有限濃度の位相空間は連結ならば弧状連結
補題 1.
位相空間に於いて1点の閉包は弧状連結
証明.
まず最初に
と置く。この時の空でない開集合はすべて点を含んでいる。もしそうでないのならの閉包がよりも真に小さくなるからである。さてとしてからへの写像として
とするとこれは連続写像になる。なぜならの空でない開集合は必ずを元として持つが、
ならばであり、ならばとなりの開集合の逆像がの開集合になるからである。ここでに注意せよ。以上からはとを結ぶ道となる。
さて任意のについてとを結ぶ道、とを結ぶ道を繋げればとを結ぶ道となるのでは弧状連結であることがわかる。
∎
定理 2.
台集合が有限集合である位相空間が連結ならばその空間は弧状連結である。
定理の証明の前にちょっとした定義
の部分集合族の2つの元について、の有限個の列が存在して
となる時この2つの元はに於いて大路で結べると呼ぶ
この定義はこの文書だけのものである。
証明.
今、台が有限で連結な位相空間をとして、まず次の事を示す。
なぜなら、今、点を取るとと交わるの元でと異なる集合となるもの少なくともひとつは存在する。
そのようなものが存在しないとすればが閉集合の直和として表されてしまい、連結性に反するからである。(ここでの有限性が効いている)
そして、このと交わるの元を
とすると、と
は大路で結べるのである。そして集合
は閉集合であり、これ
が全体と一致するならそれで終わりでよく、全体と一致しないなら先と同様にして及びと一致しないようなの元でと交わりを持つものが存在する。(もしそのようなものが存在しないのならの連結性に反する)
もちろんそのと交わりを持つの元とは大路で結べるのである。
そしてこの操作は高々の元の個数と同じだけの回数でのすべての元は尽くされて、つまり、との任意の元はに於いて大路で結べてしまうのである。
最後にの任意の2点が道で結べることを示す。
任意の2点を取ってくるととは大路で結べて、そして大路の各因子が弧状連結で交わりを持つので、この交わりをたどっていけばこの2点は道で結べる。よって定理が示された。
∎