収束空間

収束空間の研究はCartanから約10年後にChoquetなどにより始められた。収束空間の定義は様々だが、Eva Lowen-ColebundersのFunction Classes of Cauchy Continuous Maps(1989)で言及されている(らしい)定義を採用する。

定義 X{ X }を集合とする。各点x∈X{ x\in X }についてX{ X }のフィルターの族λ(x){ \lambda( x ) }が与えられているとする。λ​:x↦λ(x){ \lambda\colon x\mapsto\lambda( x ) }が以下を満たすとき、(X,λ){ ( X, \lambda) }を収束空間(convergent space)と呼ぶ。

  1. ⟨x⟩∈λ(x){ \langle x \rangle\in\lambda( x ) }である。
  2. F∈λ(x){ \mathscr{F}\in\lambda( x ) }とする。フィルターG⊂2X{ \mathscr{G}\subset 2^{X} }についてF⊂G{ \mathscr{F}\subset\mathscr{G} }ならG∈λ(x){ \mathscr{G}\in\lambda( x ) }を満たす。
  3. F,G∈λ(x){ \mathscr{F}, \mathscr{G}\in\lambda( x ) }ならF∩G∈λ(x){ \mathscr{F}\cap\mathscr{G}\in\lambda( x ) }である。

フィルターF⊂2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }についてF∈λ(x){ \mathscr{F}\in\lambda( x ) }であることをF→x{ \mathscr{F}\rightarrow x }と書けばλ{ \lambda }を明示せずに収束空間を定義できる。この意味で上記を満たす関係→{ \rightarrow }を収束構造(convergent structure)とも呼ぶ。(X{ X }のフィルター全体をΦ(X){ \Phi( X ) }とすれば、Φ(X)×X{ \Phi( X )\times X }の部分集合としての「関係」である。)またF→x{ \mathscr{F}\rightarrow x }のことを、F{ \mathscr{F} }がx{ x }に収束するともいう。x{ x }はF{ \mathscr{F} }の極限点や収束先ともいう。

位相空間の近傍系x↦N(x){ x\mapsto\mathfrak{N}( x ) }は収束構造を定める。これについては後で詳しく扱うとして、ここではもう少し素朴な例を挙げよう。

例 有向グラフ(directed graph)とは、頂点の集合V{ V }と、向き付けられた辺の集合E⊂V×V{ E\subset V\times V }の組(V,E){ ( V, E ) }である。(有向辺(v,u)∈E{ (v, u )\in E }は始点v{ v }から終点u{ u }への矢印で表す。)有効グラフが反射的(reflexible)とは、任意の頂点v∈V{ v\in V }について(v,v)∈E{ ( v, v )\in E }が成り立つことを言う。

さて反射的有向グラフ(V,E){ ( V, E ) }において、頂点v∈V{ v\in V }についてv{ v }から出る矢印の終点全体

v→:={u∈V:(v,u)∈E} \displaystyle \overrightarrow{v}:=\lbrace u\in V : ( v, u )\in E \rbrace

を考える。このとき収束構造F→v{ \mathscr{F}\rightarrow v }をv→∈F{ \overrightarrow{v}\in\mathscr{F} }で定めることができる。実際、(v,v)∈E{ ( v, v )\in E }よりv∈v→{ v\in\overrightarrow{v} }だからv→∈⟨v⟩{ \overrightarrow{v}\in\langle v \rangle }である。F→v,F⊂G{ \mathscr{F}\rightarrow v, \mathscr{F}\subset\mathscr{G} }とすれば、v→∈F⊂G{ \overrightarrow{v}\in\mathscr{F}\subset\mathscr{G} }よりG→v{ \mathscr{G}\rightarrow v }である。v→∈F,G{ \overrightarrow{v}\in\mathscr{F}, \mathscr{G} }ならv→∈F∩G{ \overrightarrow{v}\in\mathscr{F}\cap\mathscr{G} }も成り立つ。このようにして反射的有向グラフは収束空間となる。この収束構造において、単項フィルター⟨v→⟩{ \langle \overrightarrow{v} \rangle }はv{ v }に収束する。

念頭にあるのは収束空間のカテゴリーである。次は射について考えてみよう。

定義 X,Y{ X, Y }を収束空間、f​:X→Y{ f\colon X\rightarrow Y }を写像とする。x∈X{ x\in X }とする。任意のフィルターF⊂2X{ \mathscr{F}\subset 2^{X} }について、F→x{ \mathscr{F}\rightarrow x }ならf∗F→f(x){ f_{\ast}\mathscr{F}\rightarrow f( x ) }が成り立つとき、写像f{ f }はx{ x }で連続(continuous)であるという。任意の点x∈X{ x\in X }でf{ f }が連続なとき、f{ f }は連続であるという。

