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部分空間では開集合の意味が変わる(相対位相と部分空間位相)

は の開集合ではありません。ところが を空間そのものと見れば、 自身は開集合になります。

開いているかどうかは集合だけでは決まらない。どの空間の中に置いて見ているかで変わります。この二つを行き来する道具が相対位相です。

相対位相の定義

位相空間 と部分集合 をとります。 の開集合を、 の開集合との交わりだけで決める[1]。

これが位相の公理をみたすことは、交わりの計算だけで終わります。、、和も有限交叉も交わりの外へ出せる。

を相対位相、または部分空間位相と呼びます。 が の部分空間です。

上段が の開区間、中段が部分空間 、下段が交わりです。 をずらすと の開集合が次々に現れる。

例:閉区間の中では端が開く

とし、 をとります。 は の開集合。

左端の が入ったまま、 の開集合になりました。 の中でこの集合は開ではありません。 の左側にすきまがないためです。

の中では の左に点がない。だから のまわりは、 に関するかぎり全部そろっている。

とすれば なので、 自身も の開集合です。同時に補集合が空なので閉集合でもある。

開くかどうかは外側で決まる

同じ集合が、置かれる空間によって開いたり開かなかったりする。ここが相対位相のいちばんの勘所です。

の中で見る

は開集合ではない。 を囲む開区間が左へはみ出す

の中で見る

は開集合になる。 の左は の外なので、はみ出しようがない

「 で開」を、 で開と区別して相対開ということもあります。言葉を分けておくと混乱が減る。

開部分空間なら食い違いが消える

食い違いが起きるのは、 が で開でないときに限られます[1,2]。

が の開集合なら、 は開集合どうしの交わりなので でも開。逆に で開いていて に入るなら、 でも開になります。

同じことが閉集合でも成り立つ。 が で閉なら、 の閉集合はそのまま の閉集合です。

が で開

の開集合は の開集合でもある

相対と絶対の区別が要らなくなる

を の部分空間として見るときに相対位相をあまり意識しないのは、この事情によります。

例:整数は離散になる

を の部分空間とします。各 のまわりに幅 の開区間をとる。

点集合が開くので、 のどんな部分集合も開になります。相対位相は離散位相です[2]。

でも事情は同じ。 も、どの点にも隣がないので離散になります。

例: を足すと離散でなくなる

にすると、様子が変わります。

を含む の開集合は、 の形の点を必ず無限個ふくむ。だから は で開になりません[4]。

以外の点はどれも孤立しているので、 点集合が開きます。 点だけが例外という空間です。

例:有理数は離散にならない

を の部分空間とします。基底は開区間との交わりで作れる。

どの有理数のまわりにも別の有理数が無限にあるので、 点集合は開きません。離散にはならない。

一方で、両端が無理数の区間は で開かつ閉になります。 がそう。境界にあたる点が に落ちていないためです。

例:単位円の開弧

を平面の部分空間とします。

平面の開円板と円周の交わりは、円周上の開弧になる。この開弧の全体が の基底です[4]。

弧の両端は入りません。円板の縁と円周が出会う点は、円板が開いているぶん落ちる。

基底も交わりで移る

の基底 があれば、 の基底はそれを制限して作れます[4]。

証明は 行で済む。 の点 に対して なる をとれば、 になります。

位相そのものを列挙しなくても、基底さえ分かれば部分空間の位相が決まる。実際に使うのはこの形です。

閉包は交わりで移る

閉集合も交わりで移ります。 の閉集合は、 の閉集合と の交わり。

閉包には少し注意が要る。 のとき、 の中で計算した閉包は次になります[4]。

の中で の閉包をとれば です。 で閉包をとった とは違う集合になる。

内部は同じようにいきません。 と は一致しないことがある。 で確かめられます。

部分空間の部分空間

とします。 に位相を入れる道が つある。 から入れるか、 から直に入れるか。

答えは同じです[3]。 なので となり、両者が一致する。

この一致を推移性といいます。部分空間をとる操作を何度重ねても、いちばん外側から一度でとったものと変わりません。

