§E2.11位相空間

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距離空間では、二点の近さを実数で測ることによって開球が定まり、開球から開集合、内部、閉包、境界が定まる。しかし、距離が与えられていない集合の上でも開集合に関する議論は必要であり、また同じ集合の上の異なる距離が同じ開集合の全体を与えることもあるため、開集合だけで述べられる主張にとって距離は余分な情報を含んでいる。そこで、どの部分集合を開集合と呼ぶかを公理によって直接に指定し、この指定を位相という。位相は、距離をもたない対象まで含めて開集合による議論を行うための最も基本的な構造の一つである。距離から生じる開集合の全体はつねに位相であり、逆に、二点以上をもつ集合の密着位相のように、どの距離からも生じない位相もある。開集合の全体を指定する以外にも位相と一対一に対応する与え方があり、位相空間についての主張はそのどれによって述べてもよい。本記事では、位相を定める方法と、そこから定まる基本的な概念を解説する。

1 開集合系の公理

定義 1.1 (位相、開集合、位相空間).XXを集合とし、O⊆P(X)\mathcal{O}\subseteq\mathcal{P}(X)とする。O\mathcal{O}がXXの位相 (topology) であるとは、次の三つがすべて成り立つことをいう。

  1. ∅∈O\emptyset\in\mathcal{O}かつX∈OX\in\mathcal{O}である。
  2. §E1.2 定義 2.1に従って{Uλ}λ∈Λ\{U_\lambda\}_{\lambda\in\Lambda}をO\mathcal{O}の元からなる集合族とすると、⋃λ∈ΛUλ∈O\bigcup_{\lambda\in\Lambda}U_\lambda\in\mathcal{O}である。
  3. 正の整数nnとU1,…,Un∈OU_1,\dots,U_n\in\mathcal{O}に対して、⋂i=1nUi∈O\bigcap_{i=1}^{n}U_i\in\mathcal{O}である。

O\mathcal{O}の元を 開集合 (open set) といい、組(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間 (topological space) という。位相が文脈から定まっている場合には、集合XX自体を位相空間と呼ぶことがある。

注意 1.2.定義 1.1 条件 (b)は任意個の和集合を許すが、定義 1.1 条件 (c)は有限個の共通部分だけを許す。共通部分についての有限性の制限を外すことはできない。実際、§E2.2 例 1.4は、可算個の開集合の共通部分が開集合にならない例を与えている。

定義 1.3.(X,d)(X,d)を距離空間とし、Od\mathcal{O}_dを§E2.2 定義 1.1に従って開集合となるXXの部分集合の全体とする。Od\mathcal{O}_dを、XX上の距離から生じる位相 (metric topology) という。

例 1.4.(X,d)(X,d)を距離空間とする。§E2.2 定理 1.3により、Od\mathcal{O}_dは定義 1.1に掲げた三つの公理を満たす。したがって、Od\mathcal{O}_dはXXの位相である。

注意 1.5.§E2.5 定義 1.1で定めた完備性は距離に依存する。実際、§E2.5 定理 3.2と§E2.5 定理 3.3が閉性と完備性を結び付ける一方、§E2.5 例 6.3は、同じ集合の上で同じ位相を生じる二つの距離について完備性が異なる例を与える。したがって、距離から位相を作る対応は単射とは限らず、完備性は位相だけでは決まらない。

定義 1.6.R\mathbb{R}に§E2.1 例 1.6で定めた距離d(s,t)=∣s−t∣d(s,t)=\lvert s-t\rvertを入れる。この距離から定義 1.3によって生じる位相Od\mathcal{O}_dを、R\mathbb{R}の通常の位相 (usual topology) という。

定義 1.7.XXを集合とする。

  1. P(X)\mathcal{P}(X)をXX上の離散位相 (discrete topology) という。
  2. {∅,X}\{\emptyset,X\}をXX上の密着位相 (indiscrete topology) という。
  3. 集合族Occ={∅}∪{ U⊆X∣X∖U は高々可算である }\mathcal{O}_{\mathrm{cc}}=\{\emptyset\}\cup\{\,U\subseteq X\mid X\setminus U\text{ は高々可算である}\,\}をXX上の補可算位相 (cocountable topology) という。

例 1.8.XXを集合とする。離散位相P(X)\mathcal{P}(X)、密着位相{∅,X}\{\emptyset,X\}、および補可算位相Occ\mathcal{O}_{\mathrm{cc}}は、いずれもXXの位相である。また、§E2.2 例 5.2で扱った離散距離から生じる位相は、離散位相に一致する。

証明.P(X)\mathcal{P}(X)については、∅\emptysetとXXはいずれもXXの部分集合であるから定義 1.1 条件 (a)が成り立つ。また、XXの部分集合の任意個の和集合も有限個の共通部分もXXの部分集合であるから、定義 1.1 条件 (b)と定義 1.1 条件 (c)が成り立つ。

{∅,X}\{\emptyset,X\}については、∅\emptysetとXXが定義によりこの族に属するから定義 1.1 条件 (a)が成り立つ。{∅,X}\{\emptyset,X\}の部分族の和集合は、その部分族がXXを含むならばXXであり、含まないならば∅\emptysetである。同じ部分族の空でない有限個の元の共通部分も、XXだけからなるならばXXであり、∅\emptysetを含むならば∅\emptysetである。したがって定義 1.1 条件 (b)と定義 1.1 条件 (c)が成り立つ。

Occ\mathcal{O}_{\mathrm{cc}}について、∅\emptysetは定義により属し、X∖X=∅X\setminus X=\emptysetは高々可算であるからX∈OccX\in\mathcal{O}_{\mathrm{cc}}である。{Uλ}λ∈Λ\{U_\lambda\}_{\lambda\in\Lambda}をOcc\mathcal{O}_{\mathrm{cc}}の元からなる集合族とする。すべてのUλU_\lambdaが空集合ならば、その和集合も空集合である。空でないUλ0U_{\lambda_0}が存在するならば、

X∖⋃λ∈ΛUλ⊆X∖Uλ0X\setminus\bigcup_{\lambda\in\Lambda}U_\lambda \subseteq X\setminus U_{\lambda_0}

であり、右辺は高々可算である。したがって、和集合はOcc\mathcal{O}_{\mathrm{cc}}に属する。

有限個の元U1,…,UnU_1,\dots,U_nのいずれかが空集合ならば、その共通部分も空集合である。すべてが空でない場合には、§E1.2 定理 3.2が与える一般のド・モルガン則により

X∖⋂i=1nUi=⋃i=1n(X∖Ui)X\setminus\bigcap_{i=1}^{n}U_i =\bigcup_{i=1}^{n}(X\setminus U_i)

である。右辺は§E1.18 定理 5.1により高々可算である。したがって、有限個の元の共通部分もOcc\mathcal{O}_{\mathrm{cc}}に属する。

離散距離が定める開集合について、§E2.2 例 5.2によりXXの任意の部分集合が開集合である。したがって、離散距離から生じる位相はP(X)\mathcal{P}(X)に一致する。▨

例 1.9.XXを二つ以上の元をもつ集合とする。XX上のどの距離ddについても、距離から生じる位相Od\mathcal{O}_dは密着位相{∅,X}\{\emptyset,X\}と異なる。すなわち、密着位相は距離から生じる位相ではない。

証明.ddをXX上の距離とし、Od={∅,X}\mathcal{O}_d=\{\emptyset,X\}であると仮定する。XXは二つ以上の元をもつから、x≠yx\ne yを満たすx,y∈Xx,y\in Xをとることができる。§E2.1 定義 1.1 条件 (a)と§E2.1 命題 1.2によりr=d(x,y)>0r=d(x,y)>0である。§E2.2 補題 1.2により開球B(x,r)B(x,r)はOd\mathcal{O}_dに属し、§E2.1 注意 1.5によりx∈B(x,r)x\in B(x,r)であるからB(x,r)≠∅B(x,r)\ne\emptysetである。仮定によりB(x,r)=XB(x,r)=Xとなり、とくにy∈B(x,r)y\in B(x,r)、すなわちd(x,y)<rd(x,y)<rである。これはr=d(x,y)r=d(x,y)に反する。▨

定義 1.10 (粗い位相、細かい位相).O1\mathcal{O}_1とO2\mathcal{O}_2を同じ集合XX上の位相とする。O1⊆O2\mathcal{O}_1\subseteq\mathcal{O}_2であるとき、O1\mathcal{O}_1はO2\mathcal{O}_2より粗い (coarser) といい、O2\mathcal{O}_2はO1\mathcal{O}_1より細かい (finer) という。

注意 1.11. 密着位相はXX上のどの位相よりも粗く、離散位相はXX上のどの位相よりも細かい。実際、XX上のどの位相も∅\emptysetとXXを含み、P(X)\mathcal{P}(X)に含まれる。

定義 1.12 (孤立点). 位相空間XXの点xxについて、{x}\{x\}がXXの開集合であるとき、xxをXXの 孤立点 (isolated point) という。

2 閉集合系と内部、閉包、境界、稠密性

定義 2.1 (閉集合).(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、F⊆XF\subseteq Xとする。X∖F∈OX\setminus F\in\mathcal{O}であるとき、FFを 閉集合 (closed set) という。

注意 2.2. 本記事では、XXの部分集合からなる空な集合族について、§E1.2 注意 2.3の規約に従い、和集合を∅\emptyset、共通部分をXXとする。この規約のもとで、定義 1.1 条件 (b)は添字集合が空である場合を含み、以下で閉集合の任意個の共通部分について述べる主張も、添字集合が空である場合を含む。

定理 2.3.XXを集合とし、F⊆P(X)\mathcal{F}\subseteq\mathcal{P}(X)とする。F\mathcal{F}がXX上のある位相の閉集合の全体であるための必要十分条件は、次の三つがすべて成り立つことである。

  1. ∅∈F\emptyset\in\mathcal{F}かつX∈FX\in\mathcal{F}である。
  2. {Fλ}λ∈Λ\{F_\lambda\}_{\lambda\in\Lambda}をF\mathcal{F}の元からなる任意の集合族とすると、⋂λ∈ΛFλ∈F\bigcap_{\lambda\in\Lambda}F_\lambda\in\mathcal{F}である。
  3. 正の整数nnとF1,…,Fn∈FF_1,\dots,F_n\in\mathcal{F}に対して、⋃i=1nFi∈F\bigcup_{i=1}^{n}F_i\in\mathcal{F}である。

三つがすべて成り立つとき、閉集合の全体がF\mathcal{F}である位相は

OF={ X∖F∣F∈F }\mathcal{O}_{\mathcal{F}} =\{\,X\setminus F\mid F\in\mathcal{F}\,\}

ただ一つである。

証明. 必要性を示す。F\mathcal{F}を位相O\mathcal{O}の閉集合の全体とする。∅\emptysetとXXの補集合はそれぞれXXと∅\emptysetであり、いずれも開集合であるから、条件 (a)が成り立つ。

