位相空間

束論Level 2(知らんけど)

定義

位相空間の定義

同値な定義が割とあるので一通り示しておくが,基本は開集合系で定義する.

位相空間

位相空間(topological space)とは,以下の2つのデータからなる.

  • 集合𝑋
  • 以下のいずれかのデータを持つ:
    • 位相(topology)もしくは開集合系と呼ばれる𝑋冪集合の部分集合 𝒪 ⊂ 2𝑋
    • 閉集合系と呼ばれる𝑋の冪集合の部分集合 𝒪 c ⊂ 2𝑋
    • 𝑋の部分集合の閉包(clousure)をとる操作 cl : 2𝑋 → 2𝑋
    • 𝑋の部分集合の内部(interior)をとる操作 int : 2𝑋 → 2𝑋
    • 𝑋の部分集合の外部(exterior)をとる操作 ext : 2𝑋 → 2𝑋
    • 𝑋の部分集合の境界(boundary)をとる操作 ∂ : 2𝑋 → 2𝑋
    • 𝑋の部分集合の導(来)集合(derived set)をとる操作 -∗ : 2𝑋 → 2𝑋
    • 𝑋の各元の近傍系(neighbourhood system)をとる操作 𝑁 : 𝑋 → 2 2𝑋
    • 有向点族の収束(convergence of nets)
    • フィルターの収束(convergence of filters)

それぞれに対し,本質的に等価な以下の条件を満たす.

開集合系の公理
  • ∅,𝑋 ∈ 𝒪
  • ∀ ⁡ 𝑛∈ℕ に対して以下を満たす ∀ ⁡ 𝑖 ∈ ℕ ≤𝑛 , 𝑂𝑖 ∈ 𝒪 ⇒ ⋂ 𝑖=1 𝑛 𝑂𝑖 ∈ 𝒪
  • 任意の集合𝛬に対して以下を満たす ∀ ⁡ 𝜆∈𝛬 , 𝑂 𝜆 ∈ 𝒪 ⇒ ⋃ 𝜆 ∈ 𝛬 𝑂 𝑖 ∈ 𝒪
閉集合系の公理
  • ∅ , 𝑋 ∈ 𝒪 c
  • ∀ ⁡ 𝑛 ∈ ℕ に対して以下を満たす ∀ ⁡ 𝑖 ∈ ℕ ≤ 𝑛 , 𝑂 𝑖 ∈ 𝒪 c ⇒ ⋃ 𝑖 = 1 𝑛 𝑂 𝑖 ∈ 𝒪 c
  • 任意の集合𝛬に対して以下を満たす ∀ ⁡ 𝜆 ∈ 𝛬 , 𝑂 𝜆 ∈ 𝒪 c ⇒ ⋂ 𝜆 ∈ 𝛬 𝑂 𝑖 ∈ 𝒪 c
閉包作用素の公理
  • cl ⁡ (∅) = ∅
