2336:
2009:
3725:
2331:{\displaystyle {\begin{array}{ccccccccccccccc}A&&&&&&&\subseteq &&&&&&&B^{\complement }\\A&&&\subseteq &&&\ U(1/2)&\subseteq &V(1/2)&&&\subseteq &&&B^{\complement }\\A&\subseteq &U(1/4)&\subseteq &V(1/4)&\subseteq &U(1/2)&\subseteq &V(1/2)&\subseteq &U(3/4)&\subseteq &V(3/4)&\subseteq &B^{\complement }\end{array}}}
3508:
3746:
3714:
1274:
3783:
3756:
3736:
91:
2902:
2727:
779:
is a topological space in which any two disjoint closed sets can be separated by neighbourhoods. Urysohn's lemma states that a topological space is normal if and only if any two disjoint closed sets can be separated by a continuous function.
2719:
1034:
Urysohn's lemma has led to the formulation of other topological properties such as the 'Tychonoff property' and 'completely
Hausdorff spaces'. For example, a corollary of the lemma is that normal
1447:
1760:
2897:{\displaystyle V\left({\frac {a}{2^{n}}}\right)\subseteq U\left({\frac {2a+1}{2^{n+1}}}\right)\subseteq V\left({\frac {2a+1}{2^{n+1}}}\right)\subseteq U\left({\frac {a+1}{2^{n}}}\right)}
2602:
3063:
2545:
2497:
2385:
3222:
3178:
1919:
1826:
1557:
1718:
2978:
2014:
1369:
1264:
1602:
1220:
879:
2449:
1179:
560:
380:
3089:
2943:
2420:
1875:
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531:
496:
470:
3109:
3251:
1981:
1952:
1660:
1631:
2632:
1135:
965:
607:
3786:
3137:
2998:
2652:
2001:
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1780:
1680:
1530:
1510:
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1470:
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1343:
1319:
1299:
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1072:
1025:
1005:
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246:
226:
206:
186:
159:
136:
116:
435:
3807:
57:
Urysohn's lemma is commonly used to construct continuous functions with various properties on normal spaces. It is widely applicable since all
3328:
3420:
3774:
3769:
3355:
824:
3764:
2657:
336:
3822:
3666:
3382:
1414:
3377:
162:
1723:
3817:
3674:
79:
2550:
3745:
3473:
166:
69:
3003:
3759:
332:
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2454:
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3413:
3183:
2342:
3142:
3536:
3463:
1880:
1787:
3724:
1535:
3684:
3636:
3610:
3458:
1688:
2948:
1281:
The proof proceeds by repeatedly applying the following alternate characterization of normality. If
3735:
3531:
3372:
51:
28:
1348:
3729:
3679:
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1569:
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536:
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3497:
3443:
3068:
2913:
2390:
1854:
884:
692:
are separated by a function then so are their closures. Also it follows that if two subsets
501:
475:
440:
3094:
3812:
3556:
3551:
3393:
3227:
1957:
1928:
1636:
1607:
1563:
1512:. The main idea of the proof is to repeatedly apply this characterization of normality to
1043:
65:
2611:
1117:
947:
589:
3646:
3578:
3122:
2983:
2637:
1986:
1831:
1765:
1665:
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1475:
1455:
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1077:
1057:
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970:
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735:
715:
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655:
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251:
231:
211:
191:
171:
144:
121:
101:
3260:
has completely formalised and automatically checked a proof of
Urysohn's lemma in the
408:
3801:
3656:
3566:
3546:
3316:
2605:
403:
76:
62:
40:
3749:
3641:
3561:
3507:
3389:
3257:
1028:
776:
58:
36:
1273:
3310:
3739:
3651:
68:
are normal. The lemma is generalised by (and usually used in the proof of) the
3595:
3526:
3485:
43:
3620:
3273:
3116:
3261:
3338:
90:
3605:
3573:
3522:
3429:
1322:
1035:
20:
1074:
is normal if and only if, for any two non-empty closed disjoint subsets
3112:
89:
3402:
1277:
Illustration of the first few sets built as part of the proof.