{Fλ}λ∈Λ\{F_\lambda\}_{\lambda\in\Lambda}を閉集合からなる任意の集合族とする。§E1.2 定理 3.2が与える一般のド・モルガン則により

X∖⋂λ∈ΛFλ=⋃λ∈Λ(X∖Fλ)X\setminus\bigcap_{\lambda\in\Lambda}F_\lambda =\bigcup_{\lambda\in\Lambda}(X\setminus F_\lambda)

である。右辺は開集合の任意個の和集合であるから開集合である。したがって⋂λ∈ΛFλ\bigcap_{\lambda\in\Lambda}F_\lambdaは閉集合であり、条件 (b)が成り立つ。

閉集合F1,…,FnF_1,\dots,F_nに対して

X∖⋃i=1nFi=⋂i=1n(X∖Fi)X\setminus\bigcup_{i=1}^{n}F_i =\bigcap_{i=1}^{n}(X\setminus F_i)

である。右辺は有限個の開集合の共通部分であるから開集合である。したがって、⋃i=1nFi\bigcup_{i=1}^{n}F_iは閉集合であり、条件 (c)が成り立つ。

十分性を示す。F\mathcal{F}が三つをすべて満たすと仮定し、OF\mathcal{O}_{\mathcal{F}}を定理文の式で定める。条件 (a)により

∅=X∖X∈OF,X=X∖∅∈OF\emptyset=X\setminus X\in\mathcal{O}_{\mathcal{F}}, \qquad X=X\setminus\emptyset\in\mathcal{O}_{\mathcal{F}}

である。

{Uλ}λ∈Λ\{U_\lambda\}_{\lambda\in\Lambda}をOF\mathcal{O}_{\mathcal{F}}の元からなる集合族とする。各λ\lambdaに対してFλ=X∖UλF_\lambda=X\setminus U_\lambdaとおくと、Fλ∈FF_\lambda\in\mathcal{F}である。条件 (b)と、§E1.2 定理 3.2が与える一般のド・モルガン則により

⋃λ∈ΛUλ=X∖⋂λ∈ΛFλ∈OF\bigcup_{\lambda\in\Lambda}U_\lambda =X\setminus\bigcap_{\lambda\in\Lambda}F_\lambda \in\mathcal{O}_{\mathcal{F}}

である。また、Ui=X∖FiU_i=X\setminus F_iと書けば、条件 (c)により

⋂i=1nUi=X∖⋃i=1nFi∈OF\bigcap_{i=1}^{n}U_i =X\setminus\bigcup_{i=1}^{n}F_i \in\mathcal{O}_{\mathcal{F}}

である。したがって、OF\mathcal{O}_{\mathcal{F}}はXXの位相である。

OF\mathcal{O}_{\mathcal{F}}について閉集合であるF⊆XF\subseteq Xは、X∖F∈OFX\setminus F\in\mathcal{O}_{\mathcal{F}}を満たす。定義により、これはX∖F=X∖F′X\setminus F=X\setminus F'を満たすF′∈FF'\in\mathcal{F}が存在することと同値である。補集合を再びとるとF=F′F=F'となるので、OF\mathcal{O}_{\mathcal{F}}の閉集合の全体はF\mathcal{F}である。

一意性を示す。閉集合の全体がF\mathcal{F}である位相では、開集合はその補集合として必ずOF\mathcal{O}_{\mathcal{F}}の元になり、逆にOF\mathcal{O}_{\mathcal{F}}の元はF\mathcal{F}の元の補集合として開集合である。したがって、この位相はOF\mathcal{O}_{\mathcal{F}}に一致する。▨

定義 2.4 (内部、閉包、境界).(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、A⊆XA\subseteq Xとする。

  1. AAに含まれる開集合の全体の和集合をAAの 内部 (interior) といい、int⁡(A)\tpint{A}と書く。
  2. AAを含む閉集合の全体の共通部分をAAの 閉包 (closure) といい、A‾\overline{A}と書く。
  3. A‾∩X∖A‾\overline{A}\cap\overline{X\setminus A}をAAの 境界 (boundary) といい、∂A\partial Aと書く。

XXはAAを含む閉集合であるため、閉包を定める共通部分には少なくとも一つの集合が現れる。

内部と閉包をとる全体集合を明示する必要があるときは、int⁡(A)\tpint{A}をint⁡X(A)\tpint[X]{A}と書き、A‾\overline{A}をcl⁡X(A)\tpcl[X]{A}と書く。

命題 2.5.(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、A⊆XA\subseteq Xとする。

  1. int⁡(A)\tpint{A}はAAに含まれる最大の開集合であり、A‾\overline{A}はAAを含む最小の閉集合である。
  2. AAが開集合であることとint⁡(A)=A\tpint{A}=Aであることは同値であり、AAが閉集合であることとA‾=A\overline{A}=Aであることは同値である。
  3. X∖int⁡(A)=X∖A‾X\setminus\tpint{A}=\overline{X\setminus A}かつX∖A‾=int⁡(X∖A)X\setminus\overline{A}=\tpint{X\setminus A}である。

証明.(1)を示す。int⁡(A)\tpint{A}は開集合の族の和集合であるから開集合であり、和をとる各集合がAAに含まれるためint⁡(A)⊆A\tpint{A}\subseteq Aである。UUがAAに含まれる開集合ならば、UUは内部を定める和集合の一員であるからU⊆int⁡(A)U\subseteq\tpint{A}である。したがって、int⁡(A)\tpint{A}はAAに含まれる最大の開集合である。A‾\overline{A}は閉集合の族の共通部分であるから、定理 2.3 条件 (b)により閉集合である。共通部分をとる各閉集合がAAを含むため、A⊆A‾A\subseteq\overline{A}である。FFがAAを含む閉集合ならば、FFは閉包を定める共通部分の一員であるからA‾⊆F\overline{A}\subseteq Fである。したがって、A‾\overline{A}はAAを含む最小の閉集合である。

(2)を示す。AAが開集合ならば、(1)の最大性によりA⊆int⁡(A)A\subseteq\tpint{A}であり、int⁡(A)⊆A\tpint{A}\subseteq Aと合わせて等号を得る。逆にint⁡(A)=A\tpint{A}=Aならば、内部が開集合であることからAAは開集合である。AAが閉集合ならば、(1)の最小性によりA‾⊆A\overline{A}\subseteq Aであり、A⊆A‾A\subseteq\overline{A}と合わせて等号を得る。逆にA‾=A\overline{A}=Aならば、閉包が閉集合であることからAAは閉集合である。

(3)を示す。int⁡(A)\tpint{A}は開集合であるから、X∖int⁡(A)X\setminus\tpint{A}は閉集合である。また、int⁡(A)⊆A\tpint{A}\subseteq Aであるから

X∖A⊆X∖int⁡(A)X\setminus A\subseteq X\setminus\tpint{A}

である。よって、(1)の最小性により

X∖A‾⊆X∖int⁡(A)\overline{X\setminus A}\subseteq X\setminus\tpint{A}

である。逆に、FFをX∖AX\setminus Aを含む閉集合とする。この包含の補集合をとると、X∖FX\setminus FはAAに含まれる開集合である。(1)の最大性によりX∖F⊆int⁡(A)X\setminus F\subseteq\tpint{A}であり、再び補集合をとるとX∖int⁡(A)⊆FX\setminus\tpint{A}\subseteq Fを得る。これはX∖int⁡(A)X\setminus\tpint{A}がX∖AX\setminus Aを含むすべての閉集合に含まれることを示すので、

X∖int⁡(A)⊆X∖A‾X\setminus\tpint{A}\subseteq\overline{X\setminus A}

である。したがって、第一の等式が成り立つ。第一の等式でAAをX∖AX\setminus Aに置き換えると

X∖int⁡(X∖A)=A‾X\setminus\tpint{X\setminus A}=\overline{A}

を得る。両辺の補集合をとることにより、第二の等式が従う。▨

補題 2.6.(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、A⊆XA\subseteq Xとする。任意のx∈Ax\in Aに対してx∈U⊆Ax\in U\subseteq Aを満たすU∈OU\in\mathcal{O}が存在するならば、AAは開集合である。

証明. 任意のx∈Ax\in Aをとり、仮定を満たす開集合UUをとる。このUUはAAに含まれるので、命題 2.5 (1)によりU⊆int⁡(A)U\subseteq\tpint{A}である。とくにx∈int⁡(A)x\in\tpint{A}である。xxはAAの任意の元であったからA⊆int⁡(A)A\subseteq\tpint{A}であり、命題 2.5 (1)が与えるint⁡(A)⊆A\tpint{A}\subseteq Aと合わせてA=int⁡(A)A=\tpint{A}を得る。よって命題 2.5 (2)によりAAは開集合である。▨

定義 2.7 (稠密).(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、A⊆XA\subseteq Xとする。A‾=X\overline{A}=Xが成り立つとき、AAはXXで 稠密 (dense) であるという。

命題 2.8.(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、A⊆XA\subseteq Xとする。

  1. ∂A=A‾∖int⁡(A)\partial A=\overline{A}\setminus\tpint{A}である。
  2. ∂A=∂(X∖A)\partial A=\partial(X\setminus A)である。
  3. ∂A\partial Aは閉集合である。
  4. A‾=A∪∂A\overline{A}=A\cup\partial Aである。

証明.(1)を示す。命題 2.5 (3)によりX∖A‾=X∖int⁡(A)\overline{X\setminus A}=X\setminus\tpint{A}であるから、

∂A=A‾∩X∖A‾=A‾∩(X∖int⁡(A))=A‾∖int⁡(A)\partial A =\overline{A}\cap\overline{X\setminus A} =\overline{A}\cap(X\setminus\tpint{A}) =\overline{A}\setminus\tpint{A}

である。

(2)を示す。X∖(X∖A)=AX\setminus(X\setminus A)=Aであるから、∂(X∖A)=X∖A‾∩A‾=∂A\partial(X\setminus A)=\overline{X\setminus A}\cap\overline{A}=\partial Aである。

(3)を示す。A‾\overline{A}とX∖A‾\overline{X\setminus A}は閉集合であり、定理 2.3 条件 (b)により有限個の閉集合の共通部分は閉集合であるから、∂A\partial Aは閉集合である。

(4)を示す。A⊆A‾A\subseteq\overline{A}かつ∂A⊆A‾\partial A\subseteq\overline{A}であるから、A∪∂A⊆A‾A\cup\partial A\subseteq\overline{A}である。逆にx∈A‾x\in\overline{A}とする。x∈Ax\in Aならばx∈A∪∂Ax\in A\cup\partial Aである。x∉Ax\notin Aならばx∈X∖A⊆X∖A‾x\in X\setminus A\subseteq\overline{X\setminus A}であるから、x∈A‾∩X∖A‾=∂Ax\in\overline{A}\cap\overline{X\setminus A}=\partial Aである。したがってA‾⊆A∪∂A\overline{A}\subseteq A\cup\partial Aである。▨

