路盤

数学の位相幾何学において、位相空間( X , τ )位相τの部分基底(または部分基底前基底前基底)とは、を開集合として含む最小の位相という意味でを生成するの部分集合である。一部の著者は若干異なる定義を用いており、この定義には他の有用な同等の定式化が存在する。これらについては以下で論じる。 B{\displaystyle B}τ{\displaystyle \tau}τ{\displaystyle \tau ,}τ{\displaystyle \tau}B{\displaystyle B}

サブベースは、トポロジの ベースの概念よりも弱い概念です。

意味

を位相空間とし、の位相Aの部分基底は通常、次の 3 つの同値条件のいずれかを満たす の 部分集合として定義されます。X{\displaystyle X}τ{\displaystyle \tau .}τ{\displaystyle \tau}B{\displaystyle B}τ{\displaystyle \tau}

  1. τ{\displaystyle \tau}は を含む最小の位相である。を含む任意の位相にはも含まれている必要がある。B{\displaystyle B}τ{\displaystyle \tau ^{\prime }}X{\displaystyle X}B{\displaystyle B}τ{\displaystyle \tau .}
  2. τ{\displaystyle \tau}を含むすべての位相の交差であるX{\displaystyle X}B{\displaystyle B.}
  3. の集合と の元の有限交差すべてから成る開集合の集合は、の基底を形成する[ 1 ] [注 1 ]これは、のすべての適切な開集合がの元の有限交差の和集合として表されることを意味する。明示的に、開集合内の点が与えられたとき、これらの集合の交差が を含み、 に含まれるようなの集合が有限個存在する。X{\displaystyle X}B{\displaystyle B}τ{\displaystyle \tau .}τ{\displaystyle \tau}B{\displaystyle B.}×{\displaystyle x}あなたX{\displaystyle U\subsetneq X,}S1Sn{\displaystyle S_{1},\ldots ,S_{n}}B{\displaystyle B,}×{\displaystyle x}あなた{\displaystyle U.}

さらに が をカバーすると仮定するか、または零項交差規則を使用する場合は、3 番目の定義に を含める必要はありません。 B{\displaystyle B}X{\displaystyle X}X{\displaystyle X}

が のサブベースである場合、 が位相を生成すると言います。この用語は、上記の 2 番目または 3 番目の定義を使用して を明示的に構築することに由来します。B{\displaystyle B}τ{\displaystyle \tau}B{\displaystyle B}τ{\displaystyle \tau .}τ{\displaystyle \tau}B{\displaystyle B}

部分基底の元は部分基底(開)集合と呼ばれる。部分基底集合からなる被覆は部分基底(開)被覆と呼ばれる。

冪集合の任意の部分集合に対して、 を部分基底とする位相が一意に存在します。これは、 を含む 上のすべての位相の共通部分です。しかし、一般に逆は成り立ちません。つまり、与えられた位相に対して一意の部分基底は存在しません。 S{\displaystyle S}X{\displaystyle \wp (X),}S{\displaystyle S}X{\displaystyle X}S{\displaystyle S}

このように、固定された位相から始めてその位相の部分基底を求めることもできるし、また、冪集合の任意の部分集合から始めて、その部分集合によって生成される位相を形成することもできる。上記のどちらの等価な定義も自由に用いることができる。実際、多くの場合、3つの条件のうちの1つが他の条件よりも有用である。 X{\displaystyle \wp (X)}

代替定義

あまり一般的ではないが、サブベースのわずかに異なる定義が与えられており、サブベースが[ 2 ]を覆うことを要求する 。この場合、は に含まれるすべての集合の和集合である。これは、定義におけるヌル集合の交差の使用に関して混乱が生じないことを意味する。 B{\displaystyle {\mathcal {B}}}X{\displaystyle X.}X{\displaystyle X}B{\displaystyle {\mathcal {B}}.}

しかし、この定義は必ずしも上記の3つの定義と等価ではありません。位相 の部分集合を持つ位相空間が存在し、そのような位相空間で は を含む最小の位相ですが、 はをカバーしません。例えば、とに対してを持つ位相空間を考えてみましょう。明らかにはの部分基底ですが、が少なくとも 個の元を持つ限りははカバーしません。実際には、これはまれなケースです。例えば、少なくとも2つの点を持ち、T 1分離公理を満たす空間の部分基底は、その空間のカバーでなければなりません。 Xτ{\displaystyle (X,\tau )}Bτ{\displaystyle {\mathcal {B}}\subseteq \tau }τ{\displaystyle \tau}B{\displaystyle {\mathcal {B}}}B{\displaystyle {\mathcal {B}}}X{\displaystyle X}Xτ{\displaystyle (X,\tau )}τ{{p}X}{\displaystyle \tau =\{\varnothing,\{p\},X\}}B{{p}}{\displaystyle {\mathcal {B}}=\{\{p\}\}}pX{\displaystyle p\in X.}B{\displaystyle {\mathcal {B}}}τ{\displaystyle \tau}B{\displaystyle {\mathcal {B}}}X{\displaystyle X}X{\displaystyle X}2{\displaystyle 2}

