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ユークリッド位相

ユークリッド空間における点の近傍・近傍系

目次

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点の近傍

ユークリッド空間に属する2つの点\(x,y\in \mathbb{R} ^{n}\)をそれぞれ任意に選んだとき、\(x\)から\(y\)への距離は、\begin{equation*}d\left( x,y\right) =\sqrt{\sum_{i=1}^{n}\left( x_{i}-y_{i}\right) ^{2}}
\end{equation*}と定義されます。点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)と正の実数\(\varepsilon >0\)をそれぞれ任意に選びます。このとき、点\(a\)からの距離が\(\varepsilon \)よりも小さい場所にある\(\mathbb{R} ^{n}\)の点からなる集合を、\begin{equation*}N_{\varepsilon }\left( a\right) =\left\{ x\in \mathbb{R} ^{n}\ |\ d\left( x,a\right) <\varepsilon \right\}
\end{equation*}で表記し、これを\(a\)の近傍(neighborhood of \(a\))や開近傍(open neighborhoodof \(a\))などと呼びます。また、\(a\)を近傍の中心(center)と呼び、\(\varepsilon \)を近傍の半径(radius)と呼びます。

ユークリッド距離\(d\)の対称性より\(d\left( x,a\right) =d\left(a,x\right) \)が成り立つため、点\(a\)の近傍を、\begin{equation*}N_{\varepsilon }\left( a\right) =\left\{ x\in \mathbb{R} ^{n}\ |\ d\left( a,x\right) <\varepsilon \right\}
\end{equation*}と表現することもできます。

点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)を中心とする半径\(\varepsilon >0\)の近傍を、\begin{eqnarray*}N_{\varepsilon }\left( a\right) &=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{n}\ |\ d\left( x,a\right) <\varepsilon \right\} \quad \because \text{近傍の定義} \\
&=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{n}\ |\ \sqrt{\sum_{i=1}^{n}\left( x_{i}-a_{i}\right) ^{2}}<\varepsilon
\right\} \quad \because \text{距離の定義} \\
&=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{n}\ |\ \left\Vert x-a\right\Vert <\varepsilon \right\} \quad \because
\text{ノルムの定義} \\
&=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{n}\ |\ \sqrt{\left\langle x-a,x-a\right\rangle }<\varepsilon \right\}
\quad \because \text{内積の定義}
\end{eqnarray*}などと様々な形で表現できます。

例(点の近傍)
\(1\)次元ユークリッド空間において、点\(a\in \mathbb{R} \)を中心とする半径\(\varepsilon >0\)の近傍は、\begin{eqnarray*}N_{\varepsilon }\left( a\right) &=&\left\{ x\in \mathbb{R} \ |\ d\left( x,a\right) <\varepsilon \right\} \quad \because \text{近傍の定義} \\
&=&\left\{ x\in \mathbb{R} \ |\ \left\vert x-a\right\vert <\varepsilon \right\} \quad \because \text{距離の定義} \\
&=&\left( a-\varepsilon ,a+\varepsilon \right) \quad \because \text{区間の定義}
\end{eqnarray*}となります。つまり、\(\mathbb{R} \)の点\(a\)の近傍は点\(a\)を中心とする有界開区間と実質的に等しい概念です(下図)。開区間であるため端点\(a-\varepsilon ,a+\varepsilon \)をともに含まない点に注意してください。

図:点の近傍
図:点の近傍
例(点の近傍)
\(2\)次元ユークリッド空間において、\(a\in \mathbb{R} ^{2}\)を中心とする半径\(\varepsilon >0\)の近傍は、\begin{eqnarray*}N_{\varepsilon }\left( a\right) &=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{2}\ |\ d\left( x,a\right) <\varepsilon \right\} \quad \because \text{近傍の定義} \\
&=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{2}\ |\ \sqrt{\left( x_{1}-a_{1}\right) ^{2}+\left( x_{2}-a_{2}\right) ^{2}}<\varepsilon \right\} \quad \because \text{距離の定義} \\
&=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{2}\ |\ \left( x_{1}-a_{1}\right) ^{2}+\left( x_{2}-a_{2}\right)
^{2}<\varepsilon ^{2}\right\}
\end{eqnarray*}となります。つまり、\(\mathbb{R} ^{2}\)の点\(a\)の近傍は点\(a\)を中心とする円盤と実質的に等しい概念です(下図)。ただし、円盤の境界、すなわち円を含みません。

