距離空間のあいだの連続写像:トピック一覧  

 ・連続性の定義:点での連続性/点集合上連続/リプシッツ連続/一様連続性 
 
・連続性の性質:点列の収束との関係/開集合の逆像との関連  
 
・連続写像一般の性質:合成写像の連続性 
 
・コンパクト空間上の性質:連続写像のコンパクト不変性/コンパクト空間上の連続写像の一様連続性 
 
・連結な空間上の性質:連続写像の連結不変性   

 ※距離空間の間の写像の諸概念:写像の定義/極限の定義/連続写像の性質 
 ※距離空間の間の連続写像の具体例:1変数関数の連続性/2変数関数の連続性/ n変数関数の連続性/
                    実数値関数の連続性/ベクトル値関数の連続性 
 ※距離空間の間の連続写像の一般化:位相空間のあいだの連続写像  
 
→参考文献/総目次

定義: 距離空間のあいだの写像が点Aで連続

はじめに
読むべき
定義

「写像『f:E→Y』は、点Aで連続であるcontinuous」とは、
 次の
3条件がすべて満たされることを言う。
 
(1) f (A)が定義されていること
 
(2) 
    が存在すること。 
    つまり、
P→Aで、f (P)が収束すること。   
 
(3)
   が成立すること。
   つまり、
f (P) → f (A)(P→A)   
※上記条件の一つでも満たされていないとき、
 「
f:E→Y」は点Aで不連続であるdiscontinuousという。

cf.集合上で連続/一様連続性

具体例:1変数関数/2変数関数/ n変数関数/実数値関数/ベクトル値関数

一般化:位相空間上の写像

[文献]
矢野『
距離空間と位相構造』1.1.3(p.14)

舞台設定

厳密には、
「距離空間から距離空間への写像が点
Aで連続」の定義は、以下の手順で設定された舞台の上でなされる。
Step1:2つの集合を用意する(集合ならなんでもよい)。
      ・
集合X
      ・集合Y
Step
2:集合Xの部分集合のひとつ(Xの部分集合ならなんでもよい)を選んで、集合E と名づける。
    つまり、「
E⊂X」  
Step3:「集合Xの部分集合E」から「集合Y」への写像 f を用意。
    つまり、「
f:E→Y 」 
Step4:集合Xに距離dX を定めて、集合X上に、距離空間( X , dX )を設定。
Step5:集合Yに距離dY を定めて、集合Y上に、距離空間( Y , dY )を設定。
Step6:「集合Xの部分集合E」上の動点を、Pと名づける。
    「集合
Xの部分集合E」上の定点を、Aと名づける。 
        つまり、「
P, A∈E⊂X」  

厳密な
定義
ε
-δ論法

「写像『f:E→Y』は、点Aで連続であるcontinuous」とは、
 
任意の正数εに対して、ある正の実数δが存在して、
  「
dX( P, A )<δ ⇒ dY ( f (P), f (A) )<ε 」
 を成り立たせる、ということ。
この定義を、
論理記号で表せば、
(∀ε>0)(∃δ>0)(∀P∈E )( dX( P, A )<δ ⇒ dY ( f (P), f (A) )<ε )
  
* dX( P, A )は、距離空間( X , dX )でのPとAとの距離を、
   
dY ( f (P), f (A) )は、距離空間( Y , dY )上の f (P)とf (A)との距離を表す。

* 「P→Aのときfが収束する」の定義では、 0<dX( P, A )<δ であった。
  つまり、
「極限」では、P=Aを除外して考えたが、
     「連続」では
P=Aを除外しないことになる。

