Loading [MathJax]/jax/output/CommonHTML/jax.js
본문 바로가기
위상수학(Topology)/위상공간

부분공간위상(Subspace topology)

by Gosamy 2024. 4. 17.
반응형

이번 주제는 부분공간위상입니다. 기저의 의미가 선형대수학에서와 위상수학에서가 천차만별이었듯이, 부분공간이라는 비슷한 단어가 들어가 있음에도 불구하고 위상수학에서의 부분공간위상은 선형대수학에서의 그것과 또한 매우 다릅니다.

 

[그림 1] 주인장은 2년 전에 미국여행을 다녀온 적이 있다. 뉴욕을 중심으로 여행하였는데, 뉴욕에서 여러분들이 모두 다 아는 엠파이어 스테이트 빌딩이나 자유의 여신상, 브로드웨이, 타임스퀘어 등 뉴욕의 상징물들은 '맨해튼'이라는 구역에 집중되어 있다. 그런데 뉴욕은 뉴욕주에 속하고, 그림의 빨간색 점선을 넘어가 서쪽으로 이동하면 거기서부터는 뉴저지주에 해당한다. 미국이라는 전체 국가를 전체집합 X 와 같은 위상공간이라 보고, 뉴저지주를 부분집합 Y 라고 생각해보자. 뉴저지주는 뉴욕주보다 세율이 낮아서, 주인장은 월마트에 가서 물건을 싹쓸이 하기 위해 뉴저지주로 이동한 적이 있다. 미국의 연방법에서 세율은 되도록이면 A>0 으로 부과하는 것을 권장한다고 가정해보자. 그런데 뉴저지는 B(<A) 정도로 굉장히 낮은 세율을 주법으로 부과하기로 정했다고 해보자. 그러면, 뉴저지라는 부분집합에서는 연방법의 권고 기준을 만족하지 않는다는 점에서 뉴저지의 세율은 연방법의 세율(= 전체집합 위상공간에서 열린집합이 될 조건)보다 낮다. 하지만 뉴저지 내에서는 B 라는 값이 최소한의 세율값을 상회하는 값으로 정해져 있다면, 불법이 아니다. 비유가 약간 이상할 수 있지만, 이렇게 부분공간위상의 개념은 부분공간이 전체집합의 '부분집합'이라는 속성만 강요되고, 그 내에서 어떻게 열린집합을 만드는지의 규칙은 전체집합에서의 규칙과 다를 수 있다. 그래서, 부분공간에서는 열린집합인데, 전체집합에서는 열린집합이 될 수도, 안될 수도 있다. 이것이 부분공간위상의 핵심적 개념이다.


1. 부분위상

 

1) 정의

 

정의(T.P) 2-15) 부분공간위상과 상대적 열린집합
(X,T) 를 위상공간이라 하자. 어떤 YX 에 대하여, 집합족

TY={YUUT}={VYV=YU for some UT}Y 위에서의 위상이 되며, '부분공간위상(subspace topology)'라 한다. 이때, YX 의 '부분공간(subspace)'라 부르고 Y 의 원소들은 X 의 모든 열린집합들과 Y 의 가능한 모든 교집합들로 이루어진 열린집합에 해당한다.
이때 TY 의 원소 YU 는, Y 에서는 열린집합인 것이 자명하지만 X 위에서는 그렇지 않을 수도 있기 때문에 Y 위에서 '상대적으로 열린집합(relatively open set)' 또는 '상대적으로 열려있다(relatively open)'이라고 표현한다.[각주:1]

 

참고로 선형대수학의 부분공간이나, 추상대수학의 부분군에서는 '' 기호를 통해 그 관계를 표현하기는 합니다. 그러나 위상수학에서 부분공간을 굳이 YX 라고 쓰지는 않는 편입니다. 대수학에서는 닫힘성과 그 상위 공간의 성질이 대물림되어 부분공간, 부분군에게 귀속된다고 볼 수 있지만, 위상수학에서는 YX 의 부분집합이긴 하지만 X 위에서의 위상과 Y 위에서의 위상은 서로 다를 수 있기 때문입니다. 그렇게 된다면 위상공간의 핵심이 위상 즉 집합 내 점들의 연결성과 근접성에 관한 것인데, 그 특징은 서로 다를 수 있기 때문에, 대수학에서 말하는 부분공간이나 부분군의 개념과 차이가 있다고 할 수 있습니다. 이러한 점에서 굳이 부등호 기호를 사용하지는 않는 편입니다.

