Teorema 2 (Compactificación por un punto de Alexandroff)
Enunciado
Sea un espacio topológico Hausdorfflocalmente compacto[1] que no es compacto[2].
Entonces existe un espacio topológico Hausdorff compacto tal que es un subespacio de , consiste en un solo punto[3] y . El espacio se llama la compactificación por un punto de .
T1) Inmediato ya que , a la vez que pues es compacto en .
T2) Examinamos cada parte por separado. Por un lado, la unión de solo abiertos de también será un abierto de . Por otro lado, tomando elementos de la segunda parte de la unión:
Como cada es cerrado por la proposición 31.B y la intersección arbitraria de cerrados es cerrado, entonces, por estar contenido en un compacto y la proposición 31.A, dicha intersección también es un compacto.
Terminamos viendo que si y es un compacto de , entonces la unión es un abierto. Por definición, , por lo que [5]
Con todo, aprovechando que es Hausdorff, se tiene el complementario de la intersección de dos cerrados, que será otro cerrado, en el compacto , por lo que también es compacto y .
T3) De forma similar, la intersección finita de abiertos de será otro abierto de . Mientras que si son compactos de , se tiene que
es el complementario de un compacto, por ser la unión finita de compactos a su vez compacto.
Para terminar, tomamos y compacto en , comprobando que la intersección es un abierto, ya que, de nuevo, también es cerrado al ser Hausdorff y su complementario es un abierto:
Este paso es posible pues , por lo que tampoco lo estará en la intersección.
Que la topología relativa sobre es se comprueba de forma inmediata. Obviamente la intersección de con nos da abiertos de ; por otro lado, puesto que es cerrado, , que es abierto[6].
Asimismo, buscamos comprobar que está en la clausura de , lo que significa ver que cualquier entorno de corta a . Dichos entornos son precisamente de la forma con compacto:
lo cual es cierto pues por hipótesis no es compacto.
Resta ver que el espacio topológico es compacto. Sea un cubrimiento por abiertos de . Como , se tiene que tal que , con compacto en , al ser un entorno de infinito. Al mismo tiempo, se aprecia que el resto de abiertos cubrirá, en particular, a [7]. Puesto que es compacto, entonces existe un subcubrimiento finito de . Como consecuencia, es un subcubrimiento finito, de y
Por último, verificamos que el espacio es Hausdorff. En primer lugar, si es trivial por ser Hausdorff y . En otro caso, tomamos los puntos y . Para que sea Hausdorff, buscamos un entorno en y un abierto , con compacto, tales que
La compactificación por un punto de es homeomorfa a .
Se usará para probar que la compactificación es Hausdorff únicamente. ↩︎
Seguiría siendo cierta la afirmación, excepto por la igualdad final: el punto añadido sería aislado. ↩︎
en el caso de Alexandroff, como se menciona más abajo. ↩︎
Si no fuese Hausdorff, al definir la topología , se le uniría con compacto pero también cerrado. Como por hipótesis lo es, por la Proposición 31.B, también será cerrado. ↩︎
Notar que al estar ya , la unión no cambiará si la otra parte es o bien . ↩︎
Se ha usado el mismo argumento que antes, ya que . ↩︎
Pues se ha probado previamente que la topología inducida es precisamente . Entonces, al intersecar abiertos de con se consiguen abiertos de la topología relativa . Por otro lado, cubre a porque la familia es un cubrimiento de todo , por lo que si uno de sus abiertos no incluye a (como ), los otros lo harán. ↩︎