[文献]
ルディン『
現代解析学』4.5(p.83)。
松坂『
集合・位相入門』6章§1D定理3(pp.240-2)。

厳密な
定義
近傍

「写像『f:X→Y』は、点Aで連続であるcontinuous」とは、
 
距離空間( Y , dY )上の点f (A)の任意の「ε近傍 Uε( f (A) )」に対して、
 ある「
Xにおける点Aのδ近傍Uδ(A)」が存在して、
     
f ( Uδ(A)) ⊂ Uε( f (A) ) 
 を満たす
ということ。
この定義を別の表現でいうと、
 
任意の(どんな)正の実数εに対して(でも)、ある正の実数δが存在して、
        「 
f ( Uδ(A) ) ⊂ Uε( f (A) )  」
    すなわち「 
P∈Uδ(A) ならば、f (P) ∈Uε( f (A) )」
 を成り立たせる、
ということ。
この定義を、
論理記号で表せば、
(
∀ Uε( f (A) ) )(∃Uδ(A))( f ( Uδ(A) ) ⊂ Uε( f (A) ) ) 
(
∀ε>0)(∃δ>0)( f ( Uδ(A) ) ⊂ Uε( f (A) ) ) 
(
∀ε>0)(∃δ>0)(∀P∈E)( P∈Uδ(A) ⇒ f (P) ∈Uε( f (A) )) 
となる。

[文献]
松坂『集合・位相入門』6章§1D定理3(pp.240-2)。

二階堂『
現代経済学の数学的方法』2章§13定理1(p.91)

活用例

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定義:距離空間のあいだの写像が集合E上で連続

はじめに
読むべき
定義

「写像『f:E→Y』が、集合Eで連続であるcontinuous」とは
  集合
Eに属す各点でfが連続である
ことをいう。  


cf
.点での連続性/一様連続性
具体例:1変数関数/2変数関数/ n変数関数/実数値関数/ベクトル値関数/ 

一般化:位相空間上の写像

[文献]
ルディン『
現代解析学』4.5(p.83);
矢野『距離空間と位相構造』1.1.3(p.14)

『岩波数学辞典』項目92距離空間I.一様連続 (pp.255).

舞台設定

厳密には、
「距離空間から距離空間への写像が集合
Eで連続」の定義は、
 以下の手順で設定された舞台の上でなされる。
Step1:2つの集合を用意する(集合ならなんでもよい)。
      ・
集合X
      ・集合Y
Step
2:集合Xの部分集合のひとつ(Xの部分集合ならなんでもよい)を、選んで、
      
集合E 
    と名づける。 
    つまり、「
E⊂X」  
Step3:「集合Xの部分集合E」から「集合Y」への写像 f を用意。
    つまり、「
f:E→Y 」 
Step4:集合Xに距離dX を定めて、集合X上に、距離空間( X , dX )を設定。
Step5:集合Yに距離dY を定めて、集合Y上に、距離空間( Y , dY )を設定。
Step6:「集合Xの部分集合E」上の動点を、Pと名づける。
    「集合
Xの部分集合E」上の定点を、Aと名づける。 
        つまり、「
P, A∈E⊂X」  

厳密な
定義
ε
-δ論法

「写像『f:E→Y』が、集合Eで連続であるcontinuous」とは
  「集合
Eに属す点Aをひとつ選んで固定した上で、
   
任意の正数εに対して、ある正数δをとると、
     
dX( P, A )<δ ⇒ dY ( f (P), f (A) )<ε    …(1)
   が成り立つ」
  ということが、すべての点
A∈Eについてもいえるということ。
論理記号で表せば、すなわち
 
( ∀ A∈E ) ( ∀ε>0 ) ( ∃δ>0 ) ( ∀ P∈E ) ( dX( P, A )<δ ⇒ dY ( f (P), f (A) )<ε )
※ここで、(1)を満たすδを全てのA∈Eに対して共通に選ぶ必要はないことに注意。
 「
fがE上で連続」と言った場合、A∈Eの選び方で(1)を満たすδが変わってもよい。
 これに対して、
 
