位相空間での内部・外部・境界・閉包・導集合孤立点全体の集合の定義
位相空間での内部・外部・境界・閉包・導集合孤立点全体の集合の定義
位相空間\((X,\mathcal{O})\)として部分集合\(A\subseteq X\)とする。
\(x\in X\)を含む開集合を\(U_{x}\)で表す。
\(A\)の内点全体の集合を\(A\)の内部といい、interiorのiをとり\(A^{i}\)で表す。
\(A\)の外点全体の集合を\(A\)の外部といい、exteriorのeをとり\(A^{e}\)で表す。
\(A\)の境界点全体の集合を\(A\)の境界といい、frontierのfをとり\(A^{f}\)で表す。
\(A\)の触点全体の集合を\(A\)の閉包といい、\(A^{a}\)で表す。
\(A\)の集積点全体の集合を\(A\)の導集合といい、\(A^{d}\)で表す。
\(A\)の孤立点全体の集合を\(A^{s}\)で表す。
位相空間\((X,\mathcal{O})\)として部分集合\(A\subseteq X\)とする。
\(x\in X\)を含む開集合を\(U_{x}\)で表す。
(1)内部
\[ \exists U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\subseteq A \] を満たすとき、\(x\)は\(A\)の内点であるという。\(A\)の内点全体の集合を\(A\)の内部といい、interiorのiをとり\(A^{i}\)で表す。
(2)外部
\[ \exists U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\subseteq A^{c} \] を満たすとき、\(x\)は\(A\)の外点であるという。\(A\)の外点全体の集合を\(A\)の外部といい、exteriorのeをとり\(A^{e}\)で表す。
(3)境界
\[ \forall U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap A\ne\emptyset\;\land\;U_{x}\cap A^{c}\ne\emptyset \] を満たすとき、\(x\)は\(A\)の境界点であるという。\(A\)の境界点全体の集合を\(A\)の境界といい、frontierのfをとり\(A^{f}\)で表す。
(4)閉包
\[ \forall U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap A\ne\emptyset \] を満たすとき、\(x\)は\(A\)の触点であるという。\(A\)の触点全体の集合を\(A\)の閉包といい、\(A^{a}\)で表す。
(5)導集合
\[ \forall U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap\left(A\setminus\left\{ x\right\} \right)\ne\emptyset \] を満たすとき、\(x\)は\(A\)の集積点であるという。\(A\)の集積点全体の集合を\(A\)の導集合といい、\(A^{d}\)で表す。
(6)孤立点全体の集合
\[ \exists U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap A=\left\{ x\right\} \] を満たすとき、\(x\)は\(A\)の孤立点であるという。\(A\)の孤立点全体の集合を\(A^{s}\)で表す。
(1)集積点の別表示
集積点は\[ \forall U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap A\nsubseteq\left\{ x\right\} \] と同じである。
何故なら、
\begin{align*} \forall U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap\left(A\setminus\left\{ x\right\} \right)\ne\emptyset & \Leftrightarrow\forall U_{x}\in\mathcal{O},\lnot\left(U_{x}\cap A\cap\left\{ x\right\} ^{c}=\emptyset\right)\\ & \Leftrightarrow\forall U_{x}\in\mathcal{O},\lnot\left(U_{x}\cap A\subseteq\left\{ x\right\} \right)\\ & \Leftrightarrow\forall U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap A\nsubseteq\left\{ x\right\} \end{align*} となるからである。
(2)孤立点の別表示
孤立点は\[ \exists U_{x}\in\mathcal{O},x\in A\land U_{x}\cap\left(A\setminus\left\{ x\right\} \right)=\emptyset \] と同じである。
何故なら、孤立点の定義より、
