Posso fare delle osservazioni/esempi per farti un po' vedere come interagiscono algebra e topologia.
Prendi un gruppo topologico \( \displaystyle G \) . Osserva che fissato \( \displaystyle g \in G \) le funzioni \( \displaystyle G \to G \) definite da \( \displaystyle x \mapsto gx \) e \( \displaystyle x \mapsto xg \) sono continue, essendo composizioni di funzioni continue: \( \displaystyle G \to G \times G \to G \) , dove la seconda freccia e' il prodotto e la prima freccia e' la mappa \( \displaystyle x \mapsto (g,x) \) oppure \( \displaystyle x \mapsto (x,g) \) . Questo implica che se \( \displaystyle U \) e' un aperto di \( \displaystyle G \) allora \( \displaystyle Ug \) e \( \displaystyle gU \) (e anche \( \displaystyle U^{-1}:=\{u^{-1}\ |\ u \in U\} \) ) sono aperti di \( \displaystyle G \) per ogni \( \displaystyle g \in G \) (sono controimmagini di \( \displaystyle U \) rispetto a opportune moltiplicazioni a destra, prova a vedere quali). Per lo stesso motivo se \( \displaystyle U \) e' chiuso allora \( \displaystyle Ug \) e \( \displaystyle gU \) (e anche \( \displaystyle U^{-1} \) ) sono chiusi.
Ora arrivano le cose magiche. Se il tuo \( \displaystyle U \) oltre ad essere aperto e' un sottogruppo di \( \displaystyle G \) allora e' anche chiuso. Infatti e' il complementare dell'unione di aperti \( \displaystyle \cup_{g \in G-U} gU \) (!). Se invece hai un sottogruppo chiuso \( \displaystyle U \) di \( \displaystyle G \) non e' detto che sia aperto, ma lo e' se ha indice finito, infatti in tal caso l'unione di chiusi \( \displaystyle \cup_{g \in G-U} gU \) e' finita (e quindi e' un chiuso!). Se il gruppo \( \displaystyle G \) e' compatto allora ogni sottogruppo aperto ha indice finito, infatti (ecco la magia di nuovo) i laterali (destri o sinistri) del sottogruppo aperto formano un ricoprimento aperto di \( \displaystyle G \) (!). Poi ci sono altri risultati carini, tipo che se \( \displaystyle N \unlhd G \) allora \( \displaystyle G/N \) con la topologia quoziente e' ancora un gruppo topologico (non e' difficile dimostrarlo).
Ora, cosa significa che \( \displaystyle G \) e' di Hausdorff? Ti dimostro che questo vale se e solo se il punto \( \displaystyle \{1\} \) e' chiuso in \( \displaystyle G \) (!). Ovviamente l'implicazione \( \displaystyle (\Rightarrow) \) e' immediata, quindi provo l'altra. Prendiamo due punti \( \displaystyle x \neq y \) in \( \displaystyle G \) . Ora \( \displaystyle x^{-1}y \neq 1 \) e \( \displaystyle \{x^{-1}y\} = x^{-1}y \{1\} \) e' chiuso perche' \( \displaystyle \{1\} \) e' chiuso (cf. sopra). Prendiamo allora l'aperto \( \displaystyle U:=G-\{x^{-1}y\} \) . Esso contiene \( \displaystyle 1 \) . Siccome \( \displaystyle \varphi :G \times G \to G \) , \( \displaystyle (g,h) \mapsto gh^{-1} \) e' una funzione continua (composizione di ...), \( \displaystyle \varphi^{-1}(U) \) e' un aperto di \( \displaystyle G \times G \) contenente \( \displaystyle (1,1) \) , quindi esistono aperti \( \displaystyle V,W \) di \( \displaystyle G \) tali che \( \displaystyle (1,1) \in V \times W \subseteq \varphi^{-1}(U) \) . Considera \( \displaystyle xV \) e \( \displaystyle yW \) . Sono aperti di \( \displaystyle G \) e siccome \( \displaystyle 1 \in V \cap W \) si ha \( \displaystyle x \in xV \) e \( \displaystyle y \in yW \) . Sono disgiunti perche' se per assurdo \( \displaystyle xv=yw \) con \( \displaystyle v \in V \) e \( \displaystyle w \in W \) allora \( \displaystyle \varphi(v,w) = vw^{-1} = x^{-1}y \not \in U \) .
Poi ti posso parlare dei gruppi profiniti, che sono il caso piu' vicino a quello che faccio. Un gruppo topologico \( \displaystyle G \) si dice profinito se e' compatto e totalmente disconnesso. Qui ci sarebbero tante cose da dire, ma mi limito a quella che fa capire meglio il senso dei gruppi profiniti. Un gruppo topologico \( \displaystyle G \) e' profinito se e solo se e' isomorfo come gruppo topologico (cioe' isomorfo come gruppo ed omeomorfo come spazio topologico) ad un sottogruppo chiuso di un
prodotto cartesiano di gruppi finiti (dove ogni fattore ha la topologia discreta e il prodotto ha la topologia prodotto). Se la cosa ti sembra ancora oscura, ti posso dire che accade un'altra magia:
i gruppi profiniti sono esattamente i gruppi di Galois delle estensioni algebriche. I fattori finiti del prodotto cartesiano di cui poco sopra
corrispondono ai gruppi di Galois delle sotto-estensioni finite. Lo trovo esaltante
Le persone che le persone che le persone amano amano amano.