R ENDICONTI
del
S EMINARIO M ATEMATICO
della
U NIVERSITÀ DI P ADOVA
G INO T IRONI
Sul prodotto cartesiano di spazi topologici aventi proprietà del tipo della paracompattezza
Rendiconti del Seminario Matematico della Università di Padova, tome 56 (1976), p. 91-100
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Sul prodotto cartesiano di spazi topologici
aventi proprietà del tipo della paracompattezza.
GINO TIRONI
(*)
SUNTO - In
questo
lavoro si studia ilcomportamento rispetto
alprodotto
di alcune
proprietà
d’unospazio topologico
di Hausdorff,proprietà
che,complessivamente,
vengono dette deltipo
della paracompattezza. Unprimo
gruppo di risultati è relativo alprodotto
dispazi
a-Lindelöf; inparticolare,
si dimostra che ilprodotto
di un’infinità numerabile dispazi
localmente
compatti
di Lindelóf, è unospazio
di Lindelóf. Vienequindi
introdotta la nozione di
spazio
fortemente ereditariamenteparacompatto
e si dimostra che il
prodotto
di un talespazio
per unospazio
metrizzabile,gode
della stessaproprietà.
Da ultimo si dimostra che ilprodotto
di unospazio
fortemente(debolmente) paracompatto
per uncompatto,
è ancorafortemente
(debolmente) paracompatto.
SUMMARY - In this paper, some
properties
oftopological
Hausdorff. spaces, which are denoted asparacompactness-like properties,
are tested withrespect
to theproduct
oftopological
spaces. First, there are results con-cerning
theproduct
of oc-Lindelöf space; inparticular,
it is shown thatthe
product
ofcountably
many Lindelóflocally
compact spaces is Lin- delòf. The notion ofstrongly hereditarily
paracompact spaces is then introduced, and this property is shown to beproductive
withrespect
to metrizable spaces.
(*)
Indirizzo dell’A.: Istituto di Matematica dell’Università - PiazzaleEuropa - 34100 Trieste.
Lavoro
eseguito
nell’ambito deigruppi
di Ricerca Matematica del C.N.R.0. Introduzione. ’
La
proprietà
d’unospazio topologico
d’essere diLindelóf,
forte-mente
paracompatto,
debolmenteparacompatto
possono essere consi- derate comegeneralizzazioni
dellacompattezza
dellospazio
eanche,
in un certo senso, come rafforzamenti della
proprietà
di normalitàd’uno
spazio topologico
di Hausdorff[1], [4].
In
questo
lavoro intendo studiare ilcomportamento
di taliproprietà,
che
complessivamente
dirò deltipo
dellaparacompattezza, rispetto
al
prodotto, completando
ed estendendo certi risultati o classicamente noti oesposti
in[7].
Ilparagrafo
1 contiene uncompletamento
deirisultati
esposti
in[7]
sulprodotto
dispazi
ereditariamentea-Lindelóf,
dando
qualche
risultato relativo alprodotto
dispazi
oc-Lindelóf(non ereditariamente).
Ilparagrafo
2 contiene un’estensione dei risultatiesposti
in[7]
alprodotto
dispazi,
che vengono dettif ortemente
eredita-riamente
paracompatti,
perspazi
metrici e fornisce unageneralizza-
zione d’un noto teorema di Michael
[2].
Ilparagrafo
3 contiene teo-remi relativi al
prodotto
dispazi
debolmente e fortementeparacompatti
per
spazi compatti,
teoremi che estendono alcuni risultati classici.Nel
seguito
1:,a, P designeranno
numeri cardinali. La cardinalità d’un insieme A verrà indicata conlA I.
Tuttigli spazi topologici
con-siderati s’intenderanno di Hausdorff e infiniti.
1.
È
conveniente ricordare leseguenti
definizioni[5], [7].