\begin{align*} \left\{ x\right\} & =U_{x}\cap A\\ & =U_{x}\cap\left(A\cap\left(\left\{ x\right\} ^{c}\cup\left\{ x\right\} \right)\right)\\ & =U_{x}\cap\left(\left(A\cap\left\{ x\right\} ^{c}\right)\cup\left(A\cap\left\{ x\right\} \right)\right)\\ & =\left(U_{x}\cap\left(A\cap\left\{ x\right\} ^{c}\right)\right)\cup\left(U_{x}\cap A\cap\left\{ x\right\} \right)\\ & =\left(U_{x}\cap\left(A\setminus\left\{ x\right\} \right)\right)\cup\left(A\cap\left\{ x\right\} \right) \end{align*} となるが、これが成り立つためには、\(x\notin A\)とすると満たさないので、
\[ x\in A\land U_{x}\cap\left(A\setminus\left\{ x\right\} \right)=\emptyset \] となるからである。
(3)
集積点・孤立点はともに内点にも境界点にもなる。(4)
外点かつ集積点にはならない。これを示す。
位相空間を\(\left(X,\mathcal{O}\right)\)として、部分集合\(A\subseteq X\)をとる。
ある点\(x\in X\)が外点かつ集積点になると仮定する。
\(x\)が外点とすると\(\exists U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\subseteq A^{c}\)であるので\(x\in U_{x}\subseteq A^{c}\)であり、この\(U_{x}\)を\(V_{x}\)とおくと、\(V_{x}\subseteq A^{c}\)となる。
また、\(x\)が集積点とすると、\(\forall U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap\left(A\setminus\left\{ x\right\} \right)\ne\emptyset\)であり、\(x\)が外点のとき、\(x\in A^{c}\)なので、
\begin{align*} U_{x}\cap\left(A\setminus\left\{ x\right\} \right) & \ne\emptyset\Leftrightarrow U_{x}\cap A\ne\emptyset\\ & \Leftrightarrow\lnot\left(U_{x}\cap A=\emptyset\right)\\ & \Leftrightarrow\lnot\left(U_{x}\subseteq A^{c}\right)\\ & \Leftrightarrow U_{x}\nsubseteq A^{c} \end{align*} となる。
これより、外点\(x\)が集積点になるには\(\forall U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\nsubseteq A^{c}\)となるが、\(V_{x}\subseteq A^{c}\)となので矛盾。
従って背理法より、外点かつ集積点にはならない。
(5)
外点かつ孤立点にはならない。これを示す。
位相空間を\(\left(X,\mathcal{O}\right)\)として、部分集合\(A\subseteq X\)をとる。
ある点\(x\in X\)が外点かつ集積点になると仮定する。
\(x\)が孤立点とすると\(\exists U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap A=\left\{ x\right\} \)であるので\(x\in U_{x}\land x\in A\)となる。
このとき、\(x\)が外点とすると\(\exists U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\subseteq A^{c}\)であるので\(U_{x}\subseteq A^{c}\Leftrightarrow U_{x}\cap A=\emptyset\)となるが、\(x\)は孤立点であるので\(x\in U_{x}\land x\in A\)なので\(x\in U_{x}\cap A\ne\emptyset\)となるので矛盾。
従って、背理法より、外点かつ孤立点にはならない。
(1)
\(X=\mathbb{R}\)として通常位相をとり、\(A=\left[0,1\right)\)とすると、内部\(A^{i}\)は\(A^{i}=\left(0,1\right)\)
外部\(A^{e}\)は\(A^{e}=\left(-\infty,0\right)\cup\left(1,\infty\right)\)
境界\(A^{f}\)は\(A^{f}=\left\{ 0\right\} \cup\left\{ 1\right\} \)
閉包\(A^{a}\)は\(A^{a}=\left[0,1\right]\)
導集合\(A^{d}\)は\(A^{d}=\left[0,1\right]\)
孤立点全体の集合\(A^{s}\)は\(A^{s}=\emptyset\)
(2)
\(X=\mathbb{R}\)として通常位相をとり、\(A=\left\{ \frac{1}{n};n\in\mathbb{N}\right\} \)とすると、内部\(A^{i}\)は\(A^{i}=\emptyset\)
外部\(A^{e}\)は\(A^{e}=A^{c}\)
境界\(A^{f}\)は\(A^{f}=A\)
閉包\(A^{a}\)は\(A^{a}=A\)
導集合\(A^{d}\)は\(A^{d}=\emptyset\)
孤立点全体の集合\(A^{s}\)は\(A^{s}=A\)
(3)
\(X=\mathbb{R}\)として通常位相をとり、\(A=\left\{ 0\right\} \cup\left\{ \frac{1}{n};n\in\mathbb{N}\right\} \)とすると、内部\(A^{i}\)は\(A^{i}=\emptyset\)
