距離空間 (R2,d): トピック一覧  


A. R2/平面/点/距離・距離空間(R2,d)/2次元ユークリッド距離/2次元ユークリッド空間 
B. 平面R2におけるε近傍/除外δ近傍 
C. 点集合/内点/外点/境界点/境界/開核/閉包/稠密/集積点/孤立 点/離散集合/開集合/閉集合/区間/開区間/閉区間・閉矩形/有界な集合/直径
  連結/弧状連 結/連結・弧状連結・折線の関係/凸集合/領域/閉領域 
※関連ページ:距離空間(R2,d) 上の開集合の性質/距離空間(R2,d) と位相空間/(R2,d) 上のコンパクト集合/ハイネ・ボレル・ルベーグの被覆定理 
※関連ページ:距離空間一般/距 離空間(R1,d)/距離空間(Rn,d)/位相空間 
※参考文献・総目次

定義:R2, n次元空間, 点 

・R2

実数を2個並べた組 (x,y) をすべてあつめた集合
  すなわち、「実数全体の集合R」と「実数全体の集合R」の直積
          R×R={ (x,y) | x∈R かつ y∈R }  
のことを、R2で表す。
  ※R2は、実2次元数ベクトルをすべて集めた集合でもある。
   したがって、R2にベクトルの加法とスカラー乗法を定義して、
   実2次元数ベクトル空間とできる。

[文献]

 ・彌永『集合と位相II』p.136.
 ・小平『解析入門I』p.53,
 ・笠原『微分積分学』1.3(p.16).
 ・奥野鈴村『ミクロ経済学I』p.261
・平面 集合R2、すなわち、R×R={ (x,y) | x∈R かつ y∈R }のことを、平面と呼ぶ。  Cf.n次元空間Rn 
  ※平面R2にベクトルの加法とスカラー乗法を定義したものが、実2次元数ベクトル空間。
  ※R2にベクトルの加法とスカラー乗法を定義せず、
   R2を実2次元数ベクトル空間として扱っていないときでも、
   Rnを平面と呼ぶことがある。
・点 平面R2の要素、すなわち、実数を2個並べた組(x,y)のことを、平面R2の点と呼ぶ。
  ※平面R2の点は、実2次元数ベクトルでもある。

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:R2における距離と距離空間

定義

・P,Q,R ∈R2として、以下の4要件を満たす(ならば、どんな)非負実数値関数d: R2×R2→R+(であれ、それ)を、 
  R2上の距離関数metric,distance、d(P,Q)を点P,Q間の距離と呼ぶ。 
    (要件1) 正値性:  任意のP,Q∈R2に対して、d(P,Q)≧0  
  (要件2)      任意のP,Q∈R2に対して、d(P,Q)=0⇔P=Q  
           つまり、P=Qのときd(P,Q) = 0、
           また、d(P,Q)=0 になるのは、P=Qのときだけ。
  (要件3) 対称性:  任意のP,Q∈R2に対して、d(P,Q)=d(Q,P)  
  (要件4) 三角不等式 triangle inequality: 
            任意のP,Q,R∈R2に対して、d(P,R)≦d(P,Q)+d(Q,R) 
            つまり、
            Q経由でPからRまで測った値は直接PRを測った値以上。
・距離dが定義された集合R2を「距離空間」とよび、
   距離空間(R2,d)
 と書く。  
・このことを、「R2に距離distanceまたは計量metricがあたえられた」という。

[文献]

 ・小平『解析入門I』§1.6-g(p.72);
 ・ 矢野『距離空間と位相構造』1.1.1例1.3 (pp.3-5);
 ・志賀『位相への30講』第2項(pp.9-10);第11講(pp.78-80;82);
 ・松坂『集合・位相入門』4章§1A(p.138);6章§1A例1;
 ・斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』第3章§4数空間Rn(pp.84-93);4.5.6(p.127);
 ・西村『経済数学早わかり』1.4距離空間(p.280);
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』pp.120-1;135;
 ・佐久間『集合・位相』3.3距離空間と完備性(pp.56-8)
 ・彌永『集合と位相』pp.135-6;141;

[活用例]

 ・ε近傍の定義/有界な集合/直径
 ・点列の収束と極限の定義/2変数関数の極限の定義/連続性の定義 

[関連項目]

 ・距離空間のイントロダクション
 ・一般化:距離空間(Rn,d)/距離空間一般/位相空間
 ・具体化:距離空間(R,d) 