図:点の近傍
図:点の近傍
例(点の近傍)
\(3\)次元ユークリッド空間において、点\(a\in \mathbb{R} ^{3}\)を中心とする半径\(\varepsilon >0\)の近傍は、\begin{eqnarray*}N_{\varepsilon }\left( a\right) &=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{3}\ |\ d\left( x,a\right) <\varepsilon \right\} \quad \because \text{近傍の定義} \\
&=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{3}\ |\ \sqrt{\left( x_{1}-a_{1}\right) ^{2}+\left( x_{2}-a_{2}\right)
^{2}+\left( x_{3}-a_{3}\right) ^{2}}<\varepsilon \right\} \quad \because
\text{距離の定義} \\
&=&\left\{ x\in \mathbb{R} ^{3}\ |\ \left( x_{1}-a_{1}\right) ^{2}+\left( x_{2}-a_{2}\right)
^{2}+\left( x_{3}-a_{3}\right) ^{2}<\varepsilon ^{2}\right\}
\end{eqnarray*}となります。つまり、\(\mathbb{R} ^{3}\)の点\(a\)の近傍は点\(a\)を中心とする球体と実質的に等しい概念です。ただし球体の表面、すなわち球面を含みません。

 

点の近傍系

点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)が与えられたとき、半径\(\varepsilon >0\)の大きさに応じて様々な半径を持つ点\(a\)の近傍\(N_{\varepsilon }\left(a\right) \)が得られます。そこで、点\(a\)の近傍をすべて集めてできる集合族を、\begin{equation*}N\left( a\right) =\left\{ N_{\varepsilon }\left( a\right) \ |\ 0<\varepsilon
<+\infty \right\}
\end{equation*}で表記し、これを\(a\)の近傍系(neighborhood system of \(a\))と呼びます。

点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)と半径\(\varepsilon >0\)をそれぞれ任意に選んだとき、\begin{eqnarray*}d\left( a,a\right) &=&0\quad \because \text{距離の不可識別同一性} \\
&<&\varepsilon \quad \because \varepsilon >0
\end{eqnarray*}が成り立ちますが、近傍の定義を踏まえると、これは、\begin{equation*}
a\in N_{\varepsilon }\left( a\right)
\end{equation*}であることを意味します。点\(a\)の近傍は中心を要素として持つということです。任意の半径\(\varepsilon \)について同様の議論が成立するため、\begin{equation*}\forall \varepsilon >0:a\in N_{\varepsilon }\left( a\right)
\end{equation*}を得ます。共通部分の定義より、これは、\begin{equation*}
a\in \bigcap\limits_{\varepsilon >0}N_{\varepsilon }\left( a\right)
\end{equation*}すなわち、\begin{equation*}
a\in \bigcap N\left( a\right)
\end{equation*}と必要十分です。つまり、点\(a\)は自身の近傍系\(N\left( a\right) \)の共通部分の要素です。さらに、点\(a\)の近傍系\(N\left( a\right) \)の共通部分の要素は点\(a\)以外に存在しません(演習問題)。したがって以下を得ます。

命題(点の近傍系の性質)
点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)を任意に選んだとき、\begin{equation*}\bigcap N\left( a\right) =\left\{ a\right\}
\end{equation*}が成り立つ。ただし、\(N\left( a\right) \)は点\(a\)の近傍系である。
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点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)の近傍系\(N\left( a\right) \)の要素、すなわち点\(a\)の近傍を2つ任意に選び、それらを\(N_{\varepsilon _{1}}\left( a\right) \)と\(N_{\varepsilon _{2}}\left( a\right) \)でそれぞれ表記します。\(\varepsilon_{1}>0\)かつ\(\varepsilon _{2}>0\)です。このとき、この2つの近傍の双方に含まれる点\(a\)の近傍が存在することが保証されます。つまり、\begin{equation*}\exists \varepsilon >0:N_{\varepsilon }\left( a\right) \subset
N_{\varepsilon _{1}}\left( a\right) \cap N_{\varepsilon _{2}}\left( a\right)
\end{equation*}が成り立つということです(演習問題)。

命題(点の近傍系の性質)
点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)を任意に選んだとき、\begin{equation*}\forall \varepsilon _{1}>0,\ \forall \varepsilon _{2}>0,\ \exists
\varepsilon >0:N_{\varepsilon }\left( a\right) \subset N_{\varepsilon
_{1}}\left( a\right) \cap N_{\varepsilon _{2}}\left( a\right)
\end{equation*}が成り立つ。

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つまり、点\(a\)の近傍系\(N\left( a\right) \)の2つの要素を任意に選んだとき、それらの共通部分の部分集合であるような\(N\left( a\right) \)の要素が存在するということです。つまり、上の命題を一般的な形で表現すると、それぞれの点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)に対して、\begin{equation*}\forall A\in N\left( a\right) ,\ \forall B\in N\left( a\right) ,\ \exists
C\in N\left( a\right) :C\subset A\cap B
\end{equation*}が成り立つという主張になります。このような意味において、上の命題は点の近傍系の性質を記述したものになっています。

