点列だけでは連続性を言い切れない - 第一可算性が効くところ
距離空間なら「 のとき 」が連続性の言いかえになります。一般の位相空間では、この向きの片方が壊れる[1]。
連続なら点列は必ずついてきます。逆に、点列がついてくるだけでは連続とは言えません。差を埋めるのが第一可算性です[3]。
連続写像の定義
が連続であるとは、 のどの開集合 に対しても が で開集合になることをいいます[1]。
各点での言い方もあります。 が で連続とは、 のどの近傍 にも、 となる の近傍 があること[1]。
2 つは同値です。さらに次まで同値になります[1]。
2 番目は「近づいていく点は近づいた先へ移る」という主張です[2]。閉包で書いた連続性だと読めます。
点列連続
が で点列連続であるとは、 となるどの点列についても となることをいいます。
収束は近傍の言葉で決まります。 とは、 のどの近傍にも、ある番号から先の項がすべて入ること。
連続なら点列連続です。 の近傍 をとると、 となる の近傍 がある。 はいずれ に入るので、 も に入ります。
逆向きは一般に崩れる
点列連続でも連続とは限りません。非可算集合に余可算位相を入れると反例が作れます[1]。
余可算位相では、開集合は と補集合が高々可算な集合だけ。この空間で となるのは、ある番号から先が となるときに限られます。
理由は簡単です。 が の開近傍になり、この中に入るには でなければならない。

収束列が定数列だけなので、この空間からのどんな写像も点列連続になります。連続でない写像でもそうなる。
に余可算位相を入れ、恒等写像で通常の位相の へ送ります。点列連続ですが連続ではありません。 の逆像は で、補集合が非可算なので余可算位相の開集合になりません。
いつでも点列連続を導く。開集合の逆像で定まる
連続を導くとは限らない。可算個の点しか見ていない
第一可算なら一致する
が第一可算、つまり各点が可算な近傍基を持つとします[3]。このとき点列連続と連続が同値になります。
証明は対角線的に点列を作ります。 の可算近傍基 をとり、 と縮めておく。
が で連続でないとすると、 の近傍 で、どの についても となるものがあります。そこで を となるように選ぶ。
この は に収束しますが、 は に収束しません。点列連続に反します[1]。

段が可算個しかないおかげで、拾った点が点列に並びます。近傍基が非可算だと並べられません。
距離空間は第一可算です。 が可算近傍基を与えます[3]。だから解析で使う - と点列の議論を行き来できる。
点列では閉集合も判定できない
同じ理由で、閉集合の判定も点列では足りません。「収束する点列の極限を全部含む」ことが閉集合であることの言いかえになるのは、第一可算のときだけです[1]。
ハウスドルフ空間に限っても足りない。可算性が入っていないと、点列は空間の細部を汲みつくせません[1]。
余可算位相の では、収束列が定数列だけなので、どの部分集合も「極限を全部含む」ことになります。それでも閉集合は可算集合と全体だけです。
点列は添字が に固定された道具です。
近傍基が可算でない空間では、その細かさに追いつけない。
ネットとフィルターで直る
添字を有向集合に広げたものがネットです。ネットで書き直すと、どんな位相空間でも同値性が戻ります。
が で連続であることと、 に収束するどのネット についても となることが同値になる。
フィルターを使う書き方も同じ強さです。ブルバキ流の教科書では、こちらが標準の道具になっています。
点列では届かない
添字を有向集合へ広げる
どの位相空間でも同値性が戻る
例:閉包で書いた連続性
条件 2 の は、点列を使わない形の「近づく点は近づいた先へ」です[1]。
と で確かめます。 なので左辺は 。 の閉包も で、包含が成り立ちます。
不連続な例だと崩れます。 を で 、 で と定め、 をとる。 ですが、。包含が破れています。
非可算集合 に余可算位相を入れ、恒等写像で通常の位相の へ送ります。この写像について正しいのはどれですか。
- 点列連続だが連続ではない
- 連続だが点列連続ではない
- どちらでもない
点列は使いやすいぶん、見える範囲が可算個に限られます。その限界がどこで効くかを押さえておくと、第一可算という条件が出てくる理由が見えてきます。











余可算位相では収束列が途中から定数になるものだけなので、どんな写像も点列連続です。いっぽう (0,1) の逆像は補集合が非可算なので、余可算位相の開集合になりません。連続が点列連続を導く向きはいつでも成り立つので、2 番目は起こりません。