ベクトル表現

・R2を、
 ベクトルの加法・スカラー乗法が定義された実2次元数ベクトル空間
 として扱っている場合は、 
 次の手順で、R2に距離dを定義して、距離空間(R2,d)を構成するのが普通。
  [手順1]実2次元数ベクトル空間R2に内積〈 , 〉を定義して、
      計量実ベクトル空間とする。 
  [手順2]計量実ベクトル空間R2に内積により定まるノルム‖‖を定義した
      ノルム空間( R2, ‖‖ )
      を構成。
  [手順3]任意の実2次元数ベクトルx,yに対し、
      xと「yの逆ベクトル」の和の内積により定まるノルム
           d(x,y)=‖x−y‖  
      は、R2におけるx,y間の距離の定義を満たす。
      そこで、このノルムから定めた距離dをR2に定義して、
      距離空間(R2,d)を構成する。


→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

R2上の距離の例 


 平面R2の元P(x,y), Q(x',y')に たいして、以下の距離d(P,Q)をとると、
 dは距離の公準を満たし、(R2,d)は距離空間となる。
 

[文献]

 ・志賀『位相への30講』第2項(pp.9-10):ユークリッド距離;第11講(pp.78-80);第11講いろいろな距離(p.81);
 ・松坂『集合・位相入門』4章§1A(p.138);6章§1A例1(p.235);
 ・斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』第3章§4数空間Rn(pp.84-93);4.5.6(p.127);
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』3.2.3例3.2.1-3ノルムの例(pp.120-1);式3.12-14距離の例(pp.122-3);4.3.1(p.135);

[関連項目]

 ・一般化:Rn上の距離の例

(type1)

「ユークリッド距離」: d(P, Q) =

(x−x')2 +(y−y')2  

 ※ユークリッド距離の性質 
 ※距離dを、ユークリッド距離とした距離空間 (R2,d)を2次元ユークリッド空間という。
 ※n次元ユークリッド空間が距離の公準を満たすこ との証明
  →志賀『位相への30講』第 11講(pp.79-80); 斉藤『数学の基 礎:集合・数・位相』3.4.2 (pp.85-6);

 ※R2にベクトルの加法・スカラー乗法・自然な内積(標準内積)・ユークリッドノルム‖‖が定義されており、
  R2を実2次元数ベクトル空間・計量実ベクトル空間・ノルム空間として扱える場合、
  任意の実2次元数ベクトルx,y∈R2のユークリッド距離d(x,y)は、
  xと「yの逆ベクトル」の和のユークリッドノルム ‖x−y‖  
  と簡潔に表せる。   [→笠原『微分積分学』1.3(p.16)。]


(type2)
  「マンハッタン距離」「変分ノルムから導かれる距離」:d1(P,Q)=|x−x'|+|y−y'| 
           [→神谷浦井『経済学のための数学入門』式3.12-14(pp.122-3);4.3.1(p.135);]


(type3)
  「supノルムから導かれる距離」 d∞(P,Q)= max {|x−x'|,|y−y'| } 
  [|x−x'|,|y−y'|のうち、値の大きいほうを距離とする距離関数]
     [→ 松坂『集合・位相入門』6章§1A例1(p.235);]
     [→志賀『位相への30講』第11講いろいろな距離(p.81);]
     [→神谷浦井『経済学のための数学入門』式3.12-14(pp.122-3);4.3.1(p.135);]


(type4)

dr(P, Q)= 
r
(x−x')r +(y−y')r  
     [→志賀『位相への30講』第11講いろいろな距離(p.81);]



→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:2次元ユークリッド空間 2-dimensional Euclidean Space 

定義

・2次元ユークリッド空間とは、
 距離をユークリッド距離で定義した距離空間 (R2,d)のこと。

[文献]

 ・奥野鈴村『ミクロ経済学I』p.261
 ・志賀『位相への30講』第11講(p.79);


[関連項目]

 ・一般化:n次元ユークリッド空間 

ベクトル

表現

・R2を
 ベクトルの加法・スカラー乗法が定義された実2次元数ベクトル空間
 として扱っている場合、 
 2次元ユークリッド空間とは、
 実2次元数ベクトル空間R2に、
 次のように、内積、ノルム、距離を定めた距離空間 (R2,d)として定義される。
 手順1:実2次元数ベクトル空間R2に自然な内積(標準内積)を定義して、
    計量実ベクトル空間とする。 
 手順2:計量実ベクトル空間R2にユークリッドノルム‖‖を定義した
    ノルム空間(R2, ‖‖ )を設定。
 手順3:任意の実2次元数ベクトルx,yに対し、
      xと「yの逆ベクトル」の和のユークリッドノルム
         d(x,y)=‖x−y‖  
    は、R2におけるx,y間の距離の定義を満たす。
    そこで、このユークリッドノルムから定めた距離dをR2に定義して、
    距離空間 (R2,d)を設定する。
    このユークリッドノルムから定めた距離dをユークリッド距離と呼び、
    この距離空間 (R2,d)を2次元ユークリッド空間と呼ぶ。


