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ゾルゲンフライ直線ってなに?半開区間で作る反例だらけの位相

の基底を、開区間 から半開区間 にとりかえます。それだけで、性質のほとんどが入れかわる[1]

できあがった空間をゾルゲンフライ直線といいます。位相空間論の反例が、この 本からいくつも出てきます[2]

定義

を基底として、 に位相を入れます[4]。この位相を下限位相と呼ぶ。

が基底の条件をみたすことは、交わりの計算で確かめられます。 はまた半開区間か空集合になる。

できた空間を と書き、ゾルゲンフライ直線といいます。矢印直線と呼ぶこともある。

通常の位相より真に細かい

開区間 は、半開区間の和として書けます[1]

だから通常の開集合はすべて下限位相でも開。逆は成り立ちません。 は下限位相で開ですが、通常の位相では開でない。

下限位相のほうが真に細かい、と言えます。開集合が増えたぶん、収束する点列が減る。

半開区間は開かつ閉

の補集合は です。どちらも半開区間の和なので開[1]

したがって は閉集合でもあります。開かつ閉、つまり開閉集合になる。

同じ理由で も開閉集合です。空間を つに割る開閉集合が、どこにでもとれる。

完全不連結

開閉集合がこれだけあると、連結成分が 点ずつになります[1,3]

異なる をとれば、 が両方を分ける。連結な部分集合は 点集合だけです。

通常の が連結だったことを思うと、大きな違いになります。中間値の定理のような議論は、ここでは通りません。

被覆次元も になる。開閉集合の基底を持つ空間は、零次元と呼ばれます[3]

通常の

連結。開かつ閉な部分集合は空集合と全体だけ

ゾルゲンフライ直線

完全不連結。 がどれも開かつ閉になる

収束は右からだけ

点列 に収束するのは、右から近づくときにかぎります[1]

の近傍は の形をふくむので、 でなければ入れません。左から近づく列は収束しない。

に収束しません。 は収束します。解析の右側極限が、そのまま位相の収束になっている。

可分だが第二可算でない

有理数はゾルゲンフライ直線でも稠密です。どの にも有理数が入るので、可分になります[1,2]

第二可算ではありません。可算基底 があったとすると、各 について となる がとれる。

の最小元は になります。 が単射なので、 は非可算でなければならない。矛盾です。

第一可算ではあります。 が可算な局所基底になる[4]

距離化できない

可分な距離空間は第二可算になります。ゾルゲンフライ直線は可分で第二可算でないので、距離化できません[1,3]

正則でハウスドルフ、しかもパラコンパクトなのに距離が入らない。距離化の条件から第二可算を外せない、という実例です。

擬距離でなら生成できます。)、それ以外は とすると、下限位相が出る[1]。対称性を捨てれば距離らしきもので書ける。

性質通常の ゾルゲンフライ直線
第一可算はいはい
第二可算はいいいえ
可分はいはい
連結はいいいえ
距離化可能はいいいえ
局所コンパクトはいいいえ

コンパクト部分集合は可算

ゾルゲンフライ直線のコンパクト部分集合は、たかだか可算になります[1,3]

をコンパクトとし、各 をとる。有限部分被覆から、 の各点が有限個の半開区間に収まります。

区間の左端でない点は、右から可算個の点でしか近づけない。結果として は可算集合になります。

すらコンパクトではありません。 の形の被覆で、有限部分被覆がとれない。

局所コンパクトでもなく、-コンパクトでもない[3]。ハイネ・ボレルの感覚は完全に外れます。

リンデレフでパラコンパクト

コンパクトではないのに、リンデレフではあります[1]。どの開被覆にも可算部分被覆がとれる。

パラコンパクトでもあり、完全正規なハウスドルフ空間になります。分離公理の面では、むしろ通常の より強い。

第二可算とリンデレフが同値でないことの、標準的な反例になっています。距離空間なら同値だった つが、ここでは分かれる。

ゾルゲンフライ平面

を考えます。ゾルゲンフライ平面と呼ばれる空間です[1,2]

積は可分です。有理点の全体が稠密になる。ところが正規ではありません。

反対角線 が閉集合で、しかも部分空間として離散になります。非可算な離散閉集合が入っている。

反対角線の中の有理点の集合と無理点の集合は、どちらも閉集合で交わりません。それでも開集合では分離できない[2]

濃度を数えると分かります。可分な空間で、 つの閉集合を分ける方法はたかだか 通り。ところが反対角線の分け方は 通りあります。

数が合わないので、分離できない組が必ず残る。正規性が積で保たれない、という結論になります。

何のための例か

ゾルゲンフライが 年にこの空間を出したのは、パラコンパクト性が積で保たれないことを示すためでした[3]

可分でも第二可算とはかぎらない。
リンデレフでも第二可算とはかぎらない。
正規でも、積が正規とはかぎらない。
パラコンパクトでも、積がパラコンパクトとはかぎらない。
正則かつパラコンパクトでも、距離化できるとはかぎらない。

もっともらしく見える命題を、 つの空間でまとめて落とせる。位相空間論の教科書で何度も呼び出される理由がここにあります。

反例が集中するのは、可算性の条件だけが欠けているからです。分離公理も被覆の性質もそろっているのに、第二可算だけが破れている。

ウリゾーンの距離化定理が第二可算を要求する理由も、この空間を見ると腑に落ちる。

足りないものが つだけだから、どこが効いているのかがはっきり見えます。反例としての切れ味は、この一点集中から来ています。

ゾルゲンフライ直線について、正しいものはどれですか。

  • 連結である
  • 可分だが第二可算でない
  • コンパクトな部分集合がハイネ・ボレルの意味で決まる
__RESULT__

有理数が稠密なので可分です。可算基底があると仮定すると、各点にその点を最小元とする基本開集合が対応し、非可算になって矛盾します。コンパクト部分集合はたかだか可算で、 すらコンパクトではありません。

よくある誤り

が開集合だけだと思う。補集合も開なので、閉集合でもあります。
通常の位相と比べられないと思う。下限位相のほうが真に細かくなります。
可分なら第二可算だと考える。距離空間でしか成り立ちません。
がコンパクトだと思う。ゾルゲンフライ直線では成り立ちません。
点列が両側から収束すると思う。近傍が右向きなので、右からだけです。
正規性が積で保たれると思う。ゾルゲンフライ平面が反例になります。

半開区間にとりかえる。たったそれだけで、 で身についた感覚がほとんど通じなくなります。反例を探すときに最初に思い出す空間です。

参考文献

[1] が定義と各性質の証明、[2] がゾルゲンフライ平面と正規性の破れ、[3] が導入の経緯とパラコンパクト性まわりの整理、[4] が基底としての扱いと第一可算性です。

Lower limit topology. Wikipedia(英語).
Droite de Sorgenfrey. Wikipédia(フランス語).
Sorgenfrey-Gerade. Wikipedia(ドイツ語).
Ivan Khatchatourian. *2. Bases of topologies*. MAT327 Introduction to Topology, University of Toronto, 2018.
基底を $(a,b)$ から $[a,b)$ にとりかえるだけで、$\mathbb{R}$ の性質がほとんど入れかわります。$[a,b)$ が開かつ閉になり、空間は完全不連結。点列は右からしか収束せず、$[0,1]$ すらコンパクトではありません。有理数が稠密なので可分なのに、可算基底は作れない。だから距離化もできない。積をとったゾルゲンフライ平面は可分なのに正規でなく、濃度を数えると分離できない閉集合の組が残ります。反例が $1$ 本に集まる理由まで見ました。