위상수학 개념정리

위상(topology)과 위상공간(topological spaces)

위상(topology)의 정의는 무엇인가?

집합 $X$ 가 주어졌을 때, $X$ 의 부분집합들의 모임 $T$ 가 다음 세 가지 조건을 만족하면, $T$ 를 $X$ 위의 위상이라고 한다.

공집합 $\emptyset$ 과 전체집합 $X$ 는 $T$ 의 원소이다.

$T$ 의 원소들의 임의의 합집합은 다시 $T$ 의 원소이다.

$T$ 의 원소들의 유한 교집합은 다시 $T$ 의 원소이다.

위상은 집합의 원소들 사이에 ‘가까움’이나 ‘연결성’과 같은 공간적 관계를 부여하는 구조이다. 이는 열린 집합(open set)의 개념을 일반화하여, 거리(metric) 개념 없이도 연속성, 수렴성 등의 개념을 정의할 수 있게 하는 최소한의 장치이다.

위상 공간(topological space)은 어떻게 정의되는가?

집합 $X$ 와 그 위의 위상 $T$ 의 순서쌍 $(X, T)$ 를 위상 공간이라고 한다. 이때 $T$ 의 원소들을 X의 열린 집합(open sets) 이라고 부른다. 어떤 집합이 위상 공간의 열린 집합의 여집합이면, 그 집합을 닫힌 집합(closed set) 이라고 한다.

위상 공간은 단순히 점들의 모임이 아니라, 열린 집합이라는 구조를 통해 ‘모양’을 갖게 된 집합이다. 이 구조 덕분에 우리는 유클리드 공간이 아닌 더 추상적인 공간에서도 함수의 연속성이나 공간의 연결성과 같은 기하학적 성질을 탐구할 수 있다.

위상은 열린 집합을 통해 정의되지만, 닫힌 집합을 통해서도 동등하게 정의할 수 있다. 닫힌 집합이 만족해야 하는 공리들을 서술하라.

집합 $X$ 의 부분집합들의 모임 $C$ 가 다음 세 가지 조건을 만족하면, $C$ 의 원소들을 닫힌집합으로 하는 위상을 정의할 수 있다.

공집합 $\emptyset$ 과 전체집합 $X$ 는 $C$ 의 원소이다.

$C$ 의 원소들의 임의의 교집합은 다시 $C$ 의 원소이다.

$C$ 의 원소들의 유한 합집합은 다시 $C$ 의 원소이다.

더 세밀한(finer) 위상과 더 엉성한(coarser) 위상이란 무엇인가?

집합 $X$ 위에 두 위상 $T$ 와 $T^{'}$ 이 주어졌을 때, 만약 $T \subset T^{'}$ 이면, 위상 $T^{'}$ 이 $T$ 보다 더 세밀하다(finer) 또는 더 강하다(stronger) 고 말한다. 반대로 $T$ 는 $T^{'}$ 보다 더 엉성하다(coarser) 또는 더 약하다(weaker) 고 한다.

위상이 더 세밀하다는 것은 더 많은 열린 집합을 가지고 있다는 뜻이다. 이는 마치 공간을 더 잘게 쪼개어 자세히 들여다보는 것과 같다. 예를 들어, 어떤 집합 $X$ 에 대한 이산 위상(discrete topology)은 모든 부분집합을 열린 집합으로 가지므로 가장 세밀한 위상이며, 비이산 위상(indiscrete topology)은 $\emptyset$ 과 $X$ 만을 열린 집합으로 가지므로 가장 엉성한 위상이다.

$X$ 위의 두 위상 $T_{1}$ 과 $T_{2}$ 가 있을 때, 이 둘의 교집합 $T_{1} \cap T_{2}$ 는 항상 $X$ 위의 위상이 되는가? 합집합 $T_{1} \cup T_{2}$ 는 어떠한가?

두 위상의 교집합 $T_{1} \cap T_{2}$ 는 항상 위상 이 된다. 교집합에 속한 집합들의 임의의 합집합이나 유한 교집합은 각 $T_{1}$ 과 $T_{2}$ 에서 모두 닫혀 있으므로, 그 결과 역시 교집합에 속하기 때문이다. $T_{1} \cap T_{2}$ 는 $T_{1}$ 과 $T_{2}$ 모두보다 엉성한(coarser) 가장 세밀한(finest) 위상이다.

반면, 두 위상의 합집합 $T_{1} \cup T_{2}$ 는 일반적으로 위상이 아니다. 합집합에 속한 두 열린집합의 합집합이 합집합에 속하지 않는 경우가 발생할 수 있기 때문이다.

반례: $X = {a, b, c}$ 에서 $T_{1} = {\emptyset, X, {a}}$ 와 $T_{2} = {\emptyset, X, {b}}$ 는 각각 위상이다. 하지만 합집합 $T_{1} \cup T_{2} = {\emptyset, X, {a}, {b}}$ 는 ${a} \cup {b} = {a, b}$ 를 원소로 갖지 않으므로 위상이 아니다.

위상의 기저(basis)

위상 공간의 기저(basis)란 무엇이며, 어떤 조건을 만족해야 하는가?

집합 $X$ 위의 위상 $T$ 에 대한 기저(basis) $B$ 는 다음 두 조건을 만족하는 $T$ 의 부분 집합이다.

$X$ 의 모든 점 $x$ 에 대하여, $x \in B$ 를 만족하는 기저 원소 $B \in B$ 가 적어도 하나 존재한다. 즉, $⋃_{B \in B} B = X$ 이다.

$X$ 의 임의의 점 $x$ 가 두 기저 원소 $B_{1}, B_{2}$ 의 교집합에 포함된다면( $x \in B_{1} \cap B_{2}$ ), $x$ 를 포함하고 $B_{1} \cap B_{2}$ 에 포함되는 또 다른 기저 원소 $B_{3}$ 가 존재한다( $x \in B_{3} \subset B_{1} \cap B_{2}$ ).

기저 $B$ 가 주어지면, 이로부터 생성된 위상(generated topology) $T$ 는 다음과 같이 정의된다. 집합 $U \subset X$ 가 열린 집합이라는 것은, 모든 점 $x \in U$ 에 대하여 $x \in B \subset U$ 를 만족하는 기저 원소 $B \in B$ 가 존재하는 것과 동치이다.

기저 $B$ 에 의해 생성된 집합족 $T$ 는 실제로 $X$ 위의 위상이 된다. 또한, $T$ 는 $B$ 의 원소들의 모든 합집합(union)들의 모임과 같다.

기저는 위상을 정의하는 더 작고 간단한 “벽돌”들의 모임으로 생각할 수 있다. 모든 열린 집합을 명시하는 대신, 기저 원소들만 정의하면 그들의 합집합을 통해 전체 위상을 생성할 수 있으므로 위상을 더 효율적으로 다룰 수 있게 해준다. 예를 들어, 실수의 표준 위상은 모든 열린 구간들의 집합을 기저로 하여 생성된다.

