§E2.2距離空間の開集合・閉集合

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距離空間では、中心と半径を指定した開球が、中心からの距離が半径より小さい点の全体を表す。ところが、部分集合が周囲の点をどれだけ含むかを個々の開球の半径の調整だけで調べていると、その部分集合と補集合の関係や、双方に近い点の扱いを、一つの枠組みのもとで述べることができない。そこで、各点に対してその点を中心とする開球を含むという条件を満たす部分集合を開集合と定め、補集合が開集合である部分集合を閉集合と定める。この二つの族を基準として、部分集合に含まれる開集合の和である内部と、部分集合を含む閉集合の共通部分である閉包、およびその差である境界を取り出す。開集合と閉集合は、距離から定まる構造のうちで最も基本的な対象の一つであり、本単元の後続の記事は、点列の収束や写像の連続性をこれらの言葉で判定する。たとえば、離散距離を入れた集合では、任意の部分集合が開集合かつ閉集合である。本記事では、これらの定義と基本的な法則、および代表的な例を扱う。

1 開集合

定義 1.1. 距離空間(X,d)(X,d)の部分集合U⊆XU\subseteq Xが開集合 (open set) であるとは、§E2.1 定義 1.4B(x,ε)B(x,\varepsilon)を用いて、任意のx∈Ux\in Uに対してB(x,ε)⊆UB(x,\varepsilon)\subseteq Uを満たす実数ε>0\varepsilon>0が存在することをいう。

補題 1.2. 距離空間(X,d)(X,d)のa∈Xa\in Xとr>0r>0に対して、開球B(a,r)B(a,r)は開集合である。

証明.x∈B(a,r)x\in B(a,r)とするとr−d(a,x)>0r-d(a,x)>0である。ε=r−d(a,x)\varepsilon=r-d(a,x)とおく。y∈B(x,ε)y\in B(x,\varepsilon)ならばd(a,y)≤d(a,x)+d(x,y)<rd(a,y)\leq d(a,x)+d(x,y)<rであるから、B(x,ε)⊆B(a,r)B(x,\varepsilon)\subseteq B(a,r)となる。▨

定理 1.3. 距離空間(X,d)(X,d)では、空集合とXXは開集合であり、任意個の開集合の和集合と有限個の開集合の共通部分は開集合である。

証明. 空集合についての条件は空虚に成り立ち、XXは任意の点を中心とする開球を含む。§E1.2 定義 2.1による開集合族(Uλ)λ∈Λ(U_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}の和集合に属する点xxはあるUλ0U_{\lambda_0}に属するので、B(x,ε)⊆Uλ0⊆⋃λUλB(x,\varepsilon)\subseteq U_{\lambda_0}\subseteq\bigcup_\lambda U_\lambdaを満たすε>0\varepsilon>0が存在する。有限個の開集合U1,…,UnU_1,\ldots,U_nの共通部分に属するxxについてB(x,εi)⊆UiB(x,\varepsilon_i)\subseteq U_iを満たすεi>0\varepsilon_i>0を選び、ε=min⁡iεi\varepsilon=\min_i\varepsilon_iとおけばB(x,ε)⊆⋂iUiB(x,\varepsilon)\subseteq\bigcap_iU_iである。▨

例 1.4.R\mathbb{R}の標準距離でUn=(−1/n,1/n)U_n=(-1/n,1/n)とおくと、補題 1.2により各UnU_nは開集合である。x≠0x\ne0に対して、「実数の連続性」の§D1.4 系 2.2により1/n<∣x∣1/n<|x|を満たすn≥1n\geq1が存在し、このnnについてx∉Unx\notin U_nである。したがって⋂n≥1Un={0}\bigcap_{n\geq1}U_n=\{0\}である。この共通部分は開集合でない。任意のε>0\varepsilon>0に対してε/2∈B(0,ε)\varepsilon/2\in B(0,\varepsilon)かつε/2∉{0}\varepsilon/2\notin\{0\}であるからである。

2 閉集合、内部、閉包、境界

定義 2.1. 距離空間(X,d)(X,d)、部分集合A⊆XA\subseteq X、点x∈Xx\in Xを固定する。

  • X∖AX\setminus Aが開集合であるとき、AAを閉集合 (closed set) という。
  • x∈U⊆Vx\in U\subseteq Vを満たす開集合UUが存在するとき、VVをxxの近傍 (neighborhood) という。VV自身が開集合ならばVVを開近傍 (open neighborhood) という。
  • AAに含まれる開集合すべての和集合をAAの内部 (interior) といい、int⁡(A)\tpint{A}と書く。
  • AAを含む閉集合すべての共通部分をAAの閉包 (closure) といい、A‾\overline Aと書く。
  • ∂A=A‾∖int⁡(A)\partial A=\overline A\setminus\tpint{A}をAAの境界 (boundary) という。

