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有限濃度の位相空間は連結なら弧状連結のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

有限濃度の位相空間は連結ならば弧状連結

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日
補題 1.

位相空間Xに於いて1点aの閉包{a}¯は弧状連結

証明.

まず最初に

A={a}¯

と置く。この時Aの空でない開集合はすべて点aを含んでいる。もしそうでないのならaの閉包がAよりも真に小さくなるからである。さてxAとして[0,1]からAへの写像として

f(t)={a(t[0,1))x(t=1)

とするとこれは連続写像になる。なぜならAの空でない開集合Uは必ずaを元として持つが、 xUならばf1(U)=[0,1]であり、xUならばf1(U)=[0,1)となりfの開集合の逆像が[0,1]の開集合になるからである。ここでImf={a,x}に注意せよ。以上からfaxを結ぶ道となる。
さて任意のx,yAについてxaを結ぶ道、axを結ぶ道を繋げればxyを結ぶ道となるのでA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
X
の部分集合族𝔐の2つの元A,Bについて、𝔐の有限個の列S1,,Snが存在して

S1=A,Sn=B,SiSi+1Ø

となる時この2つの元A,B𝔐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Xとして、まず次の事を示す。

Xa,b{a}¯{b}¯X{{x}¯|xX}

なぜなら、今、点aを取ると{a}¯と交わる{{x}¯|xX}の元で{a}¯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X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Xの有限性が効いている)
そして、この{a}¯と交わる{{x}¯|xX}の元を {y1}¯,,{yk}¯ とすると、{a}¯{y1}¯,,{yk}¯ は大路で結べるのである。そして集合

A={a}¯{y1}¯{yk}¯

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{a}¯及び{y1}¯,,{yk}¯と一致しないような{{x}¯|xX}の元でA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Xの連結性に反する) もちろんそのAと交わりを持つ{{x}¯|xX}の元と{a}¯は大路で結べるのである。
そしてこの操作は高々Xの元の個数と同じだけの回数で{{x}¯|xX}のすべての元は尽くされて、つまり、{a}¯{{x}¯|xX}の任意の元は{{x}¯|xX}に於いて大路で結べてしまうのである。
最後にXの任意の2点が道で結べることを示す。
任意の2点a,bを取ってくると{a}¯{b}¯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a,bは道で結べる。よって定理が示された。 ∎