→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次

R2における点Pのε近傍(ε-neighborhood) Uε(P)  

定義

・平面R2における「点Pのε近傍Uε(P)」とは、
 点Pからの距離がε以下となる「R2上の点」をすべてあつめた集合。
 すなわち、
 Uε(P)={ Q∈R2 | d(P,Q)<ε }(半径εは正ならばどんなに小さくてもよい)

[活用例]

 内点・境界点・開集合の定義/点列の収束と極限の定義/2変数関数の極限の定義/連続性の定義 

[文献]

 ・矢野『距離空間と位相構造』1.1.1例1.34(pp.38-9);
 ・小平『解析入門I』pp.54-65;
 ・杉浦『解析入門I』p.50.
 ・吹田新保『理工系の微分積分学』p.154;
 ・彌永『集合と位相』p.141;
 ・志賀『位相への30講』第2講(pp.12-6)
 ・笠原『微分積分学』1.3(p.17).
 ・布川谷野中山『線形代数と凸解析』定義6.3(p.118)。

※

上記定義より、
 「点Pのδ近傍Uδ(P)」といえば、
  Uδ(P)={ Q∈R2 | d(P,Q)<δ } 
 を指すことになる。 

※

ε近傍は、距離をどう定義するかによって、かたちが変容する。

類型1

・ユークリッド距離を距離とした場合の(つまりユークリッド空間における)ε近傍 Uε(P):
   P 中心、半径正数εの円の内部の点全体からなる集合。
   つまり、P(x,y)とすると、 

Uε(P) ={ (x',y') |
(x'−x)2 +(y'−y)2  <ε }

※R2に、ベクトルの加法・スカラー乗法・自然な内積(標準内積)・ユークリッドノルム‖‖
 が定義されており、
 R2を実2次元数ベクトル空間・計量実ベクトル空間・ノルム空間として扱える場合、
 ユークリッド空間におけるPのε近傍は、ユークリッドノルム‖‖を用いて、
    Uε(P)={ Q∈R2 | ‖Q−P‖<ε }
 とも表せる。
 ただし、P,Qは、R2上の点―すなわち実2次元数ベクトル―を表すとする。
   R2上のε近傍〜ユークリッド距離

類型2

平面R2の元P(x,y), Q(x',y')にたいして、 

d(P,Q) =
(x−x')2 +(y−y')2

4

  と定義した距離をとった場合のε近傍Uε(P): 
     P中心の楕円の内部の点全体からなる集合。

類型3

・P(x,y), Q(x',y')にたいして、d1(P,Q)=|x−x'|+|y−y'| を距離と定義した場合のε近傍Uε(P):
 P中心の正方形の内部の点全体からなる集合。
 つまり、P(x,y)とすると、Uε(P)={ (x',y') | |x'−x|+|y'−y|<ε }  
   R2上のε近傍〜マンハッタン距離

類型4

・P(x,y), Q(x',y')にたいして、
 d∞(P,Q)=max{|x−x'|+|y−y'| } [x−x', y−y'のうち値の大きいほう]を距離と定義した場合のε近傍Uε(P): 
 P中心の正方形の内部の点全体からなる集合。
 つまり、P(x,y)とすると、Uε(P)={ (x',y') | max{ |x−x'|+|y−y'| }<ε } 
   距離空間(R2,d)上のε近傍〜最大ノルム

※

ε近傍の利用例:内点・境界点・開集合の定義。点列の収束と極限の定義。

cf.

距離空間一般におけるε近傍定義、Rにおけるε近傍、Rnにおけるε近傍  



→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次

 定義:R2における点Pの除外ε近傍 a deleted δ-neighborhood of P    U*δ(P) 

定義

「点Pの除外ε近傍U*ε(P)」とは、
 点Pのε近傍から、点Pを除外したもの。
 つまり、
   U*ε(P)={ Q∈R2 | 0<d(P,Q)<ε }  
      ※半径εは正ならばどんなに小さくてもよい。

[活用例]

 ・内点・境界点・開集合の定義/点列の収束と極限の定義/2変数関数の極限の定義/連続性の定義 

[文献]

 ・Fischer, Intermediate Real Analysis,207:R1の場合
 ・杉浦『解析入門I』§4(pp.113);