命題 2.2. 空集合とXXは閉集合であり、空でない任意個の閉集合の共通部分と有限個の閉集合の和集合は閉集合である。

証明. 補集合をとると、空集合とXXの場合は開集合の最初の公理に帰着する。空でない閉集合族(Fλ)(F_\lambda)についてX∖⋂λFλ=⋃λ(X∖Fλ)X\setminus\bigcap_\lambda F_\lambda=\bigcup_\lambda(X\setminus F_\lambda)であり、右辺は開集合である。有限個の閉集合についても、X∖⋃i=1nFi=⋂i=1n(X∖Fi)X\setminus\bigcup_{i=1}^nF_i=\bigcap_{i=1}^n(X\setminus F_i)と有限共通部分の開性を用いればよい。▨

命題 2.3.int⁡(A)\tpint{A}はAAに含まれる最大の開集合であり、A‾\overline AはAAを含む最小の閉集合である。したがって、AAが開集合であることとA=int⁡(A)A=\tpint{A}は同値であり、AAが閉集合であることとA=A‾A=\overline Aは同値である。

証明.int⁡(A)\tpint{A}はAAに含まれる開集合の和集合であるから開集合でありAAに含まれる。その族の各元はint⁡(A)\tpint{A}に含まれる。A‾\overline AはAAを含む閉集合の共通部分であるから閉集合でありAAを含む。その族の各元はA‾\overline Aを含む。二つの同値は、それぞれAA自身が対応する族の元となることから従う。▨

定義 2.4. 距離空間(X,d)(X,d)のa∈Xa\in Xとr>0r>0に対し、

B‾(a,r)={x∈X∣d(a,x)≤r}\overline B(a,r)=\{x\in X\mid d(a,x)\leq r\}

を、aaを中心とする半径rrの閉球 (closed ball) という。

補題 2.5.B‾(a,r)\overline B(a,r)は閉集合である。またB(a,r)⊆B‾(a,r)B(a,r)\subseteq\overline B(a,r)であり、0<s<r0<s<rならばB‾(a,s)⊆B(a,r)\overline B(a,s)\subseteq B(a,r)である。

証明. 二つの包含は不等式d(a,x)<r⇒d(a,x)≤rd(a,x)<r\Rightarrow d(a,x)\leq rとd(a,x)≤s<rd(a,x)\leq s<rから従う。y∉B‾(a,r)y\notin\overline B(a,r)とし、ε=d(a,y)−r>0\varepsilon=d(a,y)-r>0とおく。z∈B(y,ε)z\in B(y,\varepsilon)ならば逆三角不等式によりd(a,z)≥d(a,y)−d(y,z)>rd(a,z)\geq d(a,y)-d(y,z)>rである。よって補集合は開集合であり、閉球は閉集合である。▨

命題 2.6.x∈int⁡(A)x\in\tpint{A}であることと、B(x,ε)⊆AB(x,\varepsilon)\subseteq Aを満たすε>0\varepsilon>0が存在することは同値である。また、x∈A‾x\in\overline Aであることと、任意のε>0\varepsilon>0に対してB(x,ε)∩A≠∅B(x,\varepsilon)\cap A\ne\emptysetが成り立つことは同値である。

証明. 第一の同値は、内部が最大の開集合であることと開集合の定義から従う。第二の同値は対偶で示す。ある開球B(x,ε)B(x,\varepsilon)がAAと交わらなければ、閉集合X∖B(x,ε)X\setminus B(x,\varepsilon)はAAを含み、x∉A‾x\notin\overline Aとなる。逆にx∉A‾x\notin\overline Aならば、開集合X∖A‾X\setminus\overline Aがxxを含むので、そこに含まれる開球はAAと交わらない。▨

3 双対性と基本法則

命題 3.1. 任意のA⊆XA\subseteq Xについて

X∖int⁡(A)=X∖A‾,X∖A‾=int⁡(X∖A)X\setminus\tpint{A}=\overline{X\setminus A},\qquad X\setminus\overline A=\tpint{X\setminus A}

が成り立つ。

証明.x∉int⁡(A)x\notin\tpint{A}は、任意のε>0\varepsilon>0に対してB(x,ε)B(x,\varepsilon)がAAに含まれないことと同値である。各開球がXXに含まれることから、これは任意のε>0\varepsilon>0に対してB(x,ε)∩(X∖A)≠∅B(x,\varepsilon)\cap(X\setminus A)\ne\emptysetと同値である。前の命題により第一の等式を得る。第一の等式をX∖AX\setminus Aに適用して補集合をとると第二の等式を得る。▨

命題 3.2. 任意のA⊆XA\subseteq Xについて

∂A=A‾∩X∖A‾=∂(X∖A)\partial A=\overline A\cap\overline{X\setminus A}=\partial(X\setminus A)

