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幾何学特論 II 講義ノート【集合論的トポロジー入門】

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(1)

【集合論的トポロジー入門】

市原一裕

平成

28

年

5

月

29

日

(2)
(3)

はじめに

このノートは「幾何学特論II」の講義用のノート(講義を実際にするため のメモ,および,学生の自習(予習と復習)用)として作成しています.わ からないところや,ミスだとおもわれるところがあれば,いつでも遠慮なく,

市原まで連絡ください.質問やコメントによって,みんなのノートとして,よ り良いものにしていければと思っています.

(4)

講義の概要

第1節は準備です.

第2章は,距離化定理

第二可算公理と第三分離公理を満たすならば距離化可能 第3章被覆コンパクトと点列コンパクト

ティコノフの定理(無限積)

多様体の定義(パラコンパクトとハウスドルフ性)

テキスト

寺澤順

トポロジーへの招待

日本評論社,162ページ,2012/4/16発売,ISBN-13: 978-4535785748

4

(5)

目 次

はじめに 3

講義の概要 . . . . 4

参考書 . . . . 4

第1章 準備 7 1.1 第1講 . . . . 7

1.2 第2講 . . . . 7

1.3 第3講 . . . . 7

第2章 距離化定理 9 2.1 距離位相. . . . 9

2.2 ゾルゲンフライ直線 . . . . 12

2.3 距離化定理の証明(1) . . . . 16

2.3.1 第四分離公理と正規空間(T4-空間) . . . . 17

2.3.2 完全正則空間(チコノフ空間,またはT31 2-空間) . . . 18

2.3.3 完全正則空間⇒距離化可能 . . . . 19

(6)
(7)

第 1 章 準備

1.1

第

1

講

テキストの第3章「基本概念」の解説 位相空間

開集合系,開集合の定義 近傍の定義

位相空間の定義について 閉集合の定義,性質

1.2

第

2

講

テキストの第3章「基本概念」の解説(続き)

位相の強弱

例)密着位相と離散位相 内部,内点

外部,外点 境界,境界点

定理3.4.2(内部は開集合,境界は閉集合)

定理3.4.3(内部は最大の開集合)

1.3

第

3

講

テキストの第3章「基本概念」の解説(続き)

閉包(closure)の定義と性質 定理3.5.2,3.5.3

孤立点と集積点

(8)
(9)

第 2 章 距離化定理

2.1

距離位相

定義2.1.1. 【距離関数(distance function)】

Xを任意の集合とする.次の3つの性質を満たすような関数d:X×X→ Rを,集合X上の距離関数という.∀P, Q, R∈Xに対して,次が成立.

(1) d(P, Q)≥0かつd(P, Q) = 0ならばP =Q (2) d(P, Q) =d(Q, P)

(3) d(P, Q) +d(Q, R) =d(P, R)(三角不等式)

例 2.1.1. 例えばR2上で,2点 P = (x1, y1)とQ= (x2, y2)に対して dM(P, Q) =|x1−x2|+|y1−y2|

によって決まる関数dM :R2×R2→Rは距離関数になる.この距離関数を マンハッタン距離関数という.(ニューヨークのマンハッタン島はいわゆる碁 盤状に道路が走っているので.日本だったら京都距離関数?).

定義2.1.2. 【距離空間(metric space)】

集合Xに,X上の距離関数d:X×X →Rが与えられたとき,組(X, d) を距離空間という.

例 2.1.2. R2 とマンハッタン距離関数dM の組(R2, dM)で距離空間がひ とつ決まる.この距離空間で考える幾何学を「タクシーの幾何学(Taxicab Geometry)」といったりする.

(10)

2.1. 距離位相 第2. 距離化定理

定義2.1.3. 【距離位相】

集合Xに距離関数d:X×X →Rが定められているとする.この時,

∀p∈U,∃ε >0 s.t. {q∈X|d(p, q)< ε} ⊂U

を満たすXの部分集合U ⊂Xを集めると開集合系の定義を満たす.従っ て,{U}によりX に位相が定まる.この位相を距離関数dから定まる 距離位相という.