(1)を満たすδを全てのA∈Eに対して共通に選べる、
 A∈Eの選び方によらず、εだけに対応して (1)を満たすδを一様に選べることを意味する概念は、
 
一様連続性。

厳密な
定義
近傍

「写像『f:X→Y』は連続であるcontinuous」とは、
 集合
Xに属す限りで任意の点Aと、
 
距離空間( Y , dY )上の点f (A)の任意の「ε近傍 Uε( f (A) )」に対して、
 ある「
Xにおける点Aのδ近傍Uδ(A)」が存在して、
     
f ( Uδ(A)) ⊂ Uε( f (A) ) 
 を満たす
ということ。
この定義を別の表現でいうと、
 集合
Xに属す限りで任意の点Aと、任意の(どんな)正の実数εに対して、
   ある
正の実数δが存在して、
        「 
f ( Uδ(A) ) ⊂ Uε( f (A) )  」
    すなわち「 
P∈Uδ(A) ならば、f (P) ∈Uε( f (A) )」
 を成り立たせる、
ということ。
この定義を、
論理記号で表せば、
(∀A∈X ) (∀ Uε( f (A) ) )(∃Uδ(A))( f ( Uδ(A) ) ⊂ Uε( f (A) ) ) 
(∀A∈X )(∀ε>0)(∃δ>0)( f ( Uδ(A) ) ⊂ Uε( f (A) ) ) 
(∀A∈X )(∀ε>0)(∃δ>0)(∀P∈E)( P∈Uδ(A) ⇒ f (P) ∈Uε( f (A) )) 
となる。

     

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定理:距離空間のあいだの写像の点における連続性の、点列の収束への言い換え 

 

→ 1変数関数の連続の、数列の収束への言い換え
→
2変数関数の連続の、点列・数列の収束への言い換え
→
n変数関数の連続の、点列・数列の収束への言い換え
→
ベクトル値関数の連続の、点列の収束への言い換え 

[文献]
矢野『距離空間と位相構造』定理1.5(p.14):証明付
松坂『集合・位相入門』6章§1D定理3(pp.240-2):証明付。
神谷浦井『
経済学のための数学入門』定義4.3.3(p.139)
二階堂『現代経済学の数学的方法』2章§13(p.90)

要旨

距離空間から距離空間への写像の連続性は、
収束点列の像の点列の収束に、
言いかえられる。 

舞台設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台の上で成り立つ。
Step1:2つの集合を用意する(集合ならなんでもよい)。
      ・
集合X
      ・集合Y
Step
2:「集合X」から「集合Y」への写像 f を用意。
    つまり、「
f:X→Y 」 
Step4:集合Xに距離dX を定めて、集合X上に、距離空間( X , dX )を設定。
Step5:集合Yに距離dY を定めて、集合Y上に、距離空間( Y , dY )を設定。
Step6:「集合X」上の動点を、Pと名づける。
    「集合
X」上の定点を、Aと名づける。 
        つまり、「
P, A∈X」  

定理

次の命題P,Qは互いに言い換え可能である。
つまり、命題
P⇔命題Q。

命題P:
 
写像「 f:X→Y 」は、点Aで連続 

 

命題Q:
 
距離空間( X , dX )上のどんな点列{ Pi }={ P1 , P2 , P3,…}についてであれ、
   点列{ Pi }={ P1 , P2 , P3,…}が点Aに収束する限り、
 その
点列の各項 P1 , P2 , P3,…を写像fによりY上に写した像の点列 
    {
f ( Pi ) }={ f ( P1 ), f ( P2 ) , f ( P3 ) ,… }
 は
 点
Aを写像fによりY上に写した像 f ( A ) に収束する。
 つまり、
  
距離空間( X , dX )上の任意の点列{ Pi }={ P1 , P2 , P3,…}について、
               
Pi→A (i→∞) ならば、f ( Pi)→ f ( A ) (i→∞) 
 
論理記号で表すと、
   
(∀{ Pi })( Pi→A (i→∞) ⇒ f ( Pi)→ f ( A ) (i→∞) )

※なぜ?
  