DEFINIZIONE 1. Dicesi numero di Lindelóf
I(X)
d’unospazio
to-pologico .~,
il minimo numero cardinale tale che daogni ricoprimento aperto
di .X possa estrarsi unsottoricoprimento
di cardinalità 7:.DEFINIZIONE 2. Dicesi numero di Lindelóf ereditario di uno spa- zio
~, 11(X),
l’estremosuperiore
dei numeri di Lindelóf dei sotto-spazi
di X.DEFINIZIONE 3. Un sottinsieme A d’uno
spazio topologico
X sidice di
tipo
se è riunione di unafamiglia K
d’insiemicompatti
di
X,
tale Se a= ~ o ,
l’insieme si dirà ditipo K,,.
Osservo,
innanzitutto, che,
tranne l’ovvia relazionenessun’altra relazione corre tra
Z(X)
e(una
funzione del numero car-dinale) II(X). È
da notare che il valore minimo di1(X) è,
perspazi
infiniti,
e che tale valore si ha se .Xgode
dellaproprietà
di Lin-93
delóf
(o
se, inparticolare,
ècompatto).
Non èdifhcile,
perogni
numerocardinale trovare uno
spazio compatto X
in cui sia = a.A tale scopo
può
servire unqualsiasi spazio compatto
checontenga
un sottinsieme discreto di cardinalità oc, e tale che = a. Un esem-
pio interessante,
anche se non ilpiù semplice,
è ilseguente.
Sia E uno
spazio compatto
di Hausdorff tale chelEI
= a.Sia X = Ex
{O, 1},
dotato dellaseguente topologia.
Ilsottospazio
sia
discreto;
se x =(a, 1),
e ZJ è un intorno di a inE,
è intorno di x l’insieme
Facilmente si riconosce che in tale modo si definisce su X una
topo- logia
che lo rendecompatto
e diHausdorff ;
inoltreIXI
=IEI
= a.Il
sottospazio
èaperto
e denso in X. Lafamiglia
dicon
~ac~ X ~0~,
ha cardinalità a,ricopre
X’ e nes-suna sua
sottofamiglia propria può ricoprirlo. Dunque
oc.D’altra
parte,
essendoLL(X) IXI,
si haproprio ll(X)
= a, mentre1(X) = ~o .
Anzi,
dati due numeri cardinali ae P,
con a, non è dif- ficile trovare unospazio topologico
tale che1(X)
=~8
e = a.Sia E’ un insieme di cardinalità a e sia X = E’ U
{p}, p w E’,
conla
seguente topologia;
E’ è discreto e una base d’intorni di p è datadagli
insiemi TI cX,
tali che p E U e =~8.
Lospazio
X cosottenuto è di
Hausdorff,
è tale che1(X)
=fl
mentre = a, comesi vede facilmente.
Voglio
ora esporre alcunesemplici
condizioni atte ad assicurare che il numero di Lindelòf si conservi nelprodotto
di due opiù spazi topologici.
Dopo
le osservazioni fatte su1(X)
ell(X),
non c’è dastupirsi
chetali condizioni siano di
tipo
diverso daquelle
trovate in[7]
per laproduttività
diII(X).
È
noto[1], [4]
che ilprodotto
di unospazio X
avente laproprietà
di Lindelóf per uno
spazio
Ycompatto,
y ha laproprietà
di Lindelòf.Il
seguente
teorema 1generalizza
tale risultato.TEOREMA 1. Sia .X uno
spazio topologico
avente e sia Yuno
spazio compatto.
Allora1 (X x
DIMOSTRAZIONE. Sarà sufhciente considerare
ricoprimenti
formaticon insiemi di una base di
Xx
Y(vedi,
p. es.[7]).