 

으레 그래왔듯이, 이렇게 정의한 TY 가 실제로 Y 위에서의 위상이 되는지를 먼저 확인해봅시다.


예제 1) 부분공간위상의 정의대로 위상 TY 를 정의하면, 실제로 이것이 위상의 정의에 부합하는지 확인하여라.

 

Sol) T1) 공집합과 전체집합 : =Y 으로 표현 가능하므로 TY 이고, Y=YX 로 표현 가능하므로YTY 가 된다.

 

T2) TY 의 원소들의 합집합도 TY 에 포함되는가? : 각각의 UiTY 에 대해 집합족 {Uii=1,2,n} 을 생각하자. 그러면  ViT 에 대하여 Ui=YVi 의 관계가 성립한다. 그러면

 

iIUi=iI(YVi)=Y(iIVi)

 

의 관계가 성립하고, 마지막 항에서 (iIVi)T 가 성립한다. 따라서 정의에 의하여 마지막 항 Y(iIVi)TY 의 포함된다.

 

T3) TY 의 원소들의 유한 교집합도 TY 에 포함되는가? : {Uii=1,2,,n}TY 의 원소들의 유한 교집합이라고 하자. 역시 정의에 의해서 ViT 에 대해 Ui=YVi 로 표현할 수 있으며,

 

ni=1Ui=ni=1(YVi)=Y(ni=1Vi)

 

의 관계가 성립한다. 마지막 항에서 ni=1ViT 가 성립하므로, 정의에 의해 ni=1UiTY 도 성립한다.


정리(T.P) 2.13) 부분공간위상의 기저
위상공간 X 의 기저를 B 라고 하자. 그러면 집합 BY={BYBB}Y 위에서의 부분공간위상의 기저가 된다.

증명) X 위에서의 열린집합 UX 에 대해 y(UY) 를 생각하자. 물론 여기서 YX 이다. 가정에 의해 BX 의 기저이므로, yBU 를 만족하는 기저원소 BB 가 존재한다. 그러면 y(BY)(UY) 의 관계도 성립한다. 그러면 정리(T.P) 2.3) 에 의하여 BY 를 기저원소로 갖는 BY={BYBB} 는 위상공간 Y 의 기저가 된다.

 


예제 2) 위상공간이 X={1,2,3,4,5} 으로 주어졌다고 하고, 위상은

 

T={,X,{1},{2},{1,2},{3,4,5},{1,3,4,5},{2,3,4,5}}

 

으로 주어졌다고 하자. 이는 X 위에서의 위상이 된다.(왜? 한 번 쯤은 꼭 확인해보자) 그리고 Y={1,2,3,4}X 를 생각하자. 부분공간위상 TY 를 원소나열법으로 표현하여라.

 

Sol) 부분공간위상의 정의를 사용하자. T 에 속하는 각각의 모든 열린집합을 가지고 Y 랑 교집합을 만들었을 때 이 교집합들을 원소로 가지는 위상이 TY 인 것이다. 나열해보면

 

TY={YVVT}={Y,YX,Y{1},Y{2},Y{1,2},Y{3,4,5}Y{1,3,4,5},Y{2,3,4,5}={,Y,{1},{2},{1,2},{3,4},{1,3,4},{2,3,4}}

 

가 된다. 이는 Y 위에서의 위상이며, 따라서 (Y,TY 는 위상공간 (X,T) 위에서의 부분위상공간이 된다.


예제 3) 부분기저에 대한 글에서 다음 내용을 다룬 바가 있다. X={1,2,3,4,5} 로 주어진 집합에 대해 집합족 S={{1},{1,2,3},{2,3,4},{3,5}} 가 주어졌다고 하자. S 가 부분기저임을 보이고, 이에 대응되는 기저 BS  및 이로부터 생성되는 위상 TS 를 구하라는 것이다. 정리(T.P) 2.8) 에 의하여 X=SSS 의 관계가 만족하므로, S 는 집합 X 위에서의 위상의 부분기저가 된다. 이 정리에 의하여

 

BS:={B=SFSFPF(S)}={,{1},{2,3},{3},{1,2,3},{2,3,4},{3,5}}

 

가 된다. 그러면 위상은

 

TS=TBS={U=αIBαXBαB,αI,Bα=SFαS whereFPF(S)}={BEBEBS(EP(BS))}={,X,{1},{2,3},{3},{1,2,3},{2,3,4},{3,5},{1,3},{1,2,3,4},{1,3,5},{2,3,5},{1,2,3,5},{2,3,4,5}}

 

가 된다.

