operatorname {Id} (x)=x}
olduğunda (
Homeo
+
(
I
,
I
)
,
∘
{\displaystyle \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I),\circ }
)’nun birim elemanıdır çünkü
Id
{\displaystyle \operatorname {Id} }
(birim fonksiyon ) süreklidir, birebir ve örtendir, daima artandır.
Öte yandan
Id
−
1
:
I
→
I
{\displaystyle \operatorname {Id} ^{-1}\colon I\to I}
ters fonksiyonu da süreklidir çünkü her
x
∈
I
{\displaystyle x\in I}
için
Id
−
1
(
x
)
=
Id
(
x
)
⇔
Id
−
1
=
Id
{\displaystyle \operatorname {Id} ^{-1}(x)=\operatorname {Id} (x)\Leftrightarrow \operatorname {Id} ^{-1}=\operatorname {Id} }
.
Sonuç olarak her
x
∈
I
{\displaystyle x\in I}
için
(
f
∘
Id
)
(
x
)
=
f
(
Id
(
x
)
)
=
f
(
x
)
,
(
Id
∘
f
)
(
x
)
=
Id
(
f
(
x
)
)
=
f
(
x
)
{\displaystyle (f\circ \operatorname {Id} )(x)=f(\operatorname {Id} (x))=f(x),(\operatorname {Id} \circ f)(x)=\operatorname {Id} (f(x))=f(x)}
olmaktadır.
•Terslenebilme: Herhangi bir
f
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle f\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
alalım.
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
’ın tanımından dolayı,
f
{\displaystyle f}
’in daima artan, birebir, örten ve sürekli olduğunu ve
f
−
1
{\displaystyle f^{-1}}
’in de sürekli olduğunu biliyoruz.
f
−
1
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle f^{-1}\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
olduğunu göstermek gereklidir. Bunun için,
f
−
1
{\displaystyle f^{-1}}
’in daima artan olduğunu göstermek yeterlidir.
Herhangi
x
,
y
∈
I
{\displaystyle x,y\in I}
alalım ve
x
<
y
{\displaystyle x<y}
olduğunu varsayalım.
f
−
1
(
x
)
<
f
−
1
(
y
)
{\displaystyle f^{-1}(x)<f^{-1}(y)}
olduğunu gösterelim.
f
{\displaystyle f}
daima artandır ve
x
<
y
{\displaystyle x<y}
olduğu için
f
(
x
)
<
f
(
y
)
{\displaystyle f(x)<f(y)}
olur.
f
{\displaystyle f}
’in birebir ve örtenlik özelliğinden dolayı
f
(
a
)
=
x
{\displaystyle f(a)=x}
ve
f
(
b
)
=
y
{\displaystyle f(b)=y}
olan biricik
a
,
b
∈
I
{\displaystyle a,b\in I}
elemanları vardır.
f
{\displaystyle f}
daima artan ve
x
<
y
{\displaystyle x<y}
olduğu için,
f
(
a
)
<
f
(
b
)
{\displaystyle f(a)<f(b)}
olur. Bu yüzden
a
<
b
{\displaystyle a<b}
ve
f
−
1
(
x
)
<
f
−
1
(
y
)
{\displaystyle f^{-1}(x)<f^{-1}(y)}
olur. Sonuç olarak,
∘
{\displaystyle \circ }
işlemi altında
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
bir gruptur.
Eğer
h
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle h\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
ise
h
(
0
)
=
0
{\displaystyle h(0)=0}
ve
h
(
1
)
=
1
{\displaystyle h(1)=1}
olur.
Kanıtını şöyle açıklayabiliriz; herhangi
h
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle h\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
alalım; yani
h
:
I
→
I
{\displaystyle h\colon I\to I}
sürekli, daima artan ve birebir-örten bir homeomorfizmadır. O halde
f
−
1
{\displaystyle f^{-1}}
’ fonksiyonu da süreklidir.
h
(
0
)
≠
{
0
,
1
}
{\displaystyle h(0)\neq \{0,1\}}
olsun ki bu
h
(
0
)
=
x
∈
(
0
,
1
)
{\displaystyle h(0)=x\in (0,1)}
anlamına gelir.
