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

1. 부분위상
1) 정의
정의(T.P) 2-15) 부분공간위상과 상대적 열린집합
(X,T) 를 위상공간이라 하자. 어떤 Y⊆X 에 대하여, 집합족
TY={Y∩U∣U∈T}={V⊆Y∣V=Y∩U for some U∈T} 은 Y 위에서의 위상이 되며, '부분공간위상(subspace topology)'라 한다. 이때, Y 는 X 의 '부분공간(subspace)'라 부르고 Y 의 원소들은 X 의 모든 열린집합들과 Y 의 가능한 모든 교집합들로 이루어진 열린집합에 해당한다.
이때 TY 의 원소 Y∩U 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. 1
참고로 선형대수학의 부분공간이나, 추상대수학의 부분군에서는 '⩽' 기호를 통해 그 관계를 표현하기는 합니다. 그러나 위상수학에서 부분공간을 굳이 Y⩽X 라고 쓰지는 않는 편입니다. 대수학에서는 닫힘성과 그 상위 공간의 성질이 대물림되어 부분공간, 부분군에게 귀속된다고 볼 수 있지만, 위상수학에서는 Y 가 X 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=Y∩X 로 표현 가능하므로Y∈TY 가 된다.
T2) TY 의 원소들의 합집합도 TY 에 포함되는가? : 각각의 Ui∈TY 에 대해 집합족 {Ui∣i=1,2,⋯n} 을 생각하자. 그러면 Vi∈T 에 대하여 Ui=Y∩Vi 의 관계가 성립한다. 그러면
⋃i∈IUi=⋃i∈I(Y∩Vi)=Y∩(⋃i∈IVi)
의 관계가 성립하고, 마지막 항에서 (⋃i∈IVi)∈T 가 성립한다. 따라서 정의에 의하여 마지막 항 Y∩(⋃i∈IVi) 은 TY 의 포함된다.
T3) TY 의 원소들의 유한 교집합도 TY 에 포함되는가? : {Ui∣i=1,2,⋯,n} 을 TY 의 원소들의 유한 교집합이라고 하자. 역시 정의에 의해서 Vi∈T 에 대해 Ui=Y∩Vi 로 표현할 수 있으며,
n⋂i=1Ui=n⋂i=1(Y∩Vi)=Y∩(n⋂i=1Vi)
의 관계가 성립한다. 마지막 항에서 n⋂i=1Vi∈T 가 성립하므로, 정의에 의해 ⋂ni=1Ui∈TY 도 성립한다. ◼
정리(T.P) 2.13) 부분공간위상의 기저
위상공간 X 의 기저를 B 라고 하자. 그러면 집합 BY={B∩Y∣B∈B} 는 Y 위에서의 부분공간위상의 기저가 된다.
증명) X 위에서의 열린집합 U⊆X 에 대해 y∈(U∩Y) 를 생각하자. 물론 여기서 Y⊆X 이다. 가정에 의해 B 가 X 의 기저이므로, y∈B⊆U 를 만족하는 기저원소 B∈B 가 존재한다. 그러면 y∈(B∩Y)⊆(U∩Y) 의 관계도 성립한다. 그러면 정리(T.P) 2.3) 에 의하여 B∩Y 를 기저원소로 갖는 BY={B∩Y∣B∈B} 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={Y∩V∣V∈T}={Y∩∅,Y∩X,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=⋃S∈SS 의 관계가 만족하므로, S 는 집합 X 위에서의 위상의 부분기저가 된다. 이 정리에 의하여
BS:={B=⋂S∈FS∣F∈PF(S)}={∅,{1},{2,3},{3},{1,2,3},{2,3,4},{3,5}}
가 된다. 그러면 위상은
TS=TBS={U=⋃α∈IBα⊆X∣Bα∈B,α∈I,∀Bα=⋂S∈FαS whereF∈PF(S)}={⋃B∈EB∣E⊆BS(⇔E∈P(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={B∩Y∣B∈B}={{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=⋃α∈ICα∣α∈I,Cα∈BY}={∅,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 U∈TY 인 어떤 Y 위에서의 열린집합 U 를 생각해보면, 이것이 항상 X 위에서 열린집합이 되라는 보장은 없습니다. 정의에 의하면 U 는 Y 위에서는 확실히 열린집합이지만 반드시 (X,T) 에 대해 U∈T 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 U 가 X 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)
Y 가 X 의 부분공간이라고 하자. 만일 U⊆Y 가 Y 위에서의 열린집합이고 Y 는 X 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)
Y 가 X 의 부분공간이라고 하자. 만일 U⊆X 가 X 위에서의 열린집합이고 U⊆Y 이면, U 는 Y 위에서도 열린집합에 해당한다.