外部\(A^{e}\)は\(A^{e}=A^{c}\)
境界\(A^{f}\)は\(A^{f}=A\)
閉包\(A^{a}\)は\(A^{a}=A\)
導集合\(A^{d}\)は\(A^{d}=\left\{ 0\right\} \)
孤立点全体の集合\(A^{s}\)は\(A^{s}=\left\{ \frac{1}{n};n\in\mathbb{N}\right\} \)
(4)
密着位相\(\left(X,\left\{ \emptyset,X\right\} \right)\)で\(A\subsetneq X\)で\(2\leq\left|A\right|\)とすると、内部\(A^{i}\)は\(A^{i}=\emptyset\)
外部\(A^{e}\)は\(A^{e}=\emptyset\)
境界\(A^{f}\)は\(A^{f}=X\)
閉包\(A^{a}\)は\(A^{a}=X\)
導集合\(A^{d}\)は\(A^{d}=X\)
孤立点全体の集合\(A^{s}\)は\(A^{s}=\emptyset\)
(5)
密着位相\(\left(X,\left\{ \emptyset,X\right\} \right)\)で\(A\subsetneq X\)で\(\left|A\right|=1\)とすると、内部\(A^{i}\)は\(A^{i}=\emptyset\)
外部\(A^{e}\)は\(A^{e}=\emptyset\)
境界\(A^{f}\)は\(A^{f}=X\)
閉包\(A^{a}\)は\(A^{a}=X\)
導集合\(A^{d}\)は\(A^{d}=X\setminus A\)
孤立点全体の集合\(A^{s}\)は\(A^{s}=A\)
(6)
密着位相\(\left(X,\left\{ \emptyset,X\right\} \right)\)で\(A=X\)で\(2\leq\left|A\right|\)とすると、内部\(A^{i}\)は\(A^{i}=X\)
外部\(A^{e}\)は\(A^{e}=\emptyset\)
境界\(A^{f}\)は\(A^{f}=\emptyset\)
閉包\(A^{a}\)は\(A^{a}=X\)
導集合\(A^{d}\)は\(A^{d}=X\)
孤立点全体の集合\(A^{s}\)は\(A^{s}=\emptyset\)
(7)
離散位相\(\left(X,2^{X}\right)\)で\(A\subseteq X\)とすると、内部\(A^{i}\)は\(A^{i}=A\)
外部\(A^{e}\)は\(A^{e}=A^{c}\)
境界\(A^{f}\)は\(A^{f}=\emptyset\)
閉包\(A^{a}\)は\(A^{a}=A\)
導集合\(A^{d}\)は\(A^{d}=\emptyset\)
孤立点全体の集合\(A^{s}\)は\(A^{s}=A\)
(8)
シェルピンスキー位相\(\left(\left\{ a,b\right\} ,\left\{ \emptyset,\left\{ a\right\} ,\left\{ a,b\right\} \right\} \right)\)とすると、内部\(\left\{ a\right\} ^{i}\)は\(\left\{ a\right\} ^{i}=\left\{ a\right\} \)
外部\(\left\{ a\right\} ^{e}\)は\(\left\{ a\right\} ^{e}=\emptyset\)
境界\(\left\{ a\right\} ^{f}\)は\(\left\{ a\right\} ^{f}=\left\{ b\right\} \)
閉包\(\left\{ a\right\} ^{a}\)は\(\left\{ a\right\} ^{a}=\left\{ a,b\right\} \)
導集合\(\left\{ a\right\} ^{d}\)は\(\left\{ a\right\} ^{d}=\left\{ b\right\} \)
孤立点全体の集合\(\left\{ a\right\} ^{s}\)は\(\left\{ a\right\} ^{s}=\left\{ a\right\} \)
内部\(\left\{ b\right\} ^{i}\)は\(\left\{ b\right\} ^{i}=\emptyset\)
外部\(\left\{ b\right\} ^{e}\)は\(\left\{ b\right\} ^{e}=\)\(\left\{ a\right\} \)
境界\(\left\{ b\right\} ^{f}\)は\(\left\{ b\right\} ^{f}=\)\(\left\{ b\right\} \)
閉包\(\left\{ b\right\} ^{a}\)は\(\left\{ b\right\} ^{a}=\)\(\left\{ b\right\} \)
導集合\(\left\{ b\right\} ^{d}\)は\(\left\{ b\right\} ^{d}=\)\(\emptyset\)
孤立点全体の集合\(\left\{ b\right\} ^{s}\)は\(\left\{ b\right\} ^{s}=\)\(\left\{ b\right\} \)
(9)
位相空間\(\left(\left\{ a,b,c\right\} ,\left\{ \emptyset,\left\{ a,b\right\} ,\left\{ a,b,c\right\} \right\} \right)\)とすると、内部\(\left\{ a\right\} ^{i}\)は\(\left\{ a\right\} ^{i}=\emptyset\)
外部\(\left\{ a\right\} ^{e}\)は\(\left\{ a\right\} ^{e}=\)\(\emptyset\)
境界\(\left\{ a\right\} ^{f}\)は\(\left\{ a\right\} ^{f}=\)\(\left\{ a,b,c\right\} \)