(
0
,
1
]
{\displaystyle (0,1]}
aralığının bağlantılı (connected) olduğunu biliyoruz.[ 6] O zaman
h
{\displaystyle h}
sürekli olduğundan
h
(
(
0
,
1
]
)
{\displaystyle h((0,1])}
’in de bağlantılı olduğunu söyleyebiliriz.
h
{\displaystyle h}
birebir ve örten olduğundan,
h
(
(
0
,
1
]
)
=
[
0
,
x
)
∪
[
x
,
1
]
{\displaystyle h((0,1])=[0,x)\cup [x,1]}
olur. Fakat
[
0
,
x
)
∪
[
x
,
1
]
{\displaystyle [0,x)\cup [x,1]}
bağlantılı değildir. Bu yüzden
h
(
0
)
≠
0
,
1
{\displaystyle h(0)\neq {0,1}}
varsayımıyla bir çelişki elde ederiz. Yani
h
(
0
)
=
{
0
,
1
}
{\displaystyle h(0)=\{0,1\}}
olur.
Şimdi
h
(
0
)
=
0
{\displaystyle h(0)=0}
olduğunu gösterelim.
h
(
0
)
=
1
{\displaystyle h(0)=1}
olduğunu varsayalım.
h
{\displaystyle h}
fonksiyonu daima artan ve
0
<
1
{\displaystyle 0<1}
olduğundan,
h
(
0
)
<
h
(
1
)
{\displaystyle h(0)<h(1)}
olur; bu da
1
<
h
(
1
)
{\displaystyle 1<h(1)}
demektir.
h
:
[
0
,
1
]
→
[
0
,
1
]
{\displaystyle h\colon [0,1]\to [0,1]}
olduğundan
h
(
1
)
{\displaystyle h(1)}
değeri
1
{\displaystyle 1}
’den büyük olamaz. O halde
h
(
0
)
=
0
{\displaystyle h(0)=0}
olur. Aynı muhakeme ile
h
(
1
)
=
1
{\displaystyle h(1)=1}
sonucu elde edilir.
Sonuç olarak, her
h
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle h\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
için,
h
(
0
)
=
0
{\displaystyle h(0)=0}
ve
h
(
1
)
=
1
{\displaystyle h(1)=1}
olur.
Yollar üzerinde denklik bağıntısı
değiştir
X
{\displaystyle X}
uzayında
f
,
g
:
I
→
X
{\displaystyle f,g\colon I\to X}
yollarını düşünelim. Eğer
f
=
g
∘
h
{\displaystyle f=g\circ h}
eşitliğini sağlayan bir
h
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle h\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
varsa, o halde
f
≈
g
{\displaystyle f\approx g}
denilir.
≈
{\displaystyle \approx }
bir denklik bağıntısıdır , önermesinin ispatını şöyle açıklayabiliriz;
≈
{\displaystyle \approx }
bağıntısının yansıma, simetri ve geçişme özelliklerini sağladığını göstereceğiz.
•yansıma:
f
:
I
→
X
{\displaystyle f\colon I\to X}
herhangi bir yol olsun. Eğer
h
{\displaystyle h}
fonksiyonunu
Id
:
I
→
I
{\displaystyle \operatorname {Id} \colon I\to I}
şeklinde tanımlı birim fonksiyon alırsak
f
=
f
∘
h
{\displaystyle f=f\circ h}
olur. Dolayısıyla
f
≈
f
{\displaystyle f\approx f}
olur.