 

이제 T=TS 라 하자. Y={1,2,3}X 로 주어졌을 때 BY 를 구하고 이에 의해 생성되는 위상 TBY 를 구하여라. 그러면 이 위상이 위상공간 (X,T) 의 부분집합 Y 위에서의 부분공간위상 TY 와 같음을 보여라. 여기서 X 의 기저를 B=BS 라 표기하고 풀면 된다.

 

 

Sol) TBY 부터 구해보자. 정리(T.P) 2.13) 에 의하여, 아래와 같이 구하면 이는 위상공간 Y 에서의 부분공간위상 TY 의 기저가 된다 :

 

BY={BYBB}={{1}Y,{3}Y,{2,3}Y,{3,5}Y,{1,2,3}Y,{2,3,4}Y,}={{1},{3},{2,3},Y}

 

즉 정리(T.P) 2.13) 에 의하면 이 기저 BY 에 의해 생성되는 위상이 TY 라는 것이다. 여기까지 하면 논리적인 증명을 끝내도 충분하지만, 실제로 그러한지 기저의 정의를 바탕으로 이 TY 에 의해 생성되는 위상을 그냥 노가다로 구해보자 :

 

TBY={U=αICααI,CαBY}={,Y,{1},{3},{1}{3},{1}{2,3},{1}Y,{3}{2,3},{3}Y,{2,3}Y}={,Y,{1},{3},{1,3},{2,3}}

 

예상했던 것과 같이, 기저의 정의를 쓰더라도 TY 와 같은 결과를 얻는다.


 

2) 열린집합 관계에 관한 정리

 

일반적으로 UTY 인 어떤 Y 위에서의 열린집합 U 를 생각해보면, 이것이 항상 X 위에서 열린집합이 되라는 보장은 없습니다. 정의에 의하면 UY 위에서는 확실히 열린집합이지만 반드시 (X,T) 에 대해 UT 라고 보장할 수는 없다는 뜻입니다. 그럼에도 불구하고 언제 X 위에서 열린집합이 되는지를 말할 수 있는데, 그것이 정리(T.P) 2.14) 에 관한 내용입니다. 또한, 만일 어떤 UX 위에서 이미 열린집합인데, Y 의 부분집합이라면, 왠지 Y 에서도 열린집합이 되어야 하지 않을까요? 그것이 바로 정리(T.P) 2.15) 에 해당합니다. 

 

 

정리(T.P) 2.14)
YX 의 부분공간이라고 하자. 만일 UYY 위에서의 열린집합이고 YX 위에서의 열린집합이면, U 또한 X 위에서의 열린집합이다.
즉, 부분공간 Y 위에서의 열린집합이 X 위에서도 열린집합이 되기 위해서는 그 집합이 X 위에서도 열린집합이어야 한다.

정리(T.P) 2.15)
YX 의 부분공간이라고 하자. 만일 UXX 위에서의 열린집합이고 UY 이면, UY 위에서도 열린집합에 해당한다.

위 정리의 증명) UYY 에서 열린집합이면, 부분공간위상의 정의에 의하여 U=YV 를 만족하는 X 위에서의 열린집합 VX 가 존재한다. 가정에 의해 Y 또한 X 위에서의 열린집합이기 때문에, 위상의 유한 교집합 조건 T3) 에 의하여 YV=U 또한 X 위에서의 열린집합이다.

결과적으로 UYX 의 관계가 성립하며, U,Y,V 는 모두 X 위에서의 열린집합이다.


아래 정리의 증명) UY 이면 UU=YU 로 적을 수 있다. 가정에 의해 UX 위에서 열린집합이기 때문에, U 를 포함하는 X 의 위상 T 를 생각하면 부분공간위상

TY={YUUT}
를 정의할 수 있다. 이때 TY 의 원소는 YU=U 에 해당하므로 UY 위에서의 열린집합이기도 하다.

