位相的概念とその性質

今回は閉集合について考えてみよう。せっかく収束概念があるので以下のように考える。

定義 X{ X }を収束空間とする。Φ(X){ \Phi( X ) }X{ X }のフィルター全体とする。AX{ A\subset X }に対し、A{ A }の閉包(closure)を

cl(A):={xX:FΦ(X),Fx,AF} \displaystyle \mathrm{cl}( A ):=\lbrace x\in X : \exists\mathscr{F}\in\Phi( X ), \mathscr{F}\rightarrow x, A\in\mathscr{F} \rbrace

で定める。つまりA{ A }を含むフィルターの極限点全体をcl(A){ \mathrm{cl}( A ) }とする。

この定義が自然なものであると確認するには、後で述べるフィルターの制限や収束空間の部分空間についての議論が必要となる。今はA{ A }の収束列の収束先という類推で納得しておく。

上のcl{ \mathrm{cl} }はKatětov閉包と呼ばれるらしい。

命題 閉包は以下を満たす。

  1. cl()={ \mathrm{cl}( \emptyset )=\emptyset }である。
  2. Acl(A){ A\subset\mathrm{cl}( A ) }である。
  3. cl(AB)=cl(A)cl(B){ \mathrm{cl}( A\cup B )=\mathrm{cl}( A )\cup\mathrm{cl}( B ) }が成り立つ。

3番目から特にAB{ A\subset B }ならcl(A)cl(B){ \mathrm{cl}( A )\subset\mathrm{cl}( B ) }が成り立つ。

(証明)フィルターは空集合を含まないからcl()={ \mathrm{cl}( \emptyset )=\emptyset }である。

xA{ x\in A }とするとxx{ \langle x \rangle\rightarrow x }かつAx{ A\in\langle x \rangle }が成り立つ。よってacl(A){ a\in\mathrm{cl}( A ) }が従う。

xcl(AB){ x\in\mathrm{cl}( A\cup B ) }とする。あるフィルターFx{ \mathscr{F}\rightarrow x }が存在してABF{ A\cup B\in\mathscr{F} }となる。AF{ A\notin\mathscr{F} }のときFA={V:FF,FAV}{ \mathscr{F}_{\setminus A}=\lbrace V : \exists F\in\mathscr{F}, F\setminus A\subset V \rbrace }F{ \mathscr{F} }を含むフィルターである。よってFAx{ \mathscr{F}_{\setminus A}\rightarrow x }であり、一方ABAB{ A\cup B\setminus A\subset B }よりBFA{ B\in\mathscr{F}_{\setminus A} }である。従ってxcl(B)cl(A)cl(B){ x\in\mathrm{cl}( B )\subset\mathrm{cl}( A )\cup\mathrm{cl}( B ) }を得る。

逆にxcl(A){ x\in\mathrm{cl}( A ) }なら、あるフィルターFx{ \mathscr{F}\rightarrow x }が存在してAF{ A\in\mathscr{F} }を満たす。特にAAB{ A\subset A\cup B }よりABF{ A\cup B\in\mathscr{F} }であるからxcl(AB){ x\in\mathrm{cl}( A\cup B ) }となる。B{ B }についても同様である。{ \square }

さて閉包がcl(cl(A))=cl(A){ \mathrm{cl}( \mathrm{cl}( A ) )=\mathrm{cl}( A ) }を満たせば、これは位相の公理系(Kuratowskiの公理系)を定めることになる。しかし、もちろんこれは一般に成り立たない。この公理系では閉集合をcl(A)=A{ \mathrm{cl}( A )=A }を満たす集合AX{ A\subset X }で定めていた。

定義 X{ X }を収束空間とする。AX{ A\subset X }とする。cl(A)=A{ \mathrm{cl}( A )=A }が成り立つとき、A{ A }は閉(closed)であるという。

補題 X{ X }を収束空間とする。UX{ U\subset X }とする。以下は同値である。

  • U{ U }はopenである。
  • XU{ X\setminus U }はclosedである。

(証明)U{ U }はopenとする。cl(XU)XU{ \mathrm{cl}( X\setminus U )\subset X\setminus U }を示せば良い。xcl(XU){ x\in \mathrm{cl}( X\setminus U ) }に対し、あるフィルターFx{ \mathscr{F}\rightarrow x }が存在してXUF{ X\setminus U\in\mathscr{F} }となる。xU{ x\in U }ならUNxF{ U\in\mathscr{N}_{x}\subset\mathscr{F} }より矛盾する。よってXU{ X\setminus U }はclosedである。

逆にU{ U }はopenでないとする。ある元xU{ x\in U }とフィルターFx{ \mathscr{F}\rightarrow x }が存在してUF{ U\notin\mathscr{F} }が成り立つ。FU={V:FF,FUV}{ \mathscr{F}_{\setminus U}=\lbrace V : \exists F\in\mathscr{F}, F\setminus U\subset V \rbrace }F{ \mathscr{F} }を含むフィルターである。XUFU{ X\setminus U\in\mathscr{F}_{\setminus U} }かつFUx{ \mathscr{F}_{\setminus U}\rightarrow x }よりxcl(XU){ x\in\mathrm{cl}( X\setminus U ) }を得る。xXU{ x\notin X\setminus U }よりXU{ X\setminus U }はclosedでない。{ \square }