練習問題 2.1.1. 上のように距離関数から決まる集合族が,開集合系の3つ

条件を満たすことを確かめなさい.

定義2.1.4. 【距離化可能(metrizable)】

位相空間(X,U)に対して,Uで定まる位相が距離位相になる場合,つま り,ある距離関数d:X×X →Rが存在して,dによって定まる開集合 系がUになる場合,位相空間(X,U)は距離化可能 (metrizable)であ るという.

残念ながら,全ての位相空間が距離化可能ではない.

例 2.1.3. 一点集合でない集合に密着位相により定まる位相空間は距離化可

能でない.

x, y ∈ X かつx ̸= y の時,ε := d(x, y) > 0(距離関数の定義より).

{z∈X |d(x, z)< ε} ⊂X はdから定まる距離位相では開集合だが,∅でも X でもない.

これから考えたい問題は以下である.

bababababababababababababababab

問題:どんな位相空間が距離化可能だろうか?

密着位相の例から,あまり「弱すぎる」位相は距離化可能でないことが予 想される.つまり,

「距離化可能な位相空間では,開集合(開近傍)が十分豊富にある」

ということが期待される.

実際,次が成り立つ.

10

(11)

∀p, q∈X, ∃U, V ∈ U s.t. p∈U, q∈V, U ∩V =∅

この性質は,位相空間論において,とても重要といわれ,特別な名前が付 いている.

定義 2.1.5. 【第二分離公理,T2-空間,ハウスドルフ空間 (Hausdorff space)】

位相空間(X,U)に対して,

∀p, q∈X, ∃U, V ∈ U s.t. p∈U, q∈V, U∩V =∅

が成り立つとき,位相空間(X,U)は第二分離公理を満たす,または,ハ ウスドルフ空間(Hausdorff space)である,という.

フェリックス・ハウスドルフ(Felix Hausdorff)

ドイツの数学者(1869年11月8日-1942年1月26日)。位相空間などの 研究に貢献した。ライプツィヒ大学出身。ボン大学、グライフスヴァル ト大学の教授を務めた。ハウスドルフはユダヤ人であったため、ナチス 政権がドイツを支配していた1942年に強制収容所に送られることが決 定され、妻や義理の妹と共に自殺した(73歳)。

つまり,定理2.1.1は,距離位相を持つ位相空間はハウスドルフ空間になる ことを言っている.

しかし,残念ながら,この逆は成り立たない.つまり,開集合がとにかく 多ければ大丈夫,ということにはなっていない.

もうすこし複雑な例をあげよう.

11

(12)

2.2. ゾルゲンフライ直線 第2. 距離化定理

2.2

ゾルゲンフライ直線

定義2.2.1. 【ゾルゲンフライ直線(Sorgenfrey line)I】

Rを実数全体からなる集合とする.

U ={∀p∈U | ∃q∈Rs.t. q < pand (q, p]⊂U}

を満たすようなRの部分集合を集めた集合族は開集合系になることが示 せる.この時,(R,{U})で決まる位相空間をゾルゲンフライ直線(Sor- genfrey line)という.

[Reference]: R.H. Sorgenfly,On the topological product of paracompact spaces, Bull. Amer. Math. Soc. 53, (1947). 631–632.

注意 2.2.1. 他の文献ではゾルゲンフライ直線を定義する際,[q, p)を使って

いる.(https://en.wikipedia.org/wiki/Lower_limit_topology) ゾルゲンフライ直線の位相は,通常のユークリッド直線の位相より強い.な ぜなら,半開区間も開集合なので,通常の意味よりも開集合が多いから.

練習問題 2.2.1. ゾルゲンフライ直線において,(a, b)が開集合であることを

示しなさい.

実際,ゾルゲンフライ直線は,ハウスドルフ空間になる.

練習問題 2.2.2. ゾルゲンフライ直線はハウスドルフ空間になること(第二

分離公理を満たすこと)を示しなさい.

しかし,この場合は,密着空間とは逆に,開集合が多すぎるために,距離 化可能ではなくなってしまっている.