関数の収束の定義と、関数の連続性の定義を見比べたうえで、
  
関数の収束と点列の収束の関連性についての定理を、関数の連続性向けに修正。 

活用例

 

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セブンアンドワイ

定理:距離空間のあいだの連続写像と、開集合の逆像 

   

Cf.位相空間における連続写像定義/ベクトル値関数のケース 

[文献]
ルディン『現代解析学』4.8(p.83):証明付。
神谷浦井『
経済学のための数学入門』定義4.5.3(p.150)
二階堂『現代経済学の数学的方法』2章§13定理3(p.93):証明付

舞台設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台の上で成り立つ。
Step1:2つの集合を用意する(集合ならなんでもよい)。
      ・
集合X
      ・集合Y
Step
2:「集合X」から「集合Y」への写像 f を用意。
    つまり、「
f:X→Y 」 
Step4:集合Xに距離dX を定めて、集合X上に、距離空間( X , dX )を設定。
Step5:集合Yに距離dY を定めて、集合Y上に、距離空間( Y , dY )を設定。

定理

次の命題P,Qは互いに言い換え可能である。
つまり、命題
P⇔命題Q。

命題P:
 
写像「 f:X→Y 」は、X上連続。 

 

命題Q:
 
距離空間( Y , dY )上の任意の開集合OYに対して、
  
OYの fによるX上の逆像 f-1( OY )は、距離空間( X , dX )上の開集合となる。 

※なぜ?→ルディン『現代解析学』4.8(p.83) 

     

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定理:距離空間のあいだの合成写像の連続性

要旨

二つの連続写像の合成写像は連続。

 

設定

この定理は、以下の手順で設定された舞台の上で成立する。
Step1:3つの集合を用意する(集合ならなんでもよい)。
      ・
集合X
      ・集合Y
      ・集合Z
Step
2:集合Xの部分集合のひとつ(Xの部分集合ならなんでもよい)を、選んで、
      
集合E 
    と名づける。 
    つまり、「
E⊂X」  
Step3:「集合Xの部分集合E」から「集合Y」への写像 f を用意。
    つまり、「
f:E→Y 」 
Step4:「集合Yの部分集合 f (E)」から「集合Z」への写像 g を用意。
    つまり、「
g:f (E)→Z 」 
Step5:集合Xに距離dX を定めて、集合X上に、距離空間( X , dX )を設定。
Step6:集合Yに距離dY を定めて、集合Y上に、距離空間( Y , dY )を設定。
Step7:集合Zに距離dZ を定めて、集合Z上に、距離空間( Z , dZ )を設定。
Step8:「集合Xの部分集合E」上の動点を、Pと名づける。
    「集合
Xの部分集合E」上の定点を、Aと名づける。 
        つまり、「
P, A∈E⊂X」  


[具体例]
1変数関数の合成関数の連続性/ベクトル値関数のケース
[一般化]
位相空間のあいだの写像の合成写像の連続性 

[文献]
ルディン『
現代解析学』4.7(p.84):証明付;
矢野『距離空間と位相構造』定理4.1(p.14):証明付;

定理

写像『f:E→Y』が点A∈E⊂Xで連続、
かつ
写像『g:f (E)→Z』が点f (A)∈f (E)⊂Yで連続
ならば、
合成写像 g〇f (P)= g ( f (P)))は、点A∈E⊂Xで連続。

※

具体例:1変数関数の合成関数の連続性、2変数関数の合成関数の連続性、

     

→[トピック一覧:距離空間のあいだの連続写像]
→総目次

定義:距離空間のあいだのリプシッツ連続写像 

   

Cf.位相空間における連続写像定義

[文献]
矢野『距離空間と位相構造』例1.12(p.15)例4.7(p.130)

舞台設定

この定義は、以下の手順で設定された舞台の上でなされる。
Step1:2つの集合を用意する(集合ならなんでもよい)。
      ・
集合X
      ・集合Y
Step
2:「集合X」から「集合Y」への写像 f を用意。
    つまり、「
f:X→Y 」 
Step4:集合Xに距離dX を定めて、集合X上に、距離空間( X , dX )を設定。
Step5:集合Yに距離dY を定めて、集合Y上に、距離空間( Y , dY )を設定。