  • cl2 = cl
  • ∀ ⁡ 𝐴∈𝑋 , 𝐴 ⊂ cl ⁡ (𝐴)
  • ∀ ⁡ 𝐴,𝐵 ∈ 𝑋 , cl ⁡ ( 𝐴∪𝐵 ) = cl ⁡ (𝐴) ∪ cl ⁡ (𝐵)
内部作用素の公理
  • int ⁡ (𝑋) = 𝑋
  • int2 = int
  • ∀ ⁡ 𝐴∈𝑋 , 𝐴 ⊃ int ⁡ (𝐴)
  • ∀ ⁡ 𝐴,𝐵 ∈ 𝑋 , int ⁡ ( 𝐴∩𝐵 ) = int ⁡ (𝐴) ∩ int ⁡ (𝐵)
外部作用素の公理
  • ext ⁡ (∅) = 𝑋
  • ∀ ⁡ 𝐴∈𝑋 , ext ⁡ ( 𝑋 ∖ ext ⁡ (𝐴) ) = ext ⁡ (𝐴)
  • ∀ ⁡ 𝐴∈𝑋 , 𝐴 ∩ ext ⁡ (𝐴) = ∅
  • ∀ ⁡ 𝐴,𝐵 ∈ 𝑋 , ext ⁡ ( 𝐴∪𝐵 ) = ext ⁡ (𝐴) ∩ ext ⁡ (𝐵)
境界作用素の公理
  • ∂ ⁡ (∅) = ∅
  • ∀ ⁡ 𝐴∈𝑋 , ∂2 ⁡ (𝐴) ⊂ ∂ ⁡ (𝐴)
  • ∀ ⁡ 𝐴∈𝑋 , ∂ ⁡ (𝐴) = ∂ ⁡ ( 𝑋∖𝐴 )
  • ∀ ⁡ 𝐴,𝐵 ∈ 𝑋 , 𝐴⊂𝐵 ⇒ ∂⁡𝐴 ⊂ 𝐵 ∪ ∂⁡𝐵
  • ∀ ⁡ 𝐴,𝐵 ∈ 𝑋 , ∂ ⁡ ( 𝐴∪𝐵 ) ⊂ ∂ ⁡ (𝐴) ∪ ∂ ⁡ (𝐵)
導来集合の公理
  • ∅∗ = ∅
  • ∀ ⁡ 𝑥∈𝑋 , 𝑥 ∉ {𝑥} ∗
  • 𝐴∗∗ ⊂ 𝐴 ∪ 𝐴∗
  • ( 𝐴∪𝐵 ) ∗ = 𝐴∗ ∪ 𝐵∗
近傍系の公理
  • ∀ ⁡ 𝑥∈𝑋 , ∀ ⁡ 𝑈 ∈ 𝑁 ⁡ (𝑥) , 𝑥∈𝑈
  • ∀ ⁡ 𝑥∈𝑋 , ∀ ⁡ 𝑈 ∈ 𝑁 ⁡ (𝑥) , ∀ ⁡ 𝑈′ ⊂ 𝑋 , ( 𝑈 ⊂ 𝑈′ ⇒ 𝑈′ ∈ 𝑁 ⁡ (𝑥) )
  • ∀ ⁡ 𝑥∈𝑋 , ∀ ⁡ 𝑈 , 𝑈′ ∈ 𝑁 ⁡ (𝑥) , 𝑈 ∩ 𝑈′ ∈ 𝑁 ⁡ (𝑥)
  • ∀ ⁡ 𝑥∈𝑋 , ∀ ⁡ 𝑈 ∈ 𝑁 ⁡ (𝑥) , ∃ ⁡ 𝑉 ∈ 𝑁 ⁡ (𝑥) , ( 𝑉⊂𝑈 , ∀ ⁡ 𝑦∈𝑉 , 𝑈 ∈ 𝑁 ⁡ (𝑦) )
網の収束の公理
フィルターの収束の公理
点・開集合・閉集合・内点・外点・境界点・集積点