定理2.2.1. 【ゾルゲンフライ直線は距離化不可能】(命題7.4D)

S = (R,U)の位相は距離位相にならない,つまり,U は,Rを定義域 とする距離関数によって定まる位相にならない

以下,この定理の証明をしてみよう.

S= (R,U)に対して,

有理数全体から成る集合Q⊂Rを考える.

(本来なら,実数の定義をきちんとしないと,以下の議論の本質を見るこ とはできないが,ここではその厳密な定義は省略する.)

この時,以下のことが成り立つ.

12

(13)

∀ ⊂R ∩Q̸ ∅

注意 2.2.2. 通常のユークリッド位相に関しては,このことはよく知られて

いる.実は,ゾルゲンフライ直線の位相についても,このことは成り立つ.

練習問題 2.2.3. ゾルゲンフライ直線S = (R,U)の位相についても,任意の r∈Rの近傍∀U ∈ U,r∈U に対して,U∩Q̸=∅が成り立つ,ことを示し なさい.

以下,背理法によって,定理2.2.1の証明を行う.

つまり,U が距離位相であると仮定して,矛盾を導く.

R上の距離関数dが存在して,ゾルゲンフライ直線における任意の開集合 U に対して,

∀p∈U,∃ε >0 s.t. {q∈X |d(p, q)< ε} ⊂U

が成り立っているとする.

一方で,

{q∈R| ∃p∈Q,∃n∈Ns.t. d(p, q)< 1 n}

と言う集合全体Vを考える.ここで,V の濃度は可算無限である,つまり,

V の要素の個数は可算個であることに注意.

この時,Rの完備性,より正確には,アルキメデスの原理,から,

「任意の実数ε >0に対して,ある自然数n∈Nが存在して,1n < εが成 り立つ」

が成り立つので,ゾルゲンフライ直線における任意の開集合U に対して,

∀p∈U,∃V ∈ V s.t. p∈V andV ⊂U

が成り立つ.

従って,p∈Rに対して,

Vp∈ V s.t. p∈Vp andVp⊂(p−1, p]

を満たす集合 Vp を見つけることができる1 この写像R→ V を考えると,

「p < p′ ならば,Vp⊂(p−1, p]よりp′̸⊂Vp だが,仮定よりp′∈Vp′」 が成り立つ.従って,Vp̸=Vp′ となる.これはつまり,写像R→ V が単射 であることを意味する.

しかし,V の濃度は可算無限ℵ0 であり,Rの濃度は連続無限なので,こ

れはカントールの定理に反する. (証明終)

1ここで実は,選択公理を使っている.

13

(14)

2.2. ゾルゲンフライ直線 第2. 距離化定理

この定理2.2.1の証明をよく見直してみると,次のように一般化できるこ

とがわかる.

定理2.2.2. 【距離化可能の条件】(定理7.4C)

距離位相空間は可分なら第2可算公理を満たす.

定義2.2.2. 【可分(separable)】

位相空間X にある部分集合Dが存在して,Dが可算集合,かつ,Dが X で稠密であるとき,X は 可分(separable)であると言う.

定義2.2.3. 【開基】

位相空間X の部分集合族V が 開基 であるとは,∀p∈X の任意の近 傍U に対して,あるV ∈ V が存在して,p∈V かつV ⊂U を満たす こと.

注意 2.2.3. 「開基」の定義の同値な言い換えとして,

「Xの任意の開集合が,V の要素の和集合として表される」

というのもある.

定義2.2.4. 【第二可算公理】

位相空間X が可算集合である開基V を持つとき,Xは 第二可算公理 を満たすと言う.

練習問題 2.2.4. 定理2.2.1の証明を基にして,定理2.2.2を証明しなさい.

なお定理2.2.1の逆も一般に成り立つ.

定理2.2.3. 【第二可算公理と可分性】(定理7.4B)

位相空間は第2可算公理を満たすならば可分である.

補足1

ちなみに,第一可算公理の定義も紹介しておこう.

位相空間X が,Xの各点で可算集合である基本近傍基V を持つとき,X は 第一可算公理を満たすと言う.

