Topologie (Mathematik)

mini|Tasse und Volltorus sind zueinander homöomorph. Anmerkung: Ein Homöomorphismus ist eine direkte Abbildung zwischen den Punkten der Tasse und des Volltorus, die Zwischenstufen im zeitlichen Verlauf dienen nur der Illustration der Stetigkeit dieser Abbildung. Die Topologie (von „Ort, Platz, Stelle“ und -logie) ist die Lehre von der Lage und Anordnung geometrischer Gebilde im Raum und damit ein fundamentales Teilgebiet der Mathematik. Sie beschäftigt sich mit den Eigenschaften mathematischer Strukturen, die unter stetigen Verformungen erhalten bleiben, wobei der Begriff der Stetigkeit durch die Topologie in sehr allgemeiner Form definiert wird. Die Topologie ging aus den Konzepten der Geometrie und Mengenlehre hervor.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts entstand die Topologie als eine eigenständige Disziplin, die auf Latein ‚Geometrie der Lage‘ oder (Griechisch-Latein für ‚Analyse des Ortes‘) genannt wurde.

Seit Jahrzehnten ist die Topologie als Grundlagendisziplin anerkannt. Dementsprechend kann sie neben der Algebra als zweiter Stützpfeiler für eine große Anzahl anderer Felder der Mathematik angesehen werden. Sie ist besonders wichtig für die Geometrie, die Analysis, die Funktionalanalysis und die Theorie der Lie-Gruppen. Ihrerseits hat sie auch die Mengenlehre und Kategorientheorie befruchtet.

Der grundlegende Begriff der Topologie ist der des topologischen Raums, welcher eine weitreichende Abstraktion der Vorstellung von „Nähe“ darstellt und damit weitreichende Verallgemeinerungen mathematischer Konzepte wie Stetigkeit und Grenzwert erlaubt. Viele mathematische Strukturen lassen sich als topologische Räume auffassen. Topologische Eigenschaften einer Struktur werden solche genannt, die nur von der Struktur des zugrundeliegenden topologischen Raumes abhängen. Dies sind solche Eigenschaften, die durch „Verformungen“ oder durch Homöomorphismen nicht verändert werden. Dazu gehört in anschaulichen Fällen das Dehnen, Stauchen, Verbiegen, Verzerren und Verdrillen einer geometrischen Figur. Zum Beispiel sind eine Kugel und ein Würfel aus Sicht der Topologie nicht zu unterscheiden; sie sind homöomorph. Ebenso sind ein Donut (dessen Form in der Mathematik als Volltorus bezeichnet wird) und eine einhenkelige Tasse homöomorph, da eine in die andere ohne Schnitt transformiert werden kann (siehe Animation). Dagegen ist die Oberfläche des Torus von der Kugelfläche topologisch verschieden: Auf der Kugel lässt sich jede geschlossene Kurve stetig auf einen Punkt zusammenziehen (die anschauliche Sprache lässt sich präzisieren), auf dem Torus nicht jede.

Die Topologie gliedert sich in Teilgebiete. Hierzu zählen die algebraische Topologie, die geometrische Topologie sowie die topologische Graphen- und die Knotentheorie. Die mengentheoretische Topologie kann als Grundlage für all diese Teildisziplinen angesehen werden. In dieser werden insbesondere auch topologische Räume betrachtet, deren Eigenschaften sich besonders weit von denen geometrischer Figuren unterscheiden.

Ein wichtiger Begriff der Topologie ist die Stetigkeit. Stetige Abbildungen entsprechen in der Topologie dem, was man in anderen mathematischen Kategorien meist Homomorphismen nennt. Eine umkehrbare, in beiden Richtungen stetige Abbildung zwischen topologischen Räumen heißt ein Homöomorphismus und entspricht dem, was in anderen Kategorien meist Isomorphismus heißt: Homöomorphe Räume sind mit topologischen Mitteln nicht zu unterscheiden. Ein grundlegendes Problem dieser Disziplin ist es, zu entscheiden, ob zwei Räume homöomorph sind, oder allgemeiner, ob stetige Abbildungen mit bestimmten Eigenschaften existieren.

Geschichte Der Begriff „Topologie“ findet sich erstmals um 1840 bei Johann Benedict Listing; die ältere Bezeichnung (etwa ‚Lageuntersuchung‘) blieb aber lange üblich, mit einem Bedeutungsschwerpunkt jenseits der neueren, „mengentheoretischen“ Topologie. Durchgesetzt hat sich der Name Topologie im 20. Jahrhundert mit dem gleichnamigen Buch von Solomon Lefschetz (1930).Phillip Griffiths, Donald Spencer, George Whitehead, in Biographical Memoirs National Academy Sciences, Band 61, 1992, S. 275 pdf Ein weiteres Buch von Lefschetz von 1942 etablierte den Begriff algebraische Topologie statt des vorher gebrauchten Begriffs „kombinatorische Topologie“.

