導来集合

Basis
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前提知識

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。AA 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、AA 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)(X, \tau)位相空間とし、AXA \subseteq X とする。AA導来集合(derived set)AA' とは、AA のすべての集積点の集合のことだ:

A{xX:Uτ, xU    (U{x})A}.(1)A' \coloneqq \{ x \in X : \forall\, U \in \tau,\ x \in U \implies (U \setminus \{x\}) \cap A \neq \varnothing \}. \tag{1}

導来集合は XX の部分集合だが、AA の部分集合である必要はなく、AAAA' の部分集合である必要もない。

標準位相の下での R\mathbb{R}

  • A=(0,1)A = (0, 1) とする。A=[0,1]A' = [0, 1][0,1][0,1] のすべての点は、端点 0011 も含め、すべての開近傍で (0,1)(0,1) と交わる。
  • A={1/n:nN+}A = \{1/n : n \in \mathbb{N}^+\} とする。A={0}A' = \{0\}:唯一の集積点は 00 であり、0A0 \notin A
  • A=QA = \mathbb{Q} とする。A=RA' = \mathbb{R}:すべての実数は有理数で近似できる。
  • A=ZA = \mathbb{Z} とする。A=A' = \varnothing: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 AXA \subseteq X について A=A' = \varnothing

R\mathbb{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 AA と任意の xRx \in \mathbb{R} について、xx を含む任意の開集合 UU は有限の補集合を持つため R\mathbb{R} のほぼすべての点を含み、(U{x})A(U \setminus \{x\}) \cap A は無限大になる。よってすべての無限集合 AA に対して A=RA' = \mathbb{R}

性質

(X,τ)(X, \tau) を位相空間とし、A,BXA, B \subseteq X とする。

  • 単調性(monotone):ABA \subseteq B ならば ABA' \subseteq B'。(BB の点が多い分、開近傍を埋めるのに有利になる。)
  • 合併(AB)=AB(A \cup B)' = A' \cup B'ABA \cup B の集積点は AA または BB の集積点(あるいは両方)だ。
  • 共通部分(AB)AB(A \cap B)' \subseteq A' \cap B'、ただし等号は一般に成立しない。
  • 導来集合の導来集合AAAA'' \subseteq A \cup A'(ただし A=(A)A'' = (A')' は導来集合の導来集合)。この包含関係は、AA の集積点の集積点自体が AA に属するか AA の集積点であることを意味する。
  • AA' は閉集合(後述)。

導来集合が閉集合であることの証明

AA' が常に閉集合であることを示すには、その補集合 XAX \setminus A' が開集合であることを示せばよい。

任意の点 yAy \notin A' を取る。yyAA の集積点でないので、(V{y})A=(V \setminus \{y\}) \cap A = \varnothing — つまり VA{y}V \cap A \subseteq \{y\} — となる開集合 VyV \ni y が存在する。

次に、VV 内の点 zVz \in Vzyz \neq y であるものを取る。zAz \notin A'、すなわち zzAA の集積点でないことを示したい。開集合 VVzz の近傍であり(VV は開かつ zVz \in V)、(V{z})A(VA){z}{y}{z}=(V \setminus \{z\}) \cap A \subseteq (V \cap A) \setminus \{z\} \subseteq \{y\} \setminus \{z\} = \varnothingzyz \neq y なので)。よって zAz \notin A'

これにより、AA' に属さない任意の点 yyXAX \setminus A' に含まれる開近傍 VyV \ni y を持つことが分かり、XAX \setminus A' は開集合、AA' は閉集合だ。\square

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 AXA \subseteq X が閉集合であることと、AAA' \subseteq A であることは同値だ。

証明の概略.\RightarrowAA が閉集合とすると XAX \setminus A は開集合。xAx \notin A ならば XAX \setminus Axx を含む開集合であって (XA)A=(X \setminus A) \cap A = \varnothing だから xxAA の集積点でない。よって AAA' \subseteq A

\LeftarrowAAA' \subseteq A と仮定する。任意の yAy \notin A を取ると yAy \notin A' なので、UA{y}U \cap A \subseteq \{y\} となる開集合 UyU \ni y が存在する。yAy \notin A なので UA=U \cap A = \varnothing、つまり UXAU \subseteq X \setminus AXAX \setminus A のすべての点が XAX \setminus A 内に開近傍を持つので、XAX \setminus A は開集合、AA は閉集合だ。\square

平易な言葉で言えば:AA が閉集合であることと、AA が「自身の極限的な振る舞いをすべて含む」こと — AA が集積する点がすでに AA 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\overline{A} の公式の核心的な構成要素だ:

A=AA.(2)\overline{A} = A \cup A'. \tag{2}

閉包 A\overline{A}AA を含む最小の閉集合だ。公式 (2)(2) は、AA 自身に AA 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 AAA \cup A' が閉集合であることも確認できる:(AA)=AAA(AA)=AA(A \cup A')' = A' \cup A'' \subseteq A' \cup (A \cup A') = A \cup A' なので、AAA \cup 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。AA から出発して A=A(1)A' = A^{(1)}、次に A=A(2)A'' = A^{(2)}、と続ける。R\mathbb{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 AA'AA のすべての集積点の集まりだ。
  • AA'AA の部分集合である必要はなく、AAAA' の部分集合である必要もない。
  • AA' は常に閉集合だ。
  • AA が閉集合であることと AAA' \subseteq A であることは同値だ。
  • 閉包A=AA\overline{A} = A \cup 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)。