Sia flL un
ricoprimento aperto
diX x Y,
in cui
Ui
eVj siano, rispettivamente,
elementi d’una base diaperti
diX e di Y. Per
ogni x
EX, (z)
x Y ècompatto
in X x Y. Esistonoperciò
insiemi finiti
1(£ c I
e cJ(i),
i EIx,
tali chesia un
ricoprimento
finito di{x}
X Y. Consideriamo perogni x
l’in-sieme che è un intorno
aperto
di x. Lafamiglia
O =
(0r:
è unricoprimento aperto
di X ed esisteperciò
unasottofamiglia O,
di cardinalità chericopre
X. Sia0 c- 0-;
alloraper
qualche x
eX,
essendoIx
c I e finito. Si consideri inoltre iEI-la
famiglia
finitaLa
famiglia
è unasottofamiglia
di ’11 aventecardinalità c a
che,
come è facilericonoscere, ricopre
X X Y.Infatti,
se esiste O tale che x E O. Ora
U0
non soloricopre {x}
X Y maricopre O X
Y. Cioè x EUi
perogni
ed esisteV;, j E Jx(i),
perqualche
i EI;,
tale che y EV;.
Per tali i ej(x, y)
EE Ui X Vj.
Nel caso a
= Ko
la dimostrazionequi esposta
costituisce una provapiù
diretta diquella riportata
in[4].
Evidentemente uno
spazio topologico
ditipo K(X
ha numero diLindelóf x.
È
utile dare anche unageneralizzazione
del teorema1, già
nota nel caso a -No. (1).
TEOREMA 2. Sia X uno
spazio topologico
con Se Y è ditipo K(X,
si ha~’)
DIMOSTRAZIONE. Sia Y =
U Ca,
conCa sottospazi compatti
di YaEA e Si
ha, evidentemente,
(1)
Dimostrata da Michael [2] sotto l’ulterioreipotesi
dellaregolarità (e quindi
dellacompleta regolarità) degli spazi
considerati, ricorrendo a unacompattizzazione
di Y(p.
es.95
Ora,
ciascuno deisottospazi X X O a
è tale che per il teorema 1.Sia ’11 un
ricoprimento aperto
di X xY;
essoricopre
anche X XCa.
Esiste un
sottoricoprimento ~,a,
tale cheMa allora è una
sottofamiglia
di U che ri- copre X x Y e tale cheIn
particolare,
si ha il risultato noto[2]
che ilprodotto
d’unospazio
di Lindelòf per unospazio
ditipo K,,
è unospazio
di Lindelòf.Poichè la classe
degli spazi
localmentecompatti
aventi numero diLindelòf oc, coincide con
quella degli spazi
localmentecompatti
ditipo .ga [5], [7],
si ha immediatamente ilseguente
COROLLARIO 1. Il
prodotto
di unospazio
a-Lindelóf X per unospazio
Y localmentecompatto
ea-Lindelöf,
è unospazio
a-Lindelóf.Ricordando il teorema di
Tychonoff
sulprodotto
dispazi compatti,
è
semplice
riconoscere che ilprodotto
di unafamiglia
di cardinalità alpiù
a dispazi
ditipo .Ka
è ancora unospazio
ditipo
Da ciò segue PROPOSIZIONE 1. Ilprodotto
d’unafamiglia
di cardinalità a dispazi
localmentecompatti
e«-Lindelóf,
è unospazio
a-Lindelóf(a>X0).
Si osservi che tale
proposizione
1 non è una banale conseguenza della caratterizzazione(sopra menzionata) degli spazi
localmentecompatti
e a-Lindelöfperchè
lacompattezza
locale non è infinitamenteproduttiva
e 1’essere oc-Lindelóf non è unaproprietà produttiva.
Benchèil corollario 1 e la
proposizione
1 siano moltosemplici,
mi sembra chenon siano stati messi finora in evidenza nella letteratura
sugli spazi
di Lindelòf.
2. In
[7]
è stato dimostrato cheIn
particolare,
ilprodotto
di unospazio
che ha ereditariamente laproprietà
di Lindelóf per unospazio
a basenumerabile,
ha ereditaria- mente laproprietà
di Lindelòf.Ora,
ingenerale,
ilprodotto
di unospazio
ereditariamenteparacompatto
per unospazio regolare
a basenumerabile
(e quindi metrizzabile)
non è ereditariamenteparacompatto,
come dimostra un noto
esempio
di Michael[3] (2).
