-
ALGEBRAIC TOPOLOGY
STEFAN FRIEDL
Contents
References 4Initial remarks 71. Topological spaces 81.1. The
definition of a topological space 81.2. Constructions of more
topological spaces 161.3. Further examples of topological spaces
201.4. The two notions of connected topological spaces 231.5. Local
properties 261.6. Graphs and topological realizations of graphs
281.7. The basis of a topology 311.8. Manifolds 331.9. The
classification of 1-dimensional manifolds 361.10. Orientations of
manifolds 402. Differential topology 432.1. The Tubular
Neighborhood Theorem 432.2. The connected sum operation 472.3.
Knots and their complements 483. How can we show that two
topological spaces are not homeomorphic? 534. The fundamental group
574.1. Homotopy classes of paths 574.2. The fundamental group of a
pointed topological space 635. Categories and functors 705.1.
Definition and examples of categories 705.2. Functors 725.3. The
fundamental group as functor 746. Fundamental groups and coverings
796.1. The cardinality of sets 796.2. Covering spaces 816.3. The
lifting of paths 946.4. The lifting of homotopies 966.5. Group
actions and fundamental groups 1026.6. The fundamental group of the
product of two topological spaces 108
1
-
2 STEFAN FRIEDL
6.7. Applications: the Fundamental Theorem of Algebra and the
Borsuk-UlamTheorem 111
7. Homotopy equivalent topological spaces 1147.1. Homotopic maps
1147.2. The fundamental groups of homotopy equivalent topological
spaces 1167.3. The wedge of two topological spaces 1218. Basics of
group theory 1288.1. Free abelian groups and the finitely generated
abelian groups 1288.2. The free product of groups 1348.3. An
alternative definition of the free product of groups 1419. The
Seifert-van Kampen theorem I 1449.1. The Seifert–van Kampen theorem
I 1449.2. Proof of the Seifert-van Kampen Theorem 9.2 1519.3. More
examples: surfaces and the connected sum of manifolds 15610.
Presentations of groups and amalgamated products 16210.1. Basic
definitions in group theory 16210.2. Presentation of groups
16310.3. The abelianization of a group 16810.4. The amalgamated
product of groups 17211. The general Seifert-van Kampen Theorem
17711.1. The formulation of the general Seifert-van Kampen Theorem
17711.2. The fundamental groups of surfaces 17911.3. Non-orientable
surfaces 18511.4. The classification of closed 2-dimensional
(topological) manifolds 18811.5. The classification of
2-dimensional (topological) manifolds with boundary 18911.6.
Retractions onto boundary components of 2-dimensional manifolds
19412. Examples: knots and mapping tori 19812.1. An excursion into
knot theory (∗) 19812.2. Mapping tori 20313. Limits 21113.1.
Preordered and directed sets 21113.2. The direct limit of a direct
system 21213.3. Gluing formula for fundamental groups and
HNN-extensions (∗) 22413.4. The inverse limit of an inverse system
22913.5. The profinite completion of a group (∗) 23714. Decision
problems 23915. The universal cover of topological spaces 24215.1.
Local properties of topological spaces 24215.2. Lifting maps to
coverings 24315.3. Existence of covering spaces 24816. Covering
spaces and manifolds 26116.1. Covering spaces of manifolds 261
-
ALGEBRAIC TOPOLOGY 3
16.2. The orientation cover of a non-orientable manifold 26517.
Complex manifolds 26818. Hyperbolic geometry 27418.1. Hyperbolic
space 27418.2. Angles in Riemannian manifolds 28018.3. The distance
metric of a Riemannian manifold 28118.4. The hyperbolic distance
function 28518.5. Complete metric spaces 28719. The universal cover
of surfaces 28919.1. Hyperbolic surfaces 28919.2. More hyperbolic
structures on the surfaces of genus g ≥ 2 (∗) 29319.3. More
examples of hyperbolic surfaces 29519.4. The universal cover of
surfaces 30019.5. Proof of Theorem 19.9 I 30119.6. Proof of Theorem
19.9 II 30519.7. Picard’s Theorem 30820. The deck transformation
group (∗) 31221. Related constructions in algebraic geometry and
Galois theory (∗) 32321.1. The fundamental group of an algebraic
variety (∗) 32321.2. Galois theory (∗) 325
-
4 STEFAN FRIEDL
References
[A] S. I. Adyan, Algorithmic unsolvability of problems of
recognition of certain properties of groups, Dokl.Akad. Nauk SSSR
(N.S.) 103 (1955), 533–535.
[AFW] M. Aschenbrenner, S. Friedl and H. Wilton, Decision
problems for 3-manifolds and their fundamen-tal groups Baykur, R.
Inanc (ed.) et al., Interactions between low dimensional topology
and mappingclass groups. Geometry and Topology Monographs 19
(2015), 201–236.
[Ba] W. Ballmann, Lectures on Kähler manifolds, ESI Lectures in
Mathematics and Physics. Zrich: Euro-pean Mathematical Society
Publishing House (2006).
[BP] R. Benedetti and C. Petronio, Lectures on hyperbolic
geometry, Universitext, Springer Verlag (1992)[Be] M. Berger,
Geometry. I., Universitext, Springer Verlag (2009)[BS] A. Borel and
J.-P. Serre, Groupes de Lie et puissances réduites de Steenrod,
Amer. J. Math. 75 (1953),
409–448.[Bo] R. Bott, The stable homotopy of the classical
groups, Ann. of Math. 70 (1959), 313–337.[Br] G. Bredon, Geometry
and Topology, Sprinter Verlag (1993)[BZH] G. Burde, H. Zieschang
and M. Heusener, Knots, 3rd fully revised and extended edition. De
Gruyter
Studies in Mathematics 5 (2014).[CCL] S. S. Chern, W. H. Chen
and K. S. Lam, Lectures on differential geometry, Series on
University
Mathematics. 1. Singapore: World Scientific (1999).[CZ] D. J.