 

 

여기서 이 두 정리는, 역의 관계인 것 같아 보이지만 정확한 역의 관계라기보다는 미묘한 가정 조건상의 차이가 있습니다. 앞의 정리는 Y 위에서의 열린집합이 반드시 X 위에서의 열린집합일 필요는 없다는 것을 뜻합니다. 이것이 UYY 위에서의 상대적 열려있다는 표현을 하는 이유에 해당합니다. 반면 뒤의 정리는, X 의 열린집합이 하나 주어졌을 때는, 그것이 Y 에 들어있기만 해도 Y 에서 열린집합이라는 의미를 담고 있습니다.

 

 

3) 곱 위상과 순서 위상과의 연결

 

정리(T.P) 2.16)
두 위상공간 (X,T)(Y,T) 을 고려하자. 만일 AX 의 부분공간이고, BY 의 부분공간일 때 X×Y 의 부분공간위상 A×B 는, 곱 위상 A×B 와 같다.

증명) 두 위상공간의 데카르트 곱 X×Y 으로 만들어질 곱 위상을 TX×Y 라 하자. X×Y 의 기저는 BX×Y={U×VUT,VT} 으로 쓸 수 있다. 가정에 의하여 A,B 는 각각 위상공간 X,Y 의 부분공간이기 때문에, 정리(T.P) 2.13) 에 의하여, 부분공간위상으로서의 기저는

BA×B={(U×V)(A×B)U×VB}
와 같이 나타낼 수 있다.

한편, 단순히 A×B 를 곱 위상으로서만 해석하기 위해 A×B 라는 곱 위상의 기저 B={W×ZWTA,ZTB} 을 고려하자. 이 정리를 증명하기 위해서는 B=BA×B 라는 것을 보여야 하기 때문에, 양방향으로 각각 BBA×BBA×BB 을 순서대로 보이자.

i) 곱 위상이 부분공간위상이 된다 BBA×B : W×ZB 를 생각하자. WTA 이고 ZTB 이기 때문에, 부분위상공간의 정의에 의하여 어떤 UTVT 에 대하여 W=UA 이고 Z=VB 의 관계가 성립한다. 그러면 

W×Z=(UA)×(VB)=(U×V)(A×B)BA×B
가 성립한다.

ii) 부분공간위상이 곱 위상이 된다 BA×BB : (U×V)(A×B)BA×B 를 생각하자. 여기서 UT 이고 VT 이다. i) 에서 했던 것처럼(역방향으로 가면) (U×V)(A×B)=(UA)×(VB) 가 성립하는데, 가정에 의해 A,B 는 각각 X,Y 의 부분공간이기 때문에 UATA 이고 VBTB 가 성립한다.[각주:2] 따라서, (U×V)(A×B)B 이 성립한다. 

i) 과 ii) 에서, B=BA×B 가 성립한다. 따라서 이들 각각에 의해 생성되는 위상이 같다는 것인데, 하나는 단순히 A×B 위에서의 곱 위상, 후자인 나머지 하나는 X×Y 의 부분공간 A×B 에서의 위상이다. 이 둘은 동일하다는 결론을 얻는다.

 

 

위 정리는 곱 위상과 부분공간위상의 관련성을 설명하고 있습니다. 반면 아래에 소개할 예제는 순서위상과 부분공간위상의 연관성을 말합니다.


예제 4) 실직선 R 위에서의 보통위상을 생각하고, R 의 부분집합으로서 닫힌구간 Y=[0,1] 을 생각하자. Y 위에서의 부분공간위상을 고려하려고 한다. 그러면 이 부분공간위상은 순서위상임을 보이고, 둘은 동일함을 보여라.

 

 

Sol) 보통위상공간은 (R,T) 으로 표기할 수 있고 이때의 보통위상을 생성하는 기저는 B={(a,b)a,bR,a<b} 에 해당한다. 정리(T.P) 2.13) 에 의하여 YR 의 기저를

 

BY={(a,b)Y(a,b)B}

 

으로 잡으면 Y 는 부분공간위상이 된다. 이때, BY 의 원소들을 순서위상의 정의에 해당하는 기저원소들과 정말 같은지 다음의 분류 과정을 통해 확인할 수 있다.