위상 공간의 부분기저(subbasis)는 어떻게 정의되며, 부분기저로부터 위상을 어떻게 생성하는가?

집합 $X$ 위의 위상에 대한 부분기저(subbasis) $S$ 는 그 원소들의 합집합이 $X$ 전체를 덮는( $⋃_{S \in S} S = X$ ) 부분 집합들의 모임이다.

부분기저 $S$ 에 의해 생성된 위상(generated topology) $T$ 는 $S$ 의 원소들의 모든 유한 교집합(finite intersection)들의 모임을 기저( $B$ )로 하여 생성된 위상이다. 즉, $T$ 의 열린 집합들은 이 기저 원소들의 합집합으로 표현된다.

부분기저 $S$ 에 의해 생성된 집합족 $T$ 는 $X$ 위의 위상이 된다. 이 위상 $T$ 는 $S$ 를 포함하는 가장 작은(coarsest) 위상이다.

부분기저는 기저보다 더 기본적인 개념으로, 위상을 구성하는 최소한의 재료라고 할 수 있다. 예를 들어, 실수의 표준 위상( $R$ )은 모든 열린 반직선(open rays)들의 모임인 ${(- \infty, a) ∣ a \in R} \cup {(b, \infty) ∣ b \in R}$ 을 부분기저로 하여 생성된다. 이 부분기저 원소들의 유한 교집합은 열린 구간 또는 공집합이 되어 표준 위상의 기저를 형성한다. 이처럼 복잡한 위상 구조를 매우 단순한 집합들로부터 체계적으로 구성할 수 있게 해준다는 점에서 부분기저의 의의를 찾을 수 있다.

두 위상을 비교할 때 기저를 어떻게 활용할 수 있는가?

집합 $X$ 위에 두 위상 $T$ 와 $T^{'}$ 이 있고, 각각에 대한 기저를 $B$ 와 $B^{'}$ 라고 하자. 이때, 위상 $T^{'}$ 이 $T$ 보다 더 세밀하다( $T \subset T^{'}$ , finer)는 것과 다음 조건은 동치이다:

모든 점 $x \in X$ 와 $x$ 를 포함하는 모든 기저 원소 $B \in B$ 에 대하여, $x \in B^{'} \subset B$ 를 만족하는 기저 원소 $B^{'} \in B^{'}$ 가 존재한다.

이 정리는 두 위상의 포함 관계를 모든 열린 집합을 비교할 필요 없이, 기저 원소들 사이의 포함 관계만으로 판별할 수 있게 해준다. 기저 $B$ 의 각각의 “벽돌”( $B$ )이 기저 $B^{'}$ 의 더 작은 “벽돌”들( $B^{'}$ )로 채워질 수 있다면, $B^{'}$ 이 생성하는 위상이 더 세밀하다고 직관적으로 이해할 수 있다.

예시 (Example) 실수 집합 $R$ 위에서, 표준 위상( $T_{s t d}$ )의 기저 $B_{s t d}$ 는 모든 열린 구간 $(a, b)$ 들의 모임이다. 아래 극한 위상( $T_{l}$ )의 기저 $B_{l}$ 는 모든 반열린 구간 $[a, b)$ 들의 모임이다.

임의의 열린 구간 $(a, b)$ 와 그 안의 점 $x$ 에 대하여, $x$ 를 포함하고 $(a, b)$ 에 포함되는 반열린 구간 $[x, b)$ 가 항상 존재한다. 따라서 아래 극한 위상 $T_{l}$ 은 표준 위상 $T_{s t d}$ 보다 더 세밀하다. 하지만 그 역은 성립하지 않는데, 기저 원소 $[c, d)$ 와 그 안의 점 $c$ 에 대해, $c$ 를 포함하고 $[c, d)$ 에 포함되는 열린 구간 $(a, b)$ 는 존재하지 않기 때문이다.

주어진 위상 공간에 대한 기저(basis)는 유일하게 결정되는가? 그렇지 않다면, 같은 위상을 생성하는 서로 다른 기저의 예를 들어보라.

아니오, 주어진 위상 공간에 대한 기저는 유일하게 결정되지 않는다. 하나의 위상은 여러 개의 서로 다른 기저에 의해 생성될 수 있다.

대표적인 예로 평면 $R^{2}$ 위의 표준 위상(standard topology) 을 들 수 있다.

$B_{1}$ = {평면 위의 모든 열린 원판(open circular regions)}

$B_{2}$ = {평면 위의 모든 열린 직사각형(open rectangular regions, 변이 좌표축에 평행)}

이 두 집합족 $B_{1}$ 과 $B_{2}$ 는 모두 $R^{2}$ 위의 표준 위상을 생성하는 서로 다른 기저이다.

그 이유는 다음과 같다. 임의의 열린 원판 $B_{1} \in B_{1}$ 과 그 안의 점 $x$ 에 대하여, $x$ 를 포함하고 $B_{1}$ 에 포함되는 열린 직사각형 $B_{2} \in B_{2}$ 를 항상 찾을 수 있다. 역으로, 임의의 열린 직사각형 $B_{2} \in B_{2}$ 와 그 안의 점 $x$ 에 대하여, $x$ 를 포함하고 $B_{2}$ 에 포함되는 열린 원판 $B_{1} \in B_{1}$ 을 항상 찾을 수 있다.

따라서, 두 기저는 서로가 서로보다 더 세밀한(finer) 관계를 만족하므로, 이들이 생성하는 위상은 동일하다. 이처럼 기저는 유일하지 않으며, 문제의 편의에 따라 적절한 기저를 선택하여 사용할 수 있다.

순서 위상(order topology)은 어떻게 정의되는가?

단순 순서 집합(simply ordered set) $X$ 가 주어졌을 때 (단, 원소가 둘 이상), $X$ 의 순서 관계를 이용하여 표준적인 위상을 정의할 수 있는데, 이를 순서 위상 이라고 한다.

순서 위상의 기저 $B$ 는 다음 세 종류의 집합들의 모임으로 정의된다.

$X$ 안의 모든 열린 구간(open intervals) $(a, b) = {x ∣ a < x < b}$ .

만약 $X$ 에 가장 작은 원소 $a_{0}$ 가 존재한다면, $[a_{0}, b) = {x ∣ a_{0} \leq x < b}$ 형태의 모든 구간.

만약 $X$ 에 가장 큰 원소 $b_{0}$ 가 존재한다면, $(a, b_{0}] = {x ∣ a < x \leq b_{0}}$ 형태의 모든 구간.

예를 들어, 실수의 집합 $R$ 에 통상적인 순서를 부여하고 순서 위상을 정의하면 이는 표준 위상 과 정확히 일치한다. 순서 위상은 순서 구조를 갖는 집합에 자연스러운 위상 구조를 부여하는 중요한 방법이다.

연속성(continuity)

위상 공간 사이의 함수가 연속(continuous)이라는 것은 어떻게 정의되는가?