Collins and H. Zieschang, Combinatorial group theory and
fundamental groups, in: Algebra,
VII, pp. 1–166, 233–240, Encyclopaedia of Mathematical Sciences,
vol. 58, Springer, Berlin, 1993.[C] J. Conway, Functions of One
Complex Variable I, Springer Verlag (1978)[Cx] H. S. M. Coxeter,
Regular polyhedrons,Methuen & Co (1948)[D] S. Donaldson, An
application of gauge theory to four-dimensional topology, J. Diff.
Geom. 18 (1983),
279–315.[FW] G. Francis and J. Weeks, Conway’s ZIP Proof, Amer.
Math. Monthly 106 (1999), 393–399.[Fr] M. Freedman, The topology of
four-dimensional manifolds, J. Diff. Geom. 17 (1982), 357–453.[FJ]
M. Fried and M. Jarden, Field arithmetic. Revised by Moshe Jarden.
3rd revised ed. Ergebnisse der
Mathematik und ihrer Grenzgebiete, Springer Verlag (2008).[G] D.
Gale, The Classification of 1-Manifolds: A Take-Home Exam, Amer.
Math. l Monthly 94 (1987),
170-175.[GX] J. Gallier and D. Xu, A guide to the classification
theorem for compact surfaces, Geometry and
Computing 9. Berlin: Springer Verlag (2013).[GM] J. Garnett and
D. Marshall, Harmonic measure, New Mathematical Monographs 2.
Cambridge:
Cambridge University Press (2005).[GL] C. McA. Gordon and J.
Luecke, Knots are determined by their complements, J. Amer. Math.
Soc. 2
(1989), no. 2, 371–415.[Gv] M. Gromov, Hyperbolic groups, in
Essays in group theory, volume 8 of Math. Sci. Res. Inst.
Publ.,
75–263, Springer, 1987.[Gk] A. Grothendieck, Revêtements
étales et groupe fondamental, Séminaire de Géométrie
Algébrique du
Bois-Marie, Lecture Notes in Mathematics 224 (1971).[Gr] I. A.
Grushko, On the bases of a free product of groups, Matematicheskii
Sbornik 8 (1940), 169–182.[Ha] A. Hatcher, Algebraic topology,
Cambridge University Press (2002)
https://www.math.cornell.edu/~hatcher/AT/AT.pdf
[Ha2] A. Hatcher, Vector bundles and
K-theoryhttps://www.math.cornell.edu/~hatcher/VBKT/VB.pdf
[Hi] M. Hirsch, Differential topology, Graduate Texts in
Mathematics 33 (1976).[Hu] T. Hungerford, Algebra, Graduate Texts
in Mathematics 73 (1980).[J1] K. Jänich, Topology,
Springer-Lehrbuch (2005).
https://www.math.cornell.edu/~hatcher/AT/AT.pdfhttps://www.math.cornell.edu/~hatcher/VBKT/VB.pdf
-
ALGEBRAIC TOPOLOGY 5
[J2] K. Jänich, Funktionentheorie, 6. Auflage,
Springer-Lehrbuch (2011).[Ke] M. Kervaire, Non-parallelizability of
the n sphere for n > 7, Proc. N.A.S. 44 (1958), 280–283.[KM] M.
Kervaire and J. Milnor, Groups of homotopy spheres: I, Ann. Math.
77 (1963), 504–537.[K] A. Kosinski, Differentiable manifolds, Pure
and Applied Mathematics, 138. Academic Press. xvi (1993).[La] S.
Lang, Complex analysis, Graduate Texts in Mathematics 103
(1999).[Le1] J. Lee, Riemannian manifolds: an introduction to
curvature, Graduate Texts in Mathematics 176
(1997).[Le2] J. Lee, Introduction to smooth manifolds, Graduate
Texts in Mathematics 218 (2002).[Li] W. B. R. Lickorish, A
representation of orientable combinatorial 3-manifolds, Ann. of
Math. (2) 76
(1962), 531–540.[Li2] W. B. R. Lickorish, An introduction to
knot theory, Graduate Texts in Mathematics, 175 (1997).[Lö] C.
Löh, Geometric group theory, an introduction, lecture notes,
University of Regensburg (2015)
http://www.mathematik.uni-regensburg.de/loeh/teaching/ggt_ws1415/lecture_notes.pdf
[LS] R. Lyndon and P. Schupp, Combinatorial group theory,
Springer Verlag (1977).[Mar] A. A. Markov, The insolubility of the
problem of homeomorphy, Dokl. Akad. Nauk SSSR 121 (1958),
218–220.[Mas] W. Massey, Algebraic topology: An introduction,
Graduate Texts in Mathematics 56 (1981).[Mi1] J. Milnor, On
manifolds homeomorphic to the 7-sphere, Annals of Mathematics 64
(1956), 399–405.[Mi2] J. Milnor, Topology from the differentiable
viewpoint, based on notes by David W. Weaver. Revised
2nd ed. Princeton Landmarks in Mathematics (1997).[Mi3] J.