•simetri:
f
,
g
:
I
→
X
{\displaystyle f,g\colon I\to X}
herhangi iki yol olsunlar.
f
≈
g
{\displaystyle f\approx g}
olduğunu varsayalım ve
g
≈
f
{\displaystyle g\approx f}
olduğunu gösterelim.
f
≈
g
{\displaystyle f\approx g}
ise
f
=
g
∘
h
{\displaystyle f=g\circ h}
olacak şekilde bir
h
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle h\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
vardır.
h
{\displaystyle h}
fonksiyonunun birebir ve örten olduğunu biliyoruz; bu yüzden şöyle yazabiliriz:
f
=
g
∘
h
⇔
f
∘
h
−
1
=
g
{\displaystyle f=g\circ h\Leftrightarrow f\circ h^{-1}=g}
. Yani öyle bir fonksiyon bulmuş olduk ki
k
=
h
−
1
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle k=h^{-1}\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
ve
g
=
f
∘
k
{\displaystyle g=f\circ k}
oldu. Sonuç olarak
g
≈
f
{\displaystyle g\approx f}
olur.
•geçişme:
f
,
g
,
h
:
I
→
X
{\displaystyle f,g,h\colon I\to X}
herhangi üç yol olsunlar.
f
≈
g
{\displaystyle f\approx g}
ve
g
≈
h
{\displaystyle g\approx h}
olduklarını varsayalım ve
f
≈
h
{\displaystyle f\approx h}
olduğunu gösterelim.
Varsayımlara göre,
f
=
g
∘
φ
f
{\displaystyle f=g\circ \varphi _{f}}
ve
g
=
h
∘
φ
g
{\displaystyle g=h\circ \varphi _{g}}
eşitliklerini sağlayan
φ
f
,
φ
g
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle \varphi _{f},\varphi _{g}\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
elemanları vardır. Bu nedenle,
f
=
g
∘
φ
f
⇔
f
=
h
∘
φ
g
∘
φ
f
{\displaystyle f=g\circ \varphi _{f}\Leftrightarrow f=h\circ \varphi _{g}\circ \varphi _{f}}
’dir.
φ
f
,
φ
g
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle \varphi _{f},\varphi _{g}\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
olduğundan
φ
f
∘
φ
g
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle \varphi _{f}\circ \varphi _{g}\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
olur. Yani
k
=
φ
f
∘
φ
g
∈
Homeo
+
(
I
,
I
)
{\displaystyle k=\varphi _{f}\circ \varphi _{g}\in \operatorname {Homeo} ^{+}(I,I)}
elemanı
f
=
h
∘
k
{\displaystyle f=h\circ k}
eşitliğini sağlar. Dolayısıyla,
f
≈
h
{\displaystyle f\approx h}
olur.
Sonuç olarak
≈
{\displaystyle \approx }
bir denklik bağıntısıdır.
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
ve
φ
2
{\displaystyle \varphi _{2}}
fonksiyonları
X
{\displaystyle X}
uzayında iki yol olsun. Bu yolların bir homotopisi ,
F
:
I
×
I
→
X
{\displaystyle F\colon I\times I\to X}
,
(
a
,
t
)
↦
F
(
a
,
t
)
{\displaystyle (a,t)\mapsto F(a,t)}
şeklinde tanımlı ve aşağıdaki şartları sağlayan sürekli bir fonksiyondur.
(i) Her
a
{\displaystyle a}
sayısı için,
F
(
a
,
t
)
:
I
→
X
{\displaystyle F(a,t)\colon I\to X}
,
p
{\displaystyle p}
’den
q
{\displaystyle q}
’ya giden bir yol belirtir.
(ii)
p
{\displaystyle p}
’den
q
{\displaystyle q}
’ya giden
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
,
φ
2
{\displaystyle \varphi _{2}}
yolları için
F
(
0
,
t
)
=
{\displaystyle F(0,t)=}
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
ve
F
(
1
,
t
)
=
{\displaystyle F(1,t)=}
φ
2
{\displaystyle \varphi _{2}}
’dir.
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
ve
φ
2
{\displaystyle \varphi _{2}}
yolları bu şekilde bir
F
{\displaystyle F}
homotopisi ile bağlanırlarsa
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
ve
φ
2
{\displaystyle \varphi _{2}}
homotopiktirler denilir ve
φ
1
≃
φ
2
{\displaystyle \varphi _{1}\simeq \varphi _{2}}
şeklinde gösterilir.