두 위상 공간 $(X, T_{X})$ 와 $(Y, T_{Y})$ 가 주어졌을 때, 함수 $f : X \to Y$ 가 연속(continuous) 이라는 것은, $Y$ 의 모든 열린 집합(open set) $V$ 에 대하여 그것의 역상(preimage) $f^{- 1} (V)$ 가 $X$ 에서 열린 집합인 경우를 말한다.

$Y$ 의 위상에 대한 기저(basis) $B$ 가 주어졌을 때, $f$ 가 연속 함수인 것은 모든 기저 원소 $B \in B$ 에 대해 역상 $f^{- 1} (B)$ 가 $X$ 에서 열린 집합인 것과 동치이다.

이 정의는 미적분학에서 다루는 $ϵ - δ$ 정의를 일반화한 것이다. 열린 집합은 “가까움” 또는 “근방”의 개념을 위상적으로 표현하는데, 함수의 연속성은 $Y$ 에 있는 점 $f (x)$ 에 “가까운” 점들의 모임( $V$ )의 역상이, 원래 점 $x$ 에 “가까운” 점들의 모임( $f^{- 1} (V)$ )이 됨을 의미한다. 즉, “가까운 점들을 가까운 점들로 보낸다”는 직관을 위상적으로 형식화한 것이다.

함수의 연속성을 판별하는 다른 동치 조건들에는 무엇이 있는가?

두 위상 공간 $X, Y$ 와 함수 $f : X \to Y$ 에 대해, 다음 명제들은 모두 동치이다.

$f$ 는 연속이다.

$X$ 의 모든 부분집합 $A$ 에 대하여, $f (\overline{A}) \subset \overline{f (A)}$ 가 성립한다.

$Y$ 의 모든 닫힌 집합(closed set) $B$ 에 대하여, 역상 $f^{- 1} (B)$ 는 $X$ 에서 닫힌 집합이다.

$X$ 의 각 점 $x$ 와 $f (x)$ 의 모든 근방(neighborhood) $V$ 에 대하여, $f (U) \subset V$ 를 만족하는 $x$ 의 근방 $U$ 가 존재한다.

이 동치 조건들은 함수의 연속성을 다양한 관점에서 바라볼 수 있게 해준다.

2. 폐포 조건 : 함수가 점들을 그들의 극한점(limit point)으로부터 멀리 떼어놓지 않음을 의미한다. $A$ 의 극한점은 $f$ 에 의해 $f (A)$ 의 극한점으로 보내진다는 것을 보여준다.

3. 닫힌 집합 조건 : 열린 집합의 역상이 열린다는 정의와 쌍대(dual)적인 관계로, 위상 구조가 역상에 의해 잘 보존됨을 나타낸다.

4. 근방 조건 : 미적분학의 $ϵ - δ$ 정의와 가장 유사한 형태로, “출력값( $f (x)$ )을 원하는 만큼 가깝게 만들기 위해, 입력값( $x$ )을 충분히 가깝게 잡을 수 있다”는 개념을 일반화한 것이다. 이를 통해 함수의 국소적(local)인 성질로서의 연속성을 이해할 수 있다.

위상동형사상(homeomorphism)이란 무엇이며, 연속성과 어떤 관계가 있는가?

두 위상 공간 $X$ 와 $Y$ 사이의 함수 $f : X \to Y$ 가 다음 세 조건을 모두 만족할 때 위상동형사상(homeomorphism) 이라고 한다.

$f$ 는 전단사(bijective) 함수이다.

$f$ 는 연속(continuous) 함수이다.

역함수 $f^{- 1} : Y \to X$ 또한 연속 함수이다.

만약 이러한 함수가 존재하면, 두 공간 $X$ 와 $Y$ 는 위상동형(homeomorphic) 이라고 한다.

정리 (Theorem) 전단사 함수 $f : X \to Y$ 가 위상동형사상인 것은, $f$ 가 열린 사상(open map)이면서 동시에 연속인 것과 동치이다.

위상동형사상은 두 위상 공간이 위상적으로 “동일하다”는 것을 의미하는 가장 강력한 개념이다. 이는 단순히 점들의 집합 사이에 일대일 대응이 존재한다는 것을 넘어, 두 공간의 열린 집합 구조 사이에 완벽한 일대일 대응이 있음을 보장한다. 즉, 한 공간의 위상적 성질(예: 연결성, 컴팩트성)은 위상동형사상을 통해 다른 공간으로 그대로 전달된다. 연속성은 위상 구조를 보존하는 방향을 제시하지만, 위상동형사상은 양방향으로 구조가 완벽하게 보존됨을 의미한다.

연속인 전단사 함수가 항상 위상동형사상인가? 그렇지 않다면, 반례를 들어 설명하라.

연속인 전단사 함수가 항상 위상동형사상인 것은 아니다 . 위상동형사상이 되려면 역함수 $f^{- 1}$ 또한 연속이어야 한다는 조건까지 만족해야 한다.

대표적인 반례는 다음과 같다. 집합 $X = [0, 1)$ 에 보통 위상을 주고, $Y = S^{1} = {(x, y) \in R^{2} ∣ x^{2} + y^{2} = 1}$ 에 $R^{2}$ 로부터 온 부분 공간 위상을 주자. 이때 함수 $f : X \to Y$ 를 $f (t) = (cos (2 π t), sin (2 π t))$ 로 정의한다.

이 함수 $f$ 는 전단사 함수이며 연속 이다. 하지만 위상동형사상은 아니다. $f$ 의 역함수 $f^{- 1}$ 가 연속이 아니기 때문이다.

예를 들어, $X = [0, 1)$ 에서 $[0, 1/4)$ 은 열린 집합이다. 이 집합의 상 $f ([0, 1/4))$ 은 $Y = S^{1}$ 에서 $y$ 좌표가 $0$ 이상인 오른쪽 반원 호(arc)로, 점 $(1, 0)$ 을 포함한다. 하지만 이 집합은 $S^{1}$ 에서 열린 집합이 아니다. 점 $(1, 0)$ 을 포함하는 $S^{1}$ 의 어떤 작은 열린 근방도 $f ([0, 1/4))$ 에 완전히 포함되지 않기 때문이다. $(f^{- 1})^{- 1} ([0, 1/4)) = f ([0, 1/4))$ 이 열린 집합이 아니므로, $f^{- 1}$ 는 연속이 아니다.

기존의 연속 함수로부터 새로운 연속 함수를 만드는 기본적인 방법(정리)들을 설명하라.

위상 공간 $X, Y, Z$ 가 주어졌을 때, 다음과 같은 규칙들이 성립한다.

(상수 함수, Constant function) : 함수 $f : X \to Y$ 가 $X$ 의 모든 원소를 $Y$ 의 한 점 $y_{0}$ 로 보낸다면, $f$ 는 연속이다.

(포함 사상, Inclusion map) : $A$ 가 $X$ 의 부분 공간일 때, 포함 사상 $j : A \to X$ 는 연속이다.

