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大学数学基礎問題
文献あり

位相空間の基礎?問題寄り道演習 その1

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どうも

 こんにちは ごててんです

 位相空間論の簡単?な問題をいっぱい用意したら面白いのではと思い, 書くことにしました. 1つの記事につき6問くらいで、全4回を予定しています(6問分解答を書くだけで結構しんどかったので第2回があるかも怪しいですが......) 問題の質ですが, あまり良くないものも混じっています. また出題の分野は偏っています.

誰向けの記事?

 基礎的な位相空間を学んでいる途中の人向けです. 問題を考える部分より解答を書く部分で頑張ったので, 解けても解答を読んでほしいです(何)

仮定

 以下断らない限り集合X,Yといえば空でないものを想定, 位相空間は(X,O),(Y,O)を考えてください. またことわらない限りRnの部分集合には通常の位相が入っているとしてください.

問題

開集合

 無限個の開集合の共通部分はつねに開集合か?

連続写像

 離散位相(X,2X)からの写像f:XYはつねに連続であることを示せ.

実連続関数

 密着位相(X,{,X})からの実連続関数をすべて求めよ.

有限

 Xを有限集合とする. このときaXに対し, aを含む開集合すべての共通部分Uaはまた開集合となることを示せ.

ハウスドルフ

 距離空間がハウスドルフであることを示せ.

ハウスドルフでない空間

 ハウスドルフでないかつ密着位相でない位相空間を挙げよ.

解答

 お疲れ様です. 解答編になります.

真に受けるな

 意図的に変な解答を書いているところがあります. そういう部分は [!]ネタ とマーカーを入れておきます.
 循環論法とか, そういう問題をすべて放棄した解答なので試験などで書かないでください. ジョークです.

問題1 開集合

 無限個の開集合の共通部分はつねに開集合か?

 よくある問題ですね. 無限個の開集合の共通部分は開集合とは限りません. 色々示し方はありますが, 定石通りn=1(1n,1n){0}に等しいことを示そうと思います. R最高!
 {0}n=1(1n,1n)は明らかなので, 逆の包含n=1(1n,1n){0}を示せばよいです.
 x0 としてこれがn=1(1n,1n)に含まれないことを言いましょう. アルキメデスの原理により1/|x|<Nとなる自然数Nをとると, |x|>1/Nよりx(1N,1N)xn=1(1n,1n)となります.
 一応{0}が開集合でないことを言います. が、面倒なので知識でゴリ押して手を抜いて考えてみます.(え?)
  [!]ネタ Rは連結なので空でない真部分集合の{0}が「開集合かつ閉集合」となることはなく, T1空間の一点集合は閉集合なので{0}は閉集合, すなわち開集合ではありません.

ポイント

・連結であるとは, 「開集合であり, 閉集合でもある部分集合が全体集合と空集合のみ」ということ
T1空間であることと, 任意の一点集合が閉集合であることは同値

 「Rが連結なことを示すコスト」>>>「普通に一点集合が開集合でないことを示すコスト」なのでこんな回答は怒られても仕方がない?

 真面目に一点集合が開集合でないことを示します. これただの解析だな
 開集合であるとすれば, 含まれる点がすべて内点でなければなりません. しかし一点集合{0}の点0はどんなに小さく半径ϵ>0を取っても, たとえばϵ/2(ϵ,ϵ)であるので, これは内点となりません. よって{0}は開集合となりません.

問題2 連続写像

 離散位相(X,2X)からの写像f:XYはつねに連続であることを示せ.

 自明!では解説を書きます. 写像が連続かどうかを見るには, 任意の(Yの)開集合の逆像がXの開集合になることを見ればよいです. さて, Xでは任意の集合が開集合になっているので問答無用で開集合の逆像は開集合です.

 これは直感にも一致する結果ですね. 離散位相は点が散らばっているイメージなので, どんな点も近傍を見てもそもそも近くに点がないので連続とか気にしなくていいという感じです.

 せっかくなので各点で連続になっているかどうかを見ての証明もしてみます.

xで連続とは

 f:XYXの点xで連続であるとは, 次を満たすことである.
 任意のf(x)の近傍VYに対してxの近傍UXが存在しf(U)Vをみたす.

 任意のf(x)の(小さい)近傍VYに対して(十分に小さい)xの近傍UXが存在しf(U)Vをみたす, と見ればイプシロンデルタそのものですね. これを使います.