命題 2.9.(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、A⊆XA\subseteq Xとする。次の三つは同値である。

  1. AAはXXで稠密である。
  2. XXの任意の空でない開集合はAAと交わる。
  3. int⁡(X∖A)=∅\tpint{X\setminus A}=\emptysetである。

証明.(1)⇒\Rightarrow(2)を示す。A‾=X\overline{A}=Xと仮定し、UUを空でない開集合とする。U∩A=∅U\cap A=\emptysetであると仮定すると、A⊆X∖UA\subseteq X\setminus Uであり、X∖UX\setminus Uは閉集合である。命題 2.5 (1)によりA‾⊆X∖U\overline{A}\subseteq X\setminus Uとなる。一方A‾=X\overline{A}=XであるからU=∅U=\emptysetとなり、UUが空でないことに反する。

(2)⇒\Rightarrow(1)を示す。A‾≠X\overline{A}\ne Xであると仮定すると、U=X∖A‾U=X\setminus\overline{A}は空でない開集合である。A⊆A‾A\subseteq\overline{A}であるからU∩A=∅U\cap A=\emptysetとなり、(2)に反する。したがってA‾=X\overline{A}=Xである。

(1)と(3)が同値であることを示す。命題 2.5 (3)によりX∖A‾=int⁡(X∖A)X\setminus\overline{A}=\tpint{X\setminus A}である。したがって、A‾=X\overline{A}=Xであることとint⁡(X∖A)=∅\tpint{X\setminus A}=\emptysetであることは同値である。▨

命題 2.10.(Z,O)(Z,\mathcal O)を位相空間、D⊆ZD\subseteq Zを稠密な部分集合、V⊆ZV\subseteq Zを開集合とする。このときV⊆V∩D‾V\subseteq\overline{V\cap D}である。

証明.z∈Vz\in Vをとり、WWをzzの近傍とする。定義 6.1によりz∈W0⊆Wz\in W_0\subseteq Wを満たす開集合W0W_0が存在する。W0∩VW_0\cap Vはzzを含む空でない開集合であるから、DDの稠密性と命題 2.9 (2)によりW0∩V∩D≠∅W_0\cap V\cap D\neq\emptysetである。W0∩V∩D⊆W∩(V∩D)W_0\cap V\cap D\subseteq W\cap(V\cap D)であるからWWはV∩DV\cap Dと交わり、命題 7.2 (2)によりz∈V∩D‾z\in\overline{V\cap D}である。▨

3 開核作用素による記述

定義 3.1 (開核作用素).XXを集合とする。写像I:P(X)→P(X)I:\mathcal{P}(X)\to\mathcal{P}(X)がXX上の開核作用素 (interior operator) であるとは、任意のA,B⊆XA,B\subseteq Xに対して次の四つがすべて成り立つことをいう。

  1. I(X)=XI(X)=Xである。
  2. I(A)⊆AI(A)\subseteq Aである。
  3. I(I(A))=I(A)I(I(A))=I(A)である。
  4. I(A∩B)=I(A)∩I(B)I(A\cap B)=I(A)\cap I(B)である。

補題 3.2.(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、A⊆XA\subseteq Xに対してIO(A)=int⁡(A)I_{\mathcal{O}}(A)=\tpint{A}と定める。このとき、IOI_{\mathcal{O}}はXX上の開核作用素である。

証明.XX自身はXXに含まれる開集合であるから、命題 2.5 (1)によりIO(X)=XI_{\mathcal{O}}(X)=Xである。命題 2.5 (1)の最大性に含まれる包含から、任意のA⊆XA\subseteq XについてIO(A)⊆AI_{\mathcal{O}}(A)\subseteq Aである。IO(A)I_{\mathcal{O}}(A)は開集合であるから、命題 2.5 (2)によりIO(IO(A))=IO(A)I_{\mathcal{O}}(I_{\mathcal{O}}(A))=I_{\mathcal{O}}(A)である。

IO(A)∩IO(B)I_{\mathcal{O}}(A)\cap I_{\mathcal{O}}(B)は二つの開集合の共通部分であるから開集合であり、A∩BA\cap Bに含まれる。よって命題 2.5 (1)の最大性によりIO(A)∩IO(B)⊆IO(A∩B)I_{\mathcal{O}}(A)\cap I_{\mathcal{O}}(B)\subseteq I_{\mathcal{O}}(A\cap B)である。逆にIO(A∩B)I_{\mathcal{O}}(A\cap B)はAAに含まれる開集合であり、BBに含まれる開集合でもあるから、同じ最大性によりIO(A∩B)⊆IO(A)I_{\mathcal{O}}(A\cap B)\subseteq I_{\mathcal{O}}(A)かつIO(A∩B)⊆IO(B)I_{\mathcal{O}}(A\cap B)\subseteq I_{\mathcal{O}}(B)である。したがってIO(A∩B)=IO(A)∩IO(B)I_{\mathcal{O}}(A\cap B)=I_{\mathcal{O}}(A)\cap I_{\mathcal{O}}(B)である。▨

補題 3.3.XXを集合とし、IIをXX上の開核作用素とする。

  1. A⊆B⊆XA\subseteq B\subseteq XならばI(A)⊆I(B)I(A)\subseteq I(B)である。
  2. OI={ U⊆X∣I(U)=U }\mathcal{O}_I=\{\,U\subseteq X\mid I(U)=U\,\}はXXの位相である。

証明.(1)を示す。A⊆BA\subseteq BならばA=A∩BA=A\cap Bであるから、定義 3.1 条件 (d)によりI(A)=I(A)∩I(B)I(A)=I(A)\cap I(B)であり、I(A)⊆I(B)I(A)\subseteq I(B)を得る。

(2)を示す。定義 3.1 条件 (b)をA=∅A=\emptysetに適用するとI(∅)=∅I(\emptyset)=\emptysetであり、定義 3.1 条件 (a)と合わせて∅∈OI\emptyset\in\mathcal{O}_IかつX∈OIX\in\mathcal{O}_Iである。{Uλ}λ∈Λ\{U_\lambda\}_{\lambda\in\Lambda}をOI\mathcal{O}_Iの元からなる集合族とし、U=⋃λ∈ΛUλU=\bigcup_{\lambda\in\Lambda}U_\lambdaとおく。各λ∈Λ\lambda\in\LambdaについてUλ⊆UU_\lambda\subseteq Uであるから、(1)によりUλ=I(Uλ)⊆I(U)U_\lambda=I(U_\lambda)\subseteq I(U)である。したがってU⊆I(U)U\subseteq I(U)であり、定義 3.1 条件 (b)と合わせてI(U)=UI(U)=Uを得る。正の整数nnとU1,…,Un∈OIU_1,\dots,U_n\in\mathcal{O}_Iに対しては、定義 3.1 条件 (d)をn−1n-1回用いて

I(⋂i=1nUi)=⋂i=1nI(Ui)=⋂i=1nUiI\left(\bigcap_{i=1}^{n}U_i\right) =\bigcap_{i=1}^{n}I(U_i) =\bigcap_{i=1}^{n}U_i

を得る。したがってOI\mathcal{O}_IはXXの位相である。▨

補題 3.4.XXを集合とする。XXの任意の位相O\mathcal{O}とXX上の任意の開核作用素IIに対して、

OIO=O,IOI=I\mathcal{O}_{I_{\mathcal{O}}}=\mathcal{O}, \qquad I_{\mathcal{O}_I}=I

が成り立つ。

証明.U⊆XU\subseteq Xに対して、U∈OU\in\mathcal{O}であることとIO(U)=UI_{\mathcal{O}}(U)=Uであることは命題 2.5 (2)により同値である。したがってOIO=O\mathcal{O}_{I_{\mathcal{O}}}=\mathcal{O}である。

A⊆XA\subseteq Xをとる。定義 3.1 条件 (c)によりI(A)∈OII(A)\in\mathcal{O}_Iであり、定義 3.1 条件 (b)によりI(A)⊆AI(A)\subseteq Aである。U∈OIU\in\mathcal{O}_IかつU⊆AU\subseteq Aならば、補題 3.3 (1)によりU=I(U)⊆I(A)U=I(U)\subseteq I(A)である。したがってI(A)I(A)はOI\mathcal{O}_Iに属してAAに含まれる集合のうち最大のものであり、命題 2.5 (1)を位相OI\mathcal{O}_Iに適用するとIOI(A)=I(A)I_{\mathcal{O}_I}(A)=I(A)を得る。▨

定理 3.5.XXを集合とする。位相O\mathcal{O}に開核作用素IOI_{\mathcal{O}}を対応させる写像は、XXの位相の全体からXX上の開核作用素の全体への全単射であり、その逆写像は開核作用素IIに位相OI\mathcal{O}_Iを対応させる写像である。

証明.補題 3.2により、O↦IO\mathcal{O}\mapsto I_{\mathcal{O}}はXXの位相の全体からXX上の開核作用素の全体への写像である。補題 3.3 (2)により、I↦OII\mapsto\mathcal{O}_Iは逆向きの写像である。補題 3.4は、二つの写像の合成がどちらの順序でも恒等写像であることを与える。したがって、二つの写像は互いに逆な全単射である。▨

4 閉包作用素による記述

定義 4.1 (Kuratowski 閉包作用素).XXを集合とする。写像C:P(X)→P(X)C:\mathcal{P}(X)\to\mathcal{P}(X)がXX上の Kuratowski 閉包作用素 (Kuratowski closure operator) であるとは、任意のA,B⊆XA,B\subseteq Xに対して次の四つがすべて成り立つことをいう。

  1. C(∅)=∅C(\emptyset)=\emptysetである。
  2. A⊆C(A)A\subseteq C(A)である。
  3. C(C(A))=C(A)C(C(A))=C(A)である。
  4. C(A∪B)=C(A)∪C(B)C(A\cup B)=C(A)\cup C(B)である。

定義 4.2 (共役作用素).XXを集合とし、F:P(X)→P(X)F:\mathcal{P}(X)\to\mathcal{P}(X)を写像とする。A⊆XA\subseteq Xに対して

F∗(A)=X∖F(X∖A)F^{*}(A)=X\setminus F(X\setminus A)

と定めて得られる写像F∗:P(X)→P(X)F^{*}:\mathcal{P}(X)\to\mathcal{P}(X)を、FFの共役作用素 (conjugate operator) という。