Milnor, Some consequences of a theorem of Bott, Ann. of Math. 68
(1958), 444–449.[Mi4] J. Milnor, Morse Theory, Annals of
Mathematics Studies. No. 51. Princeton, N.J.: Princeton Uni-
versity Press (1963).[Mo] E. Moise, Affine structures in
3-manifolds V. The triangulation theorem and Hauptvermutung,
Annals
of Mathematics 56 (1952), 96–114.[MT] J. Morgan and G. Tian,
Ricci flow and the Poincaré conjecture, Clay Mathematics
Monographs 3.
Providence, RI: American Mathematical Society (2007).[Mu] J.
Munkres, Elements of algebraic topology, Advanced Book Program.
Redwood City, California etc.:
Addison-Wesley Publishing Company, Inc. (1984).[Ne] P. Nelson,
Free product factorization
http://www.math.uchicago.edu/~may/VIGRE/VIGRE2008/REUPapers/Nelson.pdf
[Ni] L. Nicolaescu, An invitation to Morse theory, Universitext
(2011)[Ol] Y. Ollivier, A January 2005 invitation to random groups,
Ensaios Matemáticos 10. Rio de Janeiro:
Sociedade Brasileira de Matemática
(2005).http://www.yann-ollivier.org/rech/publs/randomgroups.pdf
[Pa1] R. Palais, Extending diffeomorphisms, Proc. Am. Math. Soc.
11 (1960), 274–277.[Pa2] R. Palais, The classification of real
division algebras, Am. Math. Mon. 75 (1968), 366–368.[Ra] M. Rabin,
Recursive unsolvability of group theoretic problems, Ann. of Math.
(2) 67 (1958), 172–194.
[Rd] T. Radó,Über den Begriff der Riemannschen Fläche, Acta
Szeged, 2 (2): 101–121.[Rb] D. Robinson, A course in the theory of
groups, 2nd ed, Graduate Texts in Mathematics 80 (1995).[Ro] D.
Rolfsen, Knots and links, Mathematics Lecture Series. 7. Houston,
TX: Publish or Perish. (1990).[Rs] J. Rosenberg, Algebraic K-theory
and its applications, Graduate Texts in Mathematics 147 (1994).[Rt]
J. Rotman, An introduction to algebraic topology, Graduate Texts in
Mathematics 119 (1988)[Rt2] J. Rotman, An introduction to
homological algebra, 2nd edition, Universitext. Berlin: Springer
(2009).[ST] H. Seifert and W. Threlfall, Lehrbuch der Topologie,
Teubner Verlag (1934).[Se] J.-P. Serre, Trees, Springer-Verlag,
Berlin-New York, 1980.[Sm] S. Smale, Generalized Poincar’s
conjecture in dimensions greater than four, Annals of
Mathematics.
74 (1961), 391–406.
http://www.mathematik.uni-regensburg.de/loeh/teaching/ggt_ws1415/lecture_notes.pdfhttp://www.math.uchicago.edu/~may/VIGRE/VIGRE2008/REUPapers/Nelson.pdfhttp://www.yann-ollivier.org/rech/publs/randomgroups.pdf
-
6 STEFAN FRIEDL
[St] J. Stallings, The piecewise-linear structure of Euclidean
space, Proc. Cambridge Philos. Soc. 58 (1961),481–488.
[St2] J. Stallings, Coherence of 3-manifold fundamental groups,
Séminaire N. Bourbaki 481 (1975-1976),167–173.
[Ta] C. Taubes, Gauge theory on asymptotically periodic
4-manifolds, J. Diff. Geom. 25 (1987), 363–430.[Wa] F. Warner,
Foundations of differentiable manifolds and Lie groups, Graduate
Text in Mathematics
(1983)
-
ALGEBRAIC TOPOLOGY 7
Initial remarks
These are the lecture notes for the course Algebraic Topology I
that I taught at theUniversity of Regensburg in the winter term
2016/2017. This course builds on the coursesAnalysis I-IV that I
had taught in the previous terms. For the most part I only
assumestandard results in general topology from the earlier
courses. One unusual feature is that Iuse the homotopy invariance
of path integrals of holomorphic functions, that I had provedin
Analysis III, to quickly show that the fundamental group of S1 is
non-trivial.
These course notes are meant to be “open source lecture notes”,
i.e. they can be usedand modified by anybody. The tex-files and the
files for the figures, which were producedwith winfig, can be found
at
http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_I/friedl/
http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_I/friedl/
-
8 STEFAN FRIEDL
1. Topological spaces
1.1. The definition of a topological space. We recall the
definition of a topologicalspace from Analysis IV.
Definition. A topological space is a pair (X, T ), where X is a
set and T is a topology on X,i.e. T is a set of subsets of X with
the following properties:
(1) the empty set and the entire set X are contained in T ,(2)
the intersection of finitely many sets in T is again a set in T
,(3) the union of arbitrarily many sets in T is again a set in T
.
The sets in T are called open.Example.
(1) Let (X, d) be a metric space. A subset U of X is called open
if for every x ∈ Uthere exists an ϵ > 0 such that Bϵ(x) := {y ∈
X | d(x, y) < ϵ} is contained in U .We had already seen in
Analysis II that
T := all open subsets of (X, d)is a topology on X. In the
following we consider Rn as a metric space with theeuclidean metric
and we always view Rn with the resulting topology, unless we
sayexplicitly otherwise.
(2) Let X be a set, then T = {∅, X} is a topology on X. This
topology is sometimescalled the trivial topology on X.
(3) Let X be a set and let T be the power set of X, i.e. the set
of all subsets of X.Then T is also a topology on X. Put
differently, T is the topology such that allsubsets are open. This
topology is usually referred to as the discrete topology on X.
(4) Let X = R and let T be defined as follows:U ∈ T :⇐⇒ either U
= ∅ or U is the complement of finitely many points in R.