閉包\(\left\{ a\right\} ^{a}\)は\(\left\{ a\right\} ^{a}=\)\(\left\{ a,b,c\right\} \)
導集合\(\left\{ a\right\} ^{d}\)は\(\left\{ a\right\} ^{d}=\left\{ b,c\right\} \)
孤立点全体の集合\(\left\{ a\right\} ^{s}\)は\(\left\{ a\right\} ^{s}=\left\{ a\right\} \)
内部\(\left\{ a,b\right\} ^{i}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{i}=\left\{ a,b\right\} \)
外部\(\left\{ a,b\right\} ^{e}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{e}=\emptyset\)
境界\(\left\{ a,b\right\} ^{f}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{f}=\left\{ c\right\} \)
閉包\(\left\{ a,b\right\} ^{a}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{a}=\left\{ a,b,c\right\} \)
導集合\(\left\{ a,b\right\} ^{d}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{d}=\left\{ a,b,c\right\} \)
孤立点全体の集合\(\left\{ a,b\right\} ^{s}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{s}=\emptyset\)
(10)
位相空間\(\left(\left\{ a,b,c\right\} ,\left\{ \emptyset,\left\{ a,b\right\} ,\left\{ c\right\} ,\left\{ a,b,c\right\} \right\} \right)\)とすると、内部\(\left\{ a\right\} ^{i}\)は\(\left\{ a\right\} ^{i}=\emptyset\)
外部\(\left\{ a\right\} ^{e}\)は\(\left\{ a\right\} ^{e}=\left\{ c\right\} \)
境界\(\left\{ a\right\} ^{f}\)は\(\left\{ a\right\} ^{f}=\left\{ a,b\right\} \)
閉包\(\left\{ a\right\} ^{a}\)は\(\left\{ a\right\} ^{a}=\left\{ a,b\right\} \)
導集合\(\left\{ a\right\} ^{d}\)は\(\left\{ a\right\} ^{d}=\left\{ b\right\} \)
孤立点全体の集合\(\left\{ a\right\} ^{s}\)は\(\left\{ a\right\} ^{s}=\left\{ a\right\} \)
内部\(\left\{ a,b\right\} ^{i}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{i}=\left\{ a,b\right\} \)
外部\(\left\{ a,b\right\} ^{e}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{e}=\left\{ c\right\} \)
境界\(\left\{ a,b\right\} ^{f}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{f}=\emptyset\)
閉包\(\left\{ a,b\right\} ^{a}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{a}=\left\{ a,b\right\} \)
導集合\(\left\{ a,b\right\} ^{d}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{d}=\left\{ a,b\right\} \)
孤立点全体の集合\(\left\{ a,b\right\} ^{s}\)は\(\left\{ a,b\right\} ^{s}=\emptyset\)
ページ情報
| タイトル | 位相空間での内部・外部・境界・閉包・導集合孤立点全体の集合の定義 |
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空集合・全体集合の内部・外部・境界・閉包・導集合・孤立点全体の集合
\[
X^{s}=\left\{ x\in X;\left\{ x\right\} \in\mathcal{O}\right\}
\]
位相空間での開集合・閉集合と内部・境界・閉包・導集合の基本
\[
A^{i}\subseteq A
\]
位相空間で集積点・孤立点を持たないとき
\[
A^{d}=\emptyset\Leftrightarrow\forall x\in X,\exists U_{x}\in\mathcal{O},U_{x}\cap A\subseteq\left\{ x\right\}
\]
位相空間での内部・閉包・境界・導集合・孤立点全体の集合と和集合・積集合
\[
A^{i}\cup B^{i}\subseteq\left(A\cup B\right)^{i}
\]