※

上記定義より、
「点Pの除外δ近傍U*δ(P)」といえば、
 U*δ(P)={ Q∈R2 | 0<d(P,Q)<δ } 
を指すことになる。 


※

ユークリッド距離を距離とした場合の(つまりユークリッド空間における)「点Pの除外δ近傍U*δ(P)」は、 


U*δ(P) ={ (x',y') | 0< 
(x'−x)2 +(y'−y)2  <δ }

となる。
※R2に、ベクトルの加法・スカラー乗法・自然な内積(標準内積)・ユークリッドノルム‖‖が定義されており、
 R2を実2次元数ベクトル空間・計量実ベクトル空間・ノルム空間として扱える場合、
 ユークリッド空間における「点Pの除外δ近傍U*δ(P)」は、ユークリッドノルム‖‖を用いて、
    U*δ(P)={ Q∈R2 | 0<‖Q−P‖<ε }
 とも表せる。
 ただし、P,Qは、R2上の点―すなわち実2次元数ベクトル―を表すとする。


活用例

2変数関数の収束・極限の定義   

cf.

距離空間一般における除外ε近傍定義、Rにおける除外ε近傍、Rnにおける除外ε近傍 


→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:点集合 

定義

平面R2の点集合とは、
「平面R2に属す点」の集合、すなわち、「平面R2の部分集合」のこと。
したがって、
「Sが『平面R2の点集合』である」とは、「S⊂R2」のことである。
※
「平面R2に属す点」は、実2次元数ベクトルでもあるから、
「平面R2の点集合」は、「実2次元数ベクトルの集合」でもある。

[文献]

 ・小平『解析入門I』§1.6-b(p.56);
 ・『岩波数学辞典(第三版)』項目58関数D族・列(p.158)

Cf.

数直線Rにおける点集合についての諸概念、Rnにおける点集合についての諸概念、距離空間一般における点集合についての諸概念


→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次

 定義:平面R2における点集合の内点 inner point 

【はじめに読む定義】

「点Pが『R2の部分集合Eの内点』である」とは、

 条件1: 点P自体が点集合Eに属していて、
 なおかつ 
 条件2: 点Pの周囲も、「点集合Eに属す点」で埋め尽くされている(に取り囲まれている)
 
ということ。

*高木『解析概論』第1章12(p.29)では、
  「aが点集合Sに属する一つの点Pに十分近い点がすべてSに属するとき、PをSの内点という」
 と定義。 

【厳密な定義】

 上記定義-条件2の「点Pの周囲」という表現は、曖昧。
 「点Pの周囲」を厳密に規定したのが、下記定義
  → 距離を用いた内点定義  [距離をつかって「点Pの周囲」を厳密に規定した内点定義] 
  → 近傍を用いた内点定義  [近傍概念をつかって「点Pの周囲」を厳密に規定した内点定義] 


定義

・εの値を加減して、様々な大きさの「点P∈R2のε近傍Uε(P)」をつくる。
 そのなかに、点集合E⊂R2にすっぽり含まれるようなUε(P)が「ひとつでも」つくれれば、
 点Pは点集合Eの内点であるという。
 すなわち、
 点P∈R2が点集合E⊂R2の内点⇔「ある」Uε(P)が存在して、Uε(P)⊂E 

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.56.
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』pp.154-155.
 ・布川谷野中山『線形代数と凸解析』定義6.3(p.118)。
 ・笠原『微分積分学』1.3(p.19).

図解

R2上の点集合のない点の図例
R2上の内点でない点の図例
R2上の点集合の内点ではない点の図例

関連

距離空間一般における内点、Rにおける内点、Rnにおける内点  

活用例

内部の定義、開集合の定義   

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:点集合の外点exterior point 

【はじめに読む定義】

 「点Pが『R2の部分集合Eの外点』である」とは、

  【条件1】 点P自体がEに属しておらず、

  なおかつ、

  【条件2】 点Pの周囲も、「Eに属さない点」で埋め尽くされている
      すなわち、点Pの周囲に、「Eに属す点」が見当たらない  
      ないしは、点Pの周囲の点は、どれもが、Eに属さない  

 ということ。

【厳密な定義】
 
・上記【条件2】の「点Pの周囲」という表現は、曖昧。
 距離をつかって「点Pの周囲」を厳密に規定したのが、距離を用いた外点定義。
 近傍概念をつかって「点Pの周囲」を厳密に規定したのが、近傍を用いた外点定義。 

・内点の概念を用いて、外点の定義を簡潔に表現することもできる。[→内点を用いた表現] 


定義

εの値を加減して、様々な大きさの点Pのε近傍Uε(P)をつくる。
そのなかに、点集合Eと共有点を持たないUε(P)が「ひとつでも」つくれれば、
点Pは点集合Eの外点であるという。
すなわち、
点Pが点集合Eの外点⇔「ある」Uε(P)に対して、Uε(P)∩E=φ
          ⇔「ある」ε>0に対して、Uε(P)∩E=φ  
 

[文献]

 ・ 松坂『集合・位相入門』4章§1B(p.141);
 ・笠原『微分積分学』1.3(p.19).