定義

 
   
     

→[トピック一覧:距離空間のあいだの連続写像]
→総目次

定義:距離空間のあいだの写像の一様連続性 uniformly continuous

舞台設定

「距離空間から距離空間への写像の一様連続性」の定義は、
 以下の手順で設定された舞台の上でなされる。 
Step1:2つの集合を用意する(集合ならなんでもよい)。
      ・
集合X
      ・集合Y
Step
2:「集合X」から「集合Y」への写像 f を用意。
    つまり、「
f:X→Y 」 
Step3:集合Xに距離dX を定めて、
    集合
X上に距離空間( X , dX )を設定。
Step4:集合Yに距離dY を定めて、
    集合
Y上に距離空間( Y , dY )を設定。
Step5:「集合Xの部分集合E」上の動点を、Pと名づける。
    「集合
Xの部分集合E」上の定点を、Aと名づける。
        つまり、「
P, A∈X」  


cf
.E上で連続:δが各A∈E毎にちがっていてもよい。
[具体例]1変数関数の一様連続性/2変数関数の一様連続性/ n変数関数の一様連続性/ベクトル値関数の一様連続性 
[一般化]実数値関数の一様連続性
[文献]
『
岩波数学辞典』項目92-I一様連続 (pp.255).
松坂『集合・位相入門』6章§3A(p.253)。
ルディン『
現代解析学』4.18(p.88)。
斉藤『
数学の基礎:集合・数・位相』5.4.1 (p.167);
神谷浦井『経済学のための数学入門』4.6(p.159):近傍で表現。
矢野『
距離空間と位相構造』4.1(p.130)

定義

「写像『f:X→Y』はX上で一様連続uniformly continuousである」とは、
 
任意の正数εに対して、ある正数δをとると、
  「
dX (P, A)<δを満たす限りで任意の『Xの元』」P,Aについて、dY ( f (P), f (A) )<εが成り立つ 
ということ。
論理記号で表せば、すなわち、
( ∀ε>0 ) ( ∃δ>0 ) ( ∀A∈X ) ( ∀P∈X ) ( dX( P, A )<δ ⇒ dY ( f (P), f (A) )<ε)
※δが、各A∈Dに対して一様にとれることを意味している点が、重要。

近傍を
用いた
定義

「写像『f:X→Y』はX上で一様連続uniformly continuousである」とは、
 
任意の正数εに対して、ある正数δをとると、
  「
すべての『Xの元』Aについて、 f ( Uδ(A) ) ⊂ Uε( f (A) ) 」

 を成り立たせる、
ということ。   
この定義を、
論理記号で表せば、
  
(∀ε>0)(∃δ>0)(∀A∈X )( f ( Uδ(A) ) ⊂ Uε( f (A) ) ) 
となる。
[神谷浦井『経済学のための数学入門』4.6(p.159)]

性質

・写像『f:X→Y』 がX上で一様連続ならば、f はX上で連続。  
・一般には、
写像『f:X→Y』がX上で連続だからといって、X上で一様連続だとは限らない。
・
Xがコンパクトならば、写像『f:X→Y』がXで一様連続であることと連続であることは同値
 →
詳細 

否定命題

「写像『f:X→Y』はX上で一様連続でない」とは、
 
( ∃ε>0 ) ( ∀δ>0 ) ( ∃A∈D ) ( ∃P∈D ) ( dX( P, A )<δ かつ dY ( f (P), f (A) )≧ε )
          [杉浦『解析入門I』�W章積分§4連続関数の可積分性-定理4.1証明(4.4)(p. 226)]

※

関連事項:点での連続性/X上で連続(δが各A∈X毎にちがってもよい)   
具体例
:1変数関数の一様連続性/2変数関数の一様連続性/ n変数関数の一様連続性/ 

     

→[トピック一覧:距離空間のあいだの連続写像]
→総目次

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