Die Lösung des Sieben-Brücken-Problems von Königsberg durch Leonhard Euler im Jahr 1736 gilt als die erste topologische und zugleich als die erste graphentheoretische Arbeit in der Geschichte der Mathematik. Ein anderer Beitrag Eulers zur sogenannten Analysis situs ist der nach ihm benannte Polyedersatz von 1750. Bezeichnet man mit die Anzahl der Ecken, mit die der Kanten und mit die der Flächen eines Polyeders (der noch zu präzisierenden Bedingungen genügt), so gilt . Erst im Jahr 1860 wurde, durch eine (von Gottfried Wilhelm Leibniz angefertigte) Abschrift eines verlorenen Manuskriptes von René Descartes, bekannt, dass dieser die Formel bereits gekannt hatte.Christoph J. Scriba, Peter Schreiber: 5000 Jahre Geometrie: Geschichte, Kulturen, Menschen (Vom Zählstein zum Computer). Springer, Berlin, Heidelberg, New York, ISBN 3-540-67924-3, S. 451.

Maurice Fréchet führte 1906 den metrischen Raum ein. Georg Cantor befasste sich mit den Eigenschaften offener und abgeschlossener Intervalle, untersuchte Grenzprozesse, und begründete dabei zugleich die moderne Topologie und die Mengenlehre. Die Topologie ist der erste Zweig der Mathematik, der konsequent mengentheoretisch formuliert wurde – und gab dabei umgekehrt Anstöße zur Ausformung der Mengenlehre.

Eine Definition des topologischen Raumes wurde als erstes von Felix HausdorffFelix Hausdorff: Grundzüge der Mengenlehre, 1914, S. 213. im Jahre 1914 aufgestellt. Nach heutigem Sprachgebrauch definierte er dort eine offene Umgebungsbasis, nicht jedoch eine Topologie, welche erst durch Kazimierz KuratowskiFund. Math., 3, 1922. beziehungsweise Heinrich TietzeMath. Ann. 88, 1923. um 1922 eingeführt wurde. In dieser Form wurden die Axiome dann durch die Lehrbücher von Kuratowski (1933), Alexandroff/Hopf (1935), Bourbaki (1940) und Kelley (1955) popularisiert.Epple et al., Hausdorff GW II, 2002. Es stellte sich heraus, dass sich viele mathematische Erkenntnisse auf diese Begriffsbasis übertragen ließen. Es wurde beispielsweise erkannt, dass zu einer festen Grundmenge unterschiedliche Metriken existieren, die zur gleichen topologischen Struktur auf dieser Menge führten, aber auch, dass verschiedene Topologien auf der gleichen Grundmenge möglich sind. Die mengentheoretische Topologie entwickelte sich auf dieser Grundlage zu einem eigenständigen Forschungsgebiet, das sich in gewisser Weise aus der Geometrie ausgegliedert hat – beziehungsweise der Analysis näher steht als der eigentlichen Geometrie.Christoph J. Scriba, Peter Schreiber: 5000 Jahre Geometrie: Geschichte, Kulturen, Menschen (Vom Zählstein zum Computer). Springer, Berlin, Heidelberg, New York, ISBN 3-540-67924-3, S. 515.

Ein Ziel der Topologie ist die Entwicklung von Invarianten von topologischen Räumen. Mit diesen Invarianten können topologische Räume unterschieden werden. Beispielsweise ist das Geschlecht einer kompakten, zusammenhängenden orientierbaren Fläche eine solche Invariante. Die Sphäre mit Geschlecht null und der Torus mit Geschlecht eins sind unterschiedliche topologische Räume. Die algebraische Topologie entstand aus Überlegungen von Henri Poincaré zur Fundamentalgruppe, die ebenfalls eine Invariante in der Topologie ist. Im Laufe der Zeit wurden topologische Invarianten wie die von Henri Poincaré untersuchten Bettizahlen durch algebraische Objekte wie Homologie- und Kohomologiegruppen ersetzt.