補題 4.3.XXを集合とする。

  1. 任意の写像F:P(X)→P(X)F:\mathcal{P}(X)\to\mathcal{P}(X)に対して(F∗)∗=F(F^{*})^{*}=Fである。
  2. 写像F:P(X)→P(X)F:\mathcal{P}(X)\to\mathcal{P}(X)がXX上の開核作用素であることと、F∗F^{*}がXX上の Kuratowski 閉包作用素であることは同値である。
  3. 開核作用素IIにI∗I^{*}を対応させる写像は、XX上の開核作用素の全体からXX上の Kuratowski 閉包作用素の全体への全単射であり、その逆写像は Kuratowski 閉包作用素CCにC∗C^{*}を対応させる写像である。
  4. O\mathcal{O}をXXの位相とし、A⊆XA\subseteq Xに対してCO(A)=A‾C_{\mathcal{O}}(A)=\overline{A}と定める。このときCO=(IO)∗C_{\mathcal{O}}=(I_{\mathcal{O}})^{*}であり、COC_{\mathcal{O}}はXX上の Kuratowski 閉包作用素である。

証明.(1)を示す。写像F:P(X)→P(X)F:\mathcal{P}(X)\to\mathcal{P}(X)と任意のA⊆XA\subseteq Xに対して

(F∗)∗(A)=X∖F∗(X∖A)=X∖(X∖F(X∖(X∖A)))=F(A)(F^{*})^{*}(A) =X\setminus F^{*}(X\setminus A) =X\setminus\bigl(X\setminus F(X\setminus(X\setminus A))\bigr) =F(A)

である。

(2)を示す。補集合をとる写像A↦X∖AA\mapsto X\setminus AはP(X)\mathcal{P}(X)からそれ自身への全単射であるから、AAがP(X)\mathcal{P}(X)を動くときX∖AX\setminus AもP(X)\mathcal{P}(X)を動く。F∗(∅)=X∖F(X)F^{*}(\emptyset)=X\setminus F(X)であるから、F∗(∅)=∅F^{*}(\emptyset)=\emptysetであることとF(X)=XF(X)=Xであることは同値である。任意のA⊆XA\subseteq Xに対して、A⊆F∗(A)A\subseteq F^{*}(A)であることはF(X∖A)⊆X∖AF(X\setminus A)\subseteq X\setminus Aであることと同値であるから、任意のA⊆XA\subseteq XについてA⊆F∗(A)A\subseteq F^{*}(A)であることと、任意のA⊆XA\subseteq XについてF(A)⊆AF(A)\subseteq Aであることは同値である。X∖F∗(A)=F(X∖A)X\setminus F^{*}(A)=F(X\setminus A)であるから

F∗(F∗(A))=X∖F(X∖F∗(A))=X∖F(F(X∖A))F^{*}(F^{*}(A)) =X\setminus F(X\setminus F^{*}(A)) =X\setminus F(F(X\setminus A))

であり、任意のA⊆XA\subseteq XについてF∗(F∗(A))=F∗(A)F^{*}(F^{*}(A))=F^{*}(A)であることと、任意のA⊆XA\subseteq XについてF(F(A))=F(A)F(F(A))=F(A)であることは同値である。任意のA,B⊆XA,B\subseteq Xに対して、§E1.2 定理 3.2により

F∗(A∪B)=X∖F((X∖A)∩(X∖B)),F∗(A)∪F∗(B)=X∖(F(X∖A)∩F(X∖B))F^{*}(A\cup B)=X\setminus F\bigl((X\setminus A)\cap(X\setminus B)\bigr), \qquad F^{*}(A)\cup F^{*}(B)=X\setminus\bigl(F(X\setminus A)\cap F(X\setminus B)\bigr)

であるから、任意のA,B⊆XA,B\subseteq XについてF∗(A∪B)=F∗(A)∪F∗(B)F^{*}(A\cup B)=F^{*}(A)\cup F^{*}(B)であることと、任意のA,B⊆XA,B\subseteq XについてF(A∩B)=F(A)∩F(B)F(A\cap B)=F(A)\cap F(B)であることは同値である。以上の四つの同値により、FFが定義 3.1の四つをすべて満たすことと、F∗F^{*}が定義 4.1の四つをすべて満たすことは同値である。

(3)を示す。(2)により、I↦I∗I\mapsto I^{*}はXX上の開核作用素の全体からXX上の Kuratowski 閉包作用素の全体への写像である。CCを Kuratowski 閉包作用素とすると、(1)により(C∗)∗=C(C^{*})^{*}=Cであるから、(2)をF=C∗F=C^{*}へ適用してC∗C^{*}は開核作用素である。よってC↦C∗C\mapsto C^{*}は逆向きの写像である。(1)は、二つの写像の合成がどちらの順序でも恒等写像であることを与える。したがって、二つの写像は互いに逆な全単射である。

(4)を示す。命題 2.5 (3)により、任意のA⊆XA\subseteq Xに対してA‾=X∖int⁡(X∖A)\overline{A}=X\setminus\tpint{X\setminus A}である。よってCO(A)=X∖IO(X∖A)=(IO)∗(A)C_{\mathcal{O}}(A)=X\setminus I_{\mathcal{O}}(X\setminus A)=(I_{\mathcal{O}})^{*}(A)であり、CO=(IO)∗C_{\mathcal{O}}=(I_{\mathcal{O}})^{*}である。補題 3.2によりIOI_{\mathcal{O}}は開核作用素であるから、(2)によりCOC_{\mathcal{O}}は Kuratowski 閉包作用素である。▨

補題 4.4.XXを集合とし、CCをXX上の Kuratowski 閉包作用素とする。

  1. A⊆B⊆XA\subseteq B\subseteq XならばC(A)⊆C(B)C(A)\subseteq C(B)である。
  2. FC={ F⊆X∣C(F)=F }\mathcal{F}_C=\{\,F\subseteq X\mid C(F)=F\,\}は定理 2.3の三つをすべて満たす。
  3. 定理 2.3により、閉集合の全体がFC\mathcal{F}_Cである位相OC={ X∖F∣F∈FC }\mathcal{O}_C=\{\,X\setminus F\mid F\in\mathcal{F}_C\,\}がただ一つ定まる。この位相は、補題 3.3 (2)を開核作用素C∗C^{*}に適用して得られる位相OC∗\mathcal{O}_{C^{*}}に一致する。

証明.補題 4.3 (1)により(C∗)∗=C(C^{*})^{*}=Cであり、CCは Kuratowski 閉包作用素であるから、補題 4.3 (2)によりC∗C^{*}はXX上の開核作用素である。また、任意のA⊆XA\subseteq Xに対してC∗(X∖A)=X∖C(A)C^{*}(X\setminus A)=X\setminus C(A)である。

(1)を示す。A⊆B⊆XA\subseteq B\subseteq XとするとX∖B⊆X∖AX\setminus B\subseteq X\setminus Aであるから、補題 3.3 (1)をC∗C^{*}へ適用するとC∗(X∖B)⊆C∗(X∖A)C^{*}(X\setminus B)\subseteq C^{*}(X\setminus A)であり、直前の等式によりX∖C(B)⊆X∖C(A)X\setminus C(B)\subseteq X\setminus C(A)を得る。両辺の補集合をとるとC(A)⊆C(B)C(A)\subseteq C(B)である。

(2)を示す。U⊆XU\subseteq Xに対して、C∗(U)=UC^{*}(U)=UであることはX∖C(X∖U)=UX\setminus C(X\setminus U)=Uであることと同値であり、これはC(X∖U)=X∖UC(X\setminus U)=X\setminus U、すなわちX∖U∈FCX\setminus U\in\mathcal{F}_Cであることと同値である。補題 3.3 (2)をC∗C^{*}へ適用するとOC∗={ U⊆X∣C∗(U)=U }\mathcal{O}_{C^{*}}=\{\,U\subseteq X\mid C^{*}(U)=U\,\}はXXの位相であり、いま示したことによりFC\mathcal{F}_Cは位相OC∗\mathcal{O}_{C^{*}}の閉集合の全体である。したがって定理 2.3の必要性により、FC\mathcal{F}_Cは三つをすべて満たす。

(3)を示す。定理 2.3により、閉集合の全体がFC\mathcal{F}_Cである位相はOC\mathcal{O}_Cただ一つである。直前に示したとおりOC∗\mathcal{O}_{C^{*}}もこの性質をもつから、OC=OC∗\mathcal{O}_C=\mathcal{O}_{C^{*}}である。▨

補題 4.5.XXを集合とする。XXの任意の位相O\mathcal{O}とXX上の任意の Kuratowski 閉包作用素CCに対して、

OCO=O,COC=C\mathcal{O}_{C_{\mathcal{O}}}=\mathcal{O}, \qquad C_{\mathcal{O}_C}=C

が成り立つ。

証明.補題 4.3 (4)によりCO=(IO)∗C_{\mathcal{O}}=(I_{\mathcal{O}})^{*}であるから、補題 4.4 (3)と補題 4.3 (1)により

OCO=O(CO)∗=O((IO)∗)∗=OIO\mathcal{O}_{C_{\mathcal{O}}} =\mathcal{O}_{(C_{\mathcal{O}})^{*}} =\mathcal{O}_{((I_{\mathcal{O}})^{*})^{*}} =\mathcal{O}_{I_{\mathcal{O}}}

である。補題 3.4により右辺はO\mathcal{O}に等しい。

補題 4.4 (3)によりOC=OC∗\mathcal{O}_C=\mathcal{O}_{C^{*}}であり、補題 4.3 (1)と補題 4.3 (2)によりC∗C^{*}は開核作用素であるから、補題 3.4によりIOC=IOC∗=C∗I_{\mathcal{O}_C}=I_{\mathcal{O}_{C^{*}}}=C^{*}である。よって補題 4.3 (4)と補題 4.3 (1)により

COC=(IOC)∗=(C∗)∗=CC_{\mathcal{O}_C}=(I_{\mathcal{O}_C})^{*}=(C^{*})^{*}=C

である。▨

定理 4.6.XXを集合とする。位相O\mathcal{O}に Kuratowski 閉包作用素COC_{\mathcal{O}}を対応させる写像は、XXの位相の全体からXX上の Kuratowski 閉包作用素の全体への全単射であり、その逆写像は Kuratowski 閉包作用素CCに位相OC\mathcal{O}_Cを対応させる写像である。

証明.補題 4.3 (4)により、O↦CO\mathcal{O}\mapsto C_{\mathcal{O}}はXXの位相の全体からXX上の Kuratowski 閉包作用素の全体への写像である。補題 4.4 (3)により、C↦OCC\mapsto\mathcal{O}_Cは逆向きの写像である。補題 4.5は、二つの写像の合成がどちらの順序でも恒等写像であることを与える。したがって、二つの写像は互いに逆な全単射である。▨

5 境界作用素による記述

例 5.1. 境界は包含に関して単調ではない。実際、通常の位相を入れたR\mathbb{R}では{0}⊆R\{0\}\subseteq\mathbb{R}であるが、∂{0}={0}\partial\{0\}=\{0\}かつ∂R=∅\partial\mathbb{R}=\emptysetである。