関連

・Rにおける外点/Rnにおける外点/距離空間一般における外点

活用例

・外部の定義

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:点集合の境界点boundary point 

定義

点集合E⊂R2の内点でも外点でもない点を点集合Eの境界点という。
点P∈R2が点集合E⊂R2の境界点であるための必要十分条件は、
どんな風にεをとっても、点Pの「すべての」ε近傍Uε(P)が、
点集合Eに属す点も点集合Eに属さない点も含むこと。   
すなわち、
点P∈R2が点集合E⊂R2の境界点
⇔点Pの「任意」のUε(P)に対して、
         Uε(P)右の部分集合ではないE, Uε(P)∩E ≠φ 

⇔点Pの「任意」のUε(P)に対して、 
         Uε(P)∩E≠φかつUε(P)∩Ec≠φ  

[文献] 

 ・小平『解析入門I』p.56.
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』pp.154-155.
 ・布川谷野中山『線形代数と凸解析』定義6.3(p.118)。
 ・笠原『微分積分学』1.3(p.19).

図解



関連

距離空間一般における境界点、Rにおける境界点、Rnにおける境界点  

活用例

境界の定義、閉包の定義、閉集合の定義   


→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次

定義:点集合の開核open kernel・内部interior

定義

・点集合D⊂R2 があるとする。
 Dの内点全体の集合を、Dの開核open kernelという。   


[文献]

 ・小平『解析入門II』p.257

性質

・Dが閉領域ならば、Dの開核Uは領域であって、DはUの閉包である。

関連

Rにおける内部/Rnにおける内部/距離空間における内部


→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:点集合の境界boundary

定義

・点集合E⊂R2 があるとする。
  「点集合Eの境界」とは、点集合Eの境界点「全体」からなる集合のこと。

[文献]

 ・小平『解析入門I』p. 56;
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.155.

記号

∂E

関連

距離空間一般における境界/Rにおける境界/Rnにおける境界


→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:点集合の閉包closure 

定義

・点集合E⊂R2 があるとする。
  「点集合Eの閉包」とは、
 「点集合E」と「点集合Eの境界」との合併集合のこと。

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.56;

関連

距離空間一般/R/R2/Rnにおける閉包

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:稠密dense

定義

 

[文献]

 ・小平『解析入門I』p. 58;
 ・高木『解析概論』p.14

 

 

関連

 

 

   

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:集積点accumulating point

定義

どんな風にεをとっても、点a∈R2の「すべての」ε近傍Uε(a)が、
 (点)集合Eの点を無限個含むとき、
 点aを(点)集合Eの集積点という。

[文献]

 ・小平『解析入門I』p. 58;
 ・ 高木『解析概論』第1章7.集積点(p.14);
 ・笠原『微分積分学』定義1.20(p.20).
 ・能代『極限論と集合論』7章2集積点(p.128):Rn上。

関連

距離空間一般/R/Rnにおける集積点

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:孤立点isolated point 

定義

 

[文献]

 ・小平『解析入門I』p. 58.
 ・ 能代『極限論と集合論』7章2集積点(p.128):Rn上。

関連

 

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:離散集合discrete set

定義

 

[文献]

 ・小平『解析入門I』p. 58.

関連

 



→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義: R2における開集合 open set 

はじめに

読むべき

定義

点集合Eの境界点はどれもEに属さず、
点集合Eに属す全ての点が点集合Eの内点であるとき、   

点集合Eは開集合であるという。

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.58;
 ・ 笠原『微分積分学』1.3(p.19).
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.16; 155;
 ・松坂『集合・位相入門』第4章§1D(pp.144-5);
 ・斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』第3章§4項目3.4.8(p.87);第4章§5項目4.5.2(p.125);.
 ・佐久間『集合・位相』3.4開集合と閉集合(p.61);
 ・布川谷野中山『線形代数と凸解析』定義6.3(p.118)。;
 ・能代『極限論と集合論』7章3開集合と閉集合(pp.130-139):Rn上。非常に詳しい。