위 정리의 증명) U⊆Y 가 Y 에서 열린집합이면, 부분공간위상의 정의에 의하여 U=Y∩V 를 만족하는 X 위에서의 열린집합 V⊆X 가 존재한다. 가정에 의해 Y 또한 X 위에서의 열린집합이기 때문에, 위상의 유한 교집합 조건 T3) 에 의하여 Y∩V=U 또한 X 위에서의 열린집합이다.
결과적으로 U⊆Y⊆X 의 관계가 성립하며, U,Y,V 는 모두 X 위에서의 열린집합이다. ◼
아래 정리의 증명) U⊆Y 이면 U 는 U=Y∩U 로 적을 수 있다. 가정에 의해 U 가 X 위에서 열린집합이기 때문에, U 를 포함하는 X 의 위상 T 를 생각하면 부분공간위상
TY={Y∩U∣U∈T}
를 정의할 수 있다. 이때 TY 의 원소는 Y∩U=U 에 해당하므로 U 는 Y 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 U⊆Y 가 Y 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) 와 (Y,T′) 을 고려하자. 만일 A 가 X 의 부분공간이고, B 가 Y 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×V∣U∈T,V∈T′} 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×V∈B}
와 같이 나타낼 수 있다.
한편, 단순히 A×B 를 곱 위상으로서만 해석하기 위해 A×B 라는 곱 위상의 기저 B′={W×Z∣W∈TA,Z∈TB} 을 고려하자. 이 정리를 증명하기 위해서는 B′=BA×B 라는 것을 보여야 하기 때문에, 양방향으로 각각 B′⊆BA×B 와 BA×B⊆B′ 을 순서대로 보이자.
i) 곱 위상이 부분공간위상이 된다 ⟺ B′⊆BA×B : W×Z∈B′ 를 생각하자. W∈TA 이고 Z∈TB 이기 때문에, 부분위상공간의 정의에 의하여 어떤 U∈T 와 V∈T′ 에 대하여 W=U∩A 이고 Z=V∩B 의 관계가 성립한다. 그러면
W×Z=(U∩A)×(V∩B)=(U×V)∩(A×B)∈BA×B
가 성립한다.
ii) 부분공간위상이 곱 위상이 된다 ⟺ BA×B⊆B′ : (U×V)∩(A×B)∈BA×B 를 생각하자. 여기서 U∈T 이고 V∈T′ 이다. i) 에서 했던 것처럼(역방향으로 가면) (U×V)∩(A×B)=(U∩A)×(V∩B) 가 성립하는데, 가정에 의해 A,B 는 각각 X,Y 의 부분공간이기 때문에 U∩A∈TA 이고 V∩B∈TB 가 성립한다. 따라서, 2(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,b∈R,a<b} 에 해당한다. 정리(T.P) 2.13) 에 의하여 Y⊆R 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)0≤a<b≤1[0,b)a<0<b≤1(a,1]0≤a<1<b∅a∉Y,b∉Y
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] 은 R 위에서는 반열린구간이고, Y 는 R 위에서는 닫힌구간이니, 보통위상의 기저 3B 에 포함되지는 않기 때문에, 보통위상공간 R 위에서는 열린집합이 아니다. 반면 (a,b) 는 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} 는 Y 의 부분공간위상의 기저원소에 해당, 고로 Y 위에서의 부분공간위상의 원소이므로, Y 위에서 열린집합이 된다.
반면 Y 위에서 순서위상을 생각해보자. 2∈Y 는 Y 의 최대원소이기 때문에, 2 를 포함하는 Y 의 순서위상의 기저원소는 항상 어떤 a∈Y 에 대하여 (a,2]={x∣x∈Y,a<x≤2 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} 가 Y 의 순서위상의 원소, 즉 {2} 가 Y 위에서 열린집합이라고 가정하면, 마트로시카 정리에 의해서 x∈U:={2} 이면 x∈B⊆U 가 성립하는 B∈B 가 존재해야 하기 때문이다. 그런데 U={2} 즉 {2} 라는 단원소집합을 Y 위에서 열린집합이라고 가정하는 순간 x=2 를 택하면 x=2∈B⊆U={2} 가 성립되게 하는 기저원소 B∈B 는 위에서 보았듯이 B 가 (a,2] 형태이기 때문에 오히려 U⊆B 꼴이 되는 셈으로, 존재하지 않기 때문이다. ◼
[참고문헌]
James Munkres, Topology 2E
- 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]
- 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, U 는 X 에서 열린집합이니, U∩A⊆U 가 성립하고, 따라서 이 교집합은 X 에서 열린집합이다. Y 에 대해서도 마찬가지다. [본문으로]
- 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) 와 (a,1] 의 경우 Y 위에서는 열린집합이나(순서위상이니까) R 위에서는 반열린구간이니 열린집합이 아니라는 뜻입니다. [본문으로]
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