(2)
Soltanto nellapiù particolare ipotesi
delprodotto
di unospazio
ere-ditariamente
paracompatto
eperfettamente
normale(cioè
unospazio
normalenel
quale ogni aperto
è un per unospazio
metrizzabile, si ottiene ancora unospazio
ereditariamenteparacompatto
eperfettamente
normale [2].Per analizzare le
ragioni
delfallimento,
ingenerale, dell’analogo
teorema per
gli spazi
ereditariamenteparacompatti,
ho ritenuto op-portuno
introdurre laseguente
DEFINIZIONE 4. Uno
spazio paracompatto
X si dicefortemente
ereditauriacmente
paracompatto
se perogni
suo sottinsieme A eogni
rico-primento aperto
di A sipuò
trovare un raffinamentoaperto
che copre A ed è a-localmente finito in X.Per
comprendere
tale definizione converrà ricordare laseguente
caratterizzazione della
paracompattezza
perspazi regolari [2], [4].
TEOREMA
(Michael).
Unospazio regolare
èparacompatto
se esolo se
ogni
suoricoprimento aperto
ammette un raffinamentoaperto
a-localmente finito.Ora,
se A è un sottinsieme di unospazio
Xparacompatto (e quindi
normale e, a
maggior ragione, regolare)
A è certamenteregolare.
Seogni ricoprimento aperto
~ di A ha un raffinatoaperto
a-localmente finito inX,
esso è certamenteaperto
e a-localmente finito in A.Dunque
il
sottospazio
Aè,
a norma del citato teorema diMichael,
paracom-patto.
Unospazio X
chegoda
dellaproprietà
della definizione 4 èdunque
ereditariamenteparacompatto,
y e ciògiustifica
la definizione stessa.Si riconosce
poi
facilmente che affinchè X sia fortemente eredita- riamenteparacompatto
basta che laproprietà
della definizione 4 sia verificata da tutti i sottinsiemiaperti
di X.Osserviamo, infine,
chegli spazi regolari
ereditariamente di Lindelòfe
gli spazi paracompatti
eperfettamente
normali sono fortementeereditariamente
paracompatti [2].
Invecegli esempi
dispazi
eredita-riamente
paracompatti portati
da Michael in[3],
non lo sono.Si ha allora il
seguente
TEOREMA 3. Il
prodotto
d’unospazio X
fortemente ereditaria- menteparacompatto
per unospazio
Y metrizzabile è unospazio
forte-mente ereditariamente
paracompatto.
DIMOSTRAZIONE. Poichè Y è metrizzabile esso ha una base a-local- mente finita. Poichè il
prodotto
dispazi regolari
è unospazio regolare basterà
dimostrare cheogni aperto
A in X x Y è tale cheogni
suo rico-primento aperto A
ammette un raffinamento a-localmente finito eaperto
in IT. Esiste un base di :«
, con
’1J n famiglia
localmente finita. Si indichino
poi
con97
la detta base di Y e una base di
X,
indiciate congli
insiemi d’indici J e Irispettivamente.
Dato unricoprimento aperto A
diA,
sia8 è evidentemente un raffinamento di ~ che
ricopre
A. Si considerinopoi,
perogni j
EJ,
A~
è un insiemeaperto
di X di cui è unricoprimento. Esiste, poichè
X è fortemente ereditariamente
paracompatto,
un raffinamentoaperto
’U)(j) = di che
ricopre A;
ed è a-localmente finito in X.Allora
è un
ricoprimento
di A : perogni (x, y)
E A esistono ie j
tali che(x, y)
E Poichèricopre Ai,
perè un raffinamento di
A, poichè
lo è di8,
ed èa-localmente finito in Xx Y
poichè V
lo è e ‘1,U~~~ lo è perogni j.
È
chiaropoi che,
perqualche j
EJ, può
essere vuota equindi
essere un insieme vuoto sia che la
famiglia
diaperti.