Yolların bileşkesi, yolların denklik sınıfları üzerinde iyi tanımlıdır.
Önermenin kanıtını şöyle açıklayabiliriz:
φ
0
{\displaystyle \varphi _{0}}
,
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
,
φ
0
′
{\displaystyle \varphi _{0}^{'}}
ve
φ
1
′
{\displaystyle \varphi _{1}^{'}}
:
[
0
,
1
]
→
X
{\displaystyle [0,1]\rightarrow X}
şeklinde tanımlı yollar olsun. . Eğer
φ
0
≃
φ
0
′
{\displaystyle \varphi _{0}\simeq \varphi _{0}^{'}}
ve
φ
1
≃
φ
1
′
{\displaystyle \varphi _{1}\simeq \varphi _{1}^{'}}
olduğunda
φ
0
∘
φ
1
≃
φ
0
′
∘
φ
1
′
{\displaystyle \varphi _{0}\circ \varphi _{1}\simeq \varphi _{0}^{'}\circ \varphi _{1}^{'}}
denkliği sağlanıyorsa bu bileşke işlemi iyi tanımlıdır.
φ
0
ve
φ
0
′
{\displaystyle \varphi _{0}{\text{ ve }}\varphi _{0}^{'}}
arasında
F
{\displaystyle F}
homotopisi ve
φ
1
ve
φ
1
′
{\displaystyle \varphi _{1}{\text{ ve }}\varphi _{1}^{'}}
arasında ise
G
{\displaystyle G}
homotopisi tanımlı olsun.
F
∘
G
{\displaystyle {\displaystyle F\circ G}}
homotopisini aşağıdaki şekilde tanımladığımız zaman yolların bileşkesinin iyi tanımlı olduğunu göstermiş oluruz.
F
∘
G
(
s
,
t
)
=
{
F
(
2
s
,
t
)
,
0
≤
s
≤
1
2
G
(
2
s
−
1
,
t
)
,
1
2
≤
s
≤
1
{\displaystyle F\circ G(s,t)={\begin{cases}F(2s,t),&0\leq s\leq {\frac {1}{2}}\\G(2s-1,t),&{\frac {1}{2}}\leq s\leq 1\end{cases}}}
olduğunda
(
F
∘
G
)
(
s
,
0
)
=
F
(
2
s
,
0
)
=
φ
0
,
(
F
⋆
G
)
(
s
,
1
)
=
G
(
2
s
−
1
,
1
)
=
φ
1
′
{\displaystyle {\displaystyle (F\circ G)(s,0)=F(2s,0)=\varphi _{0}{\text{, }}(F\star G)(s,1)=G(2s-1,1)=\varphi _{1}^{'}}}
eşitliklerini elde ederiz. Bu yüzden
φ
0
∘
φ
1
≃
φ
0
′
∘
φ
1
′
{\displaystyle {\displaystyle \varphi _{0}\circ \varphi _{1}\simeq \varphi _{0}^{'}\circ \varphi _{1}^{'}}}
denkliği sağlanır. Bu yüzden yolların bileşkesi, yolların denklik sınıfları üzerinde iyi tanımlıdır.
Bir uzayda sabit başlangıç ve bitiş noktaları olan yollar üzerindeki homotopi ilişkisi bir denklik bağıntısıdır . Uzaydaki bir
φ
{\displaystyle \varphi }
yolunun homotopi sınıfı
[
φ
]
{\displaystyle [\varphi ]}
ile gösterilir.
İspatını yaparken, Homotopi ilişkisinin yansıma, simetri ve geçişme özelliklerini sağladığı göstermeli.[ 7]
•yansıma:
φ
1
:
I
→
X
{\displaystyle \varphi _{1}\colon I\to X}
,
p
{\displaystyle p}
’den
q
{\displaystyle q}
’ya giden bir yol olsun.