For example the sets ∅,R\{π},R\{−1,√2} and also R (since it is
the complement
of zero points) lie in T . It follows easily from elementary set
theory that T is atopology on X = R.
(5) We consider the setX := Rn ∪ {∞},
i.e. X consists of Rn and an extra point ∞. We say U ⊂ X is
open1, if both of thefollowing two conditions are satisfied:(a) for
each point x ∈ U ∩ Rn there exists an ϵ > 0 such that Bϵ(x) ⊂ U
,(b) if ∞ ∈ U , then there exists a C > 0 such that {x ∈ Rn |
∥x∥ > C} ⊂ U .It is straightforward to see that this defines
indeed a topology on X. For n = 1 wehad introduced this topological
space in Analysis IV and we had referred to it asthe “line with a
point at infinity”. We now refer to Rn ∪ {∞} as “Rn with a pointat
infinity”.
1If we want to specify a topology, it suffices to specify which
subsets are called “open”.
-
ALGEBRAIC TOPOLOGY 9
(6) We consider the set
X := R ∪ {∗},i.e. X consists of R and an extra point ∗. We say U
⊂ X is open, if the followingtwo conditions are satisfied:(a) for
each point x ∈ U ∩ R there exists an ϵ > 0 such that (x− ϵ, x+
ϵ) ⊂ U ,(b) if ∗ ∈ U , then there exists an ϵ > 0 such that (−ϵ,
0) ∪ (0, ϵ) ⊂ U .We had seen in Analysis IV that this is indeed a
topology on X. We refer to thistopological space as the “line with
two zeros”.
(7) If (X, T ) is a topological space and if Y ⊂ X is a subset,
then
S := {Y ∩ U |U ∈ T }
is a topology on Y . We refer to S as the subspace topology on Y
. Unless we saysomething else we consider each subset Y of Rn
always as a topological space withrespect to the subspace
topology.
Now we recall several definitions from Analysis IV.
Definition. Let X be a topological space.2
(1) Let A ⊂ X be a subset. We say U ⊂ X is a neighborhood of A
if there exists anopen set V such that A ⊂ V ⊂ U . We say U is an
open neighborhood of A, if U isfurthermore open.
(2) We say X is Hausdorff, if given any two points x ̸= y there
exist disjoint openneighborhoods U of x and V of y.
Example.(1) If X = R and A = [0, 2), then U = (−1, 3] and V =
(−2,∞) are neighborhoods of
A in X.(2) We had already seen in Analysis II Proposition 1.8
that metric spaces are Hausdorff.
Furthermore we had seen in Analysis IV that the line with a
point at infinity isalso Hausdorff and the same argument shows that
Rn with a point at infinity isHausdorff. On the other hand we had
seen in Analysis IV that the line with twozeros is not
Hausdorff.
(3) A straightforward exercise shows that a topological space X
is Hausdorff if and onlyif the diagonal D = {(x, x) |x ∈ X} is a
closed subset of X ×X.
Definition. Let X be a topological space and let A be a subset
of X.
(1) The interior◦A is defined as the union of all open sets of X
that are contained in A.
(2) We say A is closed, if X \ A is open.(3) The closure A of A
is defined as the intersection of all closed sets in X that contain
A.
(4) The boundary of A in X is defined as ∂A := A \◦A.
2As usual we suppress the topology from the notation, i.e. we
write “let X be a topological space”instead of the more precise
“let (X, T ) be a topological space”.
-
10 STEFAN FRIEDL
Example. We consider X = R and A is the half-open interval [−1,
2). Then the interior of Ais the open interval (−1, 2) and the
closure of A is the closed interval [−1, 2]. Furthermore∂A = {−1,
2}.
It follows immediately from the axioms of a topology that the
interior of a set is an openset. Furthermore it is straightforward
to see that the union of finitely many closed sets isagain closed
and that the intersection of arbitrarily many closed sets is again
closed. Itfollows easily that the closure of a subset is
closed.
Definition. Let X be a topological space. An open covering of X
is a family {Ui}i∈I ofopen subsets of X with
X =∪i∈I
Ui.
We say a topological space X is compact if for each open
covering {Ui}i∈I of X there existfinitely many indices i1, . . . ,
ik ∈ I such that
X = Ui1 ∪ · · · ∪ Uik.Examples. The Heine–Borel Theorem says
that a subset A of Rn is compact if and only ifit is bounded and
closed.
We recall the following well-known lemma.
Lemma 1.1. Let X be a topological space and let A ⊂ X be a
compact subset. If X isHausdorff, then A is a closed subset of
X.
For completeness’ sake we provide the proof.
Proof. Let X be a Hausdorff space and let A ⊂ X be a compact
subset. We want to showthat X \ A is open. It suffices to prove the
following claim.
Claim. Let x ∈ X \ A. Then there exists an open neighborhood V
of x that is containedin X \ A.
We apply the Hausdorff-property to x and every y ∈ A. For every
y ∈ A we obtaindisjoint open neighborhoods e Uy of y and Vy of x.
Evidently we have
A =∪y∈A{y} ⊂
∪y∈A
(Uy ∩ A) ⊂ A.
Thus we see that {Uy ∩ A}y∈A is an open covering of A. Since A
is compact there existy1, . . . , yk such that
A =k∪i=1
(Uyi ∩ A).
Now we consider
V :=k∩i=1
Vyi .
-
ALGEBRAIC TOPOLOGY 11
Since V is the intersection of finitely many open sets, it is
open itself. Furthermore V doesnot intersect any of the Uyi , i =
1, . . . , k. Hence it V is disjoint from von A ⊂ Uy1∪· · ·∪Uyk
.This concludes the proof of the claim. �Definition. We say a map f
: X → Y between two topological spacesX and Y is continuous,if for
each open set U in Y the preimage f−1(U) is open in X.