Si noti che la dimostrazione del teorema 3 ha successo
grazie
alfatto che si possono
produrre
raffinamentiaperti
a-localmente finiti in X.Consideriamo invece uno
degli esempi proposti
da Michael. Sia X l’intervallo unitarioritopologizzato
in modo da renderegli
irrazionali discreti. Detto P l’insiemedegli irrazionali, aperto
inX, ogni
suo rico-primento ha, banalmente,
un raffinamentoaperto
a-localmente finito(anzi discreto)
inP ;
ma ilricoprimento J = ~ f p~ : p E P~
non èa-localmente finito in X. Infatti
ogni
intorno di unpunto
razionaleincontra un’infinità
più
che numerabile di elementi di J . Per un sif- fattospazio che,
non è fortemente ereditariamenteparacompatto,
ilteorema 3 non vale.
3. Dimostriamo infine che certe
proprietà
dellequali godono gli spazi
di Lindelóf e iparacompatti,
si estendono ancheagli spazi
debol-mente e fortemente
paracompatti.
Taliproprietà
sonopresumibilmente
conosciute anche se, per
quanto
miconsta,
nella letteratura non se ne trovaesplicita
dimostrazione. Le dimostrazioni sonoqui riportate
per
ragioni
dicompletezza.
DEFINIZIONE 5. Uno
spazio topologico
si dice debolmente para-compatto
se esso èT2
eogni
suoricoprimento aperto
ammette unraffinamento
aperto puntualmente
finito[4].
DEFINIZIONE 6. Uno
spazio topologico
si dice fortemente para-compatto
se èT2
e seogni
suoricoprimento aperto
ha un raffinamentoaperto
a stella finita. Con ciò intendiamo dire che se è il raf- finamento inquestione,
perogni
so ES,
l’insieme~’o
={s : 0}
è finito. Osserviamo che
ogni spazio
fortementeparacompatto
è para-compatto
eogni paracompatto
è debolmenteparacompatto.
Glispazi
debolmente
paracompatti
non sono necessariamente normali(anzi,
neppure
regolari).
Se sono normali essi si riducono aspazi
numerabil-mente
paracompatti [4].
Valgono
iseguenti
TEOREMA 4. Il
prodotto
d’unospazio X
debolmenteparacompatto
per uno
spazio
Ycompatto,
è debolmenteparacompatto.
DIMOSTRAZIONE. Sia U = un
ricoprimento aperto
di ~ X Y(che
è necessariamente diHausdorff).
Siapoi 8
un raffinamento di U deltipo 8 =
EI(j), j
EJ}
essendogli Ai aperti
di una basedi X e i
B j aperti
di una base di Y.Per
ogni
x EX, {x}
X Y è uncompatto
ed èperciò coperto
da unafamiglia
finita8~=
conJx
finito egli
finiti per
ogni j.
Sia0 = è un
ricoprimento aperto
di X che ammette un raffi-namento 9 =
aperto puntualmente
finito chericopre
X. Perogni ò
esistequalche x
tale che siscelga dunque
uniEIx
solo x =
x(~)
con laproprietà
che Si ponga~==u{’6?:óezt}
è un raffinamentoaperto
di 9.1puntualmente
finito che
ricopre
X X Y.Sia
(x, y )
unpunto
di ~ X Y:esiste ó
tale Siax(6)
taleche Ora
Esiste
perciò j
tale cheY E Bj. Dunque
per99
qualche i
EIx~a~ ( j ) .
Ma EI(j), j
EJ}
è un raffinamento di Cw.Dunque 13
è un raffinamento di U che copre .X x Y.Esso è
puntualmente
finito: se incontra solo un numero finito di Ro. Ma a ciascun Rò sono associati solo un numerofinito di
Bj
tali che Perciò alpiù
un numero finito diaperti
di 13 ha come elemento(x, y).
Si ha
poi
TEOREMA 5. Il
prodotto
d’unospazio
X fortementeparacompatto
per uno
spazio
Ycompatto
è fortementeparacompatto.