正確な

定義

(R2,d)を距離空間、EをR2の部分集合とする。 
Eは距離空間(R2,d)の開集合
⇔任意のP∈EについてPはEの内点 
⇔任意のP∈Eに対し、集合Eに含まれるε近傍Uε(P)が少なくとも一つは作れる。
   (∵内点の定義) 
論理記号で書くと、 (∀P∈E) (∃Uε(P) ) ( Uε(P)⊂E )  
         ないし、(∀P) (P∈E⇒(∃Uε(P) ) ( Uε(P)⊂E ))   

例

開集合の例:
 ・R2上の開区間(a,b)×(c,d)
   ={ (x,y) |x∈(a,b), y∈(c,d) }={ (x,y) | a<x<b, c<y<d } 
 ・空集合φ ※なぜ?→理由
 ・R2全体  ※なぜ?→理由  
  ※空集合φ、R2全体は、開集合、閉集合の両方に該当。     
開集合ではない例:
 ・R2上の閉区間[a,b]×[c,d]
   ={ (x,y) |x∈[a,b], y∈[c,d] }={ (x,y) | a≦x≦b, c≦y≦d }


性質

R2における開集合の性質、R2における開集合と位相空間 

関連

距離区間一般における開集合、Rにおける開集合、Rnにおける開集合
位相空間一般における開集合


→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次

定義: R2における閉集合 closed set 

はじめに

読むべき

定義

点集合Eの「すべて」の境界点がEに属すとき、Eは閉集合であるという。

[文献]

 ・ 小平『解析入門I』p.58;
 ・笠原『微分積分学』1.3(p.19).
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.16; 155;
 ・松坂『集合・位相入門』第4章§1D(p.144);
 ・斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』第3章§4項目3.4.8(p.88);第4章§5項目4.5.2(p.125);.
 ・矢野『距離空間と位相構造』例4.3(p.129);
 ・佐久間『集合・位相』3.4開集合と閉集合(p.62);
 ・布川谷野中山『線形代数と凸解析』定義6.3(p.118) 
 ・能代『極限論と集合論』7章3開集合と閉集合(pp.130-139):Rn上。非常に詳しい。
 ・ 新井『ルベーグ積分講義』2.2(pp.23-7);

正確な

定義

任意の開集合の補集合を閉集合という。

例

閉集合の例: 
 ・R2上の閉区間[a,b]×[c,d]
   ={ (x,y) |x∈[a,b], y∈[c,d] }={ (x,y) | a≦x≦b, c≦y≦d }
 ・R2上の楕円(有界な閉集合)、放物線、双曲線
      [矢野『距離空間と位相構造』例4.3(p.129);] 
 ・R2上の連続曲線 { (x1(t), x2(t) ) | t∈[0,1] } 
           ただし、x1(t), x2(t) は[0,1]上の連続な実数値関数
                  [『ルベーグ積分講義』例2.6(p.26)]
 ・R2上の有限個の点からなる集合  [『ルベーグ積分講義』例2.4(p.25)]
 ・空集合φ 
   [小平『解析入門I』p.59;松坂『集合・位相入門』第4章§1D(p.146)]
 ・R2全体 
   [小平『解析入門I』p.59;松坂『集合・位相入門』第4章§1D(p.146)]
  ※空集合φ、R2全体は、開集合、閉集合の両方に該当。
閉集合ではない例:
 ・R2上の開区間(a,b)×(c,d)
         ={ (x,y) |x∈(a,b), y∈(c,d) }={ (x,y) | a<x<b, c<y<d }
 ・R2上の右半開区間[0,1)×[0,1)[新井『ルベーグ積分講義』例2.6(p.26)]
 ・R2上の点 (1,0),(1/2,0),(1/3,0),(1/4,0),(1/5,0),…からなる集合
    すなわち、{ (1/n ,0 ) | n=1,2,3,… }  
    *R2上の点の無限集合は、
     このように閉集合にならない場合もあれば、
     閉集合になる場合もある。[『ルベーグ積分講義』例2.5(p.25)] 

活用

連続関数の最大値最小値定理,連続関数の一様連続性 

関連

距離空間一般における閉集合、Rにおける閉集合、Rnにおける閉集合
位相空間一般における閉集合



→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

 定義:R2上の区間

定義

ふたつのR上の区間I,Jの直積I×J={ (x,y ) |x∈I, y∈J }を、
R2=R×R上の区間という。

[文献]

 ・小平『解析入門II』p.317

下位概念

開区間・閉区間。

類概念

R上の区間、Rnにおける区間

定義: R2上の開区間

定義

IをR上の開区間(a,b)とする、JもR上の開区間(c,d)とする。
IとJの直積I×J={ (x,y ) |x∈I, y∈J }={ (x,y) | a<x<b, c<y<d }を、
R2=R×R上の開区間という。 
これは、周を含まない長方形に他ならない。

