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「ひとつながり」ってどういうこと?連結空間の定義と基本性質

空間 を、空でない 2 つの開集合に、重なりなくきれいに分ける。これができる組 を分解と呼びます[1]。

分解が 1 つもとれないとき、 は連結です。「ひとつながり」を、切り口の存在しなさとして書き直したのがこの定義。

分解できないことが連結

位相空間 の分解とは、次を満たす空でない開集合の組 のことをいいます[1]。

分解を持たない空間が連結。部分集合 については、 を部分空間と見て連結かどうかを判定します。

「つながっている」ほうを直接定義せず、「切れている」ほうを否定する。切れ方のほうが書きやすいためです。

開かつ閉で言いかえる

が分解なら、 なので は閉集合でもあります。 も同じ。

逆に開かつ閉の集合 があれば、 が分解の候補になる。ここから短い言いかえが出ます[1]。

が連結であることと、開かつ閉である部分集合が と の 2 つだけであることは同値[3]。

連結性の判定は、開かつ閉の集合を数える作業に置きかわります。

2 つしか見つからなければ連結、3 つ目が出たらそこで切れている。

もう 1 つ、2 点の離散空間 への連続な全射が存在しないこと、という言いかえもあります。分解があれば を に、 を に送ればよい。

切れ目を探す

下の図は 4 つの集合について、分解がとれるかどうかを順に見せます。分解がとれた場合は 2 色に塗り分けられる。

をどこで切っても、切り口の点はどちらかの側に属します。その側は端を含むので開集合になりません。

例:実数直線と、そこから 1 点を抜いた空間

は連結です。開かつ閉の集合が と しかないことは、実数の連続性から出ます。

は連結ではありません。 と が分解になる。

一般に、 の連結部分集合はちょうど区間です。有界か非有界か、開か閉かは問いません。 点も空集合も区間に数えます。

区間でない集合、たとえば は、あいだの を境に切れる。区間性と連結性がぴったり重なります。

例:有理数はどこでも切れる

を の部分空間と見ます。 をどちらも有理数にとると、そのあいだに無理数 があります[1]。

が有理数でないので、この 2 つは を覆いつくし、どちらも開集合。分解ができました。

つまり の連結部分集合は 1 点集合だけ。連結成分が全部 1 点になる空間を、完全不連結な空間と呼びます[3]。

連続像は連結のまま

が連続で が連結なら、像 も連結です[1]。

証明は分解を引き戻すだけ。 が分解なら、 と が の分解になってしまいます。

が連結なので、どちらかが空。よって か のどちらかが空になり、分解ではなかったと分かります。

像が分解できたとする

逆像も分解になる

が連結なので矛盾

連結性が同相写像で保たれるのは、この命題の系にあたります。連続な全単射で移り合う空間は、連結かどうかを共有する。

中間値の定理が出てくる

が連続なら、 は の連結部分集合、つまり区間です。

区間なら と のあいだの値をすべて含みます。これが中間値の定理[1]。

像に穴があったとすると、その穴を境に像を分解できてしまう。連結な集合の像が連結だという命題が、そのまま穴のなさを保証します。

共通点があれば合併も連結

連結集合をいくつ集めても、共通点が 1 つでもあれば合併は連結です[1]。

が連結集合の族で なら、 は連結。証明は、共通点がどちらの側に落ちるかを見て、全部が同じ側へ引きずられることを言うだけです。

この事実が、空間を連結な部分へ分ける議論の土台になります。ある点を含む連結集合を全部合わせても、なお連結なままでいてくれる。

閉包をとっても連結のまま

が連結で なら、 も連結です[1]。

とくに 自身が連結。連結な集合に触点を足しても、切り離せる形にはなりません。

逆は成り立ちません。閉包が連結でも、もとの集合が連結とは限らない。 の閉包は で連結ですが、 は完全不連結です。

例:漸近するだけでは足りない

の中で、 軸と双曲線の右枝を合わせた集合をとります[1]。

右へ行くほど双曲線は 軸に近づきます。ところが交点はありません。

の中では、直線も双曲線もそれぞれ開かつ閉。だから は連結ではありません[1]。近づくことと触れることは別だという例です。

積空間も連結

と が連結なら、積 も積位相について連結です[1]。

証明の筋は、点 を固定して、各 に対し十字形 をとること。どれも連結集合の合併で、共通点 を持ちます。

これらを全部合わせると になるので、合併の命題から連結。有限個の積へは帰納法で伸びます[1]。

無限個になると話が変わる。実数列全体 に箱位相を入れると、有界な列全体と非有界な列全体が分解になり、連結でなくなります[1]。

弧状連結なら連結

のどの 2 点も、 からの連続写像で結べるとき、 を弧状連結と呼びます[1]。

弧状連結なら連結です。分解 があれば、どの道も区間の連続像なので連結で、 か の片側にしか入れません。

逆は成り立たない。連結でありながら弧状連結でない空間が実際にあります[2]。

連結

分解が存在しない。定義は開集合の言葉だけ

弧状連結

どの 2 点も道で結べる。連結より真に強い

例:連結な空間の大きさ

完全正則で 2 点以上ある連結空間は、濃度が連続体濃度以上になります[3]。点が少なすぎると、つなぎとめる余地がなくなるためです。

いっぽう、可算な連結ハウスドルフ空間は存在します。分離の条件をゆるめると、小さい連結空間が作れる[3]。

有限空間でも連結なものはあります。2 点集合に を入れたシェルピンスキー空間では、開かつ閉が と しかない。

の部分空間 は連結ですか。

  • 連結である
  • 連結でない
  • が閉集合なので判定できない
__RESULT__

は の中で開集合です。 と書けるためで、同時に閉集合でもあります。 も同じ理由で開かつ閉。開かつ閉の集合が 4 つあるので連結ではありません。 の中で が開でないことは、この判定に関係しません。

つまずきやすいところ

開かつ閉かどうかは、どの空間の中で見ているかで変わります。 は の中では開ではありませんが、 の中では開。判定の前に、土台の空間を確かめる必要があります。

「分解がとれない」を示すには、あらゆる分解を否定しなくてはなりません。1 つの切り方でうまくいかなかった、では足りない。開かつ閉の集合を全部つかまえる形で示すのが定石です。

近さと連結性も混ざりやすい。双曲線と 軸は距離がいくらでも小さくなりますが、下限に達しないので分解が残ります。

連結だから道でつながる、とも限りません。逆向きの含意しか成り立たない点は、反例を 1 つ覚えておくと安全です。

参考文献

Daniel Plaumann. *Topologie*. Skript zur Vorlesung, Universität Konstanz, Wintersemester 2014/15, §2.1.
Connected space. nLab.
Connected space. Encyclopedia of Mathematics.
つながっているほうではなく、切れているほうを否定する。空でない 2 つの開集合に重なりなく分けられないこと、これが連結の定義です。同じことを開かつ閉の集合を数える形にも書ける。$\mathbb{R}$ は連結で、$1$ 点抜くと切れ、有理数は無理数のところでどこでも切れます。連続像が連結のままだという命題からは中間値の定理が落ちてくる。共通点をもつ連結集合の合併、閉包をとっても連結という性質、$x$ 軸と双曲線が近づくだけで交わらない例、積空間の連結性、弧状連結との関係まで並べました。