位相幾何学において、離散空間は位相空間または類似の構造の特に単純な例であり、点が不連続な列を形成する、つまりある意味で互いに孤立している空間です。離散位相は、集合上に与えることができる最も微細な位相です。離散位相ではすべての部分集合が開集合であるため、特に、すべての単集合部分集合は離散位相では 開集合です。
定義
集合が与えられた場合:
- の上の離散位相は、の部分集合を開集合(したがって閉集合あるとすることによって定義され、離散位相空間(離散位相空間が離散位相を備えている場合)
- の上の離散一様性は、対角線上のスーパーセットをの周囲に配置することによって定義され、離散的均一性を備えている場合は、離散的均一空間になります。
- の 上の離散計量は任意のに対して定義されるこの場合、はと呼ばれる。離散距離空間または孤立した点の空間。
- 1つのある位相空間の離散部分空間とは、その位相が離散位相に等しいの位相部分空間( の部分集合とが部分空間位相を指します。たとえば、が通常のユークリッド位相を、(部分空間位相を持つ) は の離散部分空間ですが、 はそうではありません。
- 集合が の 距離空間において離散的であるとは、任意の に対して( に依存して)が存在し、すべての に対してとなることをいう。そのような集合は孤立した点から構成される。集合がの距離空間において一様離散的であるとは、任意の 2 つの異なる に対して が存在することをいう。
距離空間が一様離散的であるとは、充填半径は 、任意の1つ、またはの[1] 計量空間の基礎となる位相は、計量が一様離散的でなくても離散的である可能性がある。例えば、集合
実数に対する通常の測定基準を使用してこの集合を考えてみましょう。すると、は離散空間になります。なぜなら、各点について、それを開区間で囲むことができるためです。したがって、交点は当然シングルトンです。実数の開集合と誘導位相の交点は開いているため、は開いているため、シングルトンは開いており、は離散空間です。
しかし、 は一様に離散的ではありません。その理由を理解するには、 が存在すると仮定し、がとなる場合、 にはと が少なくとも 2 つ存在し、がより互いに近いことを示すだけで十分です。 隣接する点と の間の距離は であるため、この不等式を満たす を見つける必要があります。
与えられた実数よりも大きい数が常に存在するため、任意の正の数よりも互いに近い点が少なくとも 2 つ存在し、したがって は均一に離散的ではないということになります。
プロパティ
離散計量空間の基礎となる一様性は離散一様性であり、離散一様空間の基礎となる位相は離散位相です。したがって、離散空間の異なる概念は互いに互換性があります。一方、非離散一様空間または計量空間の基礎となる位相は離散である可能性があります。例としては、計量空間(計量は実数直線から継承され、 によって与えられます) があります。これは離散計量ではありません。また、この空間は完全ではないため、一様空間としては離散ではありません。ただし、位相空間としては離散です。 は位相的に離散ですが、一様離散または計量的に離散ではないと言います。
さらに:
- 離散空間の位相次元は 0 に等しくなります。
- 位相空間が離散的であるためには、その単一体が開である必要があり、これは位相空間に集積点が含まれない場合に限ります。
- シングルトンは離散トポロジの基礎を形成します。
- 対角線が周囲にある場合のみ、一様空間は離散的である。
- すべての離散位相空間はそれぞれの分離公理を満たします。特に、すべての離散空間はハウスドルフ、つまり分離されています。
- 離散空間がコンパクトで あるためには、それが有限である必要があります。
- すべての離散一様空間または距離空間は完全です。
- 上記の 2 つの事実を組み合わせると、すべての離散一様空間または距離空間は、有限である場合にのみ完全に有界になります。
- すべての離散距離空間は有界です。
- すべての離散空間は第 1 可算です。さらに、それが可算である場合に限り、第 2 可算です。
- すべての個別の空間は完全に分離されています。
- 空でない離散空間はすべて第 2 カテゴリです。
- 同じ濃度を持つ任意の 2 つの離散空間は同相です。
- すべての離散空間は(離散計量によって)計量化可能である。
- 有限空間は離散的である場合にのみ距離化可能です。
- が位相空間であり、が離散位相を持つ集合である場合、は次のように均等に覆われます(射影写像が望ましい被覆です)。
