Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀

Manifold series, part 2: the definitions of neighborhoods, closed sets, limit points, closure, interior, exterior, boundary, and dense setsManifold 시리즈 2편: 이웃, 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 외부, 경계, 조밀한 집합의 정의

Manifold series매니폴드 시리즈Part 2 of 1818편 중 2번째
  1. Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
  2. Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
  3. Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
  4. Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
  5. Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
  6. Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
  7. Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
  8. Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
  9. Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
  10. Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
  11. Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
  12. Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
  13. Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
  14. Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
  15. Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
  16. Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
  17. Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
  18. Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차

XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 2강 Elementary Definitions에 해당합니다. 지난 편에서 정한 위상을 바탕으로, 이번 편에서는 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀성을 차례로 정의합니다. 모두 열린집합에서 출발하는 정의이고, 위상이 ‘가까움’을 정하는 방법이라는 점이 이 편의 줄기입니다.

이웃으로 위상을 말하는 길

점들이 아무 구조 없이 놓여 있으면 ‘가깝다’는 말에 뜻이 없습니다. 위상이 있어야 가까움이 생기고, 같은 일을 열린집합 말고 이웃neighborhood으로도 할 수 있습니다. 집합 XX의 점 pp에 대해 부분집합 NN이 pp의 이웃이 되는 규칙은 네 가지입니다.

  1. p∈Np \in N입니다.
  2. NN이 pp의 이웃이고 N⊆MN \subseteq M이면 MM도 pp의 이웃입니다. 이웃이라는 성질은 큰 집합으로 올라갑니다.
  3. 두 이웃의 교집합도 pp의 이웃입니다.
  4. NN이 pp의 이웃이면, pp의 이웃 W⊆NW \subseteq N이 있어서 WW의 모든 점 rr에 대해 NN이 rr의 이웃입니다.

네 번째 규칙은 이웃 안에 그 안의 모든 점에게도 이웃인 작은 이웃이 들어 있게 하는 조건이고, 열린 이웃이 존재하도록 받쳐 줍니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 열린집합으로 쌓을 수 있는 이론은 이웃으로도 쌓을 수 있고, 논리나 계산·측정에 바탕을 둔 방식도 따로 있습니다. 교과서에서 가장 널리 쓰는 것은 열린집합이므로 이 시리즈는 열린집합으로 갑니다.

닫힌집합

토폴로지컬 스페이스 XX에서 닫힌집합closed set은 열린집합의 여집합complement입니다. 열린집합 UU에 대해 X∖UX \setminus U가 닫힌집합이고, 닫힌집합의 여집합은 다시 열린집합입니다.

평면에서 열린 공의 여집합은 공의 경계 원과 그 바깥 전체이고, 이것은 닫힌집합입니다. 보통 위상에서는 점 하나도 닫힌집합입니다. 그 점을 뺀 평면은 점을 피하는 열린 공들을 무한히 합쳐서 만들 수 있기 때문입니다. 교집합이었다면 유한 개까지만 허용되어 이런 일이 되지 않습니다.

열린집합의 규칙을 여집합으로 옮기면 닫힌집합의 규칙이 됩니다. 합집합은 유한 개까지, 교집합은 임의의 개수까지 닫힌집합으로 남습니다. 그래서 닫힌집합의 모음에서 출발해 위상을 정의해도 됩니다.

Q. 닫힌집합은 열린집합의 반대말인가요?
A. 반대말이 아닙니다. 공집합 ∅\emptyset과 전체 XX는 열려 있으면서 닫혀 있습니다. 이산 위상에서는 모든 부분집합이 둘 다이고, 자명한 위상에서는 점 하나가 열려 있지도 닫혀 있지도 않습니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

열린 이웃과 극한점

열린 이웃open neighborhood은 점 pp를 담는 열린집합입니다. 열린집합은 자기 안의 모든 점의 이웃이므로, 이웃을 말할 때 보통 열린 이웃만 쓰면 충분합니다.