 

ユークリッド空間の近傍系

点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)に応じて中心が異なる様々な近傍系\(N\left( a\right) \)が得られます。そこで、\(\mathbb{R} ^{n}\)上のすべての点の近傍系からなる集合族を、\begin{equation*}N=\left\{ N\left( a\right) \ |\ a\in \mathbb{R} ^{n}\right\}
\end{equation*}で表記し、これを\(\mathbb{R} ^{n}\)の近傍系(neighbourhood systemof \(\mathbb{R} ^{n}\))と呼びます。

点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)と半径\(\varepsilon >0\)をそれぞれ任意に選んだ上で近傍\(N_{\varepsilon }\left( a\right) \)をとります。さらに、この近傍に属する点\(b\in N_{\varepsilon}\left( a\right) \)を任意に選んだとき、この点\(b\)の近傍の中に、先の近傍\(N_{\varepsilon }\left( a\right) \)の部分集合であるようなものが必ず存在することが保証されます。つまり、近傍\(N_{\varepsilon }\left( a\right) \)を任意に選んだとき、それに対して、\begin{equation*}\forall b\in N_{\varepsilon }\left( a\right) ,\ \exists \delta >0:N_{\delta
}\left( b\right) \subset N_{\varepsilon }\left( a\right)
\end{equation*}が成り立つということです(演習問題)。

命題(近傍系の性質)
点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)と半径\(\varepsilon >0\)を任意に選んだ上で近傍\(N_{\varepsilon}\left( a\right) \)をとったとき、それに対して、\begin{equation*}\forall b\in N_{\varepsilon }\left( a\right) ,\ \exists \delta >0:N_{\delta
}\left( b\right) \subset N_{\varepsilon }\left( a\right)
\end{equation*}が成り立つ。

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例(近傍系の性質)
\(1\)次元ユークリッド空間\(\mathbb{R} \)に関して、上の命題の主張を以下に図解しました。点\(a\)の近傍\(N_{\varepsilon }\left( a\right) \)が与えられたとき(図中の点\(a\)を中心とする開区間)、その要素\(b\in N_{\varepsilon }\left(a\right) \)を任意に選ぶと、下図のように\(N_{\delta }\left( b\right)\subset N_{\varepsilon }\left( a\right) \)を満たす点\(b\)の近傍\(N_{\delta }\left( b\right) \)(図中の点\(b\)を中心とする開区間)を常にとることができます。

図:近傍系の性質
図:近傍系の性質
例(近傍系の性質)
\(2\)次元ユークリッド空間\(\mathbb{R} ^{2}\)に関して、上の命題の主張を以下に図解しました。点\(a\)の近傍\(N_{\varepsilon }\left( a\right) \)が与えられたとき(図中の点\(a\)を中心とする円の内部)、その要素\(b\in N_{\varepsilon }\left(a\right) \)を任意に選ぶと、下図のように\(N_{\delta }\left( b\right)\subset N_{\varepsilon }\left( a\right) \)を満たす点\(b\)の近傍\(N_{\delta }\left( b\right) \)(図中の点\(b\)を中心とする円の内部)を常にとることができます。

図:近傍系の性質
図:近傍系の性質

 

演習問題

問題(点の近傍)
点\(a\in \mathbb{R} ^{n}\)が与えられたとき、\(\mathbb{R} ^{n}\)の部分集合\(A\)について、\begin{equation*}\exists \varepsilon >0:N_{\varepsilon }\left( a\right) \subset A
\end{equation*}が成り立つ場合、\(A\)を\(a\)の近傍と呼びます。ただし、\(N_{\varepsilon }\left( a\right) \)は半径が\(\varepsilon \)であるような点\(a\)の近傍です。また、\(a\)のすべての近傍からなる集合を\(a\)の近傍系と呼び、それを、\begin{equation*}\mathcal{N}\left( a\right)
\end{equation*}で表します。以上を踏まえた上で以下を証明してください。これを近傍公理(neighborhood axiom)と呼びます。

  1. \(\mathcal{N}\left( a\right) \not=\phi \)
  2. \(A\in \mathcal{N}\left( a\right) \Rightarrow a\in A\)
  3. \(A,B\in \mathcal{N}\left( a\right) \Rightarrow A\cap B\in \mathcal{N}\left( a\right) \)
  4. \(\left( A\in \mathcal{N}\left( a\right) \wedge A\subset B\right)\Rightarrow B\in \mathcal{N}\left( a\right) \)
  5. \(A\in \mathcal{N}\left( a\right) \Rightarrow \left[ \exists B\in \mathcal{N}\left( a\right) :\left\{ B\subset A\wedge \left[ \forall b\in B:B\in \mathcal{N}\left( b\right) \right] \right\} \right] \)
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