証明.x∈Rx\in\mathbb{R}がx≠0x\ne0を満たすとき、y∈B(x,∣x∣)y\in B(x,\lvert x\rvert)ならば∣x−y∣<∣x∣\lvert x-y\rvert<\lvert x\rvertであるからy≠0y\ne0である。したがってB(x,∣x∣)⊆R∖{0}B(x,\lvert x\rvert)\subseteq\mathbb{R}\setminus\{0\}であり、§E2.2 定義 1.1によりR∖{0}\mathbb{R}\setminus\{0\}は通常の位相の開集合である。よって{0}\{0\}は閉集合であり、命題 2.5 (2)により{0}‾={0}\overline{\{0\}}=\{0\}である。

命題 2.5 (1)によりint⁡({0})⊆{0}\tpint{\{0\}}\subseteq\{0\}であるから、int⁡({0})≠∅\tpint{\{0\}}\ne\emptysetであると仮定するとint⁡({0})={0}\tpint{\{0\}}=\{0\}であり、命題 2.5 (2)により{0}\{0\}は開集合である。このとき§E2.2 定義 1.1によりB(0,ε)⊆{0}B(0,\varepsilon)\subseteq\{0\}を満たす実数ε>0\varepsilon>0が存在するが、∣0−ε/2∣=ε/2<ε\lvert 0-\varepsilon/2\rvert=\varepsilon/2<\varepsilonであるからε/2∈B(0,ε)\varepsilon/2\in B(0,\varepsilon)であり、ε/2≠0\varepsilon/2\ne0である。これはB(0,ε)⊆{0}B(0,\varepsilon)\subseteq\{0\}に反する。よってint⁡({0})=∅\tpint{\{0\}}=\emptysetであり、命題 2.8 (1)により∂{0}={0}‾∖int⁡({0})={0}\partial\{0\}=\overline{\{0\}}\setminus\tpint{\{0\}}=\{0\}である。

定義 1.1 条件 (a)により∅\emptysetとR\mathbb{R}はいずれも通常の位相の開集合であるから、R\mathbb{R}は開集合かつ閉集合である。したがって命題 2.5 (2)によりint⁡(R)=R‾=R\tpint{\mathbb{R}}=\overline{\mathbb{R}}=\mathbb{R}であり、命題 2.8 (1)により∂R=R∖R=∅\partial\mathbb{R}=\mathbb{R}\setminus\mathbb{R}=\emptysetである。▨

定義 5.2 (境界作用素).XXを集合とする。写像D:P(X)→P(X)D:\mathcal{P}(X)\to\mathcal{P}(X)がXX上の境界作用素 (boundary operator) であるとは、任意のA,B⊆XA,B\subseteq Xに対して次の五つがすべて成り立つことをいう。

  1. D(∅)=∅D(\emptyset)=\emptysetである。
  2. D(D(A))⊆D(A)D(D(A))\subseteq D(A)である。
  3. D(A∪B)⊆D(A)∪D(B)D(A\cup B)\subseteq D(A)\cup D(B)である。
  4. A⊆BA\subseteq BならばD(A)⊆B∪D(B)D(A)\subseteq B\cup D(B)である。
  5. D(A)=D(X∖A)D(A)=D(X\setminus A)である。

注意 5.3. Leśniak は、境界作用素の公理として定義 5.2の五つを与えた。境界は例 5.1のように包含に関して単調でないため、この公理系は単調性の代わりに定義 5.2 条件 (d)を置く。

補題 5.4.XXを集合とし、CCをXX上の Kuratowski 閉包作用素とする。A⊆XA\subseteq Xに対してDC(A)=C(A)∩C(X∖A)D_C(A)=C(A)\cap C(X\setminus A)と定めると、DCD_CはXX上の境界作用素である。

証明.定義 4.1 条件 (b)をA=XA=Xに適用するとX⊆C(X)⊆XX\subseteq C(X)\subseteq XであるからC(X)=XC(X)=Xであり、定義 4.1 条件 (a)と合わせてDC(∅)=C(∅)∩C(X)=∅D_C(\emptyset)=C(\emptyset)\cap C(X)=\emptysetである。したがって定義 5.2 条件 (a)が成り立つ。X∖(X∖A)=AX\setminus(X\setminus A)=AであるからDC(X∖A)=C(X∖A)∩C(A)=DC(A)D_C(X\setminus A)=C(X\setminus A)\cap C(A)=D_C(A)であり、定義 5.2 条件 (e)が成り立つ。

定義 4.1 条件 (c)によりC(A)C(A)とC(X∖A)C(X\setminus A)はいずれも補題 4.4 (2)のFC\mathcal{F}_Cに属する。FC\mathcal{F}_Cは定理 2.3 条件 (b)を満たすから、共通部分DC(A)D_C(A)もFC\mathcal{F}_Cに属する。したがって

DC(DC(A))⊆C(DC(A))=DC(A)D_C(D_C(A))\subseteq C(D_C(A))=D_C(A)

であり、定義 5.2 条件 (b)が成り立つ。

x∈DC(A∪B)x\in D_C(A\cup B)とする。定義 4.1 条件 (d)によりx∈C(A)∪C(B)x\in C(A)\cup C(B)である。また、X∖(A∪B)X\setminus(A\cup B)はX∖AX\setminus AとX∖BX\setminus Bの双方に含まれるから、補題 4.4 (1)によりx∈C(X∖A)∩C(X∖B)x\in C(X\setminus A)\cap C(X\setminus B)である。x∈C(A)x\in C(A)ならばx∈DC(A)x\in D_C(A)であり、x∈C(B)x\in C(B)ならばx∈DC(B)x\in D_C(B)であるから、定義 5.2 条件 (c)が成り立つ。

A⊆BA\subseteq Bとし、x∈DC(A)x\in D_C(A)とする。x∈Bx\in Bならばx∈B∪DC(B)x\in B\cup D_C(B)である。x∉Bx\notin Bの場合には、補題 4.4 (1)によりx∈C(A)⊆C(B)x\in C(A)\subseteq C(B)であり、x∈X∖Bx\in X\setminus Bと定義 4.1 条件 (b)によりx∈C(X∖B)x\in C(X\setminus B)である。したがってx∈DC(B)x\in D_C(B)であり、定義 5.2 条件 (d)が成り立つ。▨

補題 5.5.XXを集合とし、DDをXX上の境界作用素とする。A⊆XA\subseteq Xに対してCD(A)=A∪D(A)C_D(A)=A\cup D(A)と定めると、CDC_DはXX上の Kuratowski 閉包作用素である。

証明.定義 5.2 条件 (a)によりCD(∅)=∅C_D(\emptyset)=\emptysetであり、定義からA⊆CD(A)A\subseteq C_D(A)である。

定義 5.2 条件 (c)により

CD(A∪B)=A∪B∪D(A∪B)⊆CD(A)∪CD(B)C_D(A\cup B)=A\cup B\cup D(A\cup B)\subseteq C_D(A)\cup C_D(B)

である。逆に、定義 5.2 条件 (d)をA⊆A∪BA\subseteq A\cup BとB⊆A∪BB\subseteq A\cup Bに適用するとD(A)⊆CD(A∪B)D(A)\subseteq C_D(A\cup B)かつD(B)⊆CD(A∪B)D(B)\subseteq C_D(A\cup B)であり、A∪B⊆CD(A∪B)A\cup B\subseteq C_D(A\cup B)と合わせてCD(A)∪CD(B)⊆CD(A∪B)C_D(A)\cup C_D(B)\subseteq C_D(A\cup B)を得る。したがってCD(A∪B)=CD(A)∪CD(B)C_D(A\cup B)=C_D(A)\cup C_D(B)である。

定義 5.2 条件 (b)によりCD(D(A))=D(A)∪D(D(A))=D(A)C_D(D(A))=D(A)\cup D(D(A))=D(A)である。直前に示した有限和の等式を用いると

CD(CD(A))=CD(A∪D(A))=CD(A)∪CD(D(A))=CD(A)∪D(A)=CD(A)C_D(C_D(A))=C_D(A\cup D(A))=C_D(A)\cup C_D(D(A))=C_D(A)\cup D(A)=C_D(A)

である。したがってCDC_Dは Kuratowski 閉包作用素である。▨

補題 5.6.XXを集合とする。XX上の任意の Kuratowski 閉包作用素CCとXX上の任意の境界作用素DDに対して、CDC=CC_{D_C}=CかつDCD=DD_{C_D}=Dが成り立つ。

証明.A⊆XA\subseteq Xをとる。定義 4.1 条件 (b)により

CDC(A)=A∪(C(A)∩C(X∖A))⊆C(A)C_{D_C}(A)=A\cup(C(A)\cap C(X\setminus A))\subseteq C(A)

である。逆にx∈C(A)x\in C(A)とする。x∈Ax\in Aならばx∈CDC(A)x\in C_{D_C}(A)である。x∉Ax\notin Aならばx∈X∖A⊆C(X∖A)x\in X\setminus A\subseteq C(X\setminus A)であるからx∈DC(A)x\in D_C(A)であり、やはりx∈CDC(A)x\in C_{D_C}(A)である。したがってCDC(A)=C(A)C_{D_C}(A)=C(A)である。

A⊆XA\subseteq Xをとる。定義 5.2 条件 (e)により

DCD(A)=(A∪D(A))∩((X∖A)∪D(A))D_{C_D}(A)=(A\cup D(A))\cap((X\setminus A)\cup D(A))

である。D(A)D(A)は右辺の二つの集合の双方に含まれるからD(A)⊆DCD(A)D(A)\subseteq D_{C_D}(A)である。逆に、右辺に属してD(A)D(A)に属さない点はAAとX∖AX\setminus Aの双方に属することになり、そのような点は存在しない。したがってDCD(A)=D(A)D_{C_D}(A)=D(A)である。▨

定理 5.7.XXを集合とする。Kuratowski 閉包作用素CCに境界作用素DCD_Cを対応させる写像は、XX上の Kuratowski 閉包作用素の全体からXX上の境界作用素の全体への全単射であり、その逆写像は境界作用素DDに Kuratowski 閉包作用素CDC_Dを対応させる写像である。とくに、XX上の境界作用素DDに対してCDC_Dが定める位相OCD\mathcal{O}_{C_D}はただ一つ定まり、その位相における境界はDDに一致する。

証明.補題 5.4によりC↦DCC\mapsto D_CはXX上の Kuratowski 閉包作用素の全体からXX上の境界作用素の全体への写像であり、補題 5.5によりD↦CDD\mapsto C_Dは逆向きの写像である。補題 5.6は、二つの写像の合成がどちらの順序でも恒等写像であることを与える。したがって、二つの写像は互いに逆な全単射である。