任意の部分集合(空集合を含む)によって生成される位相は、自明な位相と等しい。S{X}{\displaystyle {\mathcal {S}}\subseteq \{\varnothing,X\}}S:={\displaystyle {\mathcal {S}}:=\varnothing }{X}{\displaystyle \{\varnothing,X\}.}

が上の位相でがの基底である場合、によって生成される位相はである。したがって、位相の任意の基底は の部分基底でもある。が の任意の部分集合である 場合、 によって生成される位相はの部分集合となる。τ{\displaystyle \tau}X{\displaystyle X}B{\displaystyle {\mathcal {B}}}τ{\displaystyle \tau}B{\displaystyle {\mathcal {B}}}τ{\displaystyle \tau .}B{\displaystyle {\mathcal {B}}}τ{\displaystyle \tau}τ{\displaystyle \tau .}S{\displaystyle {\mathcal {S}}}τ{\displaystyle \tau}S{\displaystyle {\mathcal {S}}}τ{\displaystyle \tau .}

実数 上の通常の位相は、またはの形式の半無限開区間すべてからなる部分基底を持つ。ここで、 と は実数である。これらを合わせると通常の位相が生成される。なぜなら、 の共通部分は通常の位相を生成するからである。2つ目の部分基底は、 とが有理数である部分族を取ることで形成される。2つ目の部分基底も通常の位相を生成する。なぜなら、 が有理数である開区間は通常のユークリッド位相の基底となるからである。 R{\displaystyle \mathbb {R} }1つの{\displaystyle (-\infty,a)}b{\displaystyle (b,\infty ),}1つの{\displaystyle a}b{\displaystyle b}1つのbb1つの{\displaystyle (a,b)=(-\infty ,b)\cap (a,\infty )}1つのb{\displaystyle a\leq b}1つの{\displaystyle a}b{\displaystyle b}1つのb{\displaystyle (a,b)}1つの{\displaystyle a,}b{\displaystyle b}

の形の半無限開区間全体からなる部分基底(ただしは実数)は、通常の位相を生成しない。結果として得られる位相は、を含むすべての開集合が も含む場合、T 1分離公理を満たさない。1つの{\displaystyle (-\infty,a)}1つの{\displaystyle a}1つの<b{\displaystyle a<b}b{\displaystyle b}1つの{\displaystyle a.}

各関数が位相を持つ関数の族によって定義される上の初期位相は、各 が連続となるような 上の最も粗い位相である。連続性は開集合の逆像によって定義できるため、これは 上の初期位相が、のすべての開部分集合上の範囲となる すべての を部分基底として取ることによって与えられることを意味する。 X{\displaystyle X}f:Xはい{\displaystyle f_{i}:X\to Y_{i},}はい{\displaystyle Y_{i}}X{\displaystyle X}f{\displaystyle f_{i}}X{\displaystyle X}f1あなた{\displaystyle f_{i}^{-1}(U),}U{\displaystyle U}Yi,{\displaystyle Y_{i},}

初期位相の 2 つの重要な特殊なケースは、関数の族が積から各因子への射影の集合である積位相と、族が 1 つの関数 (包含写像)のみで構成される部分空間位相です。

からへの連続関数の空間上のコンパクト開位相は、関数の集合がコンパクトであり、 がの開部分集合であるような関数の集合を部分基底として持つ。 X{\displaystyle X}Y{\displaystyle Y}V(K,U)={f:XYf(K)U}{\displaystyle V(K,U)=\{f:X\to Y\mid f(K)\subseteq U\}}KX{\displaystyle K\subseteq X}U{\displaystyle U}Y.{\displaystyle Y.}

が を含むハウスドルフ位相空間であるとする(例えば、ユークリッド位相を持つ)。をの任意の空でない部分集合とし(例えば、は における空でない有界開区間となり得る)、 を から継承する 上の部分空間位相を表すものとする(したがって)このとき、上でによって生成される位相は の和集合に等しい(説明については脚注を参照) [注 2 ] 。 ここで( はハウスドルフなので、 の場合に限り等式が成立する)。が の真部分集合である場合、 はを含みながらを覆わない上の最小の位相である(つまり、 の和集合は の真部分集合である)ことに注意されたい。 (X,τ){\displaystyle (X,\tau )}X{\displaystyle X}X=R{\displaystyle X=\mathbb {R} }Yτ{\displaystyle Y\in \tau }(X,τ){\displaystyle (X,\tau )}Y{\displaystyle Y}R{\displaystyle \mathbb {R} }ν{\displaystyle \nu }Y{\displaystyle Y}Y{\displaystyle Y}(X,τ){\displaystyle (X,\tau )}ντ{\displaystyle \nu \subseteq \tau }ν{\displaystyle \nu }X{\displaystyle X}{X}ν{\displaystyle \{X\}\cup \nu }{X}ντ{\displaystyle \{X\}\cup \nu \subseteq \tau }(X,τ){\displaystyle (X,\tau )}Y=X{\displaystyle Y=X}Y{\displaystyle Y}X,{\displaystyle X,}{X}ν{\displaystyle \{X\}\cup \nu }X{\displaystyle X}ν{\displaystyle \nu }ν{\displaystyle \nu }X{\displaystyle X}VνV=Y{\displaystyle \bigcup _{V\in \nu }V=Y}X{\displaystyle X}