It is straightforward to see that the composition of two
continuous maps is again con-tinuous. For maps between metric
spaces we obtain the same notion of continuity as inAnalysis II.The
following lemma states perhaps the most important feature of
compact sets. We
had proved the lemma in Analysis II for metric spaces, the proof
for topological spaces isverbatim the same.
Lemma 1.2.
(1) Let f : X → Y be a continuous map. If X is compact, then
f(X) is also compact.(2) Let f : X → R be a continuous map. If X is
compact, then f assumes its maximum
and its minimum.
Definition. We say a map f : X → Y between two topological
spaces X and Y is a homeo-morphism if the following three
properties are satisfied:
(1) f is continuous,(2) f is bijective,(3) f−1 : Y → X is also
continuous.
If there exists a homeomorphism between X and Y we say that X
and Y are homeomorphicand sometimes we write X ∼= Y .
The following proposition, that we had proved in Analysis IV,
gives an often usefulcriterion for showing that a map is a
homeomorphism.
Proposition 1.3. Let f : X → Y be a bijective continuous map
between topological spaces.If X is compact and if Y is Hausdorff,
then f is a homeomorphism.
Example. We consider the map
Φ: Sn → Rn ∪ {∞}
(x1, . . . , xn+1) 7→
{ (x1
1− xn+1, . . . ,
xn1− xn+1
), if xn+1 < 1,
∞, if xn+1 = 1.where we equip Rn∪{∞} with the topology that we
had introduced on page 8. Outside ofthe “North pole” (0, . . . , 0,
1) this map is just the stereographic projection that is
illustratedin Figure 1. This map is easily seen to be continuous3
and a bijection. Furthermore Sn
is compact by Heine-Borel and Rn ∪ {∞} is Hausdorff, as we had
just pointed out above.Hence it follows from Proposition 1.3 that Φ
is a homeomorphism.
3Is that really so easy?
-
12 STEFAN FRIEDL
����������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������
��
�����
�����
��������������������
�����������������������������������
�����������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����
���������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������
stereographic projection of P
North pole N = (0, 0, 1)
Pray emanating from N through P
Figure 1. Stereographic projection from S2 \ {(0, 0, 1)} onto
R2.
Remark. If two topological spaces are homeomorphic, then they
have the same topologicalproperties, i.e. they share all properties
that are defined purely in terms of the topology.For example, if X
and Y are homeomorphic, then X is Hausdorff if and only if Y
isHausdorff, X is compact if and only if Y is compact and so
on.
Convention. Henceforth any map between two topological spaces is
assumed to be contin-uous, unless we say explicitly otherwise.
Definition.
(1) We say that a subset A ⊂ Rn is convex, if for any two
distinct points P and Q in Athe segment PQ := {tP + (1− t)Q | t ∈
[0, 1]} also lies in A.
(2) Given a subset S of Rk the convex hull of S is defined as
the intersection of allconvex subsets of Rk that contain S. Since
the intersection of convex sets is againconvex we see that the
convex hull of S is a convex subset of Rk.
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������
����������������������������
��������������������
������������������
������������������
������
������
������
������
���
��� ��
����
������
���������������������������������������
���������������������������������������
������������������������
������������������������
��������������������������������
������������
������������
������������������������������������
������������������������������������
����
������������������������������������
������������������������������������
��������
������
������
���
��� ��
����
������
��������
�������������������������
�������������������������
��������������������������������
��������
��������
���������������������������������������������
���������������������������������������������
convex hull of Snot convex
P
Q
subset S of R2convex subset of R2
Figure 2.
The following lemma gives a useful criterion for showing that
subsets of Rn are homeo-morphic to an open or to a closed ball.
Lemma 1.4.
(1) Let A be a bounded open convex subset of Rn, then A is
homeomorphic to the openn-dimensional ball Bn := {x ∈ Rn | ∥x∥ <
1}.
(2) Let A be a bounded closed convex subset of Rn such that the
interior of A is non-empty. Then it follows that A is homeomorphic
to the closed n-dimensional ballBn= {x ∈ Rn | ∥x∥ ≤ 1}. More
precisely there exists a homeomorphism f : A→ Bn
with Φ(∂A) = Sn−1.
-
ALGEBRAIC TOPOLOGY 13
Examples.
(1) It follows from Lemma 1.4 that the open cube (0, 1)n is
homeomorphic to Bn. Moregenerally, it follows from Lemma 1.4 that
for any r, s ∈ N0 the product of ballsBr ×Bs ⊂ Rr × Rs = Rr+s is
homeomorphic to Br+s.
(2) It follows from Lemma 1.4 that any triangle, i.e. any subset
of R2 of the formA = {P + sv + tw | s, t ∈ [0, 1] and s + t ≤ 1}
where P ∈ R2 and v, w are twolinearly independent vectors, is
homeomorphic to B
2.
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������
������������������������������
������������
������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������
������������������
������������
(0, 1)2 B2 B2
is homeomorphic to is homeomorphic to
Figure 3.
Proof.
(2) Let A be a bounded closed convex subset of Rn such that the
interior of A is non-empty. After a translation we can assume that
0 lies in the interior of A. Givenx ∈ A \ {0} we define
ρ(x) := sup{∥rx∥
∣∣ r ∈ R>0 and rx ∈ A}and
f(x) := x · ρ(x)∥x∥ .
