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、 と 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、 と 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]。
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]。
と 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、 と 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。
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。
と 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。
開集合の言葉で書ける。同相なら必ず一致する
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。
と 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。 と 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
と 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 と が 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。
- と 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
- と がどちらも連結のとき
発展
1 点を抜く手が使えない と 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。











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、f は閉写像になります。全単射で連続かつ閉なら同相です。[0,2π)→S1 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。