だから「 の部分空間としての の、その部分空間」といった言い方を、途中を省いて書ける。

包含写像で言いかえる

包含写像 、 は連続です。 が定義そのものなので。

相対位相は、包含写像を連続にする位相のうちいちばん粗いもの[2]。これを定義に採用することもできます。

さらに強い言いかえがある。どんな空間 と写像 についても、 が連続であることと が連続であることが同値になります[1]。

が連続なら、制限 も連続。
値域を部分空間へ狭めても、像が入っていれば連続性は変わらない。
同相写像で移した像は、もとの部分空間と同相になる。

どれも交わりの計算だけで証明が終わります。定義が交わりだけでできているためです。

貼り合わせの補題

で、 と がともに閉、またはともに開だとします[4]。

と が連続で、 の上で値が一致するなら、つなげた写像も連続になる。

「ともに閉、またはともに開」を落とすと壊れます。 で試す。

は で開、 は閉で開ではありません。どちらも離散なので、 と はともに連続。

つなげた は が に近づくのに なので、 で連続になりません。開と閉が混ざった分割では補題が効かない、という反例です。

遺伝する性質と遺伝しない性質

どの部分空間へも移る性質を遺伝的といいます[1]。移らない性質もある。

性質どこまで移るか
ハウスドルフすべての部分空間
第一可算・第二可算すべての部分空間
コンパクト閉部分空間だけ
正規性閉部分空間だけ
可分性移らない

ハウスドルフの証明は短い。 を分ける開集合 が にあるなら、 と が で分けます。

可分性が遺伝しないことは、特定点位相で見えます。 に、 を含む集合と空集合だけを開とする位相を入れる[4]。

の閉包が全体なので可分です。ところが部分空間 は離散で非可算なので、可分になりません。

例:コンパクト性がどちらに転ぶか

は の閉部分空間で、コンパクト。 は開部分空間で、コンパクトになりません。

コンパクト性は部分空間へ自由には移らない。閉じているという条件が要ります。

逆向きは条件なしで通ります。ハウスドルフ空間のコンパクト部分空間は、必ず閉集合になる。

を の部分空間とします。 は でどうなりますか。

  • 開集合であり、閉集合でもある
  • 閉集合だが、開集合ではない
  • 開集合だが、閉集合ではない
__RESULT__

なので で開。 なので で閉です。 の中では閉だけですが、 の中では両方になります。

よくある誤り

の開集合を の開集合だと思う。 が で開でないかぎり別物です。
の開集合の一部を切りとればよいと考える。交わりだけが の開集合を作ります。
閉包を外側で計算する。 で、外側の閉包とは違います。
内部にも同じ式が使えると思う。内部は交わりでは移りません。
コンパクト性がどの部分空間へも移ると考える。閉部分空間だけです。
貼り合わせの補題を、開と閉が混ざった分割に当てる。両方が開か、両方が閉である必要があります。
を離散だと思う。有理数のまわりには必ず別の有理数があります。

開いているかを聞かれたら、まずどの空間の中での話かを確かめる。相対位相の誤りは、ほとんどがここから出ます。

参考文献

[1] が定義と普遍性と遺伝性、[2] が包含写像による特徴づけと整数の例、[3] が推移性、[4] が基底・閉包・貼り合わせの補題とその証明です。

Subspace topology. Wikipedia(英語).
Teilraumtopologie. Wikipedia(ドイツ語).
Topologie induite. Wikipédia(フランス語).
Ivan Khatchatourian. *7. Subspaces*. MAT327 Introduction to Topology, University of Toronto, 2018.
$[0,1]$ は $\mathbb{R}$ で開集合ではないのに、$[0,1]$ 自身の中では開集合になります。$Y$ の開集合は $X$ の開集合と $Y$ の交わりで決まるので、端の点が入ったまま開くことがある。整数は離散になり、有理数はならない。$Y$ が $X$ で開なら食い違いは消えます。基底と閉包は交わりで移るのに内部は移らないこと、貼り合わせの補題が開と閉の混ざった分割で壊れること、コンパクト性が閉部分空間にしか遺伝しないことまで扱いました。