(합성 함수, Composite function) : 두 함수 $f : X \to Y$ 와 $g : Y \to Z$ 가 연속이면, 합성 함수 $g \circ f : X \to Z$ 도 연속이다.

(정의역의 제한, Restricting the domain) : 함수 $f : X \to Y$ 가 연속이고 $A$ 가 $X$ 의 부분 공간이면, 정의역을 $A$ 로 제한한 함수 $f ∣_{A} : A \to Y$ 도 연속이다.

(공역의 제한 또는 확장, Restricting or expanding the range) : 함수 $f : X \to Y$ 가 연속일 때, 만약 $Z$ 가 $f (X)$ 를 포함하는 $Y$ 의 부분 공간이면, 공역을 $Z$ 로 제한한 함수 $g : X \to Z$ 는 연속이다. 또한 $Y$ 가 $Z$ 의 부분 공간이면, 공역을 $Z$ 로 확장한 함수 $h : X \to Z$ 도 연속이다.

(붙임 보조정리, The Pasting Lemma) : $X = A \cup B$ 이고 $A, B$ 가 $X$ 의 닫힌 집합이라고 하자. 만약 두 연속 함수 $f : A \to Y$ 와 $g : B \to Y$ 가 모든 $x \in A \cap B$ 에 대해 $f (x) = g (x)$ 를 만족하면, 이 둘을 결합하여 정의한 함수 $h : X \to Y$ 는 연속이다. (이 정리는 $A, B$ 가 열린 집합일 때도 성립한다.)

콤팩트 공간 $X$ 에서 하우스도르프 공간 $Y$ 로 가는 연속 함수 $f : X \to Y$ 는 항상 닫힌 사상(closed map)임을 증명하라. 이 사실을 이용하여, 전단사 연속 함수가 위상동형사상이 되는 중요한 충분조건을 설명하라.

증명: $X$ 의 임의의 닫힌 부분집합 $A$ 를 생각하자. $X$ 가 콤팩트 공간이므로, 그것의 닫힌 부분집합인 $A$ 또한 콤팩트하다. $f$ 가 연속이므로, 콤팩트 집합 $A$ 의 상(image) $f (A)$ 역시 $Y$ 에서 콤팩트하다.

가정에서 $Y$ 는 하우스도르프 공간이므로, 그것의 콤팩트 부분공간인 $f (A)$ 는 $Y$ 에서 닫힌집합이다.

따라서 $f$ 는 임의의 닫힌집합 $A$ 를 닫힌집합 $f (A)$ 로 보내므로 닫힌 사상이다.

충분조건: 이 결과로부터 ”** 콤팩트 공간에서 하우스도르프 공간으로 가는 전단사 연속 함수는 항상 위상동형사상이다** “라는 매우 유용한 정리를 얻을 수 있다.

전단사 연속 함수 $f : X \to Y$ 가 위상동형사상이 되려면 역함수 $f^{- 1}$ 가 연속이어야 하는데, 이는 $f$ 가 열린 사상(또는 닫힌 사상)인 것과 동치이다. 위 증명에 의해 $f$ 가 닫힌 사상임이 보장되므로, 이 함수는 위상동형사상이 된다.

위상적 성질(topological property)이란 무엇이며, 위상동형사상이 왜 이 개념에서 중요한가?

위상적 성질 이란 위상동형사상에 의해 보존되는 공간의 성질을 말한다. 즉, 위상 공간 $X$ 가 어떤 성질 $P$ 를 가지고 있고, $Y$ 가 $X$ 와 위상동형이라면, $Y$ 또한 반드시 성질 $P$ 를 가져야 한다.

위상동형사상 은 두 공간의 열린 집합 구조 사이에 완벽한 일대일 대응 관계를 설정하므로, 위상적으로는 두 공간을 구별할 수 없게 만든다. 따라서 어떤 성질이 순수하게 위상적인지를 판별하는 기준이 된다. 만약 어떤 성질이 위상동형사상에 의해 보존되지 않는다면, 그 성질은 위상 구조뿐만 아니라 거리나 대수적 구조와 같은 추가적인 정보에 의존하는 것이다.

대표적인 위상적 성질의 예는 다음과 같다.

컴팩트성(Compactness): 연속 함수의 상은 컴팩트 집합을 보존하므로, 컴팩트성은 위상적 성질이다.

연결성(Connectedness): 컴팩트성과 마찬가지로 연속 함수에 의해 보존되므로 위상적 성질이다.

하우스도르프(Hausdorff) 성질: 두 점을 분리하는 열린 집합의 존재 여부는 위상동형사상에 의해 보존된다.

함수 $f : A \to X \times Y$ 가 연속일 필요충분조건을 그 좌표 함수(coordinate functions)를 이용하여 설명하라.

함수 $f : A \to X \times Y$ 가 $f (a) = (f_{1} (a), f_{2} (a))$ 로 주어졌다고 하자. 여기서 $f_{1} : A \to X$ 와 $f_{2} : A \to Y$ 를 $f$ 의 좌표 함수 라고 한다.

이 경우, 함수 $f$ 가 연속일 필요충분조건은 두 좌표 함수 $f_{1}$ 과 $f_{2}$ 가 모두 연속인 것이다.

의미와 증명 개요:

( $\Rightarrow$ ): 만약 $f$ 가 연속이라면, $f_{1}$ 과 $f_{2}$ 는 각각 연속 함수인 $f$ 와 사영 함수(projection map) $π_{1} : X \times Y \to X$ , $π_{2} : X \times Y \to Y$ 의 합성이므로 ( $f_{1} = π_{1} \circ f$ , $f_{2} = π_{2} \circ f$ ), 연속 함수의 합성은 연속이므로 $f_{1}, f_{2}$ 는 연속이다.

( $\Leftarrow$ ): 만약 $f_{1}, f_{2}$ 가 연속이라면, 곱공간 $X \times Y$ 의 기저 원소 $U \times V$ ( $U$ 는 $X$ 에서, $V$ 는 $Y$ 에서 열린 집합)의 역상을 생각해보자. $f^{- 1} (U \times V) = {a \in A ∣ f_{1} (a) \in U and f_{2} (a) \in V} = f_{1}^{- 1} (U) \cap f_{2}^{- 1} (V)$ 이다. $f_{1}, f_{2}$ 가 연속이므로 $f_{1}^{- 1} (U)$ 와 $f_{2}^{- 1} (V)$ 는 $A$ 에서 열린 집합이고, 그들의 교집합도 열린 집합이다. 따라서 기저 원소의 역상이 열린 집합이므로 $f$ 는 연속이다.

이 정리는 유클리드 공간으로 가는 함수, 예를 들어 $R$ 에서 $R^{2}$ 로 가는 매개변수 곡선 $f (t) = (x (t), y (t))$ 가 연속인지를 판별할 때, 각 성분 함수 $x (t)$ 와 $y (t)$ 가 연속인지만 확인하면 되는 것의 이론적 기반이 된다.

