Teorema 2 (Compactificación por un punto de Alexandroff)

Enunciado

Sea (X,T) un espacio topológico Hausdorff localmente compacto[1] que no es compacto[2].
Entonces existe un espacio topológico (X~,T~) Hausdorff compacto tal que X es un subespacio de X~, X~X consiste en un solo punto[3] y X=X~. El espacio (X~,T~) se llama la compactificación por un punto de (X,T).

Además, si {}=X~X, entonces[4]

T~=T{X~C:con C compacto de X},

la topología relativa sobre X=X~{} es justamente T y X=X~.

Demostración

Primero, comprobamos que T~ es una topología:

T1) Inmediato ya que TT~, a la vez que X~=X~T~ pues es compacto en X.

T2) Examinamos cada parte por separado. Por un lado, la unión de solo abiertos de T también será un abierto de T. Por otro lado, tomando elementos de la segunda parte de la unión:

iI(X~Ci)=X~iICi, con Ci compacto de X iI.

Como cada Ci es cerrado por la proposición 31.B y la intersección arbitraria de cerrados es cerrado, entonces, por estar contenido en un Ci0 compacto y la proposición 31.A, dicha intersección también es un compacto.

Terminamos viendo que si AT y C es un compacto de X, entonces la unión A(X~C) es un abierto. Por definición, A=X(XA), por lo que [5]

A(X~C)=(X(XA))(X~C)=X~((XA)C).

Con todo, aprovechando que X es Hausdorff, se tiene el complementario de la intersección de dos cerrados, que será otro cerrado, en el compacto C, por lo que (XA)C también es compacto y A(X~C)T~.

T3) De forma similar, la intersección finita de abiertos de T será otro abierto de T. Mientras que si C1,,Cn son compactos de X, se tiene que

(X~C1)(X~Cn)=X~i=1nCi

es el complementario de un compacto, por ser la unión finita de compactos a su vez compacto.

Para terminar, tomamos AT y C compacto en X, comprobando que la intersección es un abierto, ya que, de nuevo, C también es cerrado al ser X Hausdorff y su complementario es un abierto:

A(X~C)=A(XC)T.

Este paso es posible pues {}A, por lo que tampoco lo estará en la intersección.


Que la topología relativa sobre X es T se comprueba de forma inmediata. Obviamente la intersección de T~ con AT nos da abiertos de X; por otro lado, puesto que C es cerrado, (X~C)X=(XC)X=XC, que es abierto[6].

Asimismo, buscamos comprobar que {} está en la clausura de X, lo que significa ver que cualquier entorno de {} corta a X. Dichos entornos son precisamente de la forma X~C con C compacto:

X=X~X(X~C)XXC,

lo cual es cierto pues por hipótesis X no es compacto.


Resta ver que el espacio topológico (X~,T~) es compacto. Sea A={Ai}iI un cubrimiento por abiertos de X~. Como X~, se tiene que i0I tal que Ai0=X~Ci0, con Ci0 compacto en X, al ser un entorno de infinito. Al mismo tiempo, se aprecia que el resto de abiertos A~={AiX}iI cubrirá, en particular, a Ci0 [7]. Puesto que Ci0 es compacto, entonces existe un subcubrimiento finito Ai1,,Ai1n de Ci0. Como consecuencia, Ai0,Ai1,,Ain es un subcubrimiento finito, de X~ y

Ai0(Ai1Ain)=(X~Ci0)(Ai1Ain)(X~Ci0)Ci0=X~

Por último, verificamos que el espacio (X~,T~) es Hausdorff. En primer lugar, si x,yX es trivial por ser X Hausdorff y TT~. En otro caso, tomamos los puntos xX y X~. Para que X~ sea Hausdorff, buscamos un entorno UE(x) en T y un abierto X~CT~, con C compacto, tales que

U(X~C)=U(XC)=UC

En este punto, como por hipótesis X es localmente compacto, en concreto, UC.


Ejemplo

La compactificación por un punto de Rn es homeomorfa a Sn.


  1. Se usará para probar que la compactificación es Hausdorff únicamente. ↩︎

  2. Seguiría siendo cierta la afirmación, excepto por la igualdad final: el punto añadido sería aislado. ↩︎

  3. {} en el caso de Alexandroff, como se menciona más abajo. ↩︎

  4. Si X no fuese Hausdorff, al definir la topología T~, se le uniría X~C con C compacto pero también cerrado. Como por hipótesis lo es, por la Proposición 31.B, C también será cerrado. ↩︎

  5. Notar que al estar ya X~, la unión no cambiará si la otra parte es (X(XA)) o bien (X~(XA)). ↩︎

  6. Se ha usado el mismo argumento que antes, ya que {}A. ↩︎

  7. Pues se ha probado previamente que la topología inducida es precisamente T. Entonces, al intersecar abiertos de X~ con X se consiguen abiertos de la topología relativa T. Por otro lado, cubre a Ci0 porque la familia es un cubrimiento de todo X~, por lo que si uno de sus abiertos no incluye a Ci0 (como Ai0), los otros lo harán. ↩︎