Since A is closed we have f(x) ∈ A.Claim. The map ρ : A→ R is
positive, bounded and continuous.Since A is bounded it follows that
ρ is bounded. It follows from the definition of
ρ that ρ(x) is always positive. Therefore it remains to show
that ρ is continuous.Now let x ∈ A and let ϵ > 0. It suffices to
show the following two statements:(a) there exists an open
neighborhood U of x such that ρ(y) > ρ(x) − ϵ for all
y ∈ U ,(b) there exists an open neighborhood V of x such that
ρ(y) < ρ(x) + ϵ for all
y ∈ V .We first show the existence of U . After possibly
replacing ϵ by min{1
2ρ(x), ϵ} we
can suppose that ϵ ∈ (0, ρ(x)).Since 0 lies in the interior of A
there exists an η > 0 such that Bη(0) ⊂ A. Since A
is convex, the convex hull C of Bη(0)∪{f(x)} is still contained4
in A. Furthermore,since Bη(0) is open it is straightforward to see
that C
′ := C \ {f(x)} is an open4Why is that the case?
-
14 STEFAN FRIEDL
subset of Rn. We denote by Sn−1ρ(x)−ϵ the sphere of radius ρ(x)
− ϵ around 0. Thepoint x · ρ(x)−ϵ∥x∥ lies on S
n−1ρ(x)−ϵ and it lies in C
′. Since C ′ is open there exists an open
neighborhood U ′ on Sn−1ρ(x)−ϵ that is contained in C′. We
set
U := {rz | z ∈ U ′ and r ∈ (0, 1)}.This is an open neighborhood
of x and for any y ∈ U we have (ρ(x) − ϵ) · y ∈ A,i.e. for any y ∈
A we have ρ(y) ≥ ρ(x) − ϵ. Thus we have shown that the
desiredneighborhood U exists. The existence of V is proved in a
very similar way. We referto [Be, Chapter 11.3] for full details.
This concludes the proof of the claim.
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������
������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����
������������ ���� ���������
������������������������������
�����������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������
������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
������������������������������������������������������
���������������������
���������������������
������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������
������������������������
������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
���������������
���������������
������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������
������������������������������������������
����������������������������������������
����������������������������������������
U
x
f(x)
Bη(0)
0A A
0
Bη(0)
f(x)
C := convex hull of Bη(0) and f(x)
circle with radius ρ(x) around 0
circle S1ρ(x)−ϵ with radius ρ(x)− ϵ around 0
Figure 4. Illustration for the proof of Lemma 1.4.
We now consider the map
Φ: A → Bn
x 7→
{x · 1ρ(x) , if x ̸= 0,0, if x = 0.
It is straightforward to verify that this map is bijective5 and
it follows from theabove claim6 that Φ is continuous. It now
follows from Proposition 1.3 that Φ is ahomeomorphism. We leave it
as an exercise to verify that Φ(∂A) = Sn−1.
(1) The first claim follows from (2) by applying (2) to the
closure A7 and by restrictingthe resulting homeomorphism Φ: A→ Bn
to the interior. �
We recall two definitions about metric spaces.
5It follows easily from the convexity of A, the hypothesis
that◦A ̸= ∅ and the definition of Φ that for
each v ∈ Sn−1 the map Φ restricts to a bijection on the “ray
defined by v”, i.e. it restricts to a bijectionA ∩ {rv | r ∈
R>0} → B
n ∩ {rv | r ∈ R>0}.
6From the continuity of δ it follows that Φ is continuous on A \
{0}. From the fact that δ is bounded itfollows easily that Φ is
continuous in 0.
7Why is the closure of a convex set again a convex set?
-
ALGEBRAIC TOPOLOGY 15
(1) Given a subset A of a metric space X the diameter is defined
as
diameter(A) := sup{d(a, b) | a, b ∈ A} ∈ R≥0 ∪ {∞}.(2) For any
metric space X, any x ∈ X and any non-empty subset A of X we refer
to
d(x,A) := inf{d(x, a) | a ∈ A} ∈ R≥0as the distance from x to
A.
For example the diameter of the cube [0, 1]n ⊂ Rn is easily seen
to be the n-th root of 2.The following Lemma of Lebesgue was
already stated and proved in Analysis II. As a
warm-up exercise we prove it again.
Lemma 1.5. (Lebesgue’s Lemma) Let K be a compact metric space
and let {Ui}i∈Ibe an open covering of K. Then there exists a δ >
0 such that for every subset A withdiameter(A) < δ there exists
an i ∈ I with A ⊂ Ui.
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������
������������������������
������������������������
���
���
����
������������������
������������������
��������������
��������������
������������������������
������������������������������������������
������������������������������������������
������������������������������������
������������������������������������
Axx
Um
Bδ(x) ⊂ X \ UmUi
Br(x) ⊂ UiK
Figure 5. Illustration of the proof of Lebesgue’s Lemma.
Proof. Since K is compact we can cover K with finitely many of
the Ui’s. Put differently,without loss of generality we can assume
that I = {1, . . . , n} is a finite set.If there exists an i ∈ {1,
. . . , n} with K = Ui, then any δ > 0 has the desired
property.
Now suppose that this is not the case, i.e. we suppose that for
any i we have Ui ( K.8 Wefirst prove the following claim.
Claim. The functionf : K → R
x 7→ f(x) := 1nn∑i=1
d(x,K \ Ui)
is continuous and positive.