XX의 부분집합 SS를 하나 잡습니다. 점 pp의 열린 이웃이 모두 SS의 점을 하나라도 담고 있으면 pp를 SS의 극한점limit point이라고 부릅니다. 반대로 어떤 열린 이웃 UpU_p가 Up∩S=∅U_p \cap S = \emptyset이면 pp는 SS의 극한점이 아닙니다. 이웃을 아무리 작게 잡아도 SS와 만난다는 것이 요점입니다.

극한점은 SS 안에 있지 않아도 됩니다. 열린 원판 SS의 경계 위의 점은 SS에 속하지 않지만, 그 점의 열린 이웃은 아무리 작아도 원판과 겹치므로 극한점입니다. 원판에서 점 하나를 빼 구멍을 내도 그 구멍은 여전히 극한점입니다. SS에 속하는 점은 모두 극한점입니다. 점들이 흩어져 있는 집합도 같은 방식으로 따집니다. 점들이 한 점 PP로 한없이 모여들면 PP의 모든 열린 이웃에 SS의 점이 들어 있어 PP는 극한점입니다. 수열로 말하면 어떤 부분수열subsequence의 무한히 많은 항이 PP의 이웃에 들어가는 경우이고, 이때 PP를 수열의 군집점cluster point이라고도 부릅니다. 정의 방식이 달라도 핵심은 같습니다. 모든 이웃이 SS의 점을 담는 것입니다.

용어를 하나 짚어 둡니다. 강의의 극한점은 SS의 점도 포함하는데, 교과서에서는 이것을 접촉점adherent point이라 부릅니다. 교과서의 극한점인 집적점accumulation point은 pp 자신을 뺀 SS의 점이 이웃마다 있어야 합니다. 이산 위상에서 극한점이 없다는 말은 집적점의 뜻일 때 맞습니다. 이 글은 강의를 따라 극한점이라고 쓰고, 둘이 갈리는 곳에서만 구분하겠습니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

Q. 경계 위의 점은 SS에 속하지 않는데 왜 극한점인가요?
A. 극한점의 조건은 모든 열린 이웃이 SS의 점을 담는 것뿐이고, 점이 SS 안에 있어야 한다는 조건은 없습니다. 경계 위의 점은 아무리 작은 공을 그려도 안쪽 원판과 겹칩니다.

폐포

SS의 폐포closure S‾\cl{S}는 SS와 SS의 극한점을 모두 모은 집합입니다. 열린 원판의 폐포는 경계까지 포함한 닫힌 원판입니다. 경계는 포함하지만 안쪽의 점 몇 개가 빠진 영역이라면, 빠진 점도 극한점이므로 폐포는 그 점들을 채워 줍니다. 반면 영역 안에 넓은 구멍이 있으면 구멍 한가운데 점은 작은 열린 이웃이 SS와 만나지 않아 극한점이 아니고, 폐포도 그 구멍을 채우지 않습니다. 폐포는 극한점을 보태서 SS를 닫는 연산입니다.

폐포는 SS를 포함하는 닫힌집합 가운데 가장 작은 것이고, SS가 닫혀 있다는 말은 S=S‾S = \cl{S}와 같은 말입니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

내부

점 pp가 SS의 내부interior int⁡S\Int S에 속하는 조건은, pp를 담으면서 통째로 SS 안에 들어가는 열린집합 Up⊆SU_p \subseteq S가 있는 것입니다. 경계 가까이의 점은 열린 이웃을 어떻게 잡아도 SS 밖으로 삐져나오므로 내부가 아닙니다. SS가 경계를 포함하고 있더라도 경계 위의 점은 SS의 원소일 뿐 내부의 원소는 아닙니다.

내부에 대해 알아 둘 사실이 셋 있습니다.