命題 X,Y,Z{ X, Y, Z }を収束空間、f​:X→Y,g​:Y→Z{ f\colon X\rightarrow Y, g\colon Y\rightarrow Z }を写像とする。f,g{ f, g }が連続ならg∘f{ g\circ f }も連続である。

(証明)f,g{ f, g }は連続とする。F→x{ \mathscr{F}\rightarrow x }に対しf∗F→f(x){ f_{\ast}\mathscr{F}\rightarrow f( x ) }であるからg∗(f∗F)→g(f(x)){ g_{\ast}( f_{\ast}\mathscr{F} )\rightarrow g( f( x ) ) }を得る。g∗∘f∗=(g∘f)∗{ g_{\ast}\circ f_{\ast}=( g\circ f )_{\ast} }より、g∘f{ g\circ f }も連続となる。□{ \square }

例 反射的有向グラフの例で連続写像を見てみよう。f​:(V1,E1)→(V2,E2){ f\colon( V_{1}, E_{1} )\rightarrow( V_{2}, E_{2} ) }をグラフ間の写像として、v∈V1{ v\in V_{1} }とする。f{ f }がv{ v }で連続であるとしよう。このとき単項フィルター⟨v→⟩{ \langle \overrightarrow{v} \rangle }はv{ v }に収束するから⟨v→⟩→v{ \langle \overrightarrow{v } \rangle\rightarrow v }である。故にf∗⟨v→⟩→f(v){ f_{\ast}\langle \overrightarrow{v} \rangle\rightarrow f( v ) }が成り立つ。つまりf(v)→∈f∗⟨v→⟩{ \overrightarrow{f( v )}\in f_{\ast}\langle \overrightarrow{v} \rangle }であって、従ってf(v→)⊂f(v)→{ f( \overrightarrow{v} )\subset \overrightarrow{f( v )} }が成り立つ。逆にf(v→)⊂f(v)→{ f( \overrightarrow{v} )\subset\overrightarrow{f( v )} }が成り立つなら、F→v{ \mathscr{F}\rightarrow v }についてv→∈F{ \overrightarrow{v}\in\mathscr{F} }よりf(v→)∈f(F)⊂f∗F{ f( \overrightarrow{v} )\in f( \mathscr{F} )\subset f_{\ast}\mathscr{F} }である。よってf(v)→∈f∗F{ \overrightarrow{f( v )}\in f_{\ast}\mathscr{F} }となりf{ f }はv{ v }で連続となる。従って次が成り立つ。

定理 f​:(V1,E1)→(V2,E2){ f\colon( V_{1}, E_{1} )\rightarrow( V_{2}, E_{2} ) }を反射的有向グラフの間の写像とする。v,u∈V1{ v, u\in V_{1} }とする。以下は同値である。

  • f{ f }はv{ v }で連続である。
  • f(v→)⊂f(v)→{ f( \overrightarrow{v} )\subset\overrightarrow{f( v )} }が成り立つ。

更に以下も同値である。

  • f{ f }は連続である。
  • (v,u)∈E1{ ( v, u )\in E_{1} }なら(f(v),f(u))∈E2{ ( f( v ), f( u ) )\in E_{2} }が成り立つ。(つまりf{ f }はグラフ準同型である。)

カテゴリー論的に言えば、反射的有向グラフとグラフ準同型の為す圏は、収束空間と連続写像の為す圏に忠実充満に埋め込める。この意味で連続性は自然な定義と言える。実はそれだけでなく、位相空間の圏もまた忠実充満に埋め込める。後で述べるが、収束空間の圏はカルテシアン閉であり、特にX{ X }からY{ Y }への連続写像全体C(X,Y){ C( X, Y ) }もまた「自然な」収束構造を持つ。位相空間の圏はこの性質を持たない(反射的有向グラフの圏も持たない?)ため、我々が収束空間について考える良い動機付けになっている。(なお位相空間が特別な場合には、コンパクト開位相という自然な位相が入る。これはこれで考察する意義がある。)

定義 収束空間の間の写像f​:X→Y{ f\colon X\rightarrow Y }が全単射でf{ f }及びf−1{ f^{-1} }が連続のとき、X{ X }とY{ Y }は収束空間として同型(isomorphic)であるという。

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