위상적 매장(topological imbedding)은 무엇이며, 위상동형사상과 어떻게 다른가?

연속이고 단사인 함수 $f : X \to Y$ 가 위상적 매장(topological imbedding) 이라는 것은, 함수 $f$ 를 공역을 치역 $f (X)$ ( $Y$ 의 부분 공간 위상을 가짐)으로 제한한 함수 $f^{'} : X \to f (X)$ 가 위상동형사상인 경우를 말한다. 즉, 매장은 자신의 상(image) 위로의 위상동형사상이다.

위상동형사상과의 차이점: 가장 큰 차이는 전사(surjective) 조건의 유무 이다.

위상동형사상 은 반드시 $X$ 와 $Y$ 전체 사이의 위상적 동일성을 의미하므로, 함수가 전단사여야 한다.

위상적 매장 은 $X$ 가 $Y$ 의 “일부”와 위상적으로 동일함을 의미하므로, 함수가 전사일 필요는 없다.

예를 들어, 열린 구간 $(0, 1)$ 에서 실수 전체 집합 $R$ 로의 포함 사상(inclusion map) $j (x) = x$ 는 위상적 매장이다. $(0, 1)$ 은 그 자신의 상인 $(0, 1)$ 과 위상동형이기 때문이다. 하지만 $j$ 는 전사 함수가 아니므로 위상동형사상은 아니다. 모든 위상동형사상은 위상적 매장이지만, 그 역은 성립하지 않는다.

부분공간(subspace)

부분공간 위상(subspace topology)을 정의해 보라.

위상공간 $(X, T)$ 가 주어져 있고, $Y$ 가 $X$ 의 부분집합이라 하자. 이때 $Y$ 의 부분공간 위상 $T_{Y}$ 는 $X$ 의 열린집합 $U$ 와 $Y$ 의 교집합으로 이루어진 집합들의 모임이다. 즉, $T_{Y} = {Y \cap U ∣ U \in T}$ 이다. 이 위상이 주어진 공간 $Y$ 를 $X$ 의 부분공간(subspace) 이라 한다. 부분공간의 열린집합은 $X$ 의 열린집합들과 $Y$ 의 교집합으로 구성된다.

공간 $X$ 의 기저(basis)가 주어졌을 때, 부분공간 $Y$ 의 기저는 어떻게 구성되는가?

만약 $B$ 가 $X$ 의 위상을 위한 기저라면, 집합족 $B_{Y} = {B \cap Y ∣ B \in B}$ 는 $Y$ 위의 부분공간 위상을 위한 기저가 된다.

이 정리는 전체 공간의 기저를 알고 있다면, 부분공간의 기저를 쉽게 찾을 수 있게 해준다. 예를 들어, $R^{2}$ 의 표준 위상에 대한 기저가 열린 직사각형들의 모임이므로, $R^{2}$ 의 임의의 부분집합 $Y$ 의 위상에 대한 기저는 이러한 열린 직사각형들과 $Y$ 의 교집합들의 모임으로 구성된다.

부분공간 $Y$ 에서 열린집합과 전체 공간 $X$ 에서 열린집합의 관계는 무엇인가? $Y$ 에서 열린집합이 $X$ 에서도 항상 열린집합인가?

$U$ 가 $Y$ 에서 열린집합이라는 것은 $Y$ 의 위상에 속한다는 의미이다. 이는 어떤 $X$ 의 열린집합 $V$ 에 대해 $U = Y \cap V$ 꼴로 표현됨을 의미한다.

$Y$ 에서 열린집합이 $X$ 에서 항상 열린집합인 것은 아니다. 예를 들어, $Y = [0, 1]$ 을 $R$ 의 부분공간으로 볼 때, 집합 $[0, 1/2)$ 는 $Y$ 에서는 열린집합이다. 왜냐하면, $R$ 의 열린집합 $(- 1/2, 1/2)$ 에 대해 $[0, 1/2) = Y \cap (- 1/2, 1/2)$ 이기 때문이다. 하지만 $[0, 1/2)$ 는 $R$ 에서는 열린집합이 아니다.

정리 : 부분공간 $Y$ 에서 열린집합 $U$ 가 전체 공간 $X$ 에서도 열린집합이 되기 위한 한 가지 충분조건은 $Y$ 자신이 $X$ 에서 열린집합인 경우이다.

곱위상(product topology)과 부분공간 위상(subspace topology)은 어떤 관계가 있는가?

$A$ 가 $X$ 의 부분공간이고 $B$ 가 $Y$ 의 부분공간일 때, 곱집합 $A \times B$ 에 주어진 곱위상은 $X \times Y$ 의 부분공간으로서 $A \times B$ 가 물려받는 위상과 동일하다.

이 정리는 두 위상 구성 방법(곱위상과 부분공간 위상)이 서로 잘 호환됨을 보여준다. $X \times Y$ 의 기저원소는 $U \times V$ ( $U$ 는 $X$ 에서, $V$ 는 $Y$ 에서 열린집합) 형태이다. 따라서 $A \times B$ 의 부분공간 위상의 기저원소는 $(U \times V) \cap (A \times B) = (U \cap A) \times (V \cap B)$ 형태이다. 이것은 $A$ 와 $B$ 의 부분공간 위상들의 열린집합의 곱으로, 정확히 $A \times B$ 에서의 곱위상의 기저원소이다.

순서 위상(order topology)과 부분공간 위상은 어떤 관계를 갖는가? 항상 같은가?

순서집합 $X$ 의 부분집합 $Y$ 에 주어지는 순서 위상이 $X$ 로부터 유도되는 부분공간 위상과 항상 같지는 않다.

예를 들어, $Y = [0, 1) \cup {2}$ 를 $R$ 의 부분공간으로 생각하면, 부분공간 위상에서 ${2}$ 는 열린집합이다. 왜냐하면 $R$ 의 열린집합 $(3/2, 5/2)$ 와의 교집합으로 얻어지기 때문이다. 하지만 $Y$ 에 순서 위상을 주면, $2$ 를 포함하는 기저원소는 ${x \in Y ∣ a < x \leq 2}$ 형태이므로( $a \in Y$ ), ${2}$ 는 열린집합이 될 수 없다.

정리 : 순서집합 $X$ 의 부분집합 $Y$ 가 볼록(convex) 하다면, $Y$ 에서의 순서 위상과 $X$ 로부터 유도된 부분공간 위상은 서로 같다. 여기서 $Y$ 가 볼록하다는 것은 $Y$ 안의 두 점 $a < b$ 에 대해, $X$ 의 모든 점을 포함하는 구간 $(a, b)$ 가 $Y$ 안에 포함된다는 의미이다.

부분공간에서의 폐포(closure)는 전체 공간에서의 폐포와 어떤 관계가 있는가?