DDを境界作用素とする。定理 4.6により、位相OCD\mathcal{O}_{C_D}はただ一つ定まり、この位相の閉包作用素はCDC_Dである。よって、A⊆XA\subseteq Xに対するこの位相における境界は

A‾∩X∖A‾=CD(A)∩CD(X∖A)=DCD(A)\overline{A}\cap\overline{X\setminus A} =C_D(A)\cap C_D(X\setminus A) =D_{C_D}(A)

であり、補題 5.6によりD(A)D(A)に等しい。▨

6 近傍系による記述

定義 6.1 (近傍、開近傍、近傍系).(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、x∈Xx\in Xとする。部分集合V⊆XV\subseteq Xがxxの近傍 (neighborhood) であるとは、x∈U⊆Vx\in U\subseteq Vを満たす開集合U∈OU\in\mathcal{O}が存在することをいう。近傍VV自身が開集合であるとき、VVをxxの開近傍 (open neighborhood) という。

xxの近傍の全体からなる集合

NO(x)={ V⊆X∣x∈U⊆V を満たす U∈O が存在する }\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x) =\{\,V\subseteq X\mid x\in U\subseteq V\text{ を満たす }U\in\mathcal{O}\text{ が存在する}\,\}

を、位相O\mathcal{O}が定めるxxの近傍系 (neighborhood system) という。

注意 6.2. 開近傍は近傍であるが、近傍は開集合であるとは限らない。近傍の定義により、xxの任意の近傍はxxの開近傍を含む。

命題 6.3.(X,d)(X,d)を距離空間とし、XXに距離ddから生じる位相Od\mathcal{O}_dを入れる。任意のx∈Xx\in XとV⊆XV\subseteq Xに対して、次の二つは同値である。

  1. V∈NOd(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}_d}(x)である。
  2. B(x,ε)⊆VB(x,\varepsilon)\subseteq Vを満たす実数ε>0\varepsilon>0が存在する。

証明.(1)を仮定すると、x∈U⊆Vx\in U\subseteq Vを満たすU∈OdU\in\mathcal{O}_dが存在する。§E2.2 定義 1.1によりB(x,ε)⊆UB(x,\varepsilon)\subseteq Uを満たす実数ε>0\varepsilon>0が存在するため、(2)が成り立つ。逆に(2)を仮定すると、§E2.2 補題 1.2によりB(x,ε)B(x,\varepsilon)はxxの開近傍であるため、(1)が成り立つ。▨

例 6.4.XXを二つ以上の元をもつ集合とし、x∈Xx\in Xとする。離散位相ではNO(x)={ V⊆X∣x∈V }\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)=\{\,V\subseteq X\mid x\in V\,\}であり、密着位相ではNO(x)={X}\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)=\{X\}である。とくに、離散位相が定めるxxの近傍系と密着位相が定めるxxの近傍系は異なる。

証明. 離散位相ではXXの任意の部分集合が開集合である。x∈Vx\in VならばVV自身がx∈V⊆Vx\in V\subseteq Vを満たす開集合であるからV∈NO(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)であり、逆に定義 6.1によりxxの近傍はxxを含む。したがってNO(x)={ V⊆X∣x∈V }\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)=\{\,V\subseteq X\mid x\in V\,\}である。

密着位相の開集合は∅\emptysetとXXだけであり、x∉∅x\notin\emptysetであるから、xxを含む開集合はXXだけである。したがってV∈NO(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)であることはX⊆VX\subseteq Vであることと同値であり、NO(x)={X}\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)=\{X\}である。

XXは二つ以上の元をもつから、y≠xy\ne xを満たすy∈Xy\in Xをとることができ、y∉{x}y\notin\{x\}から{x}≠X\{x\}\ne Xである。{x}\{x\}は離散位相が定めるxxの近傍系に属し、密着位相が定めるxxの近傍系{X}\{X\}に属さない。したがって二つの近傍系は異なる。▨

定義 6.5 (近傍系の公理).XXを集合とし、各x∈Xx\in Xに対して部分集合族N(x)⊆P(X)\mathcal{N}(x)\subseteq\mathcal{P}(X)が与えられているとする。割り当てx↦N(x)x\mapsto\mathcal{N}(x)が近傍系の公理 (neighborhood system axioms) を満たすとは、任意のx∈Xx\in Xと任意のV,W⊆XV,W\subseteq Xに対して次の五つがすべて成り立つことをいう。

  1. X∈N(x)X\in\mathcal{N}(x)である。
  2. V∈N(x)V\in\mathcal{N}(x)ならばx∈Vx\in Vである。
  3. V∈N(x)V\in\mathcal{N}(x)かつV⊆WV\subseteq WならばW∈N(x)W\in\mathcal{N}(x)である。
  4. V,W∈N(x)V,W\in\mathcal{N}(x)ならばV∩W∈N(x)V\cap W\in\mathcal{N}(x)である。
  5. V∈N(x)V\in\mathcal{N}(x)ならば{ y∈X∣V∈N(y) }∈N(x)\{\,y\in X\mid V\in\mathcal{N}(y)\,\}\in\mathcal{N}(x)である。

条件 (e)を 局所性 (locality) という。

補題 6.6.XXを集合とし、O\mathcal{O}をXXの位相とする。このとき、割り当てx↦NO(x)x\mapsto\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)は近傍系の公理を満たす。

証明.x∈Xx\in Xを固定する。XX自身がxxを含む開集合であるためX∈NO(x)X\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)であり、近傍の定義から各V∈NO(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)はxxを含む。V∈NO(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)かつV⊆WV\subseteq Wのとき、x∈U⊆Vx\in U\subseteq Vを満たす開集合UUはx∈U⊆Wx\in U\subseteq Wも満たすため、W∈NO(x)W\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)である。

V,W∈NO(x)V,W\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)のとき、x∈UV⊆Vx\in U_V\subseteq Vとx∈UW⊆Wx\in U_W\subseteq Wを満たす開集合UV,UWU_V,U_Wをとる。開集合UV∩UWU_V\cap U_Wはx∈UV∩UW⊆V∩Wx\in U_V\cap U_W\subseteq V\cap Wを満たすため、V∩W∈NO(x)V\cap W\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)である。

V∈NO(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)とし、

GV={ y∈X∣V∈NO(y) }G_V=\{\,y\in X\mid V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(y)\,\}

とおく。x∈U⊆Vx\in U\subseteq Vを満たす開集合UUをとると、各y∈Uy\in Uに対して同じUUがy∈U⊆Vy\in U\subseteq Vを満たす。したがってx∈U⊆GVx\in U\subseteq G_Vであり、GV∈NO(x)G_V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)である。以上で五つがすべて成り立つ。▨

補題 6.7.XXを集合とし、割り当てx↦N(x)x\mapsto\mathcal{N}(x)が近傍系の公理を満たすとする。このとき、

ON={ U⊆X∣任意の x∈U に対して U∈N(x) }\mathcal{O}_{\mathcal{N}}=\{\,U\subseteq X\mid \text{任意の }x\in U\text{ に対して }U\in\mathcal{N}(x)\,\}

はXXの位相である。

証明.∅\emptysetについて定義中の条件は空虚に成り立つため∅∈ON\emptyset\in\mathcal{O}_{\mathcal{N}}であり、定義 6.5 条件 (a)によりX∈ONX\in\mathcal{O}_{\mathcal{N}}である。{Uλ}λ∈Λ\{U_\lambda\}_{\lambda\in\Lambda}をON\mathcal{O}_{\mathcal{N}}の元からなる集合族とし、U=⋃λ∈ΛUλU=\bigcup_{\lambda\in\Lambda}U_\lambdaとおく。各x∈Ux\in Uに対してx∈Uλ0x\in U_{\lambda_0}を満たすλ0∈Λ\lambda_0\in\Lambdaが存在し、Uλ0∈N(x)U_{\lambda_0}\in\mathcal{N}(x)かつUλ0⊆UU_{\lambda_0}\subseteq Uである。定義 6.5 条件 (c)からU∈N(x)U\in\mathcal{N}(x)となるため、U∈ONU\in\mathcal{O}_{\mathcal{N}}である。

nnを正の整数とし、U1,…,Un∈ONU_1,\dots,U_n\in\mathcal{O}_{\mathcal{N}}とする。各x∈⋂i=1nUix\in\bigcap_{i=1}^{n}U_iに対してUi∈N(x)U_i\in\mathcal{N}(x)がすべてのiiについて成り立ち、定義 6.5 条件 (d)をn−1n-1回用いると⋂i=1nUi∈N(x)\bigcap_{i=1}^{n}U_i\in\mathcal{N}(x)を得る。したがって⋂i=1nUi∈ON\bigcap_{i=1}^{n}U_i\in\mathcal{O}_{\mathcal{N}}であり、ON\mathcal{O}_{\mathcal{N}}はXXの位相である。▨

補題 6.8.XXを集合とする。XXの任意の位相O\mathcal{O}と、近傍系の公理を満たす任意の割り当てx↦N(x)x\mapsto\mathcal{N}(x)に対して、

ONO=O,NON(x)=N(x)(x∈X)\mathcal{O}_{\mathcal{N}_{\mathcal{O}}}=\mathcal{O}, \qquad \mathcal{N}_{\mathcal{O}_{\mathcal{N}}}(x)=\mathcal{N}(x)\quad(x\in X)

が成り立つ。

証明.U∈OU\in\mathcal{O}とx∈Ux\in Uに対して、UU自身がxxの開近傍であるためU∈NO(x)U\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)であり、O⊆ONO\mathcal{O}\subseteq\mathcal{O}_{\mathcal{N}_{\mathcal{O}}}を得る。逆にU∈ONOU\in\mathcal{O}_{\mathcal{N}_{\mathcal{O}}}とすると、各x∈Ux\in UについてU∈NO(x)U\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)であり、近傍の定義によりx∈G⊆Ux\in G\subseteq Uを満たす開集合GGが存在する。補題 2.6によりUUは開集合であり、ONO⊆O\mathcal{O}_{\mathcal{N}_{\mathcal{O}}}\subseteq\mathcal{O}を得る。以上の二つの包含からONO=O\mathcal{O}_{\mathcal{N}_{\mathcal{O}}}=\mathcal{O}である。

x∈Xx\in XとV∈N(x)V\in\mathcal{N}(x)を固定し、

GV={ y∈X∣V∈N(y) }G_V=\{\,y\in X\mid V\in\mathcal{N}(y)\,\}

とおく。定義 6.5 条件 (e)からGV∈N(x)G_V\in\mathcal{N}(x)であり、定義 6.5 条件 (b)からx∈GV⊆Vx\in G_V\subseteq Vである。各y∈GVy\in G_Vに定義 6.5 条件 (e)を適用するとGV∈N(y)G_V\in\mathcal{N}(y)を得るため、GV∈ONG_V\in\mathcal{O}_{\mathcal{N}}である。したがってV∈NON(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}_{\mathcal{N}}}(x)であり、N(x)⊆NON(x)\mathcal{N}(x)\subseteq\mathcal{N}_{\mathcal{O}_{\mathcal{N}}}(x)が成り立つ。