であり、∂A\partial Aは閉集合である。さらに、AAが開集合であることとA∩∂A=∅A\cap\partial A=\emptysetは同値であり、AAが閉集合であることと∂A⊆A\partial A\subseteq Aは同値である。

証明. 双対性から∂A=A‾∩(X∖int⁡(A))=A‾∩X∖A‾\partial A=\overline A\cap(X\setminus\tpint{A})=\overline A\cap\overline{X\setminus A}を得る。右辺は二つの閉集合の共通部分であり、AAと補集合を交換しても不変である。AAが開ならA=int⁡(A)A=\tpint{A}なので境界と交わらない。逆にA∩∂A=∅A\cap\partial A=\emptysetなら、A⊆A‾A\subseteq\overline Aと境界の定義からA⊆int⁡(A)A\subseteq\tpint{A}を得てAAは開である。int⁡(A)⊆A⊆A‾\tpint{A}\subseteq A\subseteq\overline Aであるから

int⁡(A)∪∂A=int⁡(A)∪(A‾∖int⁡(A))=A‾\tpint{A}\cup\partial A=\tpint{A}\cup(\overline A\setminus\tpint{A})=\overline A

が成り立つ。AAが閉ならA=A‾A=\overline Aであるから∂A⊆A‾=A\partial A\subseteq\overline A=Aである。逆に∂A⊆A\partial A\subseteq Aなら、この等式とint⁡(A)⊆A\tpint{A}\subseteq AからA‾⊆A\overline A\subseteq Aとなり、A⊆A‾A\subseteq\overline Aと合わせてA=A‾A=\overline Aを得るのでAAは閉である。▨

公式 3.3 (閉包をとる操作の基本公式).A,B⊆XA,B\subseteq Xに対して、∅‾=∅\overline\emptyset=\emptyset、A⊆A‾A\subseteq\overline A、A‾‾=A‾\overline{\overline A}=\overline A、A⊆B⇒A‾⊆B‾A\subseteq B\Rightarrow\overline A\subseteq\overline B、A∪B‾=A‾∪B‾\overline{A\cup B}=\overline A\cup\overline B、およびA∩B‾⊆A‾∩B‾\overline{A\cap B}\subseteq\overline A\cap\overline Bが成り立つ。

証明. 最初の三式は極値性から従う。単調性は、B‾\overline BがAAを含む閉集合であることから従う。二つの包含を単調性と有限和の閉性に適用するとA∪B‾=A‾∪B‾\overline{A\cup B}=\overline A\cup\overline Bを得る。最後の包含はA∩B⊆A,BA\cap B\subseteq A,Bに単調性を適用して得る。▨

例 3.4.X=RX=\mathbb R、A=QA=\mathbb Q、B=R∖QB=\mathbb R\setminus\mathbb Qとする。A∩B=∅A\cap B=\emptysetである。一方、有理数の稠密性は「実数の連続性」の§D1.4 系 2.2、無理数の稠密性は「実数の連続性」の§D1.4 補題 2.3が与える。x∈Rx\in\mathbb Rとε>0\varepsilon>0に対してB(x,ε)=(x−ε,x+ε)B(x,\varepsilon)=(x-\varepsilon,x+\varepsilon)は有理数と無理数の双方を含むから、命題 2.6によりA‾=B‾=R\overline A=\overline B=\mathbb Rである。したがってA∩B‾⊊A‾∩B‾\overline{A\cap B}\subsetneq\overline A\cap\overline Bである。

公式 3.5 (内部をとる操作の基本公式).A,B⊆XA,B\subseteq Xに対して、int⁡(X)=X\tpint{X}=X、int⁡(A)⊆A\tpint{A}\subseteq A、int⁡(int⁡(A))=int⁡(A)\tpint{\tpint{A}}=\tpint{A}、A⊆B⇒int⁡(A)⊆int⁡(B)A\subseteq B\Rightarrow\tpint{A}\subseteq\tpint{B}、int⁡(A∩B)=int⁡(A)∩int⁡(B)\tpint{A\cap B}=\tpint{A}\cap\tpint{B}、およびint⁡(A)∪int⁡(B)⊆int⁡(A∪B)\tpint{A}\cup\tpint{B}\subseteq\tpint{A\cup B}が成り立つ。

証明. 最初の四式は内部の極値性から従う。双対性と閉包の和に関する公式により、int⁡(A∩B)=X∖(X∖A)∪(X∖B)‾=int⁡(A)∩int⁡(B)\tpint{A\cap B}=X\setminus\overline{(X\setminus A)\cup(X\setminus B)}=\tpint{A}\cap\tpint{B}である。最後の包含は単調性から従う。▨