$Y$ 가 $X$ 의 부분공간이고 $A$ 가 $Y$ 의 부분집합이라 하자. $A$ 의 $X$ 에서의 폐포를 $\overline{A}$ 라고 표기할 때, $A$ 의 $Y$ 에서의 폐포는 $\overline{A} \cap Y$ 와 같다.

부분공간에서의 폐포 연산을 전체 공간에서의 폐포 연산을 이용해 간단히 계산할 수 있게 해준다. 예를 들어, $R$ 의 부분공간 $Y = (0, 1]$ 에서 $A = (0, 1/2)$ 의 폐포를 구한다고 하자. $A$ 의 $R$ 에서의 폐포는 $[0, 1/2]$ 이다. 따라서 $A$ 의 $Y$ 에서의 폐포는 $[0, 1/2] \cap (0, 1] = (0, 1/2]$ 가 된다.

만약 $A$ 가 $Y$ 의 부분공간이고 $Y$ 가 $X$ 의 부분공간이라면, $A$ 가 $Y$ 로부터 물려받는 위상은 $A$ 가 $X$ 로부터 물려받는 위상과 같은가?

두 위상은 정확히 같다.

$A$ 가 $Y$ 의 부분공간으로서 갖는 위상에서 열린 집합은, $Y$ 의 어떤 열린 집합 $V$ 에 대해 $V \cap A$ 꼴로 표현된다.

그런데 $Y$ 는 $X$ 의 부분공간이므로, $Y$ 의 열린 집합 $V$ 는 $X$ 의 어떤 열린 집합 $U$ 에 대해 $V = U \cap Y$ 꼴로 표현된다.

따라서 $A$ 의 열린 집합은 $(U \cap Y) \cap A$ 로 쓸 수 있으며, 이는 교집합의 결합법칙에 의해 $U \cap (Y \cap A)$ 가 된다. $A$ 는 $Y$ 의 부분집합이므로 $Y \cap A = A$ 이다. 결국 $A$ 의 열린 집합은 $U \cap A$ 꼴이 된다.

이 형태는 $A$ 가 $X$ 의 부분공간으로서 물려받는 위상에서의 열린 집합의 정의와 정확히 일치한다. 따라서 두 위상은 같다. 즉, 부분공간의 성질은 이처럼 단계적으로 물려받아도 변하지 않는다(transitive).

$Y$ 가 $X$ 의 부분공간일 때, $Y$ 의 연결성은 $X$ 에서의 연결성과 어떤 관계가 있는가? 예를 들어, $Y$ 가 $X$ 에서 연결 공간이면, $Y$ 는 부분공간으로서도 연결 공간인가?

$Y$ 가 $X$ 의 연결 부분집합이라는 것과, $Y$ 가 부분공간 위상을 부여받았을 때 연결 공간이 된다는 것은 서로 동치이다.

( $X$ 에서 연결 $⟹$ 부분공간으로서 연결): $Y$ 가 부분공간으로서 연결이 아니라고 가정하자. 그러면 $Y$ 에는 공집합이 아닌 서로소인 열린집합 $A, B$ 가 존재하여 $Y = A \cup B$ 가 된다. $A, B$ 는 $Y$ 에서 열린집합이므로, $X$ 의 어떤 열린집합 $U, V$ 에 대해 $A = Y \cap U$ , $B = Y \cap V$ 로 표현된다. 이때 $A$ 와 $B$ 는 $X$ 의 부분집합으로서 $Y$ 를 분리하므로, $Y$ 는 $X$ 에서 연결 부분집합이 될 수 없다.

(부분공간으로서 연결 $⟹$ $X$ 에서 연결): $Y$ 가 부분공간으로서 연결 공간이면, 그 정의상 $Y$ 를 분리하는 $Y$ 안의 열린집합 쌍이 존재하지 않는다. 이는 $X$ 의 어떤 열린집합 쌍으로도 $Y$ 를 분리할 수 없음을 의미하므로, $Y$ 는 $X$ 의 연결 부분집합이다.

곱공간(product space)

두 위상공간 $X$ 와 $Y$ 의 곱공간(product space) $X \times Y$ 에 대한 곱위상(product topology)을 정의해 보라.

$X$ 와 $Y$ 가 위상공간일 때, $X \times Y$ 위의 곱위상 은 $X$ 의 열린 부분집합 $U$ 와 $Y$ 의 열린 부분집합 $V$ 의 곱집합인 $U \times V$ 형태의 모든 집합들을 기저(basis)로 갖는 위상이다.

이 정의는 $X$ 와 $Y$ 각각의 열린집합들을 이용하여 곱공간 $X \times Y$ 의 열린집합을 구성하는 가장 자연스러운 방법이다. 예를 들어, 실수 직선 $R$ 의 표준 위상은 열린구간들의 모임을 기저로 하므로, 평면 $R^{2} = R \times R$ 의 표준 위상은 열린 직사각형 $(a, b) \times (c, d)$ 들의 모임을 기저로 한다.

임의의 첨수족(indexed family) ${X_{α}}_{α \in J}$ 에 대한 곱위상과 상자위상(box topology)을 정의하고 비교 설명하라.

곱공간 $\prod_{α \in J} X_{α}$ 에 두 가지 위상을 정의할 수 있다.

상자위상 (Box Topology) : 각 $X_{α}$ 의 열린집합 $U_{α}$ 들의 곱 $\prod_{α \in J} U_{α}$ 형태의 모든 집합을 기저로 하는 위상이다.

곱위상 (Product Topology) : 각 $X_{α}$ 의 열린집합 $U_{α}$ 들의 곱 $\prod_{α \in J} U_{α}$ 형태 중에서, 유한개의 $α$ 를 제외한 모든 $α$ 에 대해 $U_{α} = X_{α}$ 인 집합들을 기저로 하는 위상이다.

첨수족 $J$ 가 유한 할 경우, 두 위상은 정확히 일치한다.

$J$ 가 무한 할 경우, 상자위상의 기저가 곱위상의 기저를 포함하므로, 상자위상이 곱위상보다 더 섬세한(finer) 위상이다. 위상수학에서는 특별한 언급이 없으면 항상 곱위상을 표준으로 사용한다.

곱공간 $R^{J}$ 위의 균등 위상(uniform topology)을 정의하고, 이를 곱위상 및 상자위상과 비교 설명하라.

$R$ 위의 표준 거리함수 $d (x, y) = ∣ x - y ∣$ 에 대응하는 표준 유계 거리함수(standard bounded metric) $\overset{ˉ}{d} (x, y) = min {∣ x - y ∣, 1}$ 를 생각하자. 곱공간 $R^{J}$ 의 두 점 $x = (x_{α})_{α \in J}$ 와 $y = (y_{α})_{α \in J}$ 에 대하여, 균등 거리함수(uniform metric) 는 $\overset{ρ}{ˉ} (x, y) = sup {\overset{ˉ}{d} (x_{α}, y_{α}) ∣ α \in J}$ 와 같이 정의된다. 이 거리함수 $\overset{ρ}{ˉ}$ 가 유도하는 위상을 균등 위상 이라고 한다.

