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距離が決まると開集合が決まる、距離空間から位相へ

に距離を入れる方法は つではありません。まっすぐな直線距離、碁盤の目を進む距離、縦横の大きいほうをとる距離。単位球の形は円、ひし形、正方形とばらばらになります。

ところが、この つが決める開集合はまったく同じです[3]。距離の情報のうち、位相に残るのはごく一部でしかない。

距離の 3 条件

集合 の上の距離とは、 で次をみたすものです[1,4]。

となるのは のときにかぎる。
が成り立つ。
が成り立つ。

番目が三角不等式。遠まわりしても近道より短くはならない、という条件です。

この つだけで、開集合も収束も連続性も定義できる。集合と関数だけからは出てこない構造が、ここで入ります。

開球

と に対して、開球を次で定めます[4]。

不等号を にしたものが閉球。開球は開集合、閉球は閉集合になります。

球という名前ですが、形は距離によって変わる。 で つ並べてみます。

ひし形、円、正方形。見た目はまるで違うのに、あとで見るように同じ位相を決めます。

開集合の定義

部分集合 が開集合であるとは、どの点にも余裕があることです[3]。

どの点も、少しくらい動いても から出ない。境界に近い点ほど、とれる は小さくなります。

が に近づいても、正の値でありさえすれば条件はみたされます。縁そのものの点だけが、余裕をとれない。

開集合の 3 つの性質

こうして決めた開集合の族は、 つの性質を持ちます[3]。

任意個の開集合の和は開集合。
有限個の開集合の交わりは開集合。
空集合と は開集合。

番目で有限と断るのは、無限個では崩れるためです。 はどれも開ですが、すべての交わりは になる。

には余裕がありません。右へ少しでも動くと外へ出ます。

この つを抜き出して公理にしたものが位相です。距離を捨てて、開集合の族だけを残した構造になります。

距離が誘導する位相

距離 から決まる開集合の族を と書き、 が誘導する位相と呼びます[4]。

開球の全体は の基底です。どの開集合も開球の和として書ける。

この作り方をフレシェが学位論文でまとめたのは 年[4]。位相空間の公理より先に、距離のほうが定式化されました。

ここから先が本題になります。距離から位相への対応は、単射でも全射でもありません[3]。

異なる距離が同じ位相を与えることがある

どの距離からも作れない位相がある

距離の情報は位相に一部しか残らない

例:3 つの距離が同じ位相を決める

冒頭の つに戻ります。 で次の不等式が成り立ちます[3]。

定数倍ではさめる関係をリプシッツ同値といいます。リプシッツ同値なら位相同値です[3]。

証明は球の入れ子で終わります。 なら なので、片方で開なら他方でも開になる。

同じ点のまわりで、 つの球が入れ子になります。だからどれか つで余裕がとれれば、残りでもとれる。

例:離散距離

を任意の集合とし、異なる 点の距離をすべて とします[1,2]。

点集合が開くので、どの部分集合も開集合。誘導される位相は離散位相です。

有限集合にも無限集合にも入れられます。どんな集合も、少なくとも つの距離を持つ。

例:整数では 2 つの距離が同じ位相を決める

に の距離 を入れると、 になります。離散位相です。

離散距離も同じ位相を与えます。位相同値な つの距離ということになる。

ところがリプシッツ同値ではありません[3]。 はいくらでも大きくなるのに、離散距離は で止まる。定数ではさめない。

リプシッツ同値のほうが真に強い条件だと分かります。逆は成り立たない。

例:関数空間では位相が変わる

を 上の連続関数の集合とします。 つの距離が定義できる[3]。

有限次元のときと違い、この つは位相同値になりません[3]。細く高い山を持つ関数は、 では原点に近いのに では遠い。

次元が上がると、距離の選び方がそのまま位相の選び方になる。関数解析でノルムのとりかえが問題になるのは、この事情によります。

距離では決まるが位相では決まらないもの

有界性、完備性、一様連続性は距離の性質で、位相の性質ではありません[1]。

位相で決まる