F
:
I
×
I
→
X
{\displaystyle F\colon I\times I\to X}
,
F
(
a
,
t
)
=
f
(
t
)
{\displaystyle F(a,t)=f(t)}
şeklinde tanımlanmış
F
{\displaystyle F}
fonksiyonu
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
ile
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}}
arasında bir homotopidir; çünkü her
a
{\displaystyle a}
için,
F
(
a
,
t
)
:
I
→
X
{\displaystyle F(a,t)\colon I\to X}
fonksiyonu
p
{\displaystyle p}
’den
q
{\displaystyle q}
’ya giden bir yoldur ve
F
(
0
,
t
)
=
φ
1
(
t
)
,
F
(
1
,
t
)
=
φ
1
(
t
)
{\displaystyle F(0,t)=\varphi _{1}(t),F(1,t)=\varphi _{1}(t)}
’dir. Sonuç olarak
φ
1
≃
φ
1
{\displaystyle \varphi _{1}\simeq \varphi _{1}}
elde edilir.
•simetri:
φ
1
,
φ
2
:
I
→
X
{\displaystyle \varphi _{1},\varphi _{2}\colon I\to X}
,
p
{\displaystyle p}
’den
q
{\displaystyle q}
’ya giden 2 yol olsun.
φ
1
≃
φ
2
{\displaystyle \varphi _{1}\simeq \varphi _{2}}
olduğunu kabul edelim. O halde öyle bir
F
:
I
×
I
→
X
{\displaystyle \ F\colon I\times I\to X}
şeklinde tanımlı homotopi vardır ki; her sabit
a
{\displaystyle a}
için,
F
(
a
,
t
)
:
I
→
X
{\displaystyle \ F(a,t)\colon I\to X}
fonksiyonu
p
{\displaystyle p}
’den
q
{\displaystyle q}
’ya giden bir yol olur ve
F
(
0
,
t
)
=
{\displaystyle F(0,t)=}
φ
1
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{1}(t)}
,
F
(
1
,
t
)
=
{\displaystyle F(1,t)=}
φ
2
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{2}(t)}
’dir.
Şimdi
F
′
:
I
×
I
→
X
{\displaystyle \ F'\colon I\times I\to X}
fonksiyonunu
F
′
(
a
,
t
)
=
{\displaystyle F'(a,t)=}
F
(
1
−
a
,
t
)
{\displaystyle \ F(1-a,t)}
şeklinde tanımlayalım. O zaman her sabit
a
{\displaystyle a}
için,
F
′
(
a
,
t
)
=
{\displaystyle F'(a,t)=}
F
(
1
−
a
,
t
)
{\displaystyle \ F(1-a,t)}
fonksiyonu
p
{\displaystyle p}
’den
q
{\displaystyle q}
’ya giden bir yoldur ve
F
′
(
0
,
t
)
=
{\displaystyle F'(0,t)=}
F
(
1
,
t
)
=
{\displaystyle \ F(1,t)=}
φ
2
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{2}(t)}
ve
F
′
(
1
,
t
)
=
{\displaystyle F'(1,t)=}
F
(
0
,
t
)
=
{\displaystyle \ F(0,t)=}
φ
1
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{1}(t)}
olur. Sonuç olarak
g
≃
f
{\displaystyle \ g\simeq f}
elde edilir.
•geçişme:
φ
1
,
φ
2
,
φ
3
:
I
→
X
{\displaystyle \varphi _{1},\varphi _{2},\varphi _{3}\colon I\to X}
şeklinde tanımlı 3 yol olsun.
φ
1
≃
φ
2
{\displaystyle \varphi _{1}\simeq \varphi _{2}}
ve
φ
2
≃
φ
3
{\displaystyle \varphi _{2}\simeq \varphi _{3}}
olduğunu kabul edelim. Göstermemiz gereken;
φ
1
≃
φ
3
{\displaystyle \varphi _{1}\simeq \varphi _{3}}
dir.