3398:
16:
Characterization of normal spaces by continuous functions
3394:
http://mizar.org/version/current/html/urysohn3.html#T20
2714:{\displaystyle a\in \left\{0,1,\ldots ,2^{n}-1\right\}}
3230:
3186:
3145:
3125:
3097:
3071:
3006:
2986:
2951:
2916:
2730:
2721:, we can find an open set and a closed set such that
2660:
2640:
2614:
2553:
2505:
2457:
2431:
2393:
2351:
2012:
1989:
1960:
1931:
1883:
1857:
1834:
1790:
1768:
1726:
1691:
1668:
1639:
1610:
1572:
1559:, continuing with the new sets built on every step.
1538:
1518:
1498:
1478:
1458:
1417:
1397:
1377:
1351:
1331:
1307:
1287:
1228:
1187:
1143:
1120:
1100:
1080:
1060:
1013:
993:
973:
950:
930:
910:
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852:
831:
809:
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758:
738:
718:
698:
678:
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572:
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504:
478:
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411:
388:
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317:
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274:
254:
234:
214:
194:
174:
147:
124:
104:
1027:
are precisely separated by a continuous function is
3665:
3629:
3515:
3436:
3245:
3216:
3172:
3131:
3103:
3083:
3057:
2992:
2972:
2937:
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2713:
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2626:
2596:
2539:
2491:
2443:
2414:
2379:
2330:
1995:
1975:
1946:
1913:
1869:
1840:
1820:
1774:
1754:
1712:
1674:
1654:
1625:
1596:
1551:
1524:
1504:
1484:
1464:
1442:{\displaystyle Y\subseteq U\subseteq V\subseteq Z}
1441:
1403:
1383:
1363:
1337:
1313:
1293:
1258:
1214:
1173:
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1086:
1066:
1019:
999:
979:
959:
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916:
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873:
837:
815:
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744:
724:
704:
684:
664:
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601:
578:
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525:
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464:
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374:
323:
303:
280:
260:
240:
220:
200:
180:
153:
130:
110:
3098:
3022:
846:, i.e., it is not necessary and guaranteed that
3115:. Using the fact that the dyadic rationals are
2907:The above three conditions are then verified.
2345:. For the base step, we define two extra sets
1755:{\displaystyle V(r)\subseteq B^{\complement }}
3414:
8:
3208:
3202:
3167:
3161:
3052:
3025:
2591:
2560:
1250:
1244:
1209:
1203:
987:in which every two disjoint closed subsets
3782:
3755:
3421:
3407:
3399:
2597:{\displaystyle k\in \{1,\ldots ,2^{n}-1\}}
3229:
3185:
3144:
3124:
3096:
3070:
3005:
2985:
2950:
2915:
2882:
2865:
2837:
2817:
2789:
2769:
2747:
2738:
2729:
2694:
2659:
2639:
2613:
2579:
2552:
2526:
2517:
2504:
2478:
2469:
2456:
2430:
2392:
2371:
2350:
2318:
2296:
2269:
2242:
2215:
2188:
2161:
2132:
2106:
2079:
2043:
2013:
2011:
1988:
1959:
1930:
1882:
1856:
1833:
1789:
1767:
1746:
1725:
1690:
1667:
1638:
1609:
1571:
1543:
1537:
1517:
1497:
1477:
1457:
1416:
1396:
1376:
1350:
1330:
1306:
1286:
1227:
1186:
1142:
1119:
1099:
1079:
1059:
1012:
992:
972:
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909:
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851:
830:
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737:
717:
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677:
657:
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571:
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316:
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253:
233:
213:
193:
173:
146:
123:
103:
3058:{\displaystyle f(x)=\inf\{r:x\in U(r)\}}
1272:
3292:
3285:
3119:, it is then not too hard to show that
2540:{\displaystyle V\left(k/2^{n}\right)}
2492:{\displaystyle U\left(k/2^{n}\right)}
2380:{\displaystyle U(1)=B^{\complement }}
1371:is closed, then there exists an open
7:
3217:{\displaystyle f(B)\subseteq \{1\}.}
94:Two sets separated by neighborhoods.
