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位相数学における連結性 📂位相幾何学

位相数学における連結性

定義 1

位相空間XXで、AB=A \cap B = \emptysetAB=XA \cup B = Xを満たす開集合AA \ne \emptysetBB \ne \emptysetが存在する場合、XX非連結disconnected空間という。非連結でない場合を連結connected空間という。

定理

説明

非連結であることの定義はかなり直感的で、その否定、つまり連結もまた容易に受け入れられるだろう。グラフ理論でも同様に連結を定義する

例えば、ユークリッド空間(R,d)( \mathbb{R} , d )を考えると、どのような開区間を考えても非連結の条件を満たさないため、連結空間である。一方、その部分空間(Q,d)( \mathbb{Q}, d )を考えると、(Q,d)=(Q,P(Q))( \mathbb{Q} , d ) = ( \mathbb{Q} , \mathscr{P} ( \mathbb{Q} ) )が離散空間であるため、簡単に非連結空間であることが示せる。

証明

1

位相同型写像f:XYf : X \to Yが存在し、XXが連結空間であるとする。YYが連結空間であることを示せば証明は完了である。

YYが非連結空間であると仮定すると、 AB=AB=Y A \cap B = \emptyset \\ A \cup B = Y を満たす開集合A,BYA, B \subset Yが存在する。

ffが連続関数ならば、すべての開集合VYV \subset Yに対して、f1(V)f^{-1} (V)XXで開集合である。

YY連続関数なので、f1(A)f^{-1} (A)f1(B)f^{-1} (B)XXで開集合である。しかし、 f1(A)f1(B)=f1(AB)=f1()=f1(A)f1(B)=f1(AB)=f1(Y)=X f^{-1} (A) \cap f^{-1} (B) = f^{-1} (A \cap B) = f^{-1} ( \emptyset ) = \emptyset \\ f^{-1} (A) \cup f^{-1} (B) = f^{-1} (A \cup B) = f^{-1} ( Y ) = X これは、XXが非連結空間であるという前提と矛盾する。

2

自明空間XXの位相T={,X}\mathscr{T} = \left\{ \emptyset , X \right\}では、空でない2つの開集合が存在しないため、XXは連結空間である。

3

XXの元が1つだけの場合、離散空間より自明空間であるが、XXが2つ以上の元を持つと仮定しなければならない。離散空間XXで、空でないすべての開集合UUについてV=XUV = X \setminus UXXで開集合であるため、非連結空間である。

4

A,B{x}A , B \subset \left\{ x \right\}AB=A \cap B = \emptysetを満たすためには、AAまたはBBが必ず空でなければならず、非連結空間にはなり得ない。


  1. Munkres. (2000). 『トポロジー(第2版)』: p148. ↩︎