Matematică  ·  Analiză — Elemente de topologie  ·  Liceu
Structura topologică a lui \(\mathbb{R}\)
Noțiuni introductive — vecinătăți, mulțimi deschise și închise, densitate, completitudine

§1 Ce înseamnă „structură topologică"?

Topologia pe \(\mathbb{R}\) răspunde la întrebarea: cum sunt aranjate numerele reale unele față de altele? Nu ne interesează valoarea exactă a numerelor, ci relațiile de vecinătate — care numere sunt „aproape" de altele și ce înseamnă aceasta în mod precis.

Idee cheie Oriunde te-ai uita pe axa numerelor, în jurul oricărui punct există o „bulă" de numere la fel de reale. Aceasta reflectă faptul că \(\mathbb{R}\) nu are goluri sau sărituri.
§2 Vecinătăți
Definiție — Interval deschis

Un interval deschis \((a, b)\) este mulțimea tuturor numerelor \(x\) cu \(a < x < b\). Acesta este blocul de bază al topologiei pe \(\mathbb{R}\).

Definiție — Vecinătate

Vecinătatea unui punct \(x_0 \in \mathbb{R}\) de rază \(\varepsilon > 0\) este intervalul deschis:

\( V(x_0,\, \varepsilon) = (x_0 - \varepsilon,\; x_0 + \varepsilon) \)

adică mulțimea tuturor numerelor reale aflate la distanță mai mică de \(\varepsilon\) față de \(x_0\).

Exemplu

Vecinătatea lui \(3\) cu \(\varepsilon = 0{,}5\) este intervalul \((2{,}5;\; 3{,}5)\). Aceasta conține, printre altele, numerele \(2{,}7\), \(\pi - 0{,}14\), \(\sqrt{9} = 3\), \(3{,}14\), dar nu conține \(2{,}5\) sau \(3{,}5\).

§3 Mulțimi deschise și închise
Definiție — Mulțime deschisă

O mulțime \(D \subseteq \mathbb{R}\) este deschisă dacă pentru orice \(x \in D\) există o vecinătate a lui \(x\) complet inclusă în \(D\):

\( \forall x \in D,\quad \exists\, \varepsilon > 0 :\quad (x - \varepsilon,\; x + \varepsilon) \subseteq D \)

Exemple de mulțimi deschise

Intervalele deschise \((1, 5)\), \((0, +\infty)\), \((-\infty, 3)\); reuniuni de intervale deschise \((0,1)\cup(2,3)\); \(\mathbb{R}\) însuși; mulțimea vidă \(\emptyset\).

Definiție — Mulțime închisă

O mulțime \(F \subseteq \mathbb{R}\) este închisă dacă complementara sa \(\mathbb{R} \setminus F\) este deschisă. Echivalent: \(F\) conține toți punctele sale de acumulare (vezi §5).

Exemple de mulțimi închise

Intervalele închise \([1, 5]\), \([0, +\infty)\); mulțimi finite \(\{1, 2, 3\}\); \(\mathbb{R}\) însuși; \(\emptyset\).

Observație importantă

Majoritatea submulțimilor lui \(\mathbb{R}\) nu sunt nici deschise, nici închise. De exemplu, \([1, 5)\) nu este nici una, nici alta: marginea stângă \(1\) este în mulțime (nu e deschisă), iar marginea dreaptă \(5\) nu este (nu e închisă).

De altfel, \(\mathbb{R}\) și \(\emptyset\) sunt singurele submulțimi care sunt simultan deschise și închise.

Proprietăți fundamentale
  • Reuniunea oricâtor mulțimi deschise este deschisă.
  • Intersecția a finit de multe mulțimi deschise este deschisă.
  • Intersecția infinită de mulțimi deschise poate fi închisă:

    \( \displaystyle\bigcap_{n=1}^{\infty} \!\left(-\tfrac{1}{n},\; \tfrac{1}{n}\right) = \{0\} \)

    — mulțime închisă.
§4 Punct interior, exterior, de frontieră

Fie \(A \subseteq \mathbb{R}\) și un punct \(x \in \mathbb{R}\):

TipDefinițieIntuiție
interior lui \(A\) \(\exists\,\varepsilon > 0:\; (x-\varepsilon, x+\varepsilon) \subseteq A\) \(x\) este „în mijlocul" lui \(A\)
exterior lui \(A\) \(\exists\,\varepsilon > 0:\; (x-\varepsilon, x+\varepsilon) \cap A = \emptyset\) \(x\) este departe de \(A\)
de frontieră orice vecinătate conține și puncte din \(A\), și din \(\mathbb{R}\setminus A\) \(x\) este „la marginea" lui \(A\)
Exemplu — \(A = [1, 5)\)
  • \(3\) este punct interior: \((2{,}5;\; 3{,}5) \subseteq [1,5)\).
  • \(0\) este punct exterior: \((-0{,}5;\; 0{,}5)\) nu intersectează \([1,5)\).
  • \(1\) este punct de frontieră (și \(1 \in A\)): orice \((1-\varepsilon;\; 1+\varepsilon)\) conține numere sub \(1\) (din \(\mathbb{R}\setminus A\)) și numere în \((1;\,5)\) (din \(A\)).
  • \(5\) este punct de frontieră (dar \(5 \notin A\)): orice \((5-\varepsilon;\; 5+\varepsilon)\) conține numere în \([1,5)\) și numere \(\geq 5\).
§5 Puncte de acumulare
Definiție

\(x_0\) este punct de acumulare al mulțimii \(A\) dacă în orice vecinătate a lui \(x_0\) există cel puțin un punct din \(A\) diferit de \(x_0\):

\( \forall\,\varepsilon > 0,\quad \exists\, a \in A,\; a \neq x_0 :\quad a \in (x_0 - \varepsilon,\; x_0 + \varepsilon) \)

Exemplu

Fie \(A = \left\{\dfrac{1}{n} \mid n \in \mathbb{N}^*\right\} = \left\{1,\; \dfrac{1}{2},\; \dfrac{1}{3},\; \dfrac{1}{4},\; \ldots\right\}\).