14

(15)

⊂

例 2.2.1. 距離空間(S, d)において,p∈S と自然数nに対して,

Un(p) :={q∈S|d(p, q)< 1 n}

とすると,{Un}n∈Nは,dから定る距離位相に関して,pにおける可算近傍 基になる.従って,dから定る距離位相を入れた位相空間は,第一可算公理 を満たす.

例 2.2.2. ゾルゲンフライ直線は,第一可算公理を満たす.実際,p∈ Rに

対して,{(p−n1, p]}n∈Nを考えると,これはpにおける可算近傍基を与えて いる.

15

(16)

2.3. 距離化定理の証明(1) 第2. 距離化定理

2.3

距離化定理の証明(1)

この章の目的は以下の定理を証明すること.

定理2.3.1. 【ウリゾーンの距離化定理】(定理12.8B)

第2可算公理を満たし第三分離公理を満たす位相空間(正則空間)は 距離化可能.

原論文:

P. Urysohn, Zum Metrisationsproblem, Math. Ann. 94 (1925), no. 1, 309–315.

パベル・ウリゾーン (Pavel Samuilovich Urysohn)

ロシアの数学者(1898年2月3日 - 1924年8月17日)。ロシア帝国の オデッサ生まれ。モスクワ大学で1915年から1921年まで学んだ。卒業 後、モスクワ大学で数学の助教授となったが、1924年フランスブルター ニュ地方の海岸で溺死した(26歳)。上記論文は,生前,1924年の4月 に彼によって投稿され,翌年,死後に出版された.

前節で見たように,開集合が少なすぎても多すぎても距離化可能にならない.

ゾルゲンフライ直線の例で見たように,「第2可算公理を満たす」という条 件は,開集合が多すぎてはいけない,ということを(なんとなく)言っている.

密着位相空間のように,開集合が少なくすぎても良くない.距離空間は,例 えば,ハウスドルフ性(第二分離公理)を満たす(定理2.1.1)けれども,そ れだけでは不十分(ゾルゲンフライ直線はハウスドルフ空間になっている).

上の定理の「正則空間(regular space)」というのは,「第三分離公理」を満 たす空間のことで,ハウスドルフ空間を強めたものになっている.

定義2.3.1. 【第三分離公理と正則空間】(p.94, 11.2節)

位相空間(X,U)に対して,

∀p, q∈X,∃U, U′, V ∈ U s.t. p∈U, q∈V, U∩V =∅, p∈U′, cl(U′)⊂U

が成り立つとき,位相空間(X,U)は第三分離公理を満たすという.

第二と第三分離公理を満たす位相空間を,正則空間(regular space)と

いう.T3-空間と表すこともある.

注意 2.3.1. 上の定義は,通常,よく知られている定義とは,少し異なって

いる.例えば,岩波の数学辞典による第三分離公理は次のものである.

16

(17)

∈ 1 ⊂ 2 1∩ 2 ∅ であるものが存在する.

テキストによる定理2.3.1の証明は,以下の3つのステップからなる.(原 論文の証明と同じかどうかは不明)

• 第二可算公理+第三分離公理⇒第四分離公理(正規空間,T4-空間)

• 第二可算公理+第四分離公理⇒完全正則空間(チコノフ空間,または T31

2-空間)

• 第二可算公理+完全正則空間⇒距離化可能

2.3.1

第四分離公理と正規空間(T4

-空間)

定理 2.3.2. 【第二可算公理+第三分離公理 ⇒ 第四分離公理】(系

12.8A)

第三分離公理を満たす位相空間(正則空間)が第二可算公理を満たす ならば,それは第四分離公理も満たす.

定義2.3.2.【第四分離公理と正規空間(normal space)】(p.94, 11.2節)

位相空間(X,U)に対して,

∀F, G⊂X, closed, F∩G=∅ ∃U, V ∈ U s.t. F ⊂U, G⊂V, U∩V =∅

が成り立つとき,位相空間(X,U)は第四分離公理を満たすという.

第四分離公理を満たす位相空間を,正規空間(normal space) という.

