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連結成分は必ず閉じるのに、弧状連結成分は閉じない

点 を含む連結集合を全部合わせると、それ自身が連結です。この最大の連結集合を の連結成分と呼びます[1]。

道で結べるかどうかで分けたものが弧状連結成分。似た作りですが、閉じているかどうかで差が出ます。連結成分は必ず閉、弧状連結成分はそうとは限りません。

連結成分は同値類として出てくる

上に、 を「 と をともに含む連結部分集合がある」と定めます[1]。

反射律と対称律は見てのとおり。推移律は、共通点をもつ連結集合の合併が連結だという命題から出ます。

この同値関係の類が連結成分です。同値類なので互いに素で、合わせると 全体になります[1]。

各成分が連結であることは、 を含む連結集合の合併として書けば分かる。どれも を共有するので、合併も連結です。

を含む連結集合を全部集める

共通点 があるので合併も連結

それが の連結成分

成分は必ず閉じる

連結成分 の閉包 は連結です。連結集合の閉包が連結だという命題がそのまま効きます[1]。

は を含む連結集合なので、最大性から 。両側から挟んで となり、 は閉集合です。

開集合になるとは限りません。成分が有限個なら、各成分の補集合が残りの成分の合併になるので開でもある[1]。

無限個あるときは事情が変わります。次の図で見比べます。

有理数の空間では、成分は 1 点ずつで無限個あります。1 点集合は閉ですが開ではないので、成分が開になるとは限らないと分かる[1]。

例:カントール集合

から真ん中の を抜き、残った 2 本からまた真ん中を抜く。この操作を無限に続けた残りがカントール集合です。

どんな 2 点をとっても、そのあいだに抜かれた区間があります。だから 2 点を含む連結集合は作れず、成分は 1 点ずつ。

連結成分がすべて 1 点である空間を完全不連結と呼びます[1]。有理数の空間、カントール集合、ゾルゲンフライ直線がその例です[1]。

カントール集合には孤立点がありません。完全不連結でありながら、どの点も他の点の集積点になっています。

弧状連結成分

から へ道があるとき と書きます。道とは、有界閉区間からの連続写像で両端が と になるもの[1]。

道をつなげば推移律、向きを逆にすれば対称律、定数写像で反射律。同値関係になるので、 が弧状連結成分に分かれます。

弧状連結なら連結なので、各弧状連結成分は 1 つの連結成分の中に収まります。逆に、1 つの連結成分がいくつもの弧状連結成分に割れることがある[3]。

連結成分

いつでも閉集合。空間は成分の非交和に分かれる

弧状連結成分

閉とは限らず、開とも限らない。連結成分の内側でさらに割れる

例:位相幾何学者の正弦曲線

をとります[2]。

は区間 の連続像なので連結。その閉包は縦線分を付け足した形になります[1]。この集合は、2 点のあいだの既約連続体の例として 1922 年の論文にも挙げられています[2]。

は連結です。連結集合の閉包が連結だという命題から出ます。

ところが弧状連結ではありません。 の点から の点へ道を引こうとすると、 が に近づくにつれて が と のあいだを振動しつづけ、連続性が壊れます[1]。

つまり の連結成分は 1 つ、弧状連結成分は と の 2 つ[1,3]。

さらに、 は の中で開ですが閉ではない。 は閉ですが開ではありません[1]。弧状連結成分について、開閉のどちらも一般には言えないという証拠になります。

局所連結だと成分が開になる

が局所連結であるとは、どの点のどの近傍も、連結な近傍を含むことをいいます[1]。

このとき、開集合の連結成分はつねに開集合です[1]。とくに 自身の成分が開かつ閉になり、空間が成分の直和に分かれます。

の開集合は局所連結。だから成分は開で、開集合はいつでも連結な開集合の非交和に書けます。

局所弧状連結ならさらに強く、弧状連結成分と連結成分が一致します[1]。 の開集合で「連結なら弧状連結」と言えるのは、この事実によるもの。

局所連結でない例。有理数の空間、カントール集合、位相幾何学者の正弦曲線。
局所連結な例。多様体、 の開集合、離散空間、。
局所連結だが連結でない例。交わらない 2 枚の円板の合併。

局所連結と連結は独立した条件です。片方だけを満たす空間が両方向にあります[1]。

例:正弦曲線から有理点を抜く

の縦線分 から、 が有理数の点をすべて抜いてみます[1]。

残った空間はまだ連結ですが、弧状連結成分の個数が非可算になる。 の残りの各点が、それぞれ 1 つの弧状連結成分になります。

弧状連結成分の個数は、連結成分の個数といくらでもかけ離れます。連結成分 1 つの中に、非可算個の弧状連結成分が入る。

位相幾何学者の正弦曲線 について正しいのはどれですか。

  • 連結成分が 2 つ、弧状連結成分が 2 つ
  • 連結成分が 1 つ、弧状連結成分が 2 つ
  • 連結成分が 2 つ、弧状連結成分が 1 つ
__RESULT__

は連結で、 はその閉包なので連結です。よって連結成分は 全体の 1 つだけ。いっぽう の点と の点は道で結べないので、弧状連結成分は と の 2 つに分かれます。弧状連結成分は連結成分より細かくなることはあっても、粗くなることはありません。

成分に分けるところまでは、どちらの関係も同じ手順で進みます。分かれたあとの姿が違うだけ。閉じているかどうかを問われたときに、どちらの成分の話かをとり違えないことが肝心です。

参考

Daniel Plaumann. *Topologie*. Skript zur Vorlesung, Universität Konstanz, Wintersemester 2014/15, §2.1–2.2.
Casimir Kuratowski. *Théorie des continus irréductibles entre deux points I*. Fundamenta Mathematicae 3 (1922), 200–231.
Connected space. nLab.
どちらも同値類として出てきます。連結集合をともに含むかで分ければ連結成分、道で結べるかで分ければ弧状連結成分。連結集合の閉包が連結なので、最大性から連結成分は必ず閉集合になります。開になるとは限らず、有理数の空間では成分が 1 点ずつで無限個。カントール集合も同じで、孤立点がないまま完全不連結です。位相幾何学者の正弦曲線では連結成分が 1 つ、弧状連結成分が 2 つに割れ、しかも片方は開で閉でなく、もう片方は閉で開でない。局所連結にすると成分が開になり、局所弧状連結にすると 2 種類の成分が一致します。