4 集積点

定義 4.1.x∈Xx\in XがA⊆XA\subseteq Xの集積点 (limit point) であるとは、任意のε>0\varepsilon>0に対して(B(x,ε)∖{x})∩A≠∅(B(x,\varepsilon)\setminus\{x\})\cap A\ne\emptysetが成り立つことをいう。

命題 4.2.A′A'をAAの集積点全体とする。このときA‾=A∪A′\overline A=A\cup A'が成り立つ。

証明.x∈Ax\in Aなら、任意の開球はxxを含むからx∈A‾x\in\overline Aである。x∈A′x\in A'なら、各開球はxxとは異なるAAの点を含むので、x∈A‾x\in\overline Aである。逆にx∈A‾∖Ax\in\overline A\setminus Aとする。各開球はAAと交わり、その交点はxxでないから、x∈A′x\in A'である。▨

5 例

例 5.1.A=(0,1]⊆RA=(0,1]\subseteq\mathbb Rについて、int⁡(A)=(0,1)\tpint{A}=(0,1)、A‾=[0,1]\overline A=[0,1]、∂A={0,1}\partial A=\{0,1\}である。各等式は開球による特徴づけから、端点では任意の開球がAAと補集合の双方に交わることを用いて確認することができる。

例 5.2. 離散距離を備えた集合XXの任意の部分集合AAは開集合かつ閉集合である。実際、x∈Ax\in Aに対してB(x,1/2)={x}⊆AB(x,1/2)=\{x\}\subseteq Aであり、同じ議論を補集合へ適用することができる。

注意 5.3. 閉球は対応する開球の閉包とは限らない。離散距離で0<r≤10<r\leq1とすると、B(x,r)={x}B(x,r)=\{x\}であり、その閉包は{x}\{x\}である。一方、r=1r=1ならB‾(x,r)=X\overline B(x,r)=Xである。

6 演習

問題 6.1 (実数の部分集合).A=[0,1)∪{2}⊆RA=[0,1)\cup\{2\}\subseteq\mathbb Rの内部、閉包、境界、集積点全体を求めよ。

解答.

int⁡(A)=(0,1)\tpint{A}=(0,1)、A‾=[0,1]∪{2}\overline A=[0,1]\cup\{2\}、∂A={0,1,2}\partial A=\{0,1,2\}、A′=[0,1]A'=[0,1]である。孤立点22はAAに属するが集積点ではない。▨

問題 6.2 (内部と和集合).R\mathbb Rの部分集合A,BA,Bでint⁡(A)∪int⁡(B)≠int⁡(A∪B)\tpint{A}\cup\tpint{B}\ne\tpint{A\cup B}となるものを挙げよ。

解答.

A=[0,1]A=[0,1]、B=[1,2]B=[1,2]とする。命題 2.6によりint⁡(A)=(0,1)\tpint{A}=(0,1)、int⁡(B)=(1,2)\tpint{B}=(1,2)であるから、int⁡(A)∪int⁡(B)=(0,1)∪(1,2)\tpint{A}\cup\tpint{B}=(0,1)\cup(1,2)である。一方、A∪B=[0,2]A\cup B=[0,2]であるからint⁡(A∪B)=(0,2)\tpint{A\cup B}=(0,2)である。点11は後者に属し前者に属さない。▨

問題 6.3 (近傍の開球による特徴づけ).V⊆XV\subseteq Xがxxの近傍であるための必要十分条件が、B(x,ε)⊆VB(x,\varepsilon)\subseteq Vを満たすε>0\varepsilon>0の存在であることを示せ。

解答.

VVが近傍ならば、x∈U⊆Vx\in U\subseteq Vを満たす開集合UUがある。開集合の定義からB(x,ε)⊆U⊆VB(x,\varepsilon)\subseteq U\subseteq Vを満たすε>0\varepsilon>0がある。逆に、その開球は開集合でありxxを含むので、VVは近傍である。▨

問題 6.4 (開かつ閉であることと境界).A⊆XA\subseteq Xが開集合かつ閉集合であることと∂A=∅\partial A=\emptysetが同値であることを示せ。

解答.

AAが開かつ閉なら、A∩∂A=∅A\cap\partial A=\emptysetと∂A⊆A\partial A\subseteq Aを合わせて∂A=∅\partial A=\emptysetを得る。逆に境界が空ならA∩∂A=∅A\cap\partial A=\emptysetと∂A⊆A\partial A\subseteq Aがともに成り立つので、境界の性質によりAAは開かつ閉である。▨

参考文献

  1. 松坂和夫『集合・位相入門』新装版, 岩波書店, 2018.
  2. James R. Munkres, Topology, 2nd ed., Prentice Hall, 2000.
  3. Stephen Willard, General Topology, Dover Publications, 2004, originally published 1970.

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