 

BY((a,b)Y)={Y=[0,1]a<0,b>1(a,b)0a<b1[0,b)a<0<b1(a,1]0a<1<baY,bY

 

따라서 이 기저원소들은 정확히 순서위상에 정의에 해당하는 기저의 형태로 이루어져 있음을 알 수 있다. 기저원소는 반드시 그 자체로 열린집합이기 때문에, 여기서 Y,,(a,b),[0,b),(a,1] 들은 모두 Y 위에서의 열린집합이다. 그러나, 이중에서 [0,b),(a,1]R 위에서는 반열린구간이고, YR 위에서는 닫힌구간이니,[각주:3] 보통위상의 기저 B 에 포함되지는 않기 때문에, 보통위상공간 R 위에서는 열린집합이 아니다. 반면 (a,b)Y 위에서나 R 위에서나 모두 열린집합이다. 즉, 여기서 순서위상은 보통위상의 부분공간위상과 동일하긴 하지만, 위의 5개의 식 모두 Y 에서는 열린집합이나, 일부는 R 위에서는 열린집합이 아니다.


예제 5) 집합 Y=[0,1){2}R 을 생각하자. Y 위에서의 부분공간위상과 순서위상이 같지 않음을 보여라.

 

 

Sol) 보통위상의 기저 중 (52,32) 를 생각해보자. 그러면 (52,32)Y={2}BY 가 성립하므로 단원소집합 {2}Y 의 부분공간위상의 기저원소에 해당, 고로 Y 위에서의 부분공간위상의 원소이므로, Y 위에서 열린집합이 된다.

 

반면 Y 위에서 순서위상을 생각해보자. 2YY 의 최대원소이기 때문에, 2 를 포함하는 Y 의 순서위상의 기저원소는 항상 어떤 aY 에 대하여 (a,2]={xxY,a<x2 의 꼴을 가지고 있다고 볼 수 있다. 따라서 마트로시카 정리(정리(T.P) 2.2))에 의하여, Y 의 순서위상에서 {2} 는 열린집합이 될 수 없다. 왜냐하면, 귀류법을 써서 만일 {2}Y 의 순서위상의 원소, 즉 {2}Y 위에서 열린집합이라고 가정하면, 마트로시카 정리에 의해서 xU:={2} 이면 xBU 가 성립하는 BB 가 존재해야 하기 때문이다. 그런데 U={2}{2} 라는 단원소집합을 Y 위에서 열린집합이라고 가정하는 순간 x=2 를 택하면 x=2BU={2} 가 성립되게 하는 기저원소 BB 는 위에서 보았듯이 B(a,2] 형태이기 때문에 오히려 UB 꼴이 되는 셈으로, 존재하지 않기 때문이다.


 

 

 

[참고문헌]

James Munkres, Topology 2E

 

 

 

 

  1. 상대적으로 열려있다는 표현은 'Y' 위에서 그러하다는 뜻입니다. X 위에서 상대적으로 열려있다는 뜻이 아닙니다. 물론, 부분위상의 원소는 Y 에서는 앞서 설명했듯이 이미 열린집합인 것이 확실합니다. 하지만 그래도 '상대적으로 열려있다'고 표현함으로서, X 에서는 열려있을 수도 있고 아닐 수도 있다는 사실을 함의하는 셈입니다. [본문으로]
  2. 여기서, A,B 가 각각 X,Y 에서 열린집합이어야만 하는 것은 아니다. 왜냐하면, X,Y 의 부분공간위상이 A,B 인데 부분공간위상은 반드시 위상공간에서 열린집합이어야만 한다고 볼 수는 없기 때문이다. 하지만, UX 에서 열린집합이니, UAU 가 성립하고, 따라서 이 교집합은 X 에서 열린집합이다. Y 에 대해서도 마찬가지다. [본문으로]
  3. 이 표현에 주의해봅시다. 어떤 집합이 '열린집합'이라는 것은 일단 "어떤 위상공간" 위에서 열린집합인지의 소속을 대야 합니다. 그런데 (a,b) 나 공집합은 보통위상공간 R 에서나 부분공간위상공간(= Y) 위에서나 열린집합이지만, [0,b)(a,1] 의 경우 Y 위에서는 열린집합이나(순서위상이니까) R 위에서는 반열린구간이니 열린집합이 아니라는 뜻입니다. [본문으로]

댓글