V∈NON(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}_{\mathcal{N}}}(x)とすると、x∈U⊆Vx\in U\subseteq Vを満たすU∈ONU\in\mathcal{O}_{\mathcal{N}}が存在する。U∈N(x)U\in\mathcal{N}(x)と定義 6.5 条件 (c)からV∈N(x)V\in\mathcal{N}(x)を得るため、逆の包含も成り立つ。▨

定理 6.9.XXを集合とする。位相O\mathcal{O}に割り当てx↦NO(x)x\mapsto\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)を対応させる写像は、XXの位相の全体から、近傍系の公理を満たすXX上の割り当ての全体への全単射であり、その逆写像は割り当てN\mathcal{N}に位相ON\mathcal{O}_{\mathcal{N}}を対応させる写像である。

証明.補題 6.6により、O↦(x↦NO(x))\mathcal{O}\mapsto(x\mapsto\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x))はXXの位相の全体から、近傍系の公理を満たす割り当ての全体への写像である。補題 6.7により、N↦ON\mathcal{N}\mapsto\mathcal{O}_{\mathcal{N}}は逆向きの写像である。補題 6.8は、二つの写像の合成がどちらの順序でも恒等写像であることを与える。したがって、二つの写像は互いに逆な全単射である。▨

例 6.10.X={a,b,c}X=\{a,b,c\}とし、

N(a)={{a,b},X},N(b)=N(c)={X}\mathcal{N}(a)=\{\{a,b\},X\}, \qquad \mathcal{N}(b)=\mathcal{N}(c)=\{X\}

と定める。この割り当ては定義 6.5 条件 (a)、定義 6.5 条件 (b)、定義 6.5 条件 (c)、および定義 6.5 条件 (d)を満たすが、定義 6.5 条件 (e)を満たさない。また

{ U⊆X∣任意の x∈U に対して U∈N(x) }={∅,X}\{\,U\subseteq X\mid \text{任意の }x\in U\text{ に対して }U\in\mathcal{N}(x)\,\} =\{\emptyset,X\}

であり、密着位相{∅,X}\{\emptyset,X\}が定めるaaの近傍系は{X}\{X\}であってN(a)\mathcal{N}(a)と異なる。したがって、定理 6.9が与える全単射性は、定義 6.5 条件 (e)を除いた四つだけを満たす割り当てへは及ばない。

証明. 各x∈Xx\in XについてX∈N(x)X\in\mathcal{N}(x)であるから定義 6.5 条件 (a)が成り立つ。a∈{a,b}a\in\{a,b\}、a∈Xa\in X、b∈Xb\in X、c∈Xc\in Xであるから定義 6.5 条件 (b)が成り立つ。{a,b}\{a,b\}を含むXXの部分集合は{a,b}\{a,b\}とXXであり、いずれもN(a)\mathcal{N}(a)に属する。XXを含むXXの部分集合はXXだけであり、XXは三つの族のいずれにも属する。したがって定義 6.5 条件 (c)が成り立つ。{a,b}∩{a,b}={a,b}\{a,b\}\cap\{a,b\}=\{a,b\}、{a,b}∩X={a,b}\{a,b\}\cap X=\{a,b\}、X∩X=XX\cap X=Xであるから定義 6.5 条件 (d)が成り立つ。

V={a,b}V=\{a,b\}とおくとV∈N(a)V\in\mathcal{N}(a)である。VVはN(b)\mathcal{N}(b)にもN(c)\mathcal{N}(c)にも属さないから{ y∈X∣V∈N(y) }={a}\{\,y\in X\mid V\in\mathcal{N}(y)\,\}=\{a\}であり、この集合はN(a)\mathcal{N}(a)に属さない。したがって定義 6.5 条件 (e)は成り立たない。

O={ U⊆X∣任意の x∈U に対して U∈N(x) }\mathcal{O}=\{\,U\subseteq X\mid \text{任意の }x\in U\text{ に対して }U\in\mathcal{N}(x)\,\}とおく。∅\emptysetについては定義中の条件が空虚に成り立ち、XXは三つの族のいずれにも属するから、∅\emptysetとXXはO\mathcal{O}に属する。U∈OU\in\mathcal{O}がa∈Ua\in UかつU≠XU\ne Xを満たすとすると、U∈N(a)U\in\mathcal{N}(a)からU={a,b}U=\{a,b\}であり、b∈Ub\in UとU∈N(b)={X}U\in\mathcal{N}(b)=\{X\}からU=XU=XとなってU≠XU\ne Xに反する。U∈OU\in\mathcal{O}がa∉Ua\notin UかつU≠∅U\ne\emptysetを満たすとすると、b∈Ub\in Uまたはc∈Uc\in Uであり、N(b)=N(c)={X}\mathcal{N}(b)=\mathcal{N}(c)=\{X\}からU=XU=Xとなってa∉Ua\notin Uに反する。したがってO={∅,X}\mathcal{O}=\{\emptyset,X\}である。

密着位相{∅,X}\{\emptyset,X\}においてaaを含む開集合はXXだけであるから、定義 6.1によりaaの近傍系は{X}\{X\}である。{a,b}∈N(a)\{a,b\}\in\mathcal{N}(a)かつ{a,b}≠X\{a,b\}\ne Xであるから、N(a)≠{X}\mathcal{N}(a)\ne\{X\}である。▨

7 近傍による特徴づけと集積点

定義 7.1.(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、A⊆XA\subseteq X、x∈Xx\in Xとする。xxの任意の近傍VVが

V∩(A∖{x})≠∅V\cap(A\setminus\{x\})\ne\emptyset

を満たすとき、xxをAAの 集積点 (accumulation point) という。

命題 7.2.(X,O)(X,\mathcal{O})を位相空間とし、A⊆XA\subseteq X、x∈Xx\in Xとする。

  1. x∈int⁡(A)x\in\tpint{A}であることとA∈NO(x)A\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)であることは同値である。
  2. x∈A‾x\in\overline{A}であることと、任意のV∈NO(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)に対してV∩A≠∅V\cap A\ne\emptysetであることは同値である。
  3. x∈∂Ax\in\partial Aであることと、任意のV∈NO(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)に対してV∩A≠∅V\cap A\ne\emptysetかつV∩(X∖A)≠∅V\cap(X\setminus A)\ne\emptysetであることは同値である。
  4. x∈A‾x\in\overline{A}であることと、x∈Ax\in AであるかxxがAAの集積点であるかの少なくとも一方が成り立つことは同値である。

証明.(1)を示す。x∈int⁡(A)x\in\tpint{A}ならば、開集合int⁡(A)\tpint{A}がx∈int⁡(A)⊆Ax\in\tpint{A}\subseteq Aを満たすためA∈NO(x)A\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)である。逆にA∈NO(x)A\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)ならば、x∈U⊆Ax\in U\subseteq Aを満たす開集合UUが存在し、命題 2.5 (1)によりU⊆int⁡(A)U\subseteq\tpint{A}であるためx∈int⁡(A)x\in\tpint{A}である。

(2)を示す。x∉A‾x\notin\overline{A}ならば、A⊆FA\subseteq Fかつx∉Fx\notin Fを満たす閉集合FFが存在し、開近傍X∖FX\setminus FはAAと交わらない。逆にV∈NO(x)V\in\mathcal{N}_{\mathcal{O}}(x)かつV∩A=∅V\cap A=\emptysetを満たすVVが存在するならば、x∈U⊆Vx\in U\subseteq Vを満たす開集合UUに対してX∖UX\setminus UはAAを含む閉集合である。したがって命題 2.5 (1)によりA‾⊆X∖U\overline{A}\subseteq X\setminus Uであり、x∉A‾x\notin\overline{A}である。対偶を合わせると主張を得る。

(3)を示す。境界の定義∂A=A‾∩X∖A‾\partial A=\overline{A}\cap\overline{X\setminus A}と(2)をAAおよびX∖AX\setminus Aに適用すると、x∈∂Ax\in\partial Aであることは、xxの任意の近傍がAAとX∖AX\setminus Aの双方に交わることと同値である。

(4)を示す。x∈Ax\in Aならば、xxの任意の近傍VVはxxを含むためV∩A≠∅V\cap A\ne\emptysetであり、(2)によりx∈A‾x\in\overline{A}である。xxがAAの集積点ならば、xxの任意の近傍VVについてV∩(A∖{x})≠∅V\cap(A\setminus\{x\})\ne\emptysetであり、とくにV∩A≠∅V\cap A\ne\emptysetであるから、(2)によりx∈A‾x\in\overline{A}である。逆にx∈A‾x\in\overline{A}かつx∉Ax\notin Aとすると、A∖{x}=AA\setminus\{x\}=Aであり、(2)によりxxの任意の近傍VVについてV∩(A∖{x})=V∩A≠∅V\cap(A\setminus\{x\})=V\cap A\ne\emptysetである。したがってxxはAAの集積点である。▨

命題 7.3.(X,d)(X,d)を距離空間とし、XXに距離ddから生じる位相Od\mathcal{O}_dを入れる。このとき、本記事が定めた閉集合、内部、閉包、および境界は、距離空間について§E2.2 定義 2.1で定めたものと一致する。

証明. 二つの定義における開集合の全体はOd\mathcal{O}_dに一致する。閉集合は開集合の補集合として定まり、内部は含まれる開集合の全体の和集合として定まり、閉包は含む閉集合の全体の共通部分として定まるため、それぞれ一致する。境界については、距離空間における§E2.2 命題 3.2と本記事の命題 2.8 (1)により、いずれの定義もA‾∖int⁡(A)\overline{A}\setminus\tpint{A}とA‾∩X∖A‾\overline{A}\cap\overline{X\setminus A}の同じ集合を与える。▨

注意 7.4. したがって、距離空間について証明した§E2.2 命題 2.3と§E2.2 命題 3.1は、Od\mathcal{O}_dに関する命題 2.5と同じ主張である。

命題 7.5.(X,d)(X,d)を距離空間とし、XXに距離ddから生じる位相を入れる。A⊆XA\subseteq Xとx∈Xx\in Xについて、次の二つは同値である。

  1. 任意の実数ε>0\varepsilon>0に対して(B(x,ε)∖{x})∩A≠∅(B(x,\varepsilon)\setminus\{x\})\cap A\ne\emptysetである。
  2. xxの任意の近傍VVに対してV∩(A∖{x})≠∅V\cap(A\setminus\{x\})\ne\emptysetである。