DIMOSTRAZIONE. Il
prodotto
dei duespazi
è di Hausdorff. Sia ’l1un
ricoprimento aperto
di X X Y e, come nel teoremaprecedente,
siaS = un raffinamento di U in cui
A
i eBj
sonoaperti
di una base di X e diY, rispettivamente.
{x}
X Y ècompatto ; perciò
ècoperto
da unafamiglia
finita8x
costruita come nel teorema 4.
Se sia O =
tEI2,
Sia infine 3t = un raffinamento
aperto
di t~ a stellafinita, dunque
tale che perogni ~o, Jo={ó:~r~-B~~0}
è finito. Perogni o e
L1 siscelga
un insieme tale cheR~
c Siapoi
ricordiamo che è finito per
ogni
ó. Sia infine 13 = U{1)~: ð E 4).
13
è,
come si è verificato nella dimostrazione del teorema4,
un rico-primento
di X X Y che rafhna ’11. Dimostriamo che 13 è a stella finita.Sia un elemento di
13;
ora èSolamente per un numero finito di
coppie
d’indici(ó, j)
tale interse-zione è non vuota : infatti
Rò
r’1 è non vuoto solo per un numero finito di indici e, perogni ~5,
solo per un numero finitod’indici j : Ró X
XBjE R.
4. Ricordando alcuni risultati ben
noti,
equelli esposti
nelpresente lavoro, possiamo
osservare che ilprodotto
d’unospazio X, rispettivamente, regolare
e diLindelóf,
o fortementeparacompatto
odebolmente
paracompatto,
per unospazio
Ycompatto, gode
dellastessa
proprietà
dellospazio
.X. Ingenerale,
lo stesso fatto non vale perspazi
collettivamentenormali,
che costituiscono un rafforzamento della normalitàpiù
debole dellaparacompattezza [4].
Interessantisono i risultati relativi al
prodotto
dispazi
collettivamente normali oa-paracompatti
enormali,
perspazi compatti esposti
in[6] (In parti-
colare si vedano i risultati citati nella « Discussion
»). È poi
noto clas-sicamente che il
prodotto
di unospazio
normale per uncompatto
nonè,
in
generale,
normale.Intendendo le classi di
spazi
sopra ricordate come rafforzamenti dellanormalità, può
essere interessanteinvestigare
se e sottoquali
ulteriori condizioni per uno
spazio topologico compatto
Y ilprodotto
per esso d’uno
spazio X
collettivamentenormale,
... è unospazio
chegode
ancora delle stesseproprietà.
Ciò mi sembra interessante anche in considerazione del fatto che M. E. RUDIN[6]
ha recentemente dimo- strato lacongettura
di Morita sulla normalità delprodotto
di unospazio
normale per unospazio compatto.
I risultatiesposti
nel pa-ragrafo
3voglio
essere unapproccio
a tale indirizzo di studio.BIBLIOGRAFIA
[1] J. DIEUDONNÉ, Une
généralisation
des espaces compact, J. Math. PuresAppl.,
23 (1944), pp. 65-76.[2] E. MICHAEL, A note on paracompact spaces, Proc. Amer. Math. Soc., 4 (1953), pp. 831-838.
[3] E. MICHAEL, The
product of
a normal space and a metric space need not be normal, Bull. Amer. Math. Soc., 69 (1963), pp. 375-376.[4] R. ENGELKING, Outline
of general topology,
North-HollandPublishing Company,
Amsterdam, 1968.[5] I. JUHÁSZ, Cardinal
functions in topology,
Mathematical Centre Tracts, Amsterdam, 1971.[6] M. E. RUDIN, The
normality of products
with one compactfactor,
GeneralTopology
and itsApplications,
5(1975),
pp. 45-59.[7] G. TIRONI, Alcune osservazioni sul
prodotto
di duespazi topologici
aventiuna
proprietà
diLindelöf,
Rend. Ist. di Mat. Univ. Trieste,5,
fasc. II(1973),
pp. 174-179Manoscritto