集合の集積点が何かはもう知っている:開近傍のどれもがその集合の別の点と交わるような点だ。A のすべての集積点を一つの集合にまとめたものが導来集合(derived set)であり、A の「極限的な振る舞い」をコンパクトにまとめたパッケージだ。閉性を特徴づけ、閉包を構築するためのまさに正しい道具であることがわかる。
定義
(X,τ) を位相空間とし、A⊆X とする。A の導来集合(derived set)A′ とは、A のすべての集積点の集合のことだ:
A′:={x∈X:∀U∈τ, x∈U⟹(U∖{x})∩A=∅}.(1)
導来集合は X の部分集合だが、A の部分集合である必要はなく、A が A′ の部分集合である必要もない。
例
標準位相の下での R
- A=(0,1) とする。A′=[0,1]:[0,1] のすべての点は、端点 0 や 1 も含め、すべての開近傍で (0,1) と交わる。
- A={1/n:n∈N+} とする。A′={0}:唯一の集積点は 0 であり、0∈/A。
- A=Q とする。A′=R:すべての実数は有理数で近似できる。
- A=Z とする。A′=∅:すべての整数は孤立している(他の整数を含まない近傍を持つ)。
離散位相
離散位相では、すべての一点集合が開集合なので、いかなる集合の集積点にも成り得ない。よって任意の A⊆X について A′=∅。
R 上の有限補位相(ザリスキー的)
有限補位相(finite-complement topology)— 補集合が有限のとき、かつそのときに限り開集合 — では、開集合は大きい。任意の無限集合 A と任意の x∈R について、x を含む任意の開集合 U は有限の補集合を持つため R のほぼすべての点を含み、(U∖{x})∩A は無限大になる。よってすべての無限集合 A に対して A′=R。
性質
(X,τ) を位相空間とし、A,B⊆X とする。
- 単調性(monotone):A⊆B ならば A′⊆B′。(B の点が多い分、開近傍を埋めるのに有利になる。)
- 合併:(A∪B)′=A′∪B′。A∪B の集積点は A または B の集積点(あるいは両方)だ。
- 共通部分:(A∩B)′⊆A′∩B′、ただし等号は一般に成立しない。
- 導来集合の導来集合:A′′⊆A∪A′(ただし A′′=(A′)′ は導来集合の導来集合)。この包含関係は、A の集積点の集積点自体が A に属するか A の集積点であることを意味する。
- A′ は閉集合(後述)。
導来集合が閉集合であることの証明
A′ が常に閉集合であることを示すには、その補集合 X∖A′ が開集合であることを示せばよい。
任意の点 y∈/A′ を取る。y は A の集積点でないので、(V∖{y})∩A=∅ — つまり V∩A⊆{y} — となる開集合 V∋y が存在する。
次に、V 内の点 z∈V で z=y であるものを取る。z∈/A′、すなわち z が A の集積点でないことを示したい。開集合 V は z の近傍であり(V は開かつ z∈V)、(V∖{z})∩A⊆(V∩A)∖{z}⊆{y}∖{z}=∅(z=y なので)。よって z∈/A′。
これにより、A′ に属さない任意の点 y が X∖A′ に含まれる開近傍 V∋y を持つことが分かり、X∖A′ は開集合、A′ は閉集合だ。□
導来集合と閉性
導来集合は閉集合の明快な特徴づけを与える — おそらく最も重要な応用だ:
定理. 集合 A⊆X が閉集合であることと、A′⊆A であることは同値だ。
証明の概略.(⇒)A が閉集合とすると X∖A は開集合。x∈/A ならば X∖A は x を含む開集合であって (X∖A)∩A=∅ だから x は A の集積点でない。よって A′⊆A。
(⇐)A′⊆A と仮定する。任意の y∈/A を取ると y∈/A′ なので、U∩A⊆{y} となる開集合 U∋y が存在する。y∈/A なので U∩A=∅、つまり U⊆X∖A。X∖A のすべての点が X∖A 内に開近傍を持つので、X∖A は開集合、A は閉集合だ。□
平易な言葉で言えば:A が閉集合であることと、A が「自身の極限的な振る舞いをすべて含む」こと — A が集積する点がすでに A に属すること — とは同値だ。
導来集合から閉包へ
導来集合は 閉包 A の公式の核心的な構成要素だ:
A=A∪A′.(2)
閉包 A は A を含む最小の閉集合だ。公式 (2) は、A 自身に A が集積する外部の点を加えることで得られると言っている。上の定理を使って A∪A′ が閉集合であることも確認できる:(A∪A′)′=A′∪A′′⊆A′∪(A∪A′)=A∪A′ なので、A∪A′ は自身の導来集合を含む。
導来集合の反復(カントール–ベンディクソン)
カントール(Cantor)がまさにこの導来集合を導入したのは、繰り返し適用すると構造が見えるからだ。A から出発して A′=A(1)、次に A′′=A(2)、と続ける。R の部分集合については、この列は(空集合になることもあるが)可算回のステップで安定する。カントール–ベンディクソンの定理(Cantor–Bendixson theorem)はこれを使って任意の閉集合を完全集合と可算集合に分解し、記述的集合論(descriptive set theory)に深い結果をもたらす。
まとめ
- 導来集合 A′ は A のすべての集積点の集まりだ。
- A′ は A の部分集合である必要はなく、A が A′ の部分集合である必要もない。
- A′ は常に閉集合だ。
- A が閉集合であることと A′⊆A であることは同値だ。
- 閉包は A=A∪A′ で表される:導来集合を加えることで集合を「閉じる」。
- 導来集合は単調で合併に関して分配し、反復すると深い構造的情報が現れる(カントール–ベンディクソン)。