It follows easily from the definitions and the triangle
inequality that f is continuous.Now let x ∈ K. We want to show that
f(x) > 0. Since K = U1 ∪ · · · ∪ Un there existsan i with x ∈
Ui. Since Ui is open there exists an r > 0 with Br(x) ⊂ Ui. It
follows thatd(x,K \ Ui) ≥ r, hence f(x) ≥ rn . This concludes the
proof of the claim.Since f is continuous and since K is compact it
follows from Lemma 1.2 that the function
f has a global minimum δ on K. It follows from the claim that
this minimum δ is greaterthan 0. Now we want to show that this δ
has the desired property. More precisely, we wantto prove the
following claim.
8Where do we use in the subsequent argument that Ui ( K?
-
16 STEFAN FRIEDL
Claim. Let A be a subset of K with diameter(A) < δ. Then
there exists an i ∈ {1, . . . , n}with A ⊂ Ui.Let x ∈ A. We choose
an m ∈ {1, . . . , n} so that d(x,K \ Um) is maximal. We want
to
show that A ⊂ Um. Since the diameter of A is less than δ we have
A ⊂ Bδ(x). Thus itsuffices to show that Bδ(x) ⊂ Um. Put
differently, it we need to show that d(x,X \Um) ≥ δ.Indeed we
have
d(x,K \ Um) ≥1
n
n∑i=1
d(x,K \ Ui) = f(x) ≥ δ.↑ ↑
since d(x,K \ Um) ≥ d(x,K \ Ui) by the choice of δ
This concludes the proof of the claim. �In many cases the
following corollary is even more useful.
Corollary 1.6. Let f : [0, 1]n → X be a map from the cube [0,
1]n to a topological space Xand let {Vi}i∈I be an open covering of
X. Then there exists an N > 0 such that for anya1, . . . , an ∈
{0, . . . , N − 1} there exists an i ∈ I such that
f([a1N ,
a1+1N
]× · · · ×
[anN ,
an+1N
])⊂ Vi.
The corollary thus says that if f : [0, 1]n → X is a map, and if
we are given an opencovering of X, then we can always find a small
grid on the cube, such that each cube ofthe grid gets mapped into
one of the open sets covering X.
Proof. Let f : [0, 1]n → X be a map from the cube [0, 1]n to a
topological space and let{Vi}i∈I be an open covering of X. We apply
Lemma 1.5 to the open covering Ui := f−1(Vi),i ∈ I of K and we
obtain a δ > 0 such that for each subset A with diameter(A) <
δ thereexists an i ∈ I with A ⊂ Ui = f−1(Vi), which means that f(A)
⊂ Vi. The corollary followsfrom the observation that for
sufficiently large N any cube of side length 1
Nhas diameter
less than δ. �1.2. Constructions of more topological spaces. In
this section we will recall severalways to build new examples of
topological spaces out of existing topological spaces.
Definition. Let X1, . . . , Xk be topological spaces. We say U ⊂
X1 × · · · ×Xk is open if foreach (x1, . . . , xk) ∈ U there exist
open neighborhoods Ui of xi in Xi with U1× . . . Uk ⊂ U .In
Analysis IV we had seen that the above definition does indeed
define a topology on
X1× · · ·×Xk. We refer to this topology as the product topology
on X1× · · ·×Xk. We hadseen in Analysis IV that the product X1 × ·
· · ×Xk is Hausdorff if and only if each Xi isHausdorff and that
the product X1×· · ·×Xk is compact if and only if each Xi is
compact.Example. The topological space Rk × Rl is easily seen to be
homeomorphic to Rk+l. Moreprecisely, the obvious map
Rk × Rl → Rk+l((x1, . . . , xk), (y1, . . . , yl)) 7→ (x1, . . .
, xk, y1, . . . , yl)
-
ALGEBRAIC TOPOLOGY 17
is a homeomorphism.
In the following we refer to S1×S1 as the torus and we refer to
(S1)n as the n-dimensionaltorus. We had seen in Analysis IV that
the torus is indeed homeomorphic to the “standardtorus” in R3.
������������������������
������������������������ �����
���������������
��������������������
��������
S1 × S1 is homeomorphic tosubset of R3
Figure 6.
Definition. Let ∼ be an equivalence relation on a topological
space X. We denote byp : X → X/ ∼ the canonical projection map from
X onto the set of equivalence classesX/ ∼. We say U ⊂ X/ ∼ is open
if p−1(U) ⊂ X is open.
It is straightforward to verify that this does indeed define a
topology on X/ ∼ and thatthe projection map p : X → X/ ∼ is
continuous. We refer to this topology on X/ ∼ as thequotient
topology and we refer to X/ ∼ as a quotient space of X. If X is
compact, then itfollows from Lemma 1.2 that X/ ∼ is also
compact.
Example. Let X be a topological space and let A ⊂ X be a subset.
For P,Q ∈ X we define
P ∼ Q :⇐⇒ P = Q or P,Q both lie in A.
This is easily seen to be an equivalence relation on X. We write
X/A := X/ ∼. InAnalysis IV we had for example seen that B2/S1 is
homeomorphic to S2. In exercisesheet 1 we will see that Bn/Sn−1 is
homeomorphic to Sn.
We also recall the following definition from Analysis IV.
Definition. Let X be a set and let G be a group with trivial
element e.
(1) An action of G on X is a map
G×X → X(g, x) 7→ g · x
with the following properties
e · x = x, for all x ∈ X,g · (h · x) = (gh) · x, for all x ∈ X
and g, h ∈ G.
(2) The action is called free, if g · x = x for some x ∈ X
implies that g = e.(3) We say G acts transitively, if for any x and
y in X there exists a g ∈ G with g ·x = y.
