TOPOLOGIA I Pomocnik studenta Zintegrowane notatki do wykładu ...

10.3. PŁASZCZYZNA RZUTOWA I WSTĘGA MÖBIUSA 81
Stwierdzenie 10.3.1. Następujące przestrzenie są homeomorficzne z płaszczyzną rzutową P :
1) Przestrzeń ilorazowa P ′ := [−1, 1] × [−1, 1]/ ∼ gdzie (t1, t2) ∼ (s1, s2) ⇐⇒ (t1, t2) =
(s1, s2) lub (t1, t2) = −(s1, s2) gdzie t1 ∈ {−1, 1} lub t2 ∈ {−1, 1}
2) Przestrzeń ilorazowa P ′′ := S 2 / ∼ gdzie p1 ∼ p2 ⇐⇒ p1 = p2 lub p1 = −p2 .
3) Przestrzeń ilorazowa P ′′′ := (R 3 \ {0})/ ∼ gdzie p1 ∼ p2 ⇐⇒ p1 = p2 lub p1 = λp2 dla
pewnej liczby λ ∈ R .
Płaszczyzna rzutowa jest zwarta, a każdy jej punkt posiada otoczenie homeomorficzne z R 2 .
Dowód. Żeby sprawdzić zwartość płaszczyzny rzutowej wystarczy wykazać, że jest przestrzenią
Hausdorffa, co jest łatwo sprawdzić bezpośrednio z definicji P, P ′ , P ′′ , P ′′′ . To, ze
każdy punkt ma otoczenie homeomorficzne z R 2 najłatwiej jest zauważyć w modelu P ′′ :
odwzorowanie ilorazowe q : S 2 → P ′′ odwzorowuje homeomorficznie otwarte półsfery na
podzbiory otwarte płaszczyzny rzutowej.
Kanoniczny homeomorfizm dysku i kwadratu (”po promieniach”) zachowuje antypodyczność
punktów, a więc definiuje homeomorfizm P → P ′ . Z kolei włożenie S 2 ⊂ R 3 \ {0}
definiuje ciągłą bijekcję P ′′ → P ′′′ , a ponieważ P ′′ jest przestrzenią zwartą, jest więc ona
homeomorfizmem. Pozostaje wskazać homeomorfizm P ′′ → P . Niech p: S 2 → D 2 będzie
projekcją na pierwsze dwie współrzędne: p(x0, x1, x2) := (x0, x1). Łatwo zauważyć, że zadaje
ona bijekcję na klasach równoważności, a więc ciągłą bijekcję P ′′ → P , która wobec
zwartości P ′′ jest homeomorfizmem.
Uwaga 10.3.1. Przestrzeń P ′′ jest przestrzenią orbit działania grupy Z2 = {−1, 1} na
sferze S 2 , a przestrzeń P ′′′ jest przestrzenią orbit działania grupy multyplikatywnej liczb
rzeczywistych R ∗ na R 3 \ {0}.
Uwaga 10.3.2. Zanurzenie płaszczyzny rzutowej w przestrzeń euklidesową R 4 opisane jest
w BCPP (p. BCPP 3 Przykład 5.1.3.)
Wniosek 10.3.1. Dla dowolnych dwóch punktów p1, p2 ∈ P istnieje homeomorfizm h: P →
P taki, że h(p1) = p2.
Dowód. Skorzystamy z interpertacji płaszczyzny rzutowej jako przestrzeni ilorazowej sfery
S 2 oraz homeomorfizmu sfery skonstruowanego w dowodzie Wniosku 10.1.1. Niech p1 =
[v1], p2 = [v2] liniowa izometria h: R 3 → R 3 taka, że h(v1) = v2 zadaje homeomorfizm
płaszczyny rzutowej ¯ h: P ′′ → P ′′ taki, że ¯ h(p1) = p2).
Stwierdzenie 10.3.2. Niech p0 ∈ P . Przekłuta płaszczyzna rzutowa P \ {p0} jest homeomorficzna
z otwartą wstęgą Möbiusa. Istnieje rozkład płaszczyzny rzutowej na sumę
dwóch podzbiorów domkniętych P = M ∪ K gdzie M jest domkniętą wstęgą Möbiusa, K
– zbiorem homeomorficznym z dyskiem a M ∩ K ich wpólnym brzegiem, czyli podzbiorem
homeomorficznym z okręgiem.
3 BCPP = S. Betley, J. Chaber, E.Pol, R.Pol TOPOLOGIA I, wykłady i zadania, wrzesień 2012