[文献]

・松坂『集合・位相入門』第4章§1D(p.144)

性質

R2上の開区間は、開集合である。

上位概念

R2上の区間

類概念

R上の開区間、Rnにおける開区間  

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次

 定義:R2上の閉区間・(閉)矩形  a (closed) rectangle




定義

・IをR上の閉区間[a,b]とする、JもR上の閉区間[c,d]とする。
 IとJの直積I×J={ (x,y) |x∈I, y∈J }={ (x,y) | a≦x≦b, c≦y≦d }を、
 R2=R×R上の閉区間・(閉)矩形a (closed) rectangleという。 
 これは、周を含めた長方形にほかならない。

[文献]

 ・小平『解析入門II』p.317
 ・松坂『集合・位相入門』第4章§1D(p.144);
 ・Lang,Undergraduate Analysis468

性質

・R2上の閉区間は、閉集合である。

上位概念

・R2上の区間

類概念

・R上の閉区間/Rn上の閉区間    

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

 定義:「有界bounded」な集合

定義

・点集合S⊂R2について考える。
 <点集合Sに属する任意の点>をP 、 原点をO=(0,0)とおく。
 <点集合Sに属する任意の点>と<原点>との距離d(P,O)が
  上に有界であるとき、
 点集合Sは有界boundedであるという。     
 点集合Sが有界⇔ ∀P∈Sに対して、距離d(P,O) が上に有界  

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.61.
 ・布川谷野中山『線形代数と凸解析』定義6.3(p.118)

関連

・Rにおける有界な集合/Rnにおける有界な集合/距離空間一般における有界な集合

活用

・連続関数の最大値最小値定理/連続関数の一様連続性 

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:直径 diameter 

定義

・有界な点集合S⊂R2について考える。
 Sが有界ならば、
 Sに属する2点PQ間の距離d(P,Q)も上に有界となり、上限が定まる。
 この上限 
 
sup
 d(P,Q)

P,Q∈S

 を、Sの直径と呼ぶ。

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.61.

性質

・閉領域は閉集合。

関連

・Rにおける区間の長さ/Rnにおける直径/距離空間一般における直径

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:R2に おける連結 connected

定義

・「R2における開集合Uが連 結connectedである」とは、
  R2における開集合Uが
  2つの「空でない開集合」の直和として表せないことをいう。  
 つまり、
 「R2における開集合Uが連 結connectedである」とは、
  R2における開集合Uが
  「共通点をもたない二つの空でない開集合の合併集合」
  とならないこと、
  すなわち、
  U=V∪W、V∩W=φ (V,W:空でない開集合) とならないこと、
 をいう。
・「R2における閉集合Uが連 結connectedである」とは、
  R2における閉集合Uが
  2つの「空でない閉集合」の直和として表せないことをいう。  
 つまり、
 「R2における閉集合Uが連 結connectedである」とは、
  R2における閉集合Uが
  「共通点をもたない二つの空でない閉集合の合併集合」
  とならないこと、
  すなわち、
  U=V∪W、V∩W=φ (V,W:空でない閉集合) とならないこと、
 をいう。

[文献]

 ・小平『解析入門I』§6.1(pp.255-6);
 ・杉浦『解析入門I』定義2(pp.75-76);
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.161.

R2上の連結でない集合の図例

性質

開集合についてならば、弧状連結と同値。

活用

領域の定義、2変 数関数の中間値定理 

下位類型

凸集合  

関連

Rnにおける連結  

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次

 定義:R2における弧状連結 arcwise connected 

はじめに

読むべき

定義

・「点集合Sが弧状連結である」とは、
  点集合Sに属す任意の2点P,Qに対し、
  P,Qを結ぶ様々な曲線の引き方のなかで、
  曲線がまるごと点集合Sに含まれる引き方が
  少なくとも一通りは存在することをいう。

[文献]

 ・杉浦『解析入門I』定義2(p.76);
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.161.
 ・笠原『微分積分学』5.1(p.153);

厳密な

定義

・厳密な定義は、杉浦『解析入門I』定義2(p.76)を参照。

性質

・開集合についてならば、連結と同値。

活用

 領域の定義、2変数関数の中間値定理 

下位類型

 凸集合  

関連

 Rnにおける弧状連結  
     

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定理:連結、弧状連結、折線 

定理

次の三つの命題は同値。
 命題1:「開集合Sが連結である」
 命題2:「開集合Sが弧状連結である」
 命題3:「開集合Sに属す任意の2点P,Qを、S内にある折線で結ぶことが出来る」
※Sが開集合でない場合、
 命題2⇒命題1は成り立つが、命題1⇒命題2は成り立たない。
     [斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』5.3.19-20(pp.165-6)] 

