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伸ばしても縮めても変わらないもの……同相写像と位相的性質

全単射で、行きも帰りも連続。この 2 つを満たす写像 が同相写像です[1]

同相な 2 つの空間は、開集合の並びまでそっくり同じ。位相の言葉で書ける性質はすべて一致します。逆に、性質が 1 つでも食い違えば同相ではありません。

同相写像の定義

位相空間のあいだの全単射 が同相写像であるとは、 がどちらも連続であることをいいます[1]

同相写像があるとき と書き、 は同相であるといいます。同相の関係は反射的、対称的、推移的なので、位相空間を類に分けます[2]

が全単射なら の連続性は、 が開なら も開、という条件と同じ。だから定義はこう書き直せます[1]

開集合の族どうしを、そっくり対応させる全単射だと読めます。

逆の連続性は自動ではない

連続な全単射でも、逆が連続とは限りません。 がその例です。

区間を円に巻きつけると、始点と終点が同じ場所で出会う。ところが区間のほうでは、 の近くと の近くは遠く離れています。

は区間のほうで開集合ですが、その像は円弧の一部で、端の点を含みながら片側に伸びる形。円の上では開集合になりません。

つまり は開写像でない。全単射で連続でも、同相にはなりません。

判定に使える 3 つの条件

全単射 については、次がすべて同値です[1]

が同相写像である。
が連続かつ開写像である。
が連続かつ閉写像である。
が開であることと が開であることが同値。

全単射のもとでは、開写像であることと閉写像であることが一致します。補集合が補集合へ移るためです[1]

実用上いちばんよく使うのは別の十分条件。コンパクト空間からハウスドルフ空間への連続な全単射は、自動的に同相写像になります[2]

コンパクト集合の連続像はコンパクトで、ハウスドルフ空間ではコンパクト集合が閉。だから閉写像になり、上の条件 3 に当てはまります。

例:開区間と実数直線

は同相写像です[1]

狭義単調増加で連続、値域が 全体、逆関数 も連続。定義をそのまま満たします。

長さが有限の区間と、無限に伸びる直線が同相。長さは位相の言葉で書けないので、消えてしまう情報です[2]

が同相だという事実は、長さや有界性が位相的でないことを直接に語ります。

伸び縮みで移り合うものは、位相の目には同じものに見える。

例:球面から 1 点を抜くと平面

円周から 1 点を除いた空間は、直線と同相です。写し方は立体射影[2]

北極 を除いた点 に対し、 を結ぶ直線が接線と交わる場所を の行き先とします。

に近い点ほど遠くへ飛びます。 そのものには行き先がないので、除いておく必要がある。

同じ作りで、 次元球面から 1 点を除いた空間が と同相になります[2]。球面はコンパクトですが、 はコンパクトでない。1 点抜くだけで性質が変わります。

位相的性質とは何か

同相な空間のあいだで必ず一致する性質を、位相的性質または位相不変量と呼びます[1]

開集合の言葉だけで書ける性質は、すべて位相的性質になります。同相写像が開集合の族をそっくり移すためです。

連結性、弧状連結性、コンパクト性。
ハウスドルフ性、正則性、正規性、
第一可算性、第二可算性、可分性。
集合としての濃度。

濃度が入るのは、同相写像がまず全単射だから。位相の条件を使うまでもなく一致します[1]

位相的性質でないもの

距離そのもの、有界性、完備性は位相的性質ではありません。

は同相ですが、前者は有界で後者は非有界。同じ位相に、有界な距離と非有界な距離の両方が乗ります[2]

完備性も同じ。 は通常の距離で完備でなく、 は完備。それでも位相としては同じものです。

位相的性質

開集合の言葉で書ける。同相なら必ず一致する

距離に依存する性質

長さ、有界性、完備性、一様連続性。同相でも一致しない

こうした性質を扱うには、位相だけでなく距離まで込みで写像を考える必要があります。等長写像や一様同型が別に用意されているのは、そのためです。

同相でないことを示す

同相であることを示すには、写像を 1 つ作ればよい。同相でないことを示すには、すべての全単射を否定しなくてはなりません[1]

そこで不変量を使います。片方が持ち、もう片方が持たない位相的性質を 1 つ見つければ終わり。

が同相でないのは、前者がコンパクトで後者がそうでないから。 が同相でないのは、濃度が違うからです[1]

例:直線と平面のあいだの壁

は同相ではありません。示し方は、1 点を抜いてから連結性を見ることです[3]

同相写像 があったとします。1 点 を選ぶと、 の制限が から への同相写像になります。

ところが左は連結でなく、右は弧状連結。連結性は位相的性質なので矛盾します[3]

この手は のときには効きません。どちらも 1 点を抜いて連結のままだからです[3]

例:離散空間どうし

離散空間のあいだでは、全単射がそのまま同相写像になります[1]

どの部分集合も開集合なので、像も逆像も自動的に開。位相が情報を持たないぶん、集合としての大きさだけが残ります。

密着位相でも事情は同じ。極端な位相のもとでは、同相の判定が濃度の比較に落ちます。

連続な全単射 が同相写像になると、確実に言えるのはどの場合ですか。

  • がどちらもハウスドルフのとき
  • がコンパクトで がハウスドルフのとき
  • がどちらも連結のとき
__RESULT__

コンパクト空間の閉部分集合はコンパクトで、その連続像もコンパクト。ハウスドルフ空間ではコンパクト集合が閉なので、 は閉写像になります。全単射で連続かつ閉なら同相です。 は始域と終域がどちらもハウスドルフで連結ですが、同相ではありません。

発展

1 点を抜く手が使えない の区別には、もっと強い道具が要ります。ブラウワーの領域不変性定理がそれにあたります。

証明にはホモロジーやホモトピーの理論が必要で、開集合の言葉だけを見ていても届きません。素朴に見える主張ほど、深いところで支えられている。

同相の分類そのものも難しい問題です。2 次元の閉曲面は種数と向きづけ可能性で分類できますが、次元を上げると分類が不可能になる場合まで知られています。

出典

Ivan Khatchatourian. *Continuity and homeomorphisms*. MAT327 Introduction to Topology, University of Toronto, 2018.
Homeomorphism. Encyclopedia of Mathematics.
Daniel Plaumann. *Topologie*. Skript zur Vorlesung, Universität Konstanz, Wintersemester 2014/15, Bemerkung 2.11.
全単射で、行きも帰りも連続。この 2 つがそろって同相写像です。逆の連続性は自動では付いてこず、区間 $[0, 2\pi)$ を円に巻きつける写像がその反例になる。全単射なら「連続かつ開」「連続かつ閉」が同値で、コンパクトからハウスドルフへの連続な全単射は無条件で同相になります。$\tan$ が有限区間と直線を結び、立体射影が球面から 1 点抜いた空間を平面へ移す。長さや有界性や完備性は位相的性質ではありません。直線と平面が同相でないことを、1 点抜いて連結性を見る手で示すところまで。