  • 내부 int⁡S\Int S는 언제나 열린집합입니다.
  • 내부는 SS 안에 들어가는 모든 열린집합의 합집합입니다.
  • SS가 열린집합인 것은 S=int⁡SS = \Int S인 것과 같은 말입니다.

둘째 사실에서 첫째가 따라옵니다. 열린집합들의 합집합은 열린집합이기 때문입니다. (이 연결은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 셋째 사실 덕분에 ‘경계를 포함하지 않아야 열린집합’이라는 직관이 식으로 확인됩니다. 내부는 여집합의 폐포를 이용해서도 쓸 수 있습니다.

int⁡S=X∖(X∖S)‾\Int S = X \setminus \cl{(X \setminus S)}

외부와 경계

외부exterior는 폐포의 여집합 ext⁡S=X∖S‾\Ext S = X \setminus \cl{S}입니다. 열린 원판이면 폐포가 닫힌 원판이므로 외부는 경계 원 바깥이고, 경계 원 자체는 외부에 들지 않습니다. 경계는 외부라고 하기에는 너무 가깝습니다. 경계 너머로 넘어가야 외부입니다.

그래서 경계boundary는 내부에도 외부에도 들지 않는 점들의 모임이고, 같은 말로 폐포에서 내부를 뺀 것입니다.

bd⁡S=S‾∖int⁡S\Bd S = \cl{S} \setminus \Int S

경계 위의 점은 SS의 안쪽에서 다가갈 수도 있고 바깥쪽에서 다가갈 수도 있는 점이라고 말해도 됩니다. 강의는 앞의 정의를 가장 간단한 길로 택합니다. 한 점은 내부, 경계, 외부 셋 가운데 정확히 하나에 속합니다.

조밀한 집합

XX의 부분집합 SS가 XX에서 조밀dense하다는 것은, XX의 모든 점이 SS에 속하거나 SS의 극한점이라는 뜻입니다. 곧 S‾=X\cl{S} = X입니다. 이 성질은 SS 하나로 정해지지 않고 XX의 위상에도 걸려 있습니다.

평면에서 한 덩어리 영역은 조밀하지 않습니다. 영역에서 떨어진 점은 영역에도 속하지 않고 극한점도 아니기 때문입니다. 반면 유리수 좌표를 가진 점 전체 Q2\mathbb{Q}^2는 보통 위상에서 조밀합니다. 어떤 점의 어떤 열린 이웃에도 유리수 좌표의 점이 들어 있어서, 평면의 모든 점이 극한점이기 때문입니다.

같은 집합에 이산 위상을 주면 사정이 달라집니다. 점 PP가 Q2\mathbb{Q}^2에 속하지 않으면 {P}\{P\} 자체가 열린 이웃이고 Q2\mathbb{Q}^2와 만나지 않으므로 PP는 극한점이 아닙니다. 이산 위상에서는 Q2\mathbb{Q}^2가 조밀하지 않고, 조밀한 부분집합은 XX 자신뿐입니다. 위상이 바뀌면 극한점이 바뀌고, 조밀성도 바뀝니다. 이것이 위상이 가까움을 정한다는 말의 구체적인 모습입니다.

직접 확인해 보기

점이 네 개인 집합에서 위상을 고르고 부분집합 SS를 눌러 만들면, SS의 내부, 폐포, 외부, 경계와 조밀 여부가 바로 계산됩니다. 이산 위상에서는 점을 어떻게 고르든 조밀한 것이 전체뿐이고, 사슬 위상에서는 {a}\{a\} 하나만으로도 조밀합니다.

Q. 내부가 SS 자신과 같으면 무슨 뜻인가요?
A. SS의 모든 점이 SS 안에 들어가는 열린 이웃을 가진다는 뜻이므로 SS가 열린집합이라는 말입니다. 위 장난감에서 내부와 SS가 같게 되도록 점을 눌러 보면, 열려 있는지 묻는 줄이 ‘예’로 바뀝니다.