Numărul \(0\) este punct de acumulare al lui \(A\), deși \(0 \notin A\): pentru orice \(\varepsilon > 0\), prin proprietatea lui Arhimede există \(n \in \mathbb{N}^*\) cu \(\dfrac{1}{n} < \varepsilon\), deci \(\dfrac{1}{n} \in (0-\varepsilon,\; 0+\varepsilon) \cap A\).

Propoziție

O mulțime \(F \subseteq \mathbb{R}\) este închisă \(\Longleftrightarrow\) conține toți punctele sale de acumulare.

§6 Densitate — de ce \(\mathbb{R}\) este „mai bogat" decât \(\mathbb{Q}\)
Teoremă — Densitatea lui \(\mathbb{Q}\) în \(\mathbb{R}\)

Între oricare două numere reale există un număr rațional:

\( \forall\, a, b \in \mathbb{R},\; a < b \;\Rightarrow\; \exists\, q \in \mathbb{Q} :\; a < q < b \)

Teoremă — Densitatea iraționalelor în \(\mathbb{R}\)

Între oricare două numere reale există și un număr irațional:

\( \forall\, a, b \in \mathbb{R},\; a < b \;\Rightarrow\; \exists\, r \in \mathbb{R} \setminus \mathbb{Q} :\; a < r < b \)

Concluzie

Pe dreapta numerelor reale nu există „zone goale" formate doar din raționale sau doar din iraționale — ele sunt complet amestecate. Aceasta este una dintre proprietățile esențiale ale lui \(\mathbb{R}\): structura sa topologică este extrem de fină.

§7 Completitudinea lui \(\mathbb{R}\)

\(\mathbb{Q}\) nu este complet: există șiruri de raționale care „ar trebui" să conveargă, dar limita lor nu este rațională. De exemplu, șirul \(3;\; 3{,}1;\; 3{,}14;\; 3{,}141;\; 3{,}1415;\ldots\) converge la \(\pi \notin \mathbb{Q}\).

Definiție — Șir Cauchy

Un șir \((a_n)_{n \geq 1}\) se numește șir Cauchy dacă termenii săi devin arbitrar de apropiați:

\( \forall\,\varepsilon > 0,\quad \exists\, N \in \mathbb{N} :\quad \forall\, m, n > N,\quad |a_m - a_n| < \varepsilon \)

Axioma completitudinii (Cantor–Dedekind)

\(\mathbb{R}\) este complet: orice șir Cauchy de numere reale converge la un număr real. Altfel spus, \(\mathbb{R}\) nu are „găuri".

Intuiție

\(\mathbb{R}\) este „completarea" lui \(\mathbb{Q}\) — am adăugat exact toate numerele lipsă (iraționalele) pentru ca dreapta numerelor să nu aibă nicio „gaură". Orice șir convergent converg în \(\mathbb{R}\), nu „cade printre crăpături".

§8 Compactitate (cls. XI–XII)
Definiție

O mulțime \(K \subseteq \mathbb{R}\) este compactă dacă din orice acoperire deschisă a lui \(K\) se poate extrage o subacoperire finită.

Teorema Heine–Borel

O mulțime \(K \subseteq \mathbb{R}\) este compactă \(\Longleftrightarrow\) \(K\) este închisă și mărginită.

Exemple
  • Compacte: \([0, 1]\), \([-5, 3]\), orice interval închis și mărginit \([a,b]\).
  • Necompacte: \((0, 1)\) (nu e închis), \([0, +\infty)\) (nu e mărginit), \(\mathbb{Q} \cap [0,1]\) (nu e închis în \(\mathbb{R}\)).
De ce contează?

Compactitatea garantează că orice șir de elemente din \(K\) are un subșir convergent cu limita în \(K\) (Teorema Bolzano–Weierstrass). Aceasta stă la baza demonstrațiilor din analiza matematică.

Rezumat — proprietăți esențiale ale lui \(\mathbb{R}\)
Mulțimi deschise: \((a,b)\) — fără margini
Mulțimi închise: \([a,b]\) — cu margini și puncte de acumulare
\(\mathbb{Q}\) densă în \(\mathbb{R}\): rațional între orice două reale
\(\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q}\) densă în \(\mathbb{R}\): irațional între orice două reale
\(\mathbb{R}\) complet: niciun „gol" — orice șir Cauchy converge
Compact = închis \(+\) mărginit (Heine–Borel)
Surse: Wikimanuale RO — Topologie pe ℝ · UC Davis — Chapter 5: Topology of Real Numbers · IU Pressbooks — Topology of Real Numbers