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ハウスドルフ空間でない位相空間の例|密着位相からザリスキー位相まで

ハウスドルフ空間とは、異なる 2 点を交わらない開集合で分けられる空間のことです。

この条件を満たさない空間は珍しくありません。位相を粗くすれば開集合が足りなくなりますし、貼り合わせや商を取る操作でも簡単に壊れます。

以下では非ハウスドルフの例を、粗い位相から自然に現れるものまで順に並べ、そのうえで何が壊れるのかを確かめます。

例:密着位相

いちばん単純な例は、開集合が と全体しかない空間です。

に対して開集合の族を とします。 を含む開集合は だけ、 を含む開集合も だけです。

交わらない 2 つを選びようがないので、ハウスドルフではありません。それどころか、 を区別する開集合すら存在しません。

2 点を位相の言葉で区別できないこの状態を、 公理が破れているといいます。

例:シェルピンスキー空間

区別はできるが分離はできない、という中間の例があります。

に対して、開集合の族を とします。 を含む開集合には がありますが、 を含む開集合は だけです。

を含まないので、2 点は位相的に区別できます。しかし の近傍が しかないので、分離はできません。

この空間はシェルピンスキー空間と呼ばれ、 ではあるがハウスドルフでない最小の例になっています。

例:有限補位相

もっと自然な形の例に移ります。無限集合の上で、閉集合を有限集合と全体に限る位相です。

とします。開集合は と、有限個の点を除いた集合です。

1 点集合は有限なので閉集合です。したがってこの空間は を満たします。

ところが異なる 2 点 を取ると、 を含む開集合 を含む開集合 も、有限個を除いた無限集合です。無限集合から有限個ずつ取り除いても交わりは残ります。

でありながらハウスドルフでない、という例になっています。分離公理の階層で、ちょうど 2 つの段の間に入ります。

空間

異なる 2 点それぞれについて、一方だけを含む開集合が取れる。1 点集合が閉であることと同値

ハウスドルフ空間

異なる 2 点を、交わらない 2 つの開集合で分けられる。 より真に強い

例:ザリスキー位相

代数幾何で使う位相も、ハウスドルフではありません。

アフィン直線 を複素数全体と見ます。ザリスキー位相では、閉集合を多項式の零点集合、つまり有限集合と全体に取ります。

これは有限補位相そのものです。したがって前の節と同じ理由で、ハウスドルフになりません。

高次元でも事情は変わりません。 の空でない開集合は稠密なので、2 つ取れば必ず交わります。

代数幾何がハウスドルフ性を要求しないのは、この位相を使う以上どうにもならないからです。分離の議論は、別の条件に置き換えて行われます。

例:原点を 2 つ持つ直線

貼り合わせで壊す例に移ります。直線の原点だけを 2 つに増やします。

集合として と置きます。開集合は次の 2 種類です。

を含まない の通常の開集合は、そのまま の開集合とする
を含む通常の開集合 に対して、 の開集合とする(

各点は閉なので です。ところが の近傍と の近傍を取ると、どちらも を抜いた同じ区間を含みます。

したがって交わりは空になりません。 は分離できません。

HTML
CSS
JavaScript
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	<line x1="70" y1="120" x2="225" y2="120" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1.5"></line>
	<line x1="245" y1="120" x2="400" y2="120" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1.5"></line>
	<line x1="175" y1="120" x2="225" y2="120" stroke="#9a9a9a" stroke-width="3"></line>
	<line x1="245" y1="120" x2="295" y2="120" stroke="#9a9a9a" stroke-width="3"></line>
	<polyline points="175,100 175,92 295,92 295,100" fill="none" stroke="#1b81e0" stroke-width="1.5"></polyline>
	<polyline points="175,140 175,148 295,148 295,140" fill="none" stroke="#d0562a" stroke-width="1.5"></polyline>
	<circle cx="235" cy="100" r="4" fill="#1b81e0"></circle>
	<circle cx="235" cy="140" r="4" fill="#d0562a"></circle>
	<text x="55" y="26" font-size="11" fill="#1f1f1f">原点だけを 2 つに増やした直線</text>
	<text x="302" y="96" font-size="11" fill="#1b81e0">一方の原点の近傍</text>
	<text x="302" y="152" font-size="11" fill="#d0562a">もう一方の原点の近傍</text>
	<text x="244" y="104" font-size="11" fill="#1b81e0">原点 1</text>
	<text x="244" y="144" font-size="11" fill="#d0562a">原点 2</text>
	<text x="55" y="196" font-size="11" fill="#9a9a9a">太い部分は両方の近傍に入る。交わりは空にならない</text>
</svg>

この空間は、各点のまわりが直線と同じ形をしています。多様体の定義からハウスドルフ性を外すと、こういうものが入ってきてしまいます。多様体の定義にハウスドルフ性を書き込むのは、これを排除するためです。

