多様体と幾何学

松本『多様体の基礎』から始めて、松島『多様体入門』、志賀『多様体論』まで、制覇します。

集合論的位相幾何学(その2)

 現在2021年6月21日19時48分である。(この投稿は、ほぼ2368文字)

麻友「この本、何度も、読み始めている。かなり、読みたくてたまらなかった、本なのね」

私「そう。薄い本だから、すぐ読み切れるかと思って、読み始めるのだが、挫折してきた。今回は、絶対読み切ってやる」

若菜「丁寧に、読めば、160ページなら、半年かからず、読めるでしょう」

私「それでは、始めよう」



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  第1章

 距離空間

§1.距離空間の定義

 定義 集合 {M} の任意の2つの元素(異なっていても等しくてもよい)に対して1つの実数 {\rho (x,y)} が対応し,その対応がつぎの条件を満足するとき,集合 {M}距離空間 {M} を作るという.(簡単のために集合と空間の記号を区別しないことが多い.)集合 {M} には距離が導入されたといい,{\rho (x,y)} を距離関数または単に距離と云う.

 (ⅰ){x=y} なるとき,しかもこのときに限って

            {\rho (x,y)=0}

 (ⅱ) {\rho (x,y)+ \rho (x,z) \geqq \rho (y,z)} (三角形の法則)


 条件(ⅱ)において {x=z} と置けば

    {\rho (x,y)+ \rho (x,x) \geqq \rho (y,x)}   (1)

 (ⅰ)から {\rho (x,x)=0} であるから

    {\rho (x,y) \geqq \rho (y,x)}        (2)

 ここで {x}{y} を交換すれば

    {\rho (y,x) \geqq \rho (x,y)}        (3)

 (2),(3)から

    {\rho (x,y) = \rho (y,x)}         (4)

 すなわち距離は元素 {x,y} の順序には無関係である.距離空間の条件として,(ⅰ),(ⅱ)の代りにつぎの条件を採用することがある.


 (ⅰ’){x=y} なるとき,しかもこのときに限り

            {\rho (x,y)=0}

 (ⅱ’) {\rho (x,y)= \rho (y,x)}


 (ⅲ’) {\rho (x,y)+ \rho (y,z) \geqq \rho (x,z)}


 (ⅱ’)を用いて(ⅲ’)を書直せば

   {\rho (x,y)+ \rho (y,z) = \rho (y,x) +\rho (y,z) \geqq \rho (x,z)}

{y}{x} を交換すれば(ⅱ)を得る.逆に(ⅰ),(ⅱ)より(ⅱ’)を得ることから、(ⅱ)を用いて

   {\rho (x,y)+ \rho (x,z) = \rho (y,x) +\rho (x,z) \geqq \rho (y,z)}

すなわち(ⅲ’)を得る.



 研究者注

(ⅱ)より、

{\rho (x,y)+ \rho (x,z) \geqq \rho (y,z)}

一方、(ⅰ),(ⅱ)から、(4)が、得られているので、

{\rho (x,y)= \rho (y,x)}

が、成り立ち、これより、

{\rho (y,x)+ \rho (x,z) = \rho (x,y)+ \rho (x,z) \geqq \rho (y,z)}

である。

 ここで、この式の両端の、

{\rho (y,x)+ \rho (x,z) \geqq \rho (y,z)}

で、{x}{y} を交換すれば、

{\rho (x,y)+ \rho (y,z) \geqq \rho (x,z)}

と、(ⅲ’)が得られた。というのが、丁寧な説明。

 注終わり


 要するに条件(ⅰ),(ⅱ)と、(ⅰ’),(ⅱ’),(ⅲ’)とは等値であり,距離空間の条件として,そのいずれを採用してもさしつかえない.

 集合 {M} に距離が導入されたとき,集合 {M} の元素を距離空間 {M} の点と云う.


 注意

 いかなる集合 {M} にも距離を導入することができる.{x=y} なるとき,{\rho (x,y)=0,} {x \neq y} なるとき { \rho (x,y)=1} とすればよい.したがってまた1つの集合 {M} には無数に多くの距離の導入の仕方がある.距離空間の相等,不等に関しては後に考察する.



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        (『集合論位相幾何学』(p.p.1-2より)


麻友「太郎さん。こんな真面目な記事、書けるんだ」

私「どういう意味よ」

若菜「これが、まともな数学の本ですね。分からないところも、ありますが、取り敢えず一区切りまで、行きましょう」

結弦「今日は、ここまで?」

私「かなり、疲れた。ここまでにしよう。解散」

 現在2021年6月21日21時43分である。おしまい。