ポイント

・写像が任意のXの点において連続なら, 連続写像.

 xXの点とします. ここでf(x)の小さ~~~い近傍Vに対して十分に小さいxの近傍をとってこなければならないのですが, Xは今離散位相として考えているので, xの近傍としてU={x}を取ってこれます(!?)
 やりたい放題ですね 離散位相ってヤツは 半径ゼロが許容されてるようなもんです
 というわけで当然f(U)={f(x)}Vが成立します.  

問題3 実連続関数

 密着位相(X,{,X})からの実連続関数をすべて求めよ.

 まあこんな抽象的な問をしてるので答えは簡潔なのでしょうね. 答えは定数関数のみとなります.
 中間値の定理を用いて解いてみましょう.

中間値の定理

 f:XRを実連続関数, (X,O)は連結であるとする.
 x,yXの2点とするとき, f(x)<α<f(y)をみたすような任意の実数αについてf(z)=αとなるzXが存在する.

 使うために, 密着位相が連結であることを示さなければなりませんが, これはとても明らかです.

ポイント

・連結であるとは, 「開集合であり, 閉集合でもある部分集合が全体集合と空集合のみ」ということ

 そもそも開集合が全体集合と空集合しかありません. そしてそれは閉集合です. よって連結です.

 f:XRを実連続関数とします. これが定数関数でないとすると, x,yXがありf(x)<f(y)とできます. よって, α=f(x)+f(y)2とすればこれはf(x)<α<f(y)をみたすので, α=f(z)となるzXをとることができます.
 このzを使ってバグらせていきます. [f(x),f(z)]fによる逆像Iは, 閉区間の逆像なので閉集合となるはずです. これは空集合でないのでI=Xとなるはずですが, yIとなるはずです. よってIは閉集合とならずこれは矛盾です. よって, 実連続関数は定数関数しか存在しません!  

ポイント

・連結な位相空間からの実連続関数で中間値の定理が成立する.

問題4 有限

 Xを有限集合とする. このときxXに対し, xを含む開集合すべての共通部分Uxはまた開集合となることを示せ.

 無茶苦茶かんたんです. xを含む開集合は, 2Xが有限集合であることから明らかに有限個しか存在しません. 開集合の有限個の共通部分は開集合なのでUxも当然開集合となります.

問題自体はここで終了だけど

 Uxについて補足します. このUx(xX)の集合はXの最小の開基となります.
 また, このUxを用いてXに関係を定義することができます. xyUxUyで定義するとこれは擬順序(順序関係における「反射律」と「推移律」をみたすもの)となり, さらにXT0空間であることとが半順序となることは同値になります!  

問題5 ハウスドルフ

 距離空間がハウスドルフであることを示せ.

 ハウスドルフ空間の定義を貼っておきます.  

ハウスドルフ空間

(X,O)を位相空間とする. x,yXが異なる2点であれば, 2つのXの開集合U,VO(UV=)であるものがありxU,yV とできる(異なる2点が開集合で分離できる, などと説明される)という性質をもつとき, (X,O)ハウスドルフ空間であるという.

 これは典型問題(?)です. さらさら~っと流しましょう. こういうのはどうせ三角不等式です.
 (X,d)を距離空間とします. Xが1点集合なら明らかにハウスドルフです. Xが2点以上からなるとします. x,yXを異なる2点とすれば, ϵ=d(x,y)>0としたときxからの距離がϵ/2未満の点の集合をNx, yからの距離がϵ/2未満の点の集合をNyとするとき, これらは開集合です. この2つが共通部分を持たないことを見ましょう.
 共通部分を持つとして矛盾を導きます. zNxNyとしたとき, 三角不等式より d(x,y)d(x,z)+d(y,z)<ϵ/2+ϵ/2=ϵ=d(x,y)より矛盾です.

問題6 ハウスドルフでない空間

 ハウスドルフでないかつ密着位相でない位相空間を挙げよ.

 い~~~~っぱいありますね. なんでもいいですね.
 一番手を抜いた回答をするならば, シェルピンスキー空間の名を述べるのみで終わりです.
 これはX={1,2}としたときの{,{1},X}のことです.
 この空間はT0であるがT1でない例になっています. 示してみてください.

 ハウスドルフでないことを示します. 2を含んでいる開集合はXのみで, これは1を含むどの開集合とも共通部分を持ちます. よって12は分離できません.

 面倒なので他の例は名前だけを2つ挙げておきます.
 ・Odd-Even Topology
 ・Rの補有限位相  

おつかれさまです

 ここまで読んでいただきありがとうございます!!!問題の解答を情報量を持たせつつ書くのはとても疲れますね 演習の準備って大変だなぁ それでは!!!!!

参考文献

投稿日:202378
OptHub AI Competition

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ごててん
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