サブベースを使用した結果

部分基底に関する興味深い事実の一つは、関数の連続性は値域の部分基底上でのみ確認すればよいということである。つまり、が位相空間間の写像であり、が の部分基底である場合、が連続であることと、 が任意のに対してで開いていることとが同値である。 ネット(またはシーケンス点に収束することと、 のすべての部分基底近傍がに対してすべてを含むこととが同値である。f:XY{\displaystyle f:X\to Y}B{\displaystyle {\mathcal {B}}}Y,{\displaystyle Y,}f:XY{\displaystyle f:X\to Y}f1(B){\displaystyle f^{-1}(B)}X{\displaystyle X}BB.{\displaystyle B\in {\mathcal {B}}.}x=(xi)iI{\displaystyle x_{\bullet }=\left(x_{i}\right)_{i\in I}}x{\displaystyle x}x{\displaystyle x}xi{\displaystyle x_{i}}iI.{\displaystyle i\in I.}

アレクサンダー部分基底定理

アレクサンダー部分基数定理は、ジェームズ・ワデル・アレクサンダー2世による部分基数に関する重要な結果である。[ 3 ]対応する結果は、(部分基数ではなく)基本開被覆の場合の方が証明がはるかに容易である。

アレクサンダー部分基底定理: [ 3 ] [ 1 ]が位相空間であり、がの部分基底であるとする。からの元によるのすべての被覆が有限部分被覆を持つ場合、 はコンパクトである。(X,τ){\displaystyle (X,\tau )}S{\displaystyle {\mathcal {S}}}τ.{\displaystyle \tau .}X{\displaystyle X}S{\displaystyle {\mathcal {S}}}X{\displaystyle X}

この定理の逆も成り立つ(の元によるの被覆はすべて の開被覆であるため) X{\displaystyle X}S{\displaystyle {\mathcal {S}}}X{\displaystyle X}

を位相空間とし、をのサブベースとします。がコンパクトであれば、からの要素によるのすべてのカバーには有限のサブカバーが存在します。(X,τ){\displaystyle (X,\tau )}S{\displaystyle {\mathcal {S}}}τ.{\displaystyle \tau .}X{\displaystyle X}X{\displaystyle X}S{\displaystyle {\mathcal {S}}}

この証明はツォルンの補題を用いているが、選択原理の完全な強さを必要としない。代わりに、中間的な超濾過原理に依拠している。[ 3 ]

この定理を上記の部分基底と組み合わせることで、 における有界閉区間がコンパクトであることを非常に簡単に証明できます。より一般的には、空でないコンパクト空間の積がコンパクトであることを述べるティコノフの定理は、アレクサンダー部分基底定理を用いれば簡単に証明できます。 R{\displaystyle \mathbb {R} }R{\displaystyle \mathbb {R} }

参照

注記

  1. ^ルディンの定義は我々の定義よりも一般性に欠ける。なぜなら、事実上、 が を覆うある(以下の「代替定義」の節を参照)。ここではこの要求を省略し、 がの任意の部分集合であるB{\displaystyle B}X{\displaystyle X}B{\displaystyle B}P(X){\displaystyle {\mathcal {P}}(X)}
  2. ^は 上の位相であり、はの開部分集合であるが 上の位相であることは容易に証明できます。特に、ため、和集合と有限集合交差に関して閉じています。しかし、上の位相ではない含む 上の最小の位相であることは明らかです。ν{\displaystyle \nu }Y{\displaystyle Y}Y{\displaystyle Y}(X,τ),{\displaystyle (X,\tau ),}{X}ν{\displaystyle \{X\}\cup \nu }X{\displaystyle X}ν{\displaystyle \nu }τ{\displaystyle \tau }Xν{\displaystyle X\not \in \nu }ν{\displaystyle \nu }X{\displaystyle X}{X}ν{\displaystyle \{X\}\cup \nu }X{\displaystyle X}ν{\displaystyle \nu }

引用

  1. ^ a b Rudin 1991、p. 392付録A2。
  2. ^ムンクレス 2000、82ページ。
  3. ^ a b c Muger, Michael (2020).働く数学者のための位相幾何学.

参考文献