3173:{\displaystyle f(A)\subseteq \{0\}}
3139:is continuous and has the property
2910:Once we have these sets, we define
2547:have already been constructed for
1914:{\displaystyle V(r)\subseteq U(s)}
1821:{\displaystyle U(r)\subseteq V(r)}
333:separated by a continuous function
14:
1562:The sets we build are indexed by
772:are separated by neighbourhoods.
732:are separated by a function then
248:that are disjoint. In particular
3781:
3754:
3744:
3734:
3723:
3713:
3712:
3506:
1552:{\displaystyle B^{\complement }}
1983:expand outwards in layers from
1713:{\displaystyle A\subseteq U(r)}
652:It follows that if two subsets
3808:Theory of continuous functions
3240:
3234:
3196:
3190:
3155:
3149:
3049:
3043:
3016:
3010:
2973:{\displaystyle x\not \in U(r)}
2967:
2961:
2926:
2920:
2403:
2397:
2361:
2355:
2341:This construction proceeds by
2304:
2290:
2277:
2263:
2250:
2236:
2223:
2209:
2196:
2182:
2169:
2155:
2114:
2100:
2087:
2073:
1970:
1964:
1941:
1935:
1908:
1902:
1893:
1887:
1815:
1809:
1800:
1794:
1736:
1730:
1707:
1701:
1649:
1643:
1620:
1614:
1604:, we construct an open subset
1591:
1579:
1492:be disjoint closed subsets of
1238:
1232:
1197:
1191:
1168:
1156:
1153:
1137:there exists a continuous map
862:
856:
562:Any such function is called a
514:
508:
453:
447:
424:
412:
369:
357:
354:
1:
75:The lemma is named after the
1566:. For every dyadic fraction
1364:{\displaystyle Y\subseteq Z}
3378:Encyclopedia of Mathematics
1259:{\displaystyle f(B)=\{1\}.}
163:separated by neighbourhoods
3839:
3675:Banach fixed-point theorem
3309:Willard, Stephen (2004) .
1597:{\displaystyle r\in (0,1)}
1215:{\displaystyle f(A)=\{0\}}
874:{\displaystyle f(x)\neq 0}
649:are necessarily disjoint.
288:are necessarily disjoint.
3708:
3504:
3346:Willard, Stephen (1970).
80:Pavel Samuilovich Urysohn
70:Tietze extension theorem
3253:sets in order to work.
3224:This step requires the
2444:{\displaystyle n\geq 0}
1174:{\displaystyle f:X\to }
825:precisely separated by
555:{\displaystyle b\in B.}
375:{\displaystyle f:X\to }
39:if and only if any two
3730:Mathematics portal
3630:Metrics and properties
3616:Second-countable space
3350:. Dover Publications.
3247:
3218:
3174:
3133:
3105:
3085:
3084:{\displaystyle x\in X}
3059:
2994:
2974:
2939:
2938:{\displaystyle f(x)=1}
2898:
2715:
2648:
2628:
2598:
2541:
2493:
2445:
2416:
2415:{\displaystyle V(0)=A}
2381:
2343:mathematical induction
2332:
1997:
1977:
1948:
1925:Intuitively, the sets
1915:
1871:
1870:{\displaystyle r<s}
1842:
1822:
1776:
1756:
1714:
1676:
1656:
1627:
1598:
1553:
1526:
1506:
1486:
1466:
1443:
1405:
1385:
1365:
1339:
1315:
1295:
1278:
1260:
1216:
1175:
1131:
1108:
1088:
1068:
1021:
1001:
981:
961:
938:
918:
898:
897:{\displaystyle \neq 1}
875:
839:
817:
797:
766:
746:
726:
706:
686:
666:
643:
623:
603:
580:
556:
527:
526:{\displaystyle f(b)=1}
492:
491:{\displaystyle a\in A}
466:
465:{\displaystyle f(a)=0}
431:
396:
376:
325:
305:
282:
262:
242:
222:
202:
182:
155:
132:
112:
95:
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