이 세 위상의 포함 관계는 다음과 같다: (곱위상) $\subset$ (균등 위상) $\subset$ (상자위상)

곱위상 vs. 균등 위상 : 균등 위상이 곱위상보다 더 세밀하다. 균등 위상에서의 $ϵ$ -공(ball)은 모든 좌표에서 동시에 $ϵ$ 보다 작은 거리를 유지해야 하므로, 유한개의 좌표에만 제약을 두는 곱위상의 기저원소를 항상 포함할 수 있다.

균등 위상 vs. 상자위상 : 상자위상이 균등 위상보다 더 세밀하다. 상자위상의 기저원소 $\prod U_{α}$ 는 각 좌표별로 크기가 다른 열린 집합 $U_{α}$ 를 허용하지만, 균등 위상의 $ϵ$ -공은 모든 좌표에서 동일한 크기 $ϵ$ 의 제약을 받기 때문이다.

첨수집합 $J$ 가 무한일 때, 이 세 위상은 모두 서로 다르다.

사영 함수(projection map)를 이용하여 곱위상을 어떻게 정의할 수 있는가?

곱공간 $\prod_{α \in J} X_{α}$ 에서 각 좌표공간 $X_{β}$ 로의 사영 함수 $π_{β} : \prod_{α \in J} X_{α} \to X_{β}$ 를 생각하자. 각 $X_{β}$ 의 모든 열린집합 $U_{β}$ 에 대해, 그것의 원상(preimage) $π_{β}^{- 1} (U_{β})$ 들의 모임은 곱위상의 부분기저(subbasis)를 이룬다.

이 정의는 곱위상이 “각 좌표로의 사영 함수들을 모두 연속으로 만드는 가장 성긴(coarsest) 위상”이라는 중요한 성질을 보여준다.

곱공간으로 들어가는 함수(map)의 연속성은 어떻게 판별하는가?

함수 $f : A \to \prod_{α \in J} X_{α}$ 가 연속일 필요충분조건은 각각의 좌표 함수(coordinate function) $f_{α} = π_{α} \circ f : A \to X_{α}$ 가 모든 $α \in J$ 에 대해 연속인 것이다.

이 정리는 곱공간의 중요한 성질 중 하나로, 함수의 연속성을 각 성분별로 나누어 확인할 수 있게 해준다. 이 정리는 곱위상 에서는 성립하지만, 무한 곱의 경우 상자위상 에서는 성립하지 않는다. 이것이 곱위상을 더 선호하는 주된 이유 중 하나이다.

곱공간 $\prod X_{α}$ 가 거리화 가능(metrizable)하기 위한 조건은 무엇인가?

곱공간 $\prod_{α \in J} X_{α}$ 가 거리화 가능하기 위한 필요충분조건은 각각의 좌표 공간 $X_{α}$ 가 거리화 가능 하고, 첨수집합 $J$ 가 가산(countable) 인 것이다.

만약 $J$ 가 가산 집합이고 각 $X_{α}$ 가 거리화 가능하다면, $R^{ω}$ 의 경우와 유사한 방식으로 곱공간 위에 전체 위상을 유도하는 거리함수를 정의할 수 있다. 예를 들어, 각 $X_{n}$ 의 거리함수 $d_{n}$ 에 대해 표준 유계 거리함수 $\overset{ˉ}{d}_{n}$ 을 만든 후, 곱공간의 두 점 $x = (x_{n}), y = (y_{n})$ 사이의 거리를 $D (x, y) = sup {\overset{ˉ}{d}_{n} (x_{n}, y_{n}) / n}$ 과 같이 정의할 수 있다.

반대로, 만약 곱공간이 거리화 가능하다면, 각 좌표 공간 $X_{α}$ 는 그것의 부분공간과 위상동형이므로 당연히 거리화 가능하다. 그러나 만약 $J$ 가 비가산(uncountable) 집합이라면, 곱공간은 제1가산공리(first countability axiom)를 만족하지 않으므로 거리화 가능할 수 없다. 예를 들어, $R^{J}$ 에서 $J$ 가 비가산일 때, 임의의 점의 근방 기저는 비가산 개수가 되어야 하기 때문이다.

곱공간의 여러 위상적 성질들은 각 좌표 공간의 성질로부터 어떻게 유전되는가?

곱공간의 위상적 성질은 대부분 각 좌표 공간의 성질에 따라 결정되지만, 그 유전 여부는 성질 자체의 특성, 곱하는 공간의 개수(가산 또는 비가산), 그리고 곱공간에 부여된 위상(주로 곱위상)에 따라 달라진다. 아래 내용은 별도의 언급이 없는 한 곱위상(product topology) 을 기준으로 한다.

분리 공리 (Separation Axioms)

하우스도르프(Hausdorff, T₂) 성질 과 정칙성(Regularity, T₃) 은 임의의 개수의 곱에 대해 잘 보존된다. 모든 좌표 공간 $X_{α}$ 가 하우스도르프(또는 정칙) 공간이면, 곱공간 $\prod X_{α}$ 도 하우스도르프(또는 정칙) 공간이다. 이는 곱공간의 두 점을 구별할 때, 다른 좌표를 갖는 한 좌표 공간에서 분리하는 열린집합을 찾고, 사영 함수(projection map)의 역상을 이용해 곱공간 전체에서 분리하는 열린집합을 구성할 수 있기 때문이다.

하지만 정규성(Normality, T₄) 은 곱 연산에 대해 일반적으로 보존되지 않는다. 이는 위상수학에서 매우 중요한 반례로 자주 언급된다. 예를 들어, 조르겐프라이 직선 $R_{l}$ 은 정규 공간이지만, 그 곱인 조르겐프라이 평면 $R_{l} \times R_{l}$ 은 정규 공간이 아니다. 곱공간에서의 닫힌집합은 각 좌표의 닫힌집합의 곱보다 훨씬 복잡한 형태를 가질 수 있어, 두 닫힌집합을 분리하는 것이 항상 가능하지는 않다.

가산 공리 (Countability Axioms)

제1가산공리 , 제2가산공리 , 분해가능성(Separability) 은 가산 곱(countable product) 에서만 보존된다. 각 좌표공간 $X_{n}$ 이 제2가산공간(가산 기저 $B_{n}$ 보유)일 때, 가산 곱공간 $\prod_{n \in Z_{+}} X_{n}$ 의 기저는 다음 형태로 구성된다: $\prod_{n = 1}^{\infty} U_{n} where {U_{n} \in B_{n} U_{n} = X_{n} 유한개의 n 에 대해서만 나머지 모든 n 에 대해$ 이러한 기저 원소들의 모임은 전체적으로 가산집합이 되어 제2가산공리를 만족시킨다.