開集合、閉包、連続性、コンパクト性、連結性。同相なら必ず一致する

距離でしか決まらない

有界性、完備性、一様連続性。同相でも食い違うことがある

と が実例です。 を使えば同相になるのに、 は完備で非有界、 は有界で完備でない。

同じ位相空間を、有界な距離と非有界な距離の両方で表せる、ということでもあります。 にとりかえれば、位相を変えずに有界化できる。

連続性は開集合だけで決まる

距離空間のあいだの写像 について、次が同値です[3]。

どの とどの にも、 があって なら 。
のどの開集合 についても、逆像 が で開集合。
のどの閉集合 についても、逆像 が で閉集合。

定義には距離が出てくるのに、判定には開集合しか要りません。ここが位相空間へ進む足がかりになります。

と を捨てても連続性は残る。捨てられないのは一様連続性のほうです。

距離化できない位相

すべての位相が距離から作れるわけではありません[3]。距離から作れる位相を距離化可能といいます。

に密着位相 を入れます。もし距離 があれば、 が開になる。

密着位相で は開ではないので、そんな距離はありません。 点以上の密着空間は距離化できない。

一般に、距離空間は必ずハウスドルフです[3]。 とすれば と が交わらない。三角不等式がそれを保証します。

逆に、ハウスドルフなら距離化できるとはかぎりません。ザリスキー位相はハウスドルフですらなく、距離化の候補にもなりません。

距離化の判定にはウリゾーンの距離化定理などが要る。ハウスドルフだけでは足りない。

例:フランス国鉄距離

ノルム空間の上で、 のとき と定めます[1,2]。

パリを通らないと移動できない鉄道網に見立てた距離です。原点を通る直線上にない 点は、いつも原点経由で測る。

原点以外の点 について、半径 未満の球は だけになります。原点だけが特別で、他は孤立点。

距離の 条件はみたしています。ユークリッド距離とはまったく別の位相を与える例です。

の上で、タクシー距離が誘導する位相はどれと同じですか。

  • 離散位相
  • ユークリッド距離が誘導する位相
  • 密着位相
__RESULT__

と ではさめるので、 と はリプシッツ同値です。単位球の形はひし形と円で違いますが、開集合の族は一致します。

よくある誤り

球の形が違うから位相も違う、と考える。入れ子にできれば同じ位相です。
距離が違えば位相も違うと思う。 の標準距離と離散距離は同じ位相を与えます。
位相同値とリプシッツ同値を同じものと思う。リプシッツ同値のほうが真に強い条件です。
有限次元での経験を関数空間へ持ちこむ。 では と の位相が違います。
完備性を位相の性質だと思う。 と は同相ですが、完備性が食い違います。
どの位相にも距離があると思う。 点の密着位相は距離化できません。
無限個の開集合の交わりを開集合だと思う。有限個までです。

距離を入れると位相が決まる。逆はたどれず、決まった位相からもとの距離は復元できません。どこまでが距離の話で、どこからが位相の話かを分けておくと、後の議論が楽になります。

参考文献

[1] が距離の公理と、位相では決まらない性質の整理、[2] が離散距離とフランス国鉄距離、[3] が開集合の作り方とリプシッツ同値・距離化可能性の証明、[4] が開球の定義とフレシェによる導入の経緯です。

Metric space. Wikipedia(英語).
Metrischer Raum. Wikipedia(ドイツ語).
Tom Leinster. *General Topology*. Lecture notes, University of Edinburgh, 2014–15.
Espace métrique. Wikipédia(フランス語).
$\mathbb{R}^2$ の単位球は、距離の決め方で円にもひし形にも正方形にもなります。それでも $3$ つが作る開集合は同じ。球が入れ子になるからです。距離の $3$ 条件から開球を作り、開球から開集合を作り、開集合の $3$ 性質だけを抜き出すと位相の公理が残る。整数では標準距離と離散距離が同じ位相を与えるのに、リプシッツ同値ではありません。関数空間だと位相まで変わる。完備性や有界性が位相に残らない理由と、$2$ 点の密着位相が距離化できないことも見ました。