例:平面の 1 本の直線を 2 本にする

同じ操作を平面で行います。 軸だけを 2 枚に増やします。

軸とし、集合として と置きます。軸を外した部分は 1 つだけで、2 枚に増やすのは軸そのものだけです。

の点 の近傍は、 のまわりの円板から軸を抜いたものに、 の側の線分を足したものとします。

の近傍と の近傍は、どちらも軸を抜いた円板の部分を共有します。したがって分離できません。

2 枚の半平面を境界で貼り合わせただけでは、この現象は起きません。軸から離れた点まで共有していることが効いています。

例:商空間はすぐ壊れる

商を取る操作は、ハウスドルフ性を保ちません。極端な例を作ります。

の上で、差が有理数である 2 点を同一視します。商集合を と書きます。

商位相で開になるのは、もとの空間の開集合のうち、同一視で閉じているものの像です。 の空でない開集合は区間を含み、そこに有理数を足していくと 全体になります。

したがって商空間の開集合は と全体だけです。密着位相になり、 ですらありません。

もとの は距離空間で、分離公理をすべて満たします。それでも商を取ると何も残りません。

有限集合の上ではほとんど起きない

逆に、有限集合の上ではハウスドルフ性が強すぎる条件になります。

命題。有限なハウスドルフ空間は離散空間です。

証明。 を固定します。各 について、 を含む開集合 を含む開集合 で交わらないものを取ります。

が有限なので は有限個です。有限個の開集合の交わりは開なので、次の集合は開です。

を含みます。各 について なので、 です。したがって となり、1 点集合が開になります。

すべての 1 点集合が開なら、あらゆる部分集合が開です。つまり離散空間です。

離散でない有限空間はすべてハウスドルフでない、ということになります。シェルピンスキー空間はその最小の例でした。

何が壊れるのか:極限が一意でなくなる

ハウスドルフ性が効いているのは、極限の一意性です。

原点を 2 つ持つ直線で、数列 を考えます。 のどの近傍もこの数列の項をいずれ全部含むので、 です。

同じ理由で も成り立ちます。1 つの数列が 2 つの点に収束しています。

ハウスドルフ空間なら、こうはなりません。極限の候補が 2 つあれば交わらない近傍で分けられ、数列がその両方に入ることはできないからです。

「極限は 1 つに決まる」という当たり前に見える性質は、ハウスドルフ性に支えられています。

何が壊れるのか:コンパクトでも閉とは限らない

もう 1 つ壊れるのが、コンパクト集合が閉であるという性質です。

有限補位相を入れた を考えます。任意の部分集合 はコンパクトです。開被覆から 1 枚選べば有限個の点しか残らず、その各点を 1 枚ずつ足せば有限部分被覆になるからです。

ところが が無限の真部分集合なら、閉集合ではありません。この位相の閉集合は有限集合と全体に限られるからです。

ハウスドルフ空間では、コンパクト集合は必ず閉になります。証明にはまさに分離が使われます。

ハウスドルフ空間なら成り立つ

収束先は 1 つに決まる。コンパクト集合は閉である。コンパクト集合と交わらない点は、開集合で分けられる。

ハウスドルフでないと崩れる

数列が複数の点に収束しうる。コンパクトでも閉とは限らない。極限を取る議論が、そのままでは通らなくなる。

対角線による言い換え

ハウスドルフ性は、積空間の言葉で 1 行にまとまります。

命題。 がハウスドルフであることと、対角線 の閉集合であることは同値です。

証明。 が閉であることは、補集合が開であることと同じです。補集合が開とは、 となる各点 に対して、 と交わらない基本開集合 が取れることです。

と交わらないことは、 と同じです。したがって条件全体が、ハウスドルフの定義そのものになります。

分離という点ごとの条件が、積空間の 1 つの集合が閉であるという条件に化けます。この言い換えは、写像の一致集合が閉であることを示すときによく使われます。

有限補位相を入れた について、正しいものはどれですか。

  • でもハウスドルフでもない
  • だがハウスドルフでない
  • ハウスドルフだが正規でない
__RESULT__

1 点集合は有限なので閉であり、 を満たします。一方で 2 つの空でない開集合はどちらも有限個の点しか除いていないので、必ず交わります。

保たれる操作と保たれない操作

ハウスドルフ性は、部分空間と直積では保たれます。商では保たれません。

部分空間の場合は、もとの空間で分離する開集合を交わりに落とせば済みます。直積の場合は、片方の座標で分離しておいて、その逆像を取ればかまいません。

商が保たない理由は、開集合を減らす操作だからです。同一視で閉じた開集合しか残らないので、分離に使える材料が減ります。

商空間がハウスドルフになる条件は別に調べる必要があります。同値関係のグラフが積空間で閉であることが、必要条件として知られています。

よくある誤り

ハウスドルフでない空間は人工的なものだけだと思う。ザリスキー位相が自然な反例です
ならハウスドルフだと思う。有限補位相が反例です
極限の一意性はいつでも成り立つと思う。原点を 2 つ持つ直線では成り立ちません
コンパクト集合はいつでも閉だと思う。有限補位相の無限部分集合が反例です
距離空間の商だから分離できると思う。 は密着位相になります
半平面を境界で貼り合わせれば非ハウスドルフになると思う。軸から離れた点まで共有していないと起きません
有限空間なら扱いやすいと思う。離散でない有限空間はすべてハウスドルフではありません

参考文献

Hausdorff space
Separation axiom
T1 space
Kolmogorov space
Sierpinski space
Cofinite topology
Zariski topology
Non-Hausdorff manifold
Quotient space (topology)
Compact space
Finite topological space
Hausdorff-Raum
Trennungsaxiom
Zariski-Topologie
Espace séparé
Axiome de séparation (topologie)
Topologie de Zariski
豪斯多夫空间
分离公理
扎里斯基拓扑
異なる 2 点を交わらない開集合で分けられない空間は珍しくありません。密着位相・シェルピンスキー空間・有限補位相・ザリスキー位相・原点を 2 つ持つ直線・商空間の例を並べ、分離できないと極限の一意性やコンパクト集合の閉性がどう崩れるのかを確かめます。