T4-空間と表すこともある.

定理2.3.3. 【距離空間は正規空間】(定理12.1A)

距離位相空間は第四分離公理を満たす.つまり,正規空間になる.

定理2.3.2の証明:

Xを正則空間とする.つまり,第二分離公理と第三分離公理を満たす位相 空間とする.

さらにXは第二可算公理を満たすとする.つまり,X が可算集合である 開基V を持つとする.ここで,Vが開基であるとは,∀p∈X の任意の近傍

17

(18)

2.3. 距離化定理の証明(1) 第2. 距離化定理

U に対して,ある V ∈ V が存在して,p ∈V かつ V ⊂ U を満たすこと,

だった.

p∈F を任意にとってくる.このとき,F∩G=∅より,X\Gはpを含 む開集合だから,X\Gはpの近傍.ここで,Xが第三分離公理を満たすこ とから,

∃S ∈ U s.t. p∈S, S⊂X\G, cl(S)∩G∅ さらに,Vが開基なので,

∃Vp∈ V ⊂ U s.t. p∈Vp

この時,Vp⊂S⊂X \Gより,Vp∩G=∅.また,Vp ⊂Sより,cl(Vp)⊂ cl(S)⊂X\G(3.5.1参照)なので,

cl(Vp)∩G=∅

さらに,Vが可算集合であることから,{Vp}p∈F はたかだか可算なので,改 めて{Sn}n=1,2,···とおきなおすことができる.以上より,

F⊂ ∪

n=1,2,···

Sn andcl(Sn)∩G=∅(∀n)

が成り立つ.

あとは,補題12.7Bを適用すれば良い.

2.3.2

完全正則空間(チコノフ空間,または

T

31

2

-空間)

定理2.3.4. 【第二可算公理+第四分離公理 ⇒完全正規空間】

第四分離公理を満たす位相空間(正規空間)は完全正則空間になる.

定理2.3.5. 【ウリゾーンの補題】(定理12.2A)

Xを第四分離公理を満たす位相空間(正規空間)とし,F, G ⊂X を 互いに交わらない空でない閉集合とする.このとき,f(F) ={0}かつ f(G) ={1}を満たす連続関数f :X →[0,1]が存在する.

定理2.3.4の証明:

Xを第四分離公理を満たす位相空間(正規空間)とする.

任意のp∈Xと,pの近傍U ∈ U (つまり,p∈U となる開集合)を取っ てくる.

このとき,

∃f :X →[0,1] continuous function s.t. f(p) = 0, f(X\U) ={1}

18

(19)

定義2.3.3. 【完全正則空間またはチコノフ空間】(p.94, 11.2節)

位相空間(X,U)に対して,

∀p∈X, U∈ U withp∈U, ∃f :X →[0,1] continuous function s.t. f(p) = 0, f(X\U) ={1}

が成り立つとき,位相空間(X,U)は完全正則空間(completely regular space)または,チコノフ空間(Tychonoff space)という.T312-空間と 表すこともある.

チコノフは後で出てくる無限積位相を導入したことで有名.また,チコノ フの定理「コンパクト空間の(無限)積空間はコンパクト」でも有名.

定義2.3.4. 【連続写像の定義】

位相空間X, Y に対して,写像f :X →Y が連続写像(continuous map)

であるとは,Y の任意の開集合V に対して,その逆像f−1(V)がXの 開集合になることである.

注意 2.3.2. 完全正則空間は正則空間.(V =f−1[0,12)と取ればいい)しか し,逆は成り立たない.

2.3.3

完全正則空間

⇒

距離化可能

定理2.3.6. 【完全正則空間と距離化】(系11.3B)

第二可算公理を満たす完全正則空間は距離化可能である.

チコノフ空間の距離化可能性は,次のチコノフの埋め込み定理による.

定理2.3.7. 【チコノフの埋め込み定理】(定理11.3A)

位相空間X が完全正則空間になるための必要十分条件は,X が積空 間Im に埋め込まれることである.(I= [0,1])

ヒルベルト立方体

19

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