位相空間 ( 𝑋,𝒪 ) を与える.

  • 𝑋 の元を点(point)と呼ぶ.
  • 開集合系 𝒪 の元のことを開集合(open set)と呼ぶ.
  • 閉集合系 𝒪c の元のことを閉集合(closed set)と呼ぶ.
  • ∀⁡𝐴⊂𝑋に対し,𝐴 の内部 int⁡(𝐴) の元のことを 𝐴 の内点(interior point)と呼ぶ.
  • ∀⁡𝐴⊂𝑋に対し,𝐴 の外部 ext⁡(𝐴) の元のことを 𝐴 の外点(exterior point)と呼ぶ.
  • ∀⁡𝐴⊂𝑋に対し,𝐴 の境界 ∂⁡(𝐴) の元のことを 𝐴 の境界点(boundary point)と呼ぶ.
  • ∀⁡𝐴⊂𝑋に対し,𝐴 の導集合 𝐴∗ の元のことを 𝐴 の集積点(accumulation point)と呼ぶ.
  • ∀⁡𝑥∈𝑋に対し,𝑥 の近傍系 𝑁⁡(𝑥) の元のことを 𝑥 の近傍(neighbourhood)と呼ぶ.

位相空間の公理の等価性

位相空間の各公理は,以下のような対応により本質的に等価:

  • 𝒪が開(閉)集合系の公理を満たす⇔𝒪の補集合の集合𝒪cが閉(開)集合系の公理を満たす
  • 開集合系 𝒪 について, 𝑁 : 𝑋 → 2 2𝑋 , 𝑥 ↦ { 𝑈 ∈ 2𝑋 | ∃ ⁡ 𝑉∈𝒪 , ( 𝑥∈𝑉 , 𝑈⊂𝑉 ) } は 𝑥 の近傍系の公理を満たす.
  • int ⁡ ( 2𝑋 ) , ext ⁡ ( 2𝑋 ) は開集合系の公理を満たし, cl ⁡ ( 2𝑋 ) は閉集合系の公理を満たす.
  • ∀⁡𝐴⊂𝑋に対し,𝐴を含む最大の開集合を取る操作intは,内部の公理を満たす.
  • ∀⁡𝐴⊂𝑋に対し,𝑋∖𝐴を含む最大の開集合を取る操作extは,外部の公理を満たす.
  • ∀⁡𝐴⊂𝑋に対し,𝐴を含む最小の閉集合を取る操作clは,閉包の公理を満たす.
  • cl∖int,cl∖ext は境界作用素 ∂ の公理を満たす.
  • id∪-∗ は閉包作用素 cl の公理を満たす.

条件の同値性の証明

  • 開集合系,閉集合系による定義の同値性は,de Morganの法則より成り立つ.

位相空間の各種作用素の性質

位相空間 ( 𝑋,𝒪 ) を与えると,以下が成り立つ:

位相空間の生成系

位相空間を構成する他の方法を紹介する.同値な定義と呼んでいたが,

開基

位相空間 ( 𝑋,𝒪 ) を与える.

部分集合 ℬ⊂𝒪 が開基(open base)であるとは,以下の同値な条件のいずれか(ゆえに)全てを満たすことを言う:

  • lib

基本近傍系

基本近傍系()と呼ぶ.

閉基も書くだけ書いておいていい気はする

可算空間

  • 可算な基本近傍系を少なくとも1つ持つ位相空間を第1可算空間(first-countable space)と呼ぶ.
  • 可算な開基を少なくとも1つ持つ位相空間を第2可算空間(second-countable space)と呼ぶ.

連続写像

同値な定義が位相空間の同値な定義の数だけあるので,再び一通り示しておく.

連続写像

位相空間 ( 𝑋 , 𝒪𝑋 ) , ( 𝑌 , 𝒪𝑌 ) を与える.

写像 𝑓:𝑋→𝑌 が以下の同値な条件のいずれか(ゆえに全て)を満たすとき,𝑓を連続(continuous)と呼ぶ:

  • ∀ ⁡ 𝑂 ∈ 𝒪𝑌 , 𝑓 −1 ⁡ (𝑂) ∈ 𝒪𝑋
  • ∀ ⁡ 𝑂 ∈ 𝒪𝑌c , 𝑓 −1 ⁡ (𝑂) ∈ 𝒪𝑋c
  • ∀ ⁡ 𝐴 ∈ 2𝑋 , 𝑓 ⁡ ( cl𝑋 ⁡ (𝐴) ) ⊂ cl𝑌 ⁡ ( 𝑓 ⁡ (𝐴) )
  • ∀ ⁡ 𝐵 ∈ 2𝑌 , cl𝑋 ⁡ ( 𝑓 −1 ⁡ (𝐵) ) ⊂ 𝑓 −1 ⁡ ( cl𝑌 ⁡ (𝐵) )
  • ∀ ⁡ 𝐵 ∈ 2𝑌 , 𝑓 −1 ⁡ ( int𝑌 ⁡ (𝐵) ) ⊂ int𝑋 ⁡ ( 𝑓 −1 ⁡ (𝐵) )
  • ∀ ⁡ 𝐴 ∈ 2𝑋 , 𝑓 ⁡ ( 𝐴∗ ) ⊂ 𝑓 ⁡ (𝐴) ∗ ∪ 𝑓 ⁡ (𝐴)

条件の同値性の証明

位相空間の圏

位相空間の圏(category of topological spaces) 𝐓𝐨𝐩 とは,以下で定まる圏のこと:

同相写像

位相空間 ( 𝑋 , 𝒪𝑋 ) , ( 𝑌 , 𝒪𝑌 ) を与える.

連続写像 𝑓:𝑋→𝑌 が以下を満たすとき,𝑓 を同相(homeomorphism)と呼ぶ:

  • 𝑓が全単射
  • 𝑓の逆写像𝑓−1:𝑌→𝑋が連続

𝑋と𝑌のことも同相(homeomorphic)と呼び,𝑋≃𝑌と表す.

位相空間の演算

直積空間

を与える.

