相対位相・部分位相空間の定義 
※位相関連ページ:
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位相空間・位相の定義誘導位相  
         
コンパクト   

総目次 

定義:相対位相 relative topology、部分位相空間topological subspace、部分空間subspace           
 
[松坂『集合・位相入門』第4章§5.B.(pp.188-9);彌永『集合と位相II.位相第2章位相空間§2.8誘導位相(pp.212-4);
  矢野『距離空間と位相構造2.2.1相対位相(p.46); 斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』項目4.1.1 8(p.106);
  西村『
経済数学早わかり』第6章位相数学§2.4部分位相空間(pp.291-5);
  佐久間『集合・位相3.6p.71;73。志賀『位相への30』第27講コンパクト空間と連結空間(pp.190-1)]
[定義1:はじめに読むべき定義]
(設定)
 X:    (普遍)集合  
 
O :    X開集合系 
 
(X, O) :  位相空間  
 M
:    X部分集合(ただし空集合ではないとする)  
(本題)
X
開集合系Oから、以下の手順で、M部分集合系OMをつくる。
      
 手順
1: O属す全ての開集合について、Mとの重複部分を取った集合をつくる。
       つまり、
任意のOOにたいして、OM をつくる。 
     ※ここでつくった集合は、すべて、
M部分集合である。   
 手順
2:手順1でつくった集合をすべてかき集めて、集合系OMをつくる。
       つまり、OM={OM|OO }  
     ※
任意のOOにたいして、OMMの部分集合であるから、
      集合系
OMは、、M部分集合系である。 
このようにして
X開集合系Oから作ったM部分集合系OMは、M開集合系となる。(なぜ?→証明
OMM開集合系となるなら、
位相位相空間の定義より、OMは、M位相を与え、(M, OM)位相空間となる。 
上記手順
1-2に従って,X開集合系Oから作ったM開集合系OMを、MにおけるOの相対位相とよび、
MOMとの対(M, OM)を、(X, O) の部分位相空間ないし(X, O) の部分空間とよぶ。
  
[定義2:厳密な定義]
 [松坂『集合・位相入門』第4章§5.B.(pp.188-9); 佐久間『集合・位相3.6p.73]
(
設定)
 X:    (普遍)集合  
 
(X, O) :  位相空間  
 M
:    X部分集合(ただし空集合ではないとする)  
 
i:    MからXへの標準的単射
       (
Mの各にその自身を対応づけるMからXへの11写像) 
         
(本題)
MにおけるOの相対位相とは、
 
MからXへの標準的単射iによって、X位相Oから誘導されるM位相OMのこと。 
 
では、iMXのによってX位相Oから誘導されるM位相OMとは?
  以下の手順で、
M部分集合系OMをつくる。
    手順
1: X位相O属す全ての開集合Oについて、iMX逆像i1(O)をとっていく。
    手順
2: i1(O)を、すべてあつめて、M部分集合系OMとする。    
    つまり、
    
OM ={ i1(O) |OO}     
  この
M部分集合系OMは、M開集合系となるので(なぜ?→証明)、
  
OMは、Mにおける位相となり、位相空間 (M, OM)が成立する。  
  以上のように
X位相OからつくられたM位相OM={ i1(O) |OO}が、
  
iMXによってX位相Oから誘導されるM位相OM={ i1(O) |OO}である。
 
X位相O属す全ての開集合Oについてi1(O)= OMであるから、
  相対位相の定義
2:OM={ i1(O) |OO}は、
  相対位相の定義
1: OM={OM|OO }とまったく同じになる。

[定義1OMMの開集合系となることの証明]
 [斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』項目4.1.1 8(p.106);]
(設定)
 X:    (普遍)集合  
 
O :    X開集合系 
 
(X, O) :  位相空間  
 M
:    X部分集合(ただし空集合ではないとする)
 