- 実数直線の部分空間としての整数上の部分空間位相は離散位相である。
- 離散空間は、可算である場合にのみ分離可能です。
- 離散的な(通常のユークリッド位相を持つ)任意の位相的部分空間は必然的に可算である。[2]
離散位相空間から別の位相空間への任意の関数は連続であり、離散一様空間から別の一様空間への任意の関数は一様連続です。つまり、離散空間は、位相空間と連続写像のカテゴリ、または一様空間と一様連続写像のカテゴリにおいて、集合上で自由です。これらの事実は、離散構造が通常集合上で自由であるという、はるかに広い現象の例です。
計量空間の場合、射に何を選んだかによって計量空間のカテゴリが複数存在するため、状況はより複雑になります。確かに、射がすべて一様連続写像またはすべて連続写像である場合、離散計量空間は自由ですが、これは計量構造について興味深いことは何も示さず、一様または位相構造についてのみ示しています。計量構造にもっと関連のあるカテゴリは、射をリプシッツ連続写像または短写像に制限することによって見つけることができます。ただし、これらのカテゴリには自由オブジェクト (複数の要素上) はありません。ただし、離散計量空間は、有界計量空間およびリプシッツ連続写像のカテゴリでは自由であり、1 で有界な計量空間および短写像のカテゴリでも自由です。つまり、離散計量空間から別の有界計量空間への任意の関数はリプシッツ連続であり、離散計量空間から 1 で有界な別の計量空間への任意の関数は短です。
逆に、位相空間から離散空間への関数が連続となるのは、 内のすべての点に定数となる近傍が存在するという意味で局所的に定数である場合のみです。
空でない集合上のすべてのウルトラフィルタ は、 上の位相と関連付けることができます。この位相では、のすべての空でない真部分集合は開部分集合か閉部分集合のいずれかであり、両方になることは決してありません。言い換えると、すべての部分集合は開または閉ですが、(離散位相とは対照的に)開かつ閉である(つまり、が閉じている)部分集合は と のみです。比較すると、のすべての部分集合は、離散位相では 開かつ閉です。
例と用途
離散構造は、他の自然な位相、一様性、またはメトリックを持たない集合の「デフォルト構造」としてよく使用されます。離散構造は、特定の仮定をテストするための「極端な」例としてよく使用されます。たとえば、離散位相を与えることで、任意のグループを位相群と見なすことができます。これは、位相群に関する定理がすべてのグループに適用されることを意味します。実際、分析者は、代数学者が研究する通常の非位相群を「離散群」と呼ぶことがあります。場合によっては、これは、たとえばポンチャギン双対性と組み合わせると便利に適用できます。0 次元多様体(または微分可能または解析的多様体) は、離散的で可算な位相空間に他なりません (非可算な離散空間は 2 次可算ではありません)。したがって、任意の離散可算群を 0 次元リー群と見なすことができます。
自然数の離散空間の可算無限コピーの積は無理数の空間に同相であり、同相性は連分数展開によって与えられます。離散空間の可算無限コピーの積はカントール集合に同相であり、積の一様性を積に用いるとカントール集合に一様同相になります。このような同相性は、数の三進法表記法を用いて与えられます。(カントール空間を参照してください。)局所的に入射する関数のすべてのファイバーは、必然的にその定義域の離散部分空間になります。
数学の基礎において、の積のコンパクト性に関する研究は、選択公理の弱い形式である超フィルタ補題(ブール素イデアル定理と同等)への位相的アプローチの中心となる。
非分離空間
ある意味では、離散位相の反対は自明位相(非離散位相とも呼ばれる)であり、これは可能な限り開集合の数が少ない(空集合と空間自体だけ)位相です。離散位相が初期位相または自由位相であるのに対し、非離散位相は最終位相またはコフリー位相です。つまり、位相空間から非離散空間へのすべての関数は連続的であるなどです。
参照
参考文献
- スティーン、リン・アーサー;シーバッハ、J.アーサー・ジュニア( 1978)。位相幾何学における反例(第2版)。ベルリン、ニューヨーク: Springer- Verlag。ISBN 3-540-90312-7. MR 0507446. Zbl 0386.54001.
- ウィランスキー、アルバート(2008年10月17日)[1970]。解析のための位相幾何学。ミネオラ、ニューヨーク:ドーバー出版、ISBN 978-0-486-46903-4. OCLC 227923899.
