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位相・位相空間・距離位相

さーて! 抽象化, 抽象化!

当サイトでは述語論理の記述を多用します。
一般の書籍・論文ではあまり見られない記号を使用する場合もありますので、 本サイトで使用する数学記号 を参照しながらご覧ください。

位相空間の定義

定義1. 位相

集合 \(S\) および集合族 \(\mathcal{O}\subseteq2^S\) について

\(\mathcal{O}\) が \(S\) 上の位相であるとは, \(\mathcal{O}\) が以下の開集合系の公理を満たすことをいう.

[開集合系の公理]

\begin{align} &\emptyset,S\in\mathcal{O}\tag{1.1}\\[11pt] &\forall U_1,U_2\in\mathcal{O} \ (U_1\cap U_2\in\mathcal{O})\tag{1.2}\\[2pt] &\forall U_\lambda(\lambda\in\Lambda)\in\mathcal{O} \ \left(\bigcup_{\lambda\in\Lambda} U_\lambda\in\mathcal{O}\right)\tag{1.3} \end{align}

定義2. 位相空間

非空集合 \(S\) と \(S\) 上の位相 \(\mathcal{O}\subseteq2^S\) の組 \((S,\mathcal{O})\) を位相空間という.

定理1. 距離位相

距離空間 \((S,d)\) における開集合の全体 \(\mathcal{O}\subseteq2^S\) は \(S\) 上の位相である.

(このときの \(\mathcal{O}\) を距離位相という)

位相空間は距離空間の一般化

参考. 距離空間における開球の定義

距離空間 \((S,d)\) および \(x_0\in S,\ r>0\in\mathbb{R}\) について

\[ S_r(x_0)=\{x\in S\ |\ d(x,x_0)\lt r\}\]

を中心 \(x_0\), 半径 \(r\) の開球という.

参考. 距離空間における開集合の定義

距離空間 \((S,d)\) および \(U\subseteq S\) について

\[ UがSの開集合である\overset{\mathrm{def}}{\iff} \forall x_0\in U,\exists r>0\in\mathbb{R} \ \left(S_r(x_0)\subseteq U\right) \] \[ UがSの閉集合である\overset{\mathrm{def}}{\iff} \overline{U}がSの開集合である \]

定理1の証明

距離空間 \((S,d)\) における開集合の全体

\[ \mathcal{O}=\{U\subseteq S\ | \ \forall x_0\in U\ \exists r>0\in\mathbb{R} \ (S_r(x_0)\subseteq U)\}\subseteq2^S \] \[ (S_r(x_0)=\{x\in S\ |\ d(x,x_0)\lt r\})\]

が開集合系の公理を満足することを示す.

  1. (1.1) を満足することを示す.

    \(\emptyset\in\mathcal{O}\) は明らか.

    また \(\forall x_0\in S\ (S_1(x_0)\subseteq S)\) より \(S\in\mathcal{O}\)