  • { ( 𝑋𝜆 , 𝒪𝜆 ) } 𝜆∈𝛬 の直積空間(product space)とは,以下のデータのこと:
    • 集合の直積 ∏ 𝜆∈𝛬 𝑋𝜆 に,以下の位相を入れたもの:
    • 集合の直積における射影の集合 { 𝜋𝜆 : ∏ 𝜆′ ∈ 𝛬 𝑋 𝜆′ → 𝑋𝜆 , ( 𝑥𝜆 ) 𝜆′ ∈ 𝛬 → 𝑥𝜆 } 𝜆∈𝛬

直和空間

を与える.

  • { ( 𝑋𝜆 , 𝒪𝜆 ) } 𝜆∈𝛬 の直和空間(direct sum)とは,

部分・商

位相空間の圏は余正則であることを確認する節になる予定.

相対位相・部分空間

を与える.

  • 𝒪 𝑌 ≔ 𝒪∩𝑌 = { 𝑂∩𝑌 | 𝑂∈𝒪 } は𝑌上の位相を定める.これを相対位相(relative topology)と呼ぶ.
  • 位相空間 ( 𝑌 , 𝒪 𝑌 ) を ( 𝑋 , 𝒪 ) の部分位相空間(topological subspace)と呼ぶ.

商位相空間

を与える.

  • 𝒪 𝑋 ∕ ∼ ≔ 𝜋 − 1 ⁡ ( 𝒪 ) = { 𝑂⊂𝑋∕∼ | 𝑂∈𝒪 } は𝑌上の位相を定める.これを商位相(quotient topology)と呼ぶ.
  • 位相空間 ( 𝑋∕∼ , 𝒪 𝑋∕∼ ) を ( 𝑋 , 𝒪 ) の∼による商位相空間(quotient topological space)と呼ぶ.

空位相空間

空集合∅は,その冪集合{∅}を位相とする位相空間となる.これを空位相空間(empty topological space)と呼ぶ.

位相空間の分類

分離公理

位相空間 ( 𝑋,𝒪 ) を与える.

  • 𝑋が𝑇1空間であるとは,以下を満たすことを言う: ∀ ⁡ 𝑥,𝑦 ∈ 𝑋 , ∃ ⁡ 𝑈 ∈ 𝑁 ⁡ (𝑦) , 𝑥∉𝑁
  • 𝑋が𝑇2空間(Hausdorff空間)であるとは,以下を満たすことを言う: ∀ ⁡ 𝑥,𝑦 ∈ 𝑋 , ∃ ⁡ 𝑈 ∈ 𝑁 ⁡ (𝑥) , ∃ ⁡ 𝑉 ∈ 𝑁 ⁡ (𝑦) , 𝑈∩𝑉 = ∅
  • その他たくさんです.

コンパクト性

コンパクト

位相空間 ( 𝑋,𝒪 ) を与える.

𝑋 の部分集合 𝐴⊂𝑋 がコンパクト(compact)であるとは,以下の同値な条件のいずれか(ゆえに全て)を満たすことを言う:

  • 任意の開被覆は有限被覆を持つ: ∀ ⁡ 𝒞⊂𝒪 に対し, 𝐴 ⊂ ⋃ 𝑆∈𝐶 有限部分集合 𝒞⊂𝒪

連結性

連結空間

位相空間 ( 𝑋,𝒪 ) を与える.

( 𝑋,𝒪 ) の部分空間 ( 𝐴 , 𝒪𝐴 ) が

  • 連結(connected)であるとは,空でない2つの開集合の非交和にならないことを言う.
  • 弧状連結(path-connected)であるとは,2点 ∀ ⁡ 𝑥𝑦 ∈ 𝐴 が 𝐴 上の連続曲線で結ばれることを言う.つまり,連続写像 𝜑 : [ 0,1 ] → 𝐴 であって, 𝜑 ⁡ (𝑥) = 0 , 𝜑 ⁡ (𝑦) = 1 を満たすものが存在する.

自由・忘却・余自由随伴

離散空間

集合𝑋を与える.

位相空間 ( 𝑋 , 2𝑋 ) のことを,離散空間(discrete space)と呼ぶ.

密着空間

集合𝑋を与える.

位相空間 ( 𝑋 , { ∅,𝑋 } ) のことを,密着空間(indiscrete space)と呼ぶ.

参考文献