[文献]

 ・杉浦『解析入門I』定理8.2(p.77);
 ・小平『解析入門II』§6.1(pp.256-7)
 ・斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』5.3.17-21(pp.165-6)

証明

・杉浦『解析入門I』定理8.2(p.77)参照。
・「命題1⇒命題3」の証明:
     小平『解析入門II』§6.1(p.257);杉浦『解析入門I』定理8.2(p.77)
・「命題2⇒命題1」の証明:杉浦『解析入門I』定理8.2(p.77)  
・「命題3⇒命題2」の証明:杉浦『解析入門I』定理8.2(p.77)  
・「命題3⇒命題1」の証明:小平『解析入門II』§6.1(p.256)

関連

・Rnにおけるケース

 

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:R2における凸集合  convex set 

定義

・「点集合Sが凸集合である」とは、
 点集合Sに属す任意の2点P,Qに対し,線分PQを点集合Sが含むことをいう。

[文献]

 ・布川谷野中山『線形代数と凸解析』定義6.9(p.125)
 ・杉浦『解析入門I』pp.75-76;
 ・高橋『経済学とファイナンスのための数学』p.67;
 ・奥野鈴村『ミクロ経済学』pp.265-266.

例

R2上の凸集合

性質

・凸集合は、弧状連結な集合の一例。したがって(∵)、凸集合は、開集合ならば、連結な集合の一例。

活用

   

関連

・Rnにおける凸集合

 

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:R2における領域 domain,region

定義

・領域とは、連結な開集合のこと。

[文献]

 ・小平『解析入門II』pp.257;
 ・杉浦『解析入門I』I§8定義1(p.76);
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.161.
 ・笠原『微分積分学』5.1(p.153); 

※

「内部の点だけを含む領域を開領域という」
 としている本(和達『微分積分』p. 113)もある。

関連

 Rnにおける領域

活用

連続関数による領域の像 

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

定義:R2における閉領域

定義

・閉領域とは、領域の閉包のこと。
 つまり「境界を全て入れた領域(和達『微分積分』p. 113)」のこと。

 
記号: 
D

[文献]

 ・小平『解析入門II』p.257;
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.161.
 ・和達『微分積分』p. 113

性質

・閉領域は閉集合。

関連

・Rnにおける閉領域

活用

・連続関数による閉領域の像   

→[トピック一覧:距離空間(R2,d)]
→総目次
 

(reference)

日本数学会編集『岩波数学辞典(第三版)』項目92距離空間(pp.253-256)、項目409ユークリッド幾何学(pp.1225-1229)、項目410ユークリッド空間 (pp.1229-1230).
神谷和也・浦井憲『経済学のための数学入門』東京大学出版会、1996年、pp.67-76;120-123; 131-148.
彌永昌吉・彌永健一『岩波講座基礎数学: 集合と位相 I・II』 岩波書店、1977年, pp.135-171。
矢野公一『距離空間と位相構造』共立出版、1997年、第一章。
斉藤正彦『数学の基礎:集合・数・位相』東大出版会、2002年。
高木貞二『解析概論改訂第三版』岩波書店、1983年、pp.14-17.
小平邦彦『解析入門I』 (軽装版)岩波書店、2003年、pp. 13; 21;36; 46;53-65; 73.
杉浦光夫『解析入門I』岩波書店、1980年、pp.37-48;55; 70;.75-79;
笠原皓司『微分積分学』サイエンス社、1974年、1.3(pp.16-22)。
吹田・新保『理工系の微分積分学』学術図書出版社、1987年。pp.154-157.
和達三樹『理工系の数学入門コース1:微分積分』岩波書店、1988年、pp.112-113.
志賀浩二『位相への30講』朝倉書店、1988年、第2-3講(pp.8-25)。
布川昊,谷野哲三,中山弘隆『線形代数と凸解析』コロナ社、1991年、6.3 Rnの点集合の位相。
奥野正寛、鈴村興太郎『ミクロ経済学I』岩波書店、1985年、pp.261-265.
高橋一『経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、p.5。
佐藤坦『はじめての確率論 測度から確率へ』共立出版、1994、pp172-186.
Fischer,Emanuel.Intermediate Real Analysis(Undergraduate Texts in Mathematics),Springer-Verlag New York Heidelberg Berlin,1983,p.207.
Lang,Serge.Undergraduate Analysis(Undergraduate Texts in Mathematics),Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg Tokyo,1983,Chapter 19. Multiple Integrals. (p.468.)。