다음 편에서는 위상이 두 점을 얼마나 잘 갈라 놓는지를 나타내는 분리 성질을 구간의 여러 위상을 예로 살펴봅니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 2 of the playlist, Elementary Definitions. Building on the topology from the previous post, this post defines closed sets, limit points, closure, interior, boundary, and density in turn. All of them start from open sets, and the thread of the post is that a topology is a way of deciding what “near” means.

Another way to say a topology: neighborhoods

If points just sit there with no structure, the word “near” means nothing. A topology gives us nearness, and we can do the same job with neighborhoods instead of open sets. For a point pp of a set XX, a subset NN is a neighborhood of pp under four rules.

  1. p∈Np \in N.
  2. If NN is a neighborhood of pp and N⊆MN \subseteq M, then MM is also a neighborhood of pp. Being a neighborhood is passed up to larger sets.
  3. The intersection of two neighborhoods of pp is also a neighborhood of pp.
  4. If NN is a neighborhood of pp, there is a neighborhood W⊆NW \subseteq N of pp such that NN is a neighborhood of every point rr of WW.

The fourth rule guarantees that every neighborhood contains a smaller one that is a neighborhood of all its own points, which is what makes open neighborhoods exist. (This explanation is added to help understanding and was not covered in the lecture.) Whatever we can build from open sets can also be built from neighborhoods, and there are other approaches based on logic or on computation and measurement. The open set version is the one used most widely in textbooks, so this series goes with open sets.

Closed sets

In a topological space XX, a closed set is the complement of an open set. For an open set UU, the set X∖UX \setminus U is closed, and the complement of a closed set is open again.

On the plane, the complement of an open ball is the boundary circle together with everything outside it, and this is a closed set. A single point is also closed in the usual topology. The plane minus that point can be built by uniting infinitely many open balls that avoid the point. This would not work with intersections, which are allowed only finitely many times.

Moving the rules for open sets over to complements gives the rules for closed sets. Unions stay closed up to finitely many, and intersections stay closed for any number. So we may also define a topology starting from a collection of closed sets.

Q. Is a closed set the opposite of an open set?
A. It is not the opposite. The empty set ∅\emptyset and the whole set XX are both open and closed. In the discrete topology every subset is both, and in the trivial topology a single point is neither open nor closed. (This explanation is added to help understanding and was not covered in the lecture.)

Open neighborhoods and limit points

An open neighborhood is an open set that contains a point pp. An open set is a neighborhood of every point inside it, so when we speak of neighborhoods, open neighborhoods are usually enough.

Take a subset SS of XX. If every open neighborhood of a point pp contains at least one point of SS, we call pp a limit point of SS. Conversely, if some open neighborhood UpU_p has Up∩S=∅U_p \cap S = \emptyset, then pp is not a limit point of SS. The point is that no matter how small we make the neighborhood, it still meets SS.

A limit point need not lie in SS. A point on the boundary of an open disc SS does not belong to SS, but its open neighborhoods, however small, overlap the disc, so it is a limit point. If we pluck one point out of the disc and leave a hole, that hole is still a limit point. Every point of SS is a limit point. A set made of scattered points is treated the same way. If the points crowd toward a point PP without end, every open neighborhood of PP contains a point of SS, so PP is a limit point. In terms of sequences, this is the case where infinitely many terms of some subsequence fall into the neighborhoods of PP, and then PP is also called a cluster point of the sequence. However the definition is phrased, the core is the same: every neighborhood contains a point of SS.

One note on terms. The lecture’s limit point includes the points of SS themselves, which textbooks call an adherent point. The textbook limit point, the accumulation point, needs every neighborhood to contain a point of SS other than pp itself. The remark that the discrete topology has no limit points is correct in the accumulation point sense. This post follows the lecture and writes limit point, and separates the two only where they differ. (This explanation is added to help understanding and was not covered in the lecture.)

