島の海岸線に立つ場面を想像してほしい:海にも陸地にも属さず、二者の境界(boundary)に立っている。あなたの周りのあらゆる開近傍は海と陸の両方に達する。境界の概念はこの幾何学的な絵を、任意の位相空間に対して精確にする。集合とその補集合が、どの開集合によっても切り離せない場所だ。
定義
(X,τ) を位相空間とし、A⊆X とする。A の境界(boundary)を ∂A(または bd(A) や Fr(A))と書き、次のように定義する:
∂A:=A∩X∖A.(1)
A の閉包と A の補集合の閉包の両方に属する点の集合だ。
閉包の近傍的特徴づけ(x∈B であることと x のすべての開集合が B と交わることの同値性)を使うと、(1) をより直接的な条件に展開できる:x∈∂A であることと
∀U∈τ,x∈U⟹U∩A=∅ かつ U∩(X∖A)=∅(2)
が成り立つことは同値だ。
平易な言葉で:境界点のあらゆる開近傍は A にも補集合にも触れる。x をどちらの側からも「切り離せない」。
分割定理
三つの概念 — 内部・境界・外部 — は X を互いに素な三つの部分に切り分ける。A の外部(exterior)を ext(A):=int(X∖A) — 補集合の内部 — と定義する。
定理(X の分割). 任意の A⊆X について:
X=int(A)∪∂A∪ext(A),(3)
これら三つの集合は互いに素だ。
なぜ成り立つか. 内部と外部は互いに素な開集合だ。ある点が A 内に近傍を持てば int(A) に属し、X∖A 内に近傍を持てば ext(A) に属し、どちらの側にも完全に収まる近傍がなければ ∂A に属する。X のすべての点はこの三ケースのいずれか一つにちょうど落ちる。
閉包–内部の双対性 A=X∖int(X∖A) を使った等価な表示:
A=int(A)∪∂A(4)
(閉包は内部と境界の合併であり、その分割は互いに素だ)。
例
R の標準位相
- ∂(0,1)={0,1}。閉包は [0,1];補集合 (−∞,0]∪[1,+∞) の閉包は自身;その交叉は {0,1}。
- ∂[0,1]={0,1} も同様だ。端点を含むかどうかにかかわらず、集合とその補集合の境界は同じだ。
- ∂Q=R。有理数も無理数も R で稠密なので Q=R かつ R∖Q=R;その交叉は R 全体だ。
- ∂R=∅。補集合がない;X∖X=∅ の閉包は ∅。
離散位相
離散位相ではすべての集合が開かつ閉なので A=A かつ X∖A=X∖A。その交叉は A∩(X∖A)=∅。離散位相ではすべての集合の境界が空集合だ。
密着位相
∅ と X だけが閉集合だ。空でない真部分集合 A⊊X については A=X かつ X∖A=X なので ∂A=X∩X=X。空間全体がすべての真の空でない部分集合の境界になる — 密着位相がいかに粗いかを示す極端なケースだ。
性質
(X,τ) を位相空間とし、A⊆X とする。
- ∂A は閉集合。 二つの閉集合の交叉だ:∂A=A∩X∖A。
- 対称性:∂A=∂(X∖A)。境界は集合とその補集合で同じ — 海岸線は海にも陸にも属さない。
- 分解:A=int(A)⊔∂A(互いに素な合併)、方程式 (4) より。
- 境界の境界:∂(∂A)⊆∂A。閉集合の境界はその集合に含まれる;∂A は閉集合なので、その境界は自身の部分集合だ。
- 内部と境界は互いに素:int(A)∩∂A=∅。内点は A 内に近傍を持ち、X∖A から切り離される。
境界による開集合・閉集合・開閉集合の特徴づけ
境界は三つの特別な種類の集合を特にきれいに特徴づける。
定理. A⊆X とする。このとき:
- A が開集合であることと A∩∂A=∅(境界が A の補集合に完全に含まれる)は同値だ。
- A が閉集合であることと ∂A⊆A(境界が A に含まれる)は同値だ。
- A が開閉集合(clopen)であることと ∂A=∅ は同値だ。
なぜ正しいか.
-
A が開ならば A=int(A) であり ∂A と互いに素。逆に A∩∂A=∅ ならば A の点はどれも X∖A に属さず、すべての点が A 内に近傍を持つので A は開だ。
-
A が閉であることと A=A は同値。A=int(A)∪∂A かつ int(A)⊆A なので、A=A が成立することと ∂A⊆A は同値だ。
-
(1) と (2) を組み合わせると:開閉は A∩∂A=∅ かつ ∂A⊆A を要求し、両者が同時に成立するためには ∂A=∅ が必要だ。
最後の点は特に有用だ:連結な位相空間では ∅ と X だけが空の境界を持つ — なぜならそれらだけが開閉集合だからだ。境界の空性は不連結性の証人になる。
座標での境界の公式
標準位相を持つ Rn では、集合の境界をその「位相的な表面」と見ることができる — 無限小の小球が常に集合と補集合にまたがるような点の集合だ。これは幾何学的な直感と一致する:円板の境界はその円周であり、立方体の境界はその六つの面だ。抽象的な位相論では、この直感は幾何学を一切持たない任意の空間に一般化される。
まとめ
- 境界 ∂A:=A∩X∖A は、近傍のどれもが A にも X∖A にも触れるような点の全体だ。
- ∂A は常に閉集合であり、∂A=∂(X∖A)(境界は対称)。
- 空間 X は int(A)⊔∂A⊔ext(A) に分割される;閉包は A=int(A)⊔∂A を満たす。
- A が開であることと ∂A∩A=∅;閉であることと ∂A⊆A;開閉であることと ∂A=∅ は、それぞれ同値だ。
- 連結な空間では ∅ と X だけが空の境界を持つ。
- 離散位相ではすべての集合の境界が空;密着位相ではすべての真の空でない部分集合の境界が X 全体だ。