証明.(2)を仮定し、実数ε>0\varepsilon>0をとる。命題 6.3 (2)をV=B(x,ε)V=B(x,\varepsilon)について適用すると、B(x,ε)B(x,\varepsilon)はxxの近傍である。したがってB(x,ε)∩(A∖{x})≠∅B(x,\varepsilon)\cap(A\setminus\{x\})\ne\emptysetである。ここで

B(x,ε)∩(A∖{x})=(B(x,ε)∖{x})∩AB(x,\varepsilon)\cap(A\setminus\{x\})=(B(x,\varepsilon)\setminus\{x\})\cap A

であるから、(1)が成り立つ。

(1)を仮定し、xxの近傍VVをとる。命題 6.3 (2)により、B(x,ε)⊆VB(x,\varepsilon)\subseteq Vを満たす実数ε>0\varepsilon>0が存在する。仮定から(B(x,ε)∖{x})∩A≠∅(B(x,\varepsilon)\setminus\{x\})\cap A\ne\emptysetであり、上の等式とB(x,ε)⊆VB(x,\varepsilon)\subseteq Vから

(B(x,ε)∖{x})∩A⊆V∩(A∖{x})(B(x,\varepsilon)\setminus\{x\})\cap A\subseteq V\cap(A\setminus\{x\})

となる。したがってV∩(A∖{x})≠∅V\cap(A\setminus\{x\})\ne\emptysetであり、(2)が成り立つ。▨

注意 7.6.命題 7.5 (1)は§E2.2 定義 4.1が集積点に課す条件である。命題 7.5 (2)は定義 7.1が集積点に課す条件である。前者を英語では limit point と呼び、後者を accumulation point と呼ぶ。

注意 7.7.命題 6.3が近傍を開球の包含によって特徴づけるため、命題 7.2は距離空間での開球による特徴づけを含む。

8 位相を定める方法

注意 8.1. 本記事は、集合XXの上に位相を定める方法を六通り与えた。

  • 開集合の全体を指定する方法は定義 1.1である。
  • 閉集合の全体を指定する方法は定理 2.3であり、開集合の全体との対応は補集合をとる操作が与える。
  • 開核作用素を指定する方法は定義 3.1であり、位相との一対一対応は定理 3.5が与える。
  • Kuratowski 閉包作用素を指定する方法は定義 4.1であり、位相との一対一対応は定理 4.6が与える。
  • 境界作用素を指定する方法は定義 5.2であり、Kuratowski 閉包作用素との一対一対応は定理 5.7が与える。位相との一対一対応は、この対応と定理 4.6を合成して得られる。
  • 各点の近傍系を指定する方法は定義 6.5であり、位相との一対一対応は定理 6.9が与える。

各点の近傍系からより小さい族を取り出す近傍基と、それを用いる点列による判定は、後続の記事が扱う。

9 演習

問題 9.1 (有限集合上の位相と内部、閉包、境界).X={a,b,c}X=\{a,b,c\}とし、O={∅,{a},{a,b},X}\mathcal{O}=\{\emptyset,\{a\},\{a,b\},X\}とする。O\mathcal{O}が位相であることを確かめ、{b}\{b\}の内部、閉包、および境界を求めよ。

解答.

O\mathcal{O}は包含関係について

∅⊆{a}⊆{a,b}⊆X\emptyset\subseteq\{a\}\subseteq\{a,b\}\subseteq X

と並ぶ有限な集合族である。したがって、O\mathcal{O}の空でない部分族の和集合はその最大の元に一致し、空の部分族の和集合は∅\emptysetである。また、O\mathcal{O}の空でない有限部分族の共通部分はその最小の元に一致する。よって、O\mathcal{O}は位相の三つの公理を満たす。

閉集合の全体は、O\mathcal{O}の各元の補集合をとることにより∅,{c},{b,c},X\emptyset,\{c\},\{b,c\},Xとなる。{b}\{b\}に含まれる開集合は∅\emptysetだけであるため、int⁡({b})=∅\tpint{\{b\}}=\emptysetである。{b}\{b\}を含む閉集合のうち最小のものは{b,c}\{b,c\}であるため、{b}‾={b,c}\overline{\{b\}}=\{b,c\}である。したがって、命題 2.8 (1)により∂{b}={b,c}\partial\{b\}=\{b,c\}である。▨

問題 9.2 (補可算位相における有理数の内部、閉包、境界).X=RX=\mathbb{R}に補可算位相を入れ、A=QA=\mathbb{Q}とする。AAの内部、閉包、および境界を求めよ。

解答.

AAは高々可算であるから閉集合であり、A‾=A\overline{A}=Aである。AAに含まれる空でない開集合UUが存在すると仮定する。補可算位相の定義によりR∖U\mathbb{R}\setminus Uは高々可算であり、U⊆AU\subseteq Aから

R=A∪(R∖U)\mathbb{R}=A\cup(\mathbb{R}\setminus U)

となる。右辺は高々可算な二つの集合の和集合であるため、§E1.18 定理 5.1によりR\mathbb{R}は高々可算となる。これは§E1.19 定理 3.3に反する。したがって、int⁡(A)=∅\tpint{A}=\emptysetである。命題 2.8 (1)から∂A=A\partial A=Aを得る。▨

問題 9.3 (閉包作用素が定める位相).XXを無限集合とし、A⊆XA\subseteq Xに対して

C(A)={A(A が有限である場合),X(A が無限である場合)C(A)= \begin{cases} A&(A\text{ が有限である場合}),\\ X&(A\text{ が無限である場合}) \end{cases}

と定める。CCがXX上の Kuratowski 閉包作用素であることを示し、補題 4.4 (3)で定めた位相OC\mathcal{O}_Cを求めよ。

解答.

∅\emptysetは有限であるからC(∅)=∅C(\emptyset)=\emptysetであり、定義 4.1 条件 (a)が成り立つ。AAが有限ならばC(A)=AC(A)=Aであり、AAが無限ならばC(A)=XC(A)=XであってA⊆XA\subseteq Xであるから、定義 4.1 条件 (b)が成り立つ。AAが有限ならばC(A)=AC(A)=Aは有限であるからC(C(A))=A=C(A)C(C(A))=A=C(A)であり、AAが無限ならばC(A)=XC(A)=Xは無限であるからC(C(A))=C(X)=X=C(A)C(C(A))=C(X)=X=C(A)である。よって定義 4.1 条件 (c)が成り立つ。AAとBBがともに有限ならばA∪BA\cup Bも有限であり、C(A∪B)=A∪B=C(A)∪C(B)C(A\cup B)=A\cup B=C(A)\cup C(B)である。AAとBBの少なくとも一方が無限ならばA∪BA\cup Bは無限であるからC(A∪B)=XC(A\cup B)=Xであり、C(A)C(A)とC(B)C(B)の少なくとも一方がXXであるからC(A)∪C(B)=XC(A)\cup C(B)=Xである。よって定義 4.1 条件 (d)が成り立ち、CCはXX上の Kuratowski 閉包作用素である。

FC={ F⊆X∣C(F)=F }\mathcal{F}_C=\{\,F\subseteq X\mid C(F)=F\,\}を求める。FFが有限ならばC(F)=FC(F)=FであるからF∈FCF\in\mathcal{F}_Cである。FFが無限ならばC(F)=XC(F)=Xであるから、C(F)=FC(F)=FであることとF=XF=Xであることは同値である。したがって

FC={ F⊆X∣F は有限である }∪{X}\mathcal{F}_C=\{\,F\subseteq X\mid F\text{ は有限である}\,\}\cup\{X\}

である。補題 4.4 (3)によりOC={ X∖F∣F∈FC }\mathcal{O}_C=\{\,X\setminus F\mid F\in\mathcal{F}_C\,\}である。FFが有限であるときX∖FX\setminus Fは補集合が有限である部分集合であり、F=XF=XのときX∖F=∅X\setminus F=\emptysetである。逆に、U⊆XU\subseteq Xの補集合X∖UX\setminus Uが有限であればX∖U∈FCX\setminus U\in\mathcal{F}_Cであり、U=X∖(X∖U)U=X\setminus(X\setminus U)であるからU∈OCU\in\mathcal{O}_Cである。ゆえに

OC={∅}∪{ U⊆X∣X∖U は有限である }\mathcal{O}_C=\{\emptyset\}\cup\{\,U\subseteq X\mid X\setminus U\text{ は有限である}\,\}

である。▨

問題 9.4 (二点集合の近傍系).X={a,b}X=\{a,b\}とし、N(a)={{a},X}\mathcal{N}(a)=\{\{a\},X\}、N(b)={X}\mathcal{N}(b)=\{X\}と定める。この割り当てが近傍系の五つの公理を満たすことを確かめ、ON\mathcal{O}_{\mathcal{N}}を求めよ。

解答.

aaについて、X∈N(a)X\in\mathcal{N}(a)であり、N(a)\mathcal{N}(a)の各元はaaを含む。{a}\{a\}を含むXXの部分集合は{a}\{a\}とXXであり、XXを含むXXの部分集合はXXだけであるため、定義 6.5 条件 (c)が成り立つ。N(a)\mathcal{N}(a)の二つの元の共通部分も{a}\{a\}またはXXである。V={a}V=\{a\}のとき{y∈X∣V∈N(y)}={a}\{y\in X\mid V\in\mathcal{N}(y)\}=\{a\}であり、V=XV=Xのとき同じ集合はXXである。したがって、aaについて五つがすべて成り立つ。

bbについて、N(b)={X}\mathcal{N}(b)=\{X\}であり、XXはbbを含む。X⊆W⊆XX\subseteq W\subseteq XならばW=XW=Xであり、X∩X=XX\cap X=Xである。また、{y∈X∣X∈N(y)}=X∈N(b)\{y\in X\mid X\in\mathcal{N}(y)\}=X\in\mathcal{N}(b)である。したがって、bbについても五つがすべて成り立つ。

∅\emptysetは空虚にON\mathcal{O}_{\mathcal{N}}に属し、{a}\{a\}はaaの近傍であるため同じ族に属する。{b}\{b\}はbbの近傍でないため属さず、XXは両方の点の近傍であるため属する。ゆえにON={∅,{a},X}\mathcal{O}_{\mathcal{N}}=\{\emptyset,\{a\},X\}である。▨

参考文献

  1. 松坂和夫『集合・位相入門』新装版, 岩波書店, 2018.開集合系、閉集合系、内部、閉包、および近傍系の基本事項を参考にした。
  2. James R. Munkres, Topology, 2nd ed., Prentice Hall, 2000.位相の公理、標準例、内部、閉包、および集積点を参考にした。
  3. Stephen Willard, General Topology, Dover Publications, 2004, originally published 1970.集合演算、作用素、および近傍系による位相の記述を参考にした。
  4. K. Leśniak, Axiomatization of topological space in terms of the operation of boundary, arXiv:math/0605259v1, 2006.境界作用素の五公理と位相の復元を参考にした。

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