OM={OM|OO }   
(本題) OMがMの開集合系であるための3条件を満たすことを示す。
Step1 : OMは条件1M, φOM」を満たす。
  
O X開集合系であるとされた。したがって、Oは条件1X,φO」を満たす。
  したがって、
OM={OM|OO } には、O= X,φ としたときのOM属していることになる。
  すなわち、
O=Xとしたとき、OM= XM=MOM 
       
O=φとしたとき、OM =φM=φOM 
  よって、
OMは条件1M,φOM」を満たす。  
Step2: OMは条件2(O'1,O'2 OM) (O'1O'2OM)」を満たす。
 
Step2-1: 任意のO1,O2Oに対してO1O2Oである。
        
(O X開集合系であるから、開集合系の条件2を満たす)
     したがって、
      
OM={OM|OO } には、
       
O= O1O2としたときのOM属していることになる。
      すなわち、
O= O1O2としたとき、OM =(O1O2)MOM   
     よって、
任意のO1,O2Oに対して、(O1O2)MOM …(2-1) 
 
Step2-2:  OMの定義より、 
      
任意のO'1,O'2 OMには、必ず、何らかのO1,O2Oが存在して、
       
O'1= O1MO'2= O2Mと書ける。
      したがって、
      
任意のO'1,O'2 OMに対して、
      
O'1O'2=(O1M)(O2M)
       =(O1O2)(MM) ∵結合則
       
=(O1O2)M    ∵ベキ等律
      ここの
O1,O2は、何らかのO1,O2Oであったから、
      
(2-1)を適用できて、(O1O2)MOM 
      よって、
O'1O'2OM  
Step3: OMは条件3「 OM属すX部分集合」のみからなる
          
任意の「X部分集合族O'λ(λΛ)和集合も、OM属す。」
   を満たす。
 
Step3-1: O属すX部分集合」のみからなる
      
任意の「X部分集合族Oλ(λΛ)和集合も、O属す
      つまり、任意OλO (λΛ)に対して、
                
        
(O X開集合系であるから、開集合系の条件3を満たす)  
     したがって、
      
OM={OM|OO } には、
      としたときの
OM属していることになる。
      すなわち、としたとき、
           
OM
           
           
OM   
     よって、
任意OλO (λΛ)に対して、
            
(3-1) 
 
Step3-2: OM属すX部分集合」のみからなる任意の「X部分集合族」を、O'λ(λΛ)とおく。
     
OMの定義より、 
      
任意のλΛに対して、O'λ OMには、必ず、何らかのOλOが存在して、
       
O'λ= OλMと書ける。
    すると、  
     
         ∵
集合族の分配律 
    ここの
Oλは何らかのOλOであったから、
    
OλO (λΛ)は、O属すX部分集合」のみからなるの「X部分集合族」のひとつ。
    すると、
(3-1)を適用できて、 
        
  

 

 

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Reference

日本数学会編集『岩波数学事典(第三版)』岩波書店、1985年、項目14位相空間。
矢野公一『
距離空間と位相構造』共立出版、1997年。 2章位相空間2.1位相構造2.1.1位相(pp.56-62)
斉藤正彦『数学の基礎:集合・数・位相』東大出版会、2002年。第4章位相空間(その1)§1位相空間の定義・開集合と閉集合4.1.1-(pp.99-)
松坂和夫『集合・位相入門』岩波書店、1968年。第4章§2位相空間(pp.152-165)P.164での著者による注意を読みおとさないように。
彌永昌吉・彌永健一『岩波講座基礎数学:
集合と位相 III 岩波書店、1977年。 II.位相第2章位相空間§2.1閉包写像と位相空間-§2.3近傍(pp.173-190)
志賀浩二『位相への30』朝倉書店、1988年、第24講位相空間(pp.166-172)
佐久間一浩『
集合・位相―基礎から応用まで―』共立出版、2004年、p.71
西村和雄『
経済数学早わかり』日本評論社、1982年、第6章位相数学§1位相空間とは1.1-1.2(pp.272-8)。卑近な例もまじえつつ、具体的に説明。


 

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