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Theorem. Premanifold 為 Hausdorff 的等價條件 [math-T4B3]

MM 為一個 premanifold(field 為 R\mathbb{R} 或是 C\mathbb{C})。則以下條件等價:

  1. MM 為 Hausdorff 空間
  2. 對於 MM 中任意相異兩點 x,yMx, y \in Mxyx \ne y),存在開集 UU 使得 x,yUx, y \in U,且在 OM(U)\mathcal{O}_M(U) 中,存在函數 fOM(U)f \in \mathcal{O}_M(U) 使得 f(x)f(y)f(x) \ne f(y)

Proof. [local-0]

(2) ⇒ (1):設 x,yMx, y \in M 為相異兩點。由條件 (2),存在開集 UU 使得 x,yUx, y \in U,且存在 fOM(U)f \in \mathcal{O}_M(U) 使得 f(x)f(y)f(x) \ne f(y)

d=f(y)f(x)>0d = |f(y) - f(x)| > 0。因為 ff 為 smooth 函數,存在 xx 的開鄰域 VxUV_x \subseteq U 使所有 zVxz \in V_x,有 f(z)f(x)<d2|f(z) - f(x)| < \frac{d}{2}

同理,存在 yy 的開鄰域 VyUV_y \subseteq U 使得對所有 wVyw \in V_y,有 f(w)f(y)<d2|f(w) - f(y)| < \frac{d}{2}。於是我們知道 VxVy=V_x \cap V_y = \emptyset,因為如果存在 pVxVyp \in V_x \cap V_y,則:

d=f(y)f(x)f(y)f(p)+f(p)f(x)<d2+d2=dd = |f(y) - f(x)| \le |f(y) - f(p)| + |f(p) - f(x)| < \frac{d}{2} + \frac{d}{2} = d

為矛盾,也就是說不存在這種 pp。因此 MM 為 Hausdorff 空間。

(1) ⇒ (2):設 x,yMx, y \in M 為相異兩點。因為 MM 為 Hausdorff 空間,存在不相交的開鄰域 UxU \ni xVyV \ni y 使得 UV=U \cap V = \emptyset

因為 MM 為 premanifold,存在 open cover (Uk)kK(U_k)_{k \in K} 使得每個 UkU_k 與某個 local ringed space 同構。因此存在 UiU_iUjU_j 使得 xUix \in U_iyUjy \in U_j

考慮開集 UiUU_i \cap UUjVU_j \cap V。因為 UV=U \cap V = \emptyset,我們有 (UiU)(UjV)=(U_i \cap U) \cap (U_j \cap V) = \emptyset

xx 的開鄰域 VxUiUV_x \subseteq U_i \cap U 及函數 fOM(Vx)f \in \mathcal{O}_M(V_x) 使得 f(x)=0f(x) = 0(此函數對應於 stalk OM,x\mathcal{O}_{M,x} 的 maximal ideal 中的元素)。同理,取 yy 的開鄰域 VyUjVV_y \subseteq U_j \cap V 及函數 gOM(Vy)g \in \mathcal{O}_M(V_y) 使得 g(y)0g(y) \ne 0(對應於 stalk OM,y\mathcal{O}_{M,y} 中不在 maximal ideal 的元素)。

W=VxVyW = V_x \cup V_y,則 WW 為開集且 x,yWx, y \in W。因 VxV_xVyV_y 不相交,可定義函數 hOM(W)h \in \mathcal{O}_M(W),在 VxV_x 上取 h:=fh := f,在 VyV_y 上取 h:=gh := g。於是 h(x)=f(x)=0h(x) = f(x) = 0h(y)=g(y)0h(y) = g(y) \ne 0WWhh 滿足條件 (2)。