Q. A point on the boundary does not belong to SS, so why is it a limit point?
A. The condition for a limit point is only that every open neighborhood contains a point of SS. It does not require the point to lie in SS. However small a ball we draw around a boundary point, it overlaps the disc inside.

Closure

The closure S‾\cl{S} of SS is the set of SS together with all its limit points. The closure of an open disc is the closed disc that includes the boundary. If a region includes its boundary but is missing a few interior points, the missing points are limit points, so the closure fills them in. On the other hand, if the region has a wide hole, the point in the middle of the hole has a small open neighborhood that does not meet SS, so it is not a limit point, and the closure does not fill that hole. Closure is the operation that closes up SS by adding its limit points.

The closure is the smallest closed set that contains SS, and saying SS is closed is the same as saying S=S‾S = \cl{S}. (This explanation is added to help understanding and was not covered in the lecture.)

Interior

A point pp belongs to the interior int⁡S\Int S of SS when there is an open set Up⊆SU_p \subseteq S that contains pp and lies entirely inside SS. A point near the boundary is not in the interior, because however we choose an open neighborhood, it sticks out of SS. Even if SS contains its boundary, a point on the boundary is merely an element of SS and not an element of the interior.

Three facts about the interior are worth knowing.

  • The interior int⁡S\Int S is always an open set.
  • The interior is the union of all open sets contained in SS.
  • SS is open exactly when S=int⁡SS = \Int S.

The first follows from the second, because a union of open sets is open. (This link is added to help understanding and was not covered in the lecture.) The third turns the intuition that “an open set must not include its boundary” into an equation. The interior can also be written using the closure of the complement.

int⁡S=X∖(X∖S)‾\Int S = X \setminus \cl{(X \setminus S)}

Exterior and boundary

The exterior is the complement of the closure, ext⁡S=X∖S‾\Ext S = X \setminus \cl{S}. For an open disc the closure is the closed disc, so the exterior is everything beyond the boundary circle, and the boundary circle itself is not in the exterior. The boundary is too close to count as outside. We have to get past the boundary to be in the exterior.

So the boundary is the collection of points that are in neither the interior nor the exterior, which is the same as the closure minus the interior.

bd⁡S=S‾∖int⁡S\Bd S = \cl{S} \setminus \Int S

We may also say a boundary point is one that can be approached both from inside SS and from outside. The lecture takes the definition above as the simplest route. Every point belongs to exactly one of the interior, the boundary, and the exterior.

Dense sets

A subset SS of XX is dense in XX when every point of XX either belongs to SS or is a limit point of SS. That is, S‾=X\cl{S} = X. This property depends not only on SS but also on the topology of XX.

A single blob of a region on the plane is not dense. A point away from the region neither belongs to it nor is a limit point. On the other hand, the set Q2\mathbb{Q}^2 of all points with rational coordinates is dense in the usual topology. Every open neighborhood of every point contains a point with rational coordinates, so every point of the plane is a limit point.

Give the same set the discrete topology and things change. If a point PP is not in Q2\mathbb{Q}^2, then {P}\{P\} itself is an open neighborhood that does not meet Q2\mathbb{Q}^2, so PP is not a limit point. In the discrete topology Q2\mathbb{Q}^2 is not dense, and the only dense subset is XX itself. When the topology changes, the limit points change, and so does density. This is what it concretely means that a topology decides nearness.

Try it by hand

Pick a topology on a set of four points and press points to build a subset SS. The interior, closure, exterior, boundary, and density of SS are computed at once. In the discrete topology the only dense set is the whole set, and in the chain topology the single point {a}\{a\} is already dense.

Q. What does it mean when the interior equals SS itself?
A. It means every point of SS has an open neighborhood inside SS, so SS is an open set. In the toy above, press points until the interior equals SS, and the line asking whether SS is open switches to “yes”.

In the next post we look at the separation properties, which say how well a topology keeps two points apart, using several topologies on an interval as examples.

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