φ
1
≃
φ
2
{\displaystyle \varphi _{1}\simeq \varphi _{2}}
ve
φ
2
≃
φ
3
{\displaystyle \varphi _{2}\simeq \varphi _{3}}
olduğundan öyle
F
{\displaystyle F}
ve
G
{\displaystyle G}
homotopileri vardır ki;
F
:
I
×
I
→
X
{\displaystyle \ F\colon I\times I\to X}
,
F
(
0
,
t
)
=
{\displaystyle \ F(0,t)=}
φ
1
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{1}(t)}
ve
F
(
1
,
t
)
=
{\displaystyle \ F(1,t)=}
φ
2
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{2}(t)}
,
G
:
I
×
I
→
X
{\displaystyle \ G\colon I\times I\to X}
,
G
(
0
,
t
)
=
{\displaystyle \ G(0,t)=}
φ
2
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{2}(t)}
ve
G
(
1
,
t
)
=
{\displaystyle \ G(1,t)=}
φ
3
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{3}(t)}
’dir. Şimdi bir
H
:
I
×
I
→
X
{\displaystyle \ H\colon I\times I\to X}
fonksiyonunu
H
(
a
,
t
)
=
{
F
(
2
a
,
t
)
0
≤
a
≤
1
2
G
(
2
a
−
1
,
t
)
1
2
≤
a
≤
1
{\displaystyle {\begin{aligned}\ H(a,t)&={\begin{cases}\ F(2a,t)&0\leq a\leq {\tfrac {1}{2}}\\\ G(2a-1,t)&{\tfrac {1}{2}}\leq a\leq 1\end{cases}}\end{aligned}}}
şeklinde tanımlayalım. Açıkça görüyoruz ki;
H
(
a
,
t
)
{\displaystyle \ H(a,t)}
fonksiyonu
a
=
1
/
2
{\displaystyle \ a=1/2}
noktası dışında her yerde süreklidir.
Öte yandan
a
=
1
/
2
{\displaystyle a=1/2}
için
lim
a
→
1
/
2
+
H
(
a
,
t
)
=
G
(
0
,
t
)
=
{\displaystyle \lim _{a\to 1/2^{+}}H(a,t)=G(0,t)=}
φ
2
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{2}(t)}
ve
lim
a
→
1
/
2
−
H
(
a
,
t
)
=
F
(
1
,
t
)
=
{\displaystyle \lim _{a\to 1/2^{-}}H(a,t)=F(1,t)=}
φ
2
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{2}(t)}
olmaktadır.
Dolayısıyla
H
(
a
,
t
)
{\displaystyle \ H(a,t)}
fonksiyonu
a
=
1
/
2
{\displaystyle \ a=1/2}
noktasında da süreklidir. Ayrıca,
H
(
0
,
t
)
=
F
(
0
,
t
)
=
{\displaystyle H(0,t)=F(0,t)=}
φ
1
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{1}(t)}
ve
H
(
1
,
t
)
=
G
(
1
,
t
)
=
{\displaystyle H(1,t)=G(1,t)=}
φ
3
(
t
)
{\displaystyle \varphi _{3}(t)}
olduğunu görüyoruz.
Sonuç olarak
φ
1
≃
φ
3
{\displaystyle \varphi _{1}\simeq \varphi _{3}}
φ
1
≃
φ
3
{\displaystyle \varphi _{1}\simeq \varphi _{3}}
elde edilir.
π
1
(
X
,
x
0
)
{\displaystyle \pi _{1}(X,x_{0})}
gruptur.
Kanıtını göstermek için, örnek olarak
x
0
∈
X
{\displaystyle x_{0}\in X}
ve
π
1
(
X
,
x
0
)
{\displaystyle \pi _{1}(X,x_{0})}
,
x
0
{\displaystyle x_{0}}
'a dayalı döngülerinin homotopi sınıflarının kümesi olsun.