収束空間がトポロジカルなときopenと開集合であることは同値だった。従って補題よりA{ A }が閉集合であることと、A{ A }がclosedであることは同値となる。よって次が成り立つ。

命題 X{ X }をトポロジカルな収束空間とする。閉包は位相空間の閉包と一致する。

(証明)AX{ A\subset X }に対し、位相空間の閉包をA{ \overline{A} }で表す。

AA{ A\subset\overline{A} }より、A{ \overline{A} }はclosedだからcl(A)cl(A)=A{ \mathrm{cl}( A )\subset\mathrm{cl}( \overline{A} )=\overline{A} }が成り立つ。

逆を示すためにxXcl(A){ x\in X\setminus\mathrm{cl}( A ) }とする。xA{ x\in\overline{A} }とすると、任意のNN(x){ N\in\mathfrak{N}( x ) }についてNA{ N\cap A\neq\emptyset }が成り立つ。このときフィルターA{ \langle A \rangle }についてvel積G:=N(x)A{ \mathscr{G}:=\mathfrak{N}( x )\vee\langle A \rangle }が定義できる。今xcl(A){ x\notin\mathrm{cl}( A ) }より任意のフィルターFx{ \mathscr{F}\rightarrow x }についてAF{ A\notin\mathscr{F} }が成り立つが、GN(x)x{ \mathscr{G}\supset\mathfrak{N}( x )\rightarrow x }より矛盾する。従ってxA{ x\notin\overline{A} }である。{ \square }

以上により、トポロジカルな収束空間において、近傍、開、閉、閉包の概念は全て同一のものであることが分かる。

命題 X{ X }を収束空間とする。xX,NX{ x\in X, N\subset X }とする。以下は同値である。

  • N{ N }x{ x }の近傍である。
  • xcl(XN){ x\notin\mathrm{cl}( X\setminus N ) }である。

(証明)xcl(XN){ x\in\mathrm{cl}( X\setminus N ) }とする。あるフィルターFx{ \mathscr{F}\rightarrow x }が存在してXNF{ X\setminus N\in\mathscr{F} }を満たす。NF{ N\notin\mathscr{F} }よりNNx{ N\notin\mathscr{N}_{x} }である。

逆にNNx{ N\notin\mathscr{N}_{x} }なら、あるフィルターFx{ \mathscr{F}\rightarrow x }が存在してNF{ N\notin\mathscr{F} }となる。ここでFN={V:FF,FNV}{ \mathscr{F}_{\setminus N}=\lbrace V : \exists F\in\mathscr{F}, F\setminus N\subset V \rbrace }F{ \mathscr{F} }を含むフィルターとなる。XNFN{ X\setminus N\in\mathscr{F}_{\setminus N} }かつFNx{ \mathscr{F}_{\setminus N}\rightarrow x }よりxcl(XN){ x\in\mathrm{cl}( X\setminus N ) }が従う。{ \square }

定理 f:XY{ f\colon X\rightarrow Y }は収束空間の間の連続写像とする。このとき以下が成り立つ。

  1. UY{ U\subset Y }がopenならf1(U){ f^{-1}( U ) }はopenである。
  2. FY{ F\subset Y }がclosedならf1(F){ f^{-1}( F ) }はclosedである。
  3. xX{ x\in X }について、NY{ N\subset Y }f(x){ f( x ) }の近傍ならf1(N){ f^{-1}( N ) }x{ x }の近傍である。
  4. AX{ A\subset X }についてf(cl(A))cl(f(A)){ f( \mathrm{cl}( A ) )\subset\mathrm{cl}( f( A ) ) }が成り立つ。

(証明)1は前節で示した。2は1とf1(YF)=Xf1(F){ f^{-1}( Y\setminus F )=X\setminus f^{-1}( F ) }より分かる。

3を示そう。Fx{ \mathscr{F}\rightarrow x }ならfFf(x){ f_{\ast}\mathscr{F}\rightarrow f( x ) }だから、Nf(x)fF{ \mathscr{N}_{f( x )}\subset f_{\ast}\mathscr{F} }である。よってNNf(x){ N\in\mathscr{N}_{f( x )} }について、あるFF{ F\in\mathscr{F} }が存在してf(F)N{ f( F )\subset N }となる。Ff1(N){ F\subset f^{-1}( N ) }よりf1(N)F{ f^{-1}( N )\in\mathscr{F} }を得る。従ってf1(N)Nx{ f^{-1}( N )\in\mathscr{N}_{x} }が成り立つ。

4を示そう。xcl(A){ x\in\mathrm{cl}( A ) }とすると、あるフィルターFx{ \mathscr{F}\rightarrow x }が存在してAF{ A\in\mathscr{F} }を満たす。fFf(x){ f_{\ast}\mathscr{F}\rightarrow f( x ) }よりf(A)f(F)fF{ f( A )\in f( \mathscr{F} )\subset f_{\ast}\mathscr{F} }からf(x)cl(f(A)){ f( x )\in\mathrm{cl}( f( A ) ) }を得る。{ \square }

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