-
18 STEFAN FRIEDL
(4) If X is a topological space, then we say that the action is
continuous, if for everyg ∈ G the map
X → Xx 7→ g · x
is continuous.9
It is straightforward to verify that if a group G acts on a set
X, then
x ∼ y :⇐⇒ there exists a g ∈ G such that g · x = y
is an equivalence relation on X. We write
X/G := X/ ∼ .
If X is a topological space, then we view X/G as a topological
space equipped with thequotient topology. On page 17 we had pointed
out that the projection map X → X/G iscontinuous. In Lemma 18.9 of
Analysis IV we had seen the projection map is also open.
Examples.
(1) The group G = Zn acts on X = Rn by addition. This action is
evidently free andcontinuous. In Analysis IV we had seen that
Rn/Zn → (S1)n[(t1, . . . , tn)] 7→
(e2πit1 , . . . , e2πitn
)is a homeomorphism.
(2) Let X = R× (−1, 1) and G = Z. The map
Z× (R× [−1, 1]) → R× [−1, 1](n, (x, y)) 7→ (x+ n, (−1)ny)
defines an action that is free and continuous. The quotient is
homeomorphic to theMöbius band.10
(3) Let X = Sn and G = {±1}. The map
{±1} × Sn → Sn(ϵ, P ) 7→ ϵ · P
gledefines an action that is free and continuous. We refer to
the quotient space Sn/{±1}as the n-dimensional real projective
space RPn.11 In exercise sheet 1 we will show thatRP1 is
homeomorphic to S1.
9If the action is continuous, then the map x 7→ g · x is in fact
a homeomorphism with inverse map givenby x 7→ g−1 · x.
10Depending on the point of view, this can of course also be
taken as the definition of the Möbius band.11For n = 2 we
sometimes refer to RP2 as the real projective plane.
-
ALGEBRAIC TOPOLOGY 19
(4) Let X = Rn+1\{0} and let G = R\{0}, where we view G as a
group via multiplication.The map
(R \ {0})× (Rn+1 \ {0}) → Rn+1 \ {0}(r, P ) 7→ r · P
defines an action that is free and continuous. It is
straightforward to see that the map
RPn = Sn/{±1} → (Rn+1 \ {0})/(R \ {0})[P ] 7→ [P ]
defines a homeomorphism. Our new point of view on real
projective spaces has theadvantage that we can create a different
class of examples of topological spaces byreplacing R by C. More
precisely, let X = Cn+1 \ {0} and let G = C \ {0}. The map
(C \ {0})× (Cn+1 \ {0}) → Cn+1 \ {0}(z, P ) 7→ z · P
defines an action that is free and continuous. The quotient
space (Cn+1\{0})/(C\{0})is called the n-dimensional complex
projective space CPn. In exercise sheet 1 we willshow that CP1 is
homeomorphic to S2.12
(5) Let X = R and G = {±1}. The map{±1} × R → R
(ϵ, x) 7→ ϵ · xdefines an action that is continuous. But this
action is not free, since (−1) · 0 = 0, but−1 is not the trivial
element in the group G = {±1}. In Analysis IV we had shownthat
R/{±1} is homeomorphic to the half-open interval [0,∞).
Finally we recall Lemma 17.4 from Analysis IV which is used so
frequently, that later onwe will no longer cite it explicitly.
Lemma 1.7. Let ∼ be an equivalence relation on a topological
space X and let f : X → Ybe a continuous map with the property that
f(x) = f(y) whenever x ∼ y. Then there existsa unique continuous
map g : X/ ∼→ Y , such that f = g ◦ p, i.e. such that the
followingdiagram of maps commutes:
Xp //
f ''NNNNN
NNNNN X/ ∼
g��Y.
12The definition of projective space makes sense for any field,
even for fields of non-zero characteristic.If F is a field of
characteristic p we can still define FPn = (Fn+1 \ {0})/(F \ {0}).
A priori this is just a set,but together with the Zariski topology
it actually becomes an unusual, but interesting topological
space.For any field the map
FPn = (Fn+1 \ {0})/(F \ {0}) → {all one-dimensional subspaces of
Fn+1}[v] 7→ F · v
is a bijection. Thus we can view FPn as the set of all lines
through the origin.
-
20 STEFAN FRIEDL
1.3. Further examples of topological spaces. In this section we
will recall several otherexamples of topological spaces that we had
already introduced in Analysis IV. Before wedo so, we recall the
following definition: Suppose we are given a relation ∼ on a set
X.13We say x, y ∈ X are equivalent if there exists a sequence x =
x1, . . . , xk = y of elementsin X such that for all i = 1, . . . ,
k − 1 the following holds: either xi ∼ xi+1 or xi+1 ∼ xi.We then
write again x ∼ y if x and y are equivalent. It is straightforward
to see that thisis now indeed an equivalence relation. We say it is
generated by the initial relation.
Example. The relations x ∼ (x + 1) with x ∈ R on R generate the
familiar equivalencerelation x ∼ y ⇔ x− y ∈ Z.
We will now see that many familiar spaces can be described as
quotient spaces.
(1) We consider X = [0, 1]× [0, 1] ⊂ R2 and the equivalence
relation which is generated by
(x, 0) ∼ (x, 1) for all x ∈ [0, 1].
The quotient topological space X/ ∼ is obtained from the square
X = [0, 1] × [0, 1]by identifying each point on the upper edge with
the corresponding point on the loweredge. Put differently, “we glue
the upper edge to the lower edge”. Using Proposition 1.3one can
easily show that the map
X/ ∼ → S1 × [0, 1](s, t) 7→
(e2πt, s
)is a homeomorphism. We refer to X/ ∼ and also to S1 × [0, 1] as
a cylinder or anannulus.
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������