境界(位相)

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前提知識

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)(X, \tau)位相空間とし、AXA \subseteq X とする。AA境界(boundary)を A\partial A(または bd(A)\operatorname{bd}(A)Fr(A)\operatorname{Fr}(A))と書き、次のように定義する:

AAXA.(1)\partial A \coloneqq \overline{A} \cap \overline{X \setminus A}. \tag{1}

AA閉包AA 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(xBx \in \overline{B} であることと xx のすべての開集合が BB と交わることの同値性)を使うと、(1)(1) をより直接的な条件に展開できる:xAx \in \partial A であることと

Uτ,xU    UA かつ U(XA)(2)\forall\, U \in \tau,\quad x \in U \implies U \cap A \neq \varnothing \text{ かつ } U \cap (X \setminus A) \neq \varnothing \tag{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 AA にも補集合にも触れる。xx 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 XX を互いに素な三つの部分に切り分ける。AA外部(exterior)を ext(A)int(XA)\operatorname{ext}(A) \coloneqq \operatorname{int}(X \setminus A) — 補集合の内部 — と定義する。

定理(XX の分割). 任意の AXA \subseteq X について:

X=int(A)Aext(A),(3)X = \operatorname{int}(A) \cup \partial A \cup \operatorname{ext}(A), \tag{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 AA 内に近傍を持てば int(A)\operatorname{int}(A) に属し、XAX \setminus A 内に近傍を持てば ext(A)\operatorname{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\partial A に属する。XX 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=Xint(XA)\overline{A} = X \setminus \operatorname{int}(X \setminus A) を使った等価な表示:

A=int(A)A(4)\overline{A} = \operatorname{int}(A) \cup \partial A \tag{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)。

R\mathbb{R} の標準位相

  • (0,1)={0,1}\partial (0, 1) = \{0, 1\}。閉包は [0,1][0,1];補集合 (,0][1,+)(-\infty, 0] \cup [1, +\infty) の閉包は自身;その交叉は {0,1}\{0, 1\}
  • [0,1]={0,1}\partial [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\partial \mathbb{Q} = \mathbb{R}。有理数も無理数も R\mathbb{R} で稠密なので Q=R\overline{\mathbb{Q}} = \mathbb{R} かつ RQ=R\overline{\mathbb{R} \setminus \mathbb{Q}} = \mathbb{R};その交叉は R\mathbb{R} 全体だ。
  • R=\partial \mathbb{R} = \varnothing。補集合がない;XX=X \setminus X = \varnothing の閉包は \varnothing

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\overline{A} = A かつ XA=XA\overline{X \setminus A} = X \setminus A。その交叉は A(XA)=A \cap (X \setminus A) = \varnothing。離散位相ではすべての集合の境界が空集合だ。

密着位相

\varnothingXX だけが閉集合だ。空でない真部分集合 AXA \subsetneq X については A=X\overline{A} = X かつ XA=X\overline{X \setminus A} = X なので A=XX=X\partial A = X \cap 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)(X, \tau) を位相空間とし、AXA \subseteq X とする。

  • A\partial A は閉集合。 二つの閉集合の交叉だ:A=AXA\partial A = \overline{A} \cap \overline{X \setminus A}
  • 対称性A=(XA)\partial A = \partial(X \setminus 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\overline{A} = \operatorname{int}(A) \sqcup \partial A(互いに素な合併)、方程式 (4)(4) より。
  • 境界の境界(A)A\partial(\partial A) \subseteq \partial A。閉集合の境界はその集合に含まれる;A\partial 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=\operatorname{int}(A) \cap \partial A = \varnothing。内点は AA 内に近傍を持ち、XAX \setminus 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. AXA \subseteq X とする。このとき:

  1. AA開集合であることと AA=A \cap \partial A = \varnothing(境界が AA の補集合に完全に含まれる)は同値だ。
  2. AA閉集合であることと AA\partial A \subseteq A(境界が AA に含まれる)は同値だ。
  3. AA開閉集合(clopen)であることと A=\partial A = \varnothing は同値だ。

なぜ正しいか.

  1. AA が開ならば A=int(A)A = \operatorname{int}(A) であり A\partial A と互いに素。逆に AA=A \cap \partial A = \varnothing ならば AA の点はどれも XA\overline{X \setminus A} に属さず、すべての点が AA 内に近傍を持つので AA は開だ。

  2. AA が閉であることと A=A\overline{A} = A は同値。A=int(A)A\overline{A} = \operatorname{int}(A) \cup \partial A かつ int(A)A\operatorname{int}(A) \subseteq A なので、A=A\overline{A} = A が成立することと AA\partial A \subseteq A は同値だ。

  3. (1) と (2) を組み合わせると:開閉は AA=A \cap \partial A = \varnothing かつ AA\partial A \subseteq A を要求し、両者が同時に成立するためには A=\partial A = \varnothing が必要だ。

最後の点は特に有用だ:連結な位相空間では \varnothingXX 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\mathbb{R}^n 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 AAXA\partial A \coloneqq \overline{A} \cap \overline{X \setminus A} は、近傍のどれもが AA にも XAX \setminus A にも触れるような点の全体だ。
  • A\partial A は常に閉集合であり、A=(XA)\partial A = \partial(X \setminus A)(境界は対称)。
  • 空間 XXint(A)Aext(A)\operatorname{int}(A) \sqcup \partial A \sqcup \operatorname{ext}(A) に分割される;閉包は A=int(A)A\overline{A} = \operatorname{int}(A) \sqcup \partial A を満たす。
  • AA が開であることと AA=\partial A \cap A = \varnothing;閉であることと AA\partial A \subseteq A;開閉であることと A=\partial A = \varnothing は、それぞれ同値だ。
  • 連結な空間では \varnothingXX 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 XX 全体だ。