•Birim elemanı
e
x
0
:
[
0
,
1
]
⟶
X
{\displaystyle e_{x_{0}}:[0,1]\longrightarrow X}
,
e
x
0
(
t
)
=
x
0
{\displaystyle e_{x_{0}}(t)=x_{0}}
olan
[
e
x
0
]
{\displaystyle [e_{x_{0}}]}
döngüsünün sınıfıdır. Herhangi bir
f
{\displaystyle f}
döngüsü için
[
e
x
0
]
⋆
[
f
]
=
[
f
]
{\displaystyle [e_{x_{0}}]\star [f]=[f]}
eşitliği sağlanır ve homotopi şu şekilde tanımlanır:
F
(
s
,
t
)
=
{
e
x
0
,
0
≤
t
≤
1
−
s
2
f
(
(
2
t
+
s
−
1
)
(
s
+
1
)
)
,
1
−
s
2
≤
t
≤
1
{\displaystyle F(s,t)={\begin{cases}e_{x_{0}},&0\leq t\leq {\frac {1-s}{2}}\\f({\frac {(2t+s-1)}{(s+1)}}),&{\frac {1-s}{2}}\leq t\leq 1\end{cases}}}
.
•
f
{\displaystyle f}
,
π
1
(
X
,
x
0
)
{\displaystyle \pi _{1}(X,x_{0})}
'te bulunan herhangi bir döngü olsun.
f
{\displaystyle f}
'in tersini
f
(
s
)
¯
=
f
(
1
−
s
)
{\displaystyle {\overline {f(s)}}=f(1-s)}
olarak tanımlayalım.
f
{\displaystyle f}
'in tersini yönünü değiştirerek tanımladık. Şimdi ise
e
ve
f
⋆
f
¯
{\displaystyle e{\text{ ve }}f\star {\overline {f}}}
arasındaki homotopi şu şekilde tanımlanır:
F
(
s
,
t
)
=
{
f
(
2
t
s
)
,
0
≤
t
≤
1
2
f
(
2
s
(
1
−
t
)
,
1
2
≤
t
≤
1
{\displaystyle F(s,t)={\begin{cases}f(2ts),&0\leq t\leq {\frac {1}{2}}\\f(2s(1-t),&{\frac {1}{2}}\leq t\leq 1\end{cases}}}
.
•
f
,
g
,
h
∈
π
1
(
X
,
x
0
)
{\displaystyle f,g,h\in \pi _{1}(X,x_{0})}
herhangi üç eleman olsun. Şimdi ise
[
f
]
⋆
(
[
g
]
⋆
[
h
]
)
=
(
[
f
]
⋆
[
g
]
)
⋆
[
h
]
{\displaystyle [f]\star ([g]\star [h])=([f]\star [g])\star [h]}
olduğunu gösterelim. Bu koşulu sağlayan homotopi şu şekilde tanımlanır:
F
(
t
,
s
)
=
{
f
(
4
t
1
+
s
)
,
0
≤
t
≤
s
+
1
4
g
(
4
t
−
1
−
s
)
,
s
+
1
4
≤
t
≤
s
+
2
4
h
(
1
−
4
1
−
t
2
−
s
)
,
s
+
2
4
≤
t
≤
1
{\displaystyle F(t,s)={\begin{cases}f({\frac {4t}{1+s}}),&0\leq t\leq {\frac {s+1}{4}}\\g(4t-1-s),&{\frac {s+1}{4}}\leq t\leq {\frac {s+2}{4}}\\h(1-4{\frac {1-t}{2-s}}),&{\frac {s+2}{4}}\leq t\leq 1\end{cases}}}
.
Birim elemanın varlığı, ters elemanın varlığı ve geçişme özelliğini sağladığından ötürü
π
1
(
X
,
x
0
)
{\displaystyle \pi _{1}(X,x_{0})}
bir gruptur.
1 noktasına dayalı birim çemberin temel grubu
Z
{\displaystyle \mathbb {Z} }
tam sayılar grubuna izomorftur, şeklinde gösterilir:
π
1
(
S
1
,
1
)
≃
Z
{\displaystyle \pi _{1}(S^{1},1)\simeq \mathbb {Z} }
.
Sekiz şeklinin temel grubu iki eleman tarafından üretilen serbest gruptur .
Vikikitap