Grundbegriffe Topologischer Raum

Die Topologie (als Teilgebiet der Mathematik) befasst sich mit Eigenschaften topologischer Räume. Wird eine beliebige Grundmenge mit einer Topologie (einer topologischen Struktur) versehen, dann ist sie ein topologischer Raum, und ihre Elemente werden als Punkte aufgefasst. Die Topologie des Raumes bestimmt sich dann dadurch, dass bestimmte Teilmengen als offen ausgezeichnet werden. Die identische topologische Struktur lässt sich über deren Komplemente spezifizieren, die dann aber die abgeschlossenen Teilmengen darstellen. Üblicherweise werden topologische Räume in den Lehrbüchern über die offenen Mengen definiert; genauer: die Menge der offenen Mengen wird als die Topologie des topologischen Raumes bezeichnet.

Ausgehend von offenen beziehungsweise abgeschlossenen Mengen lassen sich zahlreiche topologische Begriffe definieren, etwa die der Umgebung, der Stetigkeit, des Berührpunktes und der Konvergenz.

Offene Mengen

Topologie (über offene Mengen): Ein topologischer Raum ist eine Menge von Punkten versehen mit einer Menge von Teilmengen (den offenen Mengen), die folgenden Bedingungen genügt: und . Für beliebige Indexmengen mit für alle gilt . (Vereinigung) Für endliche Indexmengen mit für alle gilt . (Durchschnitt) Man nennt das Paar einen topologischen Raum und die Topologie dieses topologischen Raumes.

Der wichtigste Begriff, der durch offene Mengen definiert wird, ist der der Umgebung: Eine Menge ist Umgebung eines Punktes, wenn sie eine offene Menge umfasst, die den Punkt enthält. Ein anderer wichtiger Begriff ist der der Stetigkeit: eine Abbildung

der topologischen Räume und ist genau dann stetig, wenn die Urbilder offener Mengen offen sind in , also gilt.

Abgeschlossene Mengen Ausgehend von den offenen Mengen lassen sich die abgeschlossenen Mengen als diejenigen Teilmengen des Raumes definieren, deren Komplemente offen sind, das heißt für jede offene Menge bilden die Punkte , die nicht in ihr enthalten sind, eine abgeschlossene Menge.

Somit ergibt sich unmittelbar die

Topologie (über abgeschlossene Mengen): Ein topologischer Raum ist eine Menge von Punkten versehen mit einer Menge von Teilmengen von (den abgeschlossenen Mengen; ist die Potenzmenge von ), die folgenden Bedingungen genügt: und . Für beliebige Indexmengen mit für alle gilt . (Durchschnitt) Für endliche Indexmengen mit für alle gilt . (Vereinigung)

Die Äquivalenz zur vorherigen Definition über offene Mengen folgt unmittelbar aus den De Morgan’schen Gesetzen: aus wird und umgekehrt.Ist ein topologischer Raum, dann ist die Menge der abgeschlossenen Mengen .

Abgeschlossene Mengen lassen sich als Mengen von Punkten vorstellen, die ihren Rand enthalten, oder anders ausgedrückt: Wann immer es Punkte der abgeschlossenen Menge gibt, die beliebig nah an einen anderen Punkt heranreichen (einen Berührpunkt), ist auch dieser Punkt in der abgeschlossenen Menge enthalten. Man überlegt sich, welche grundlegenden Eigenschaften im Begriff der abgeschlossenen Menge enthalten sein sollten und nennt dann, von spezifischen Definitionen der Abgeschlossenheit, etwa aus der Analysis, abstrahierend, jede mit (diesen Bedingungen genügenden) abgeschlossenen Teilmengen versehene Menge einen topologischen Raum. Zunächst einmal sollte die leere Menge abgeschlossen sein, denn sie enthält keinerlei Punkte, die andere berühren könnten. Ebenso sollte die Menge aller Punkte abgeschlossen sein, denn sie enthält bereits alle möglichen Berührpunkte. Ist eine beliebige Menge von abgeschlossenen Mengen gegeben, so soll der Schnitt, das heißt die Menge der Punkte, die in allen diesen Mengen enthalten sind, ebenfalls abgeschlossen sein, denn hätte der Schnitt Berührpunkte, die außerhalb seiner liegen, so müsste bereits eine der zu schneidenden Mengen diesen Berührpunkt nicht enthalten, und könnte nicht abgeschlossen sein. Zudem soll die Vereinigung zweier (oder endlich vieler) abgeschlossener Mengen wiederum abgeschlossen sein; bei der Vereinigung zweier abgeschlossener Mengen kommen also keine Berührpunkte hinzu. Von der Vereinigung unendlich vieler abgeschlossener Mengen dagegen fordert man keine Abgeschlossenheit, denn diese könnten sich einem weiteren Punkte „immer weiter nähern“ und somit berühren.

Weitere Definitionen

Homöomorphismus