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距離がなくても「近い」は決められる - 位相空間の定義と例

集合 の部分集合をいくつか選び、「これを開集合と呼ぶ」と宣言する。選び方が 3 つの条件を満たすとき、その族を の位相と呼びます[1]

距離は出てきません。にもかかわらず、連続写像も収束も閉包も、この 3 条件だけで語れる。何を近いと見なすかを、距離ではなく開集合の選び方で決める仕組みです。

位相とは開集合の族のこと

の部分集合からなる族 が次を満たすとき、 上の位相といいます。

に属する。
の元をいくつ合わせても、その和集合は に属する。個数に制限はない。
の元を有限個とると、その共通部分は に属する。

の元を開集合、組 を位相空間と呼びます[1]

和のほうは無限個でもよく、交わりのほうは有限個まで。この非対称が定義の要になります。

有限交叉に限る理由

無限個の共通部分まで許すと、開集合であってほしくないものが開集合になってしまいます。

実数直線で をとります。どれも開区間なので開集合です。

一点集合 が残る。ところが は開区間を含まないので、実数直線の開集合ではありません。

有限個なら、いちばん狭い区間がそのまま共通部分になるので開集合のまま。無限個だと「いちばん狭い」が存在しません[1]

例:3 点集合に入る位相

で、どの族が位相になるかを見ます。 は必ず入れておく。

が落ちるのは、 が族にないためです。

も落ちる。共通部分の が足りません。

点が 3 つでも位相の入れ方は何通りもあります。有限集合の上に何個の位相が入るかは、小さい についてしか分かっていない[1]

例:離散位相と密着位相

どんな集合にも、両極端の位相が 2 つ入ります。

すべての部分集合を開集合とすると離散位相。どの点も単独で開集合になるので、点どうしはすべて離れています。

だけを開集合とすると密着位相。開集合が粗すぎて、2 点を区別する手立てがありません。

離散位相

開集合はべき集合すべて。どの 2 点も引き離せる

密着位相

開集合は の 2 つだけ。どの 2 点も引き離せない

この 2 つのあいだに、ほかのすべての位相が並びます。

距離があれば位相が決まる

距離空間 では、開球 が使えます。

が開集合であるとは、 のどの点 に対しても、 となる があること。

こうして集めた族は 3 条件を満たします。距離が位相を誘導するという言い方をする[1]

ユークリッド空間 の標準的な位相も、この手順で作られたものです。

距離は位相からは戻らない

距離から位相は作れますが、位相から距離は復元できません。

は違う距離ですが、開球の族が生む開集合は同じ。同じ位相を与える距離はいくらでもあります[1]

距離は「どれだけ近いか」を数で答え、位相は「近いか離れているか」だけを集合の形で答えます。

数の情報を捨てているので、位相から距離へ戻る道はふさがっている。

距離が入らない位相もある

を入れます。シェルピンスキー空間と呼ばれる 2 点空間です[1]

は開集合ではありません。 を含む開集合は だけなので、 のどんな近くにも が入ってしまう。

距離空間なら として が開集合になるはず。ならないので、この位相を生む距離は存在しません。

密着位相も同じ理由で距離化できない。位相空間のほうが距離空間より広い枠組みだと分かります。

閉集合は補集合で決まる

が閉集合であるとは、 が開集合であることをいいます。

補集合をとる操作で、開集合の 3 条件はそのまま裏返る。閉集合は無限個の共通部分について閉じ、有限個の和について閉じます。

開集合は無限個の和で閉じる

補集合をとる

閉集合は無限個の交わりで閉じる

どちらの言葉で位相を定めても同じものが決まります。開集合の族を与えるか、閉集合の族を与えるかは書き方の違い。

開かつ閉があってよい

は、いつでも開集合であり閉集合でもあります。日常語の「開いている」「閉じている」とは違う使い方です。

離散位相では、すべての部分集合が開かつ閉。開集合と閉集合は反対語ではありません。

開かつ閉の集合が の 2 つだけしかない空間を、連結な空間と呼びます。数え上げるとそのまま連結性の判定になる。

近傍が「近い」を運ぶ

を含む開集合を、 の近傍と呼びます。位相が与える情報は「どの集合が の近傍か」に尽きます[3]

の近傍がどれも と交わるなら、 にくっついている。この言い方で閉包も収束も定義できます。

位相空間を最初に公理化したのは 1914 年のハウスドルフで、開集合ではなく近傍のほうに条件を課す形でした[2]。開集合を先に置く現在の書き方は、そのあとに定着したものです[3]

距離空間なら「半径 の球」という細かさの目盛りがありますが、一般の位相空間には目盛りがない。あるのは近傍の入れ子関係だけです。

位相の細かさを比べる

同じ 上の 2 つの位相 について、 を細かい、 を粗いといいます[3]

細かい位相は開集合を多く持つので、点を区別する力が強い。いちばん細かいのが離散位相、いちばん粗いのが密着位相です。

位相開集合の個数(点の区別
密着2できない
3一部だけ
離散8すべてできる

包含で比べるので、どの 2 つの位相も比較できるとは限りません。細かさの順序は半順序どまり。

例:余有限位相

を無限集合とし、 が開集合であることを「 が有限集合、または 」と定めます[1]

和も有限交叉も条件を保つので位相になります。閉集合はちょうど有限集合と 全体。

この位相では、空でない開集合はどの 2 つも交わります。有限集合を 2 つ除いても無限個の点が残るためです。

で、 は位相ですか。

  • 位相である
  • 和集合の条件が破れるので位相でない
  • 共通部分の条件が破れるので位相でない
__RESULT__

で族の中にあり、 も族の中にあります。 も入っているので 3 条件をすべて満たす。この位相では がどちらも開かつ閉になり、空間は連結ではありません。

開集合を選ぶという一手だけで、近さの言葉が全部使えるようになる。距離を持たない対象にも幾何を持ち込めるところが、この定義の効き目です。

出典

Daniel Plaumann. *Topologie*. Skript zur Vorlesung, Universität Konstanz, Wintersemester 2014/15, §1.2–1.3.
Felix Hausdorff. *Grundzüge der Mengenlehre*. Veit, Leipzig, 1914.
Topological space. Encyclopedia of Mathematics.
開集合をどう選ぶかだけで、近さの言葉が全部そろいます。条件は 3 つ。空集合と全体が入ること、和は何個でもよいこと、交わりは有限個までであること。無限個の交わりまで許すと $(-1/n,\ 1/n)$ の共通部分が一点に潰れ、開集合でないものが混じります。3 点集合で位相になる族とならない族を見比べ、離散位相と密着位相、距離から位相が生まれる仕組み、同じ位相を与える距離がいくらでもある事情、距離が入らないシェルピンスキー空間、余有限位相まで。閉集合が補集合で決まること、開かつ閉があることも扱いました。