비가산 곱(uncountable product) 의 경우 이 성질들은 보존되지 않는다. 예를 들어, $R$ 은 제2가산공간이지만 비가산 곱공간 $R^{J}$ ( $J$ 가 비가산 집합)는 제1가산공리조차 만족하지 않는다. 임의의 한 점을 생각할 때, 그 점의 근방은 기껏해야 유한개의 좌표에만 제약을 가하므로, 비가산개의 좌표 방향으로는 아무런 제약이 없는 “너무 큰” 집합이 되어 가산개의 근방 기저를 가질 수 없기 때문이다.

연결성 (Connectedness)

연결성(Connectedness) 과 경로 연결성(Path-Connectedness) 은 임의의 곱 에 대해 보존된다. 모든 좌표 공간 $X_{α}$ 가 연결 공간이면, 곱공간 $\prod X_{α}$ 도 연결 공간이다. 경로 연결성도 마찬가지이다. 이는 곱공간의 한 점을 고정하고, 유한개의 좌표만 움직여 만들 수 있는 부분공간들의 합집합이 조밀(dense)하다는 사실을 통해 증명할 수 있다.

컴팩트성 관련 성질 (Compactness Properties)

컴팩트성(Compactness) 은 티코노프 정리(Tychonoff Theorem) 에 따라 임의의 곱 에 대해 보존된다. 이는 일반위상수학의 가장 핵심적인 결과 중 하나로, 모든 좌표 공간 $X_{α}$ 가 컴팩트하면 곱공간 $\prod X_{α}$ 도 컴팩트함을 보장한다.

반면, 국소 컴팩트성(Local Compactness) 이 보존되려면 훨씬 더 강한 조건이 필요하다. 곱공간 $\prod X_{α}$ 가 국소 컴팩트이기 위한 필요충분조건은, 각 $X_{α}$ 가 국소 컴팩트하면서 동시에 유한개의 $α$ 를 제외한 모든 $X_{α}$ 가 반드시 컴팩트해야 한다 는 것이다.

곱공간에서 부분집합의 폐포(closure) 는 각 좌표 공간에서의 폐포의 곱과 일치한다: $\overline{\prod A_{α}} = \prod \overline{A_{α}}$ .

거리화 가능성 (Metrizability)

거리화 가능성(Metrizability) 은 가산 곱 에 대해서만 보존된다. 즉, 곱공간 $\prod_{n \in Z_{+}} X_{n}$ 이 거리화 가능할 필요충분조건은 각 공간 $X_{n}$ 이 거리화 가능한 것이다.

자명하지 않은 공간들의 비가산 곱공간 은 제1가산공리를 만족하지 않으므로 절대로 거리화 가능하지 않다. 이는 거리화 가능성의 중요한 한계점을 보여준다.

곱공간 $X \times Y$ 의 사영 함수 $π_{1} : X \times Y \to X$ 는 항상 열린 사상(open map)인가? 항상 닫힌 사상(closed map)인가? 각각의 주장에 대해 증명하거나 반례를 제시하라.

사영 함수는 항상 열린 사상이다. $X \times Y$ 안의 임의의 열린집합 $W$ 에 대해 $π_{1} (W)$ 가 $X$ 에서 열린집합임을 보이면 된다. $X$ 의 기저원소 $U$ 와 $Y$ 의 기저원소 $V$ 에 대해 $U \times V$ 형태의 집합은 곱위상의 기저를 이룬다. $π_{1} (U \times V) = U$ 는 $X$ 에서 열린집합이다. 임의의 열린집합 $W$ 는 이러한 기저원소들의 합집합으로 표현되며, 사영은 합집합을 보존하므로( $π_{1} (\cup (U_{α} \times V_{α})) = \cup U_{α}$ ), $π_{1} (W)$ 는 열린집합들의 합집합이 되어 열린집합이다.

사영 함수는 항상 닫힌 사상인 것은 아니다. 곱공간 $R^{2} = R \times R$ 를 생각하자. 쌍곡선 그래프인 $C = {(x, y) ∣ x y = 1}$ 는 $R^{2}$ 의 닫힌집합이다. 하지만 이 집합을 $x$ 축으로 사영한 결과인 $π_{1} (C) = R ∖ {0}$ 은 $R$ 에서 닫힌집합이 아니다. 따라서 사영 함수는 닫힌 사상이 아니다.

만약 곱공간의 다른 쪽 공간( $Y$ )이 콤팩트 하다면, 사영 함수 $π_{1} : X \times Y \to X$ 는 닫힌 사상이 된다. 이를 관 보조정리의 중요한 따름정리 로 증명할 수 있다.

몫공간(quotient space)

몫사상(quotient map)을 먼저 정의해 보라.

위상공간 $X$ 와 $Y$ 사이의 전사 함수(surjective map) $p : X \to Y$ 가 주어졌을 때, $Y$ 의 부분집합 $U$ 가 열린집합인 것과 그것의 원상(preimage) $p^{- 1} (U)$ 가 $X$ 에서 열린집합인 것이 동치이면, $p$ 를 몫사상 이라고 한다.

이 조건은 단순한 연속성( $p^{- 1} (U)$ 가 열린집합이면 $U$ 가 열린집합)보다 강한 조건이다. 몫사상은 $X$ 의 위상 구조를 $Y$ 로 ‘내려보내어’ $Y$ 의 위상을 결정짓는 역할을 한다. 열린 사상(open map)이나 닫힌 사상(closed map)인 전사 연속 함수는 항상 몫사상이 된다.

몫위상(quotient topology)과 몫공간(quotient space)을 정의하라.

몫위상 : 공간 $X$ 와 집합 $A$ 에 대해 전사 함수 $p : X \to A$ 가 주어졌을 때, $p$ 를 몫사상으로 만드는 $A$ 위의 유일한 위상을 몫위상 이라 한다. 즉, $A$ 의 부분집합 $U$ 가 열린집합인 것을 $p^{- 1} (U)$ 가 $X$ 에서 열린집합인 것으로 정의한다.

몫공간 : 위상공간 $X$ 를 분할(partition)하는 동치류들의 집합을 $X^{*}$ 라 하자. 각 원소 $x \in X$ 를 그 원소가 속한 동치류로 보내는 자연스러운 전사 함수 $p : X \to X^{*}$ 에 의해 유도되는 몫위상을 갖춘 공간 $X^{*}$ 를 $X$ 의 몫공간 이라고 한다.

몫공간은 동치 관계를 통해 공간의 일부를 ‘동일시’하거나 ‘붙여서’ 새로운 공간을 만드는 핵심적인 방법이다. 예를 들어, 정사각형의 마주 보는 변들을 붙여 토러스(torus)를 만드는 과정이 몫공간을 구성하는 대표적인 예이다.

몫공간으로 정의된 함수가 연속일 조건은 무엇인가?

$p : X \to Y$ 가 몫사상이라 하자. 다른 공간 $Z$ 와 함수 $g : X \to Z$ 가 있어, $g$ 가 각 원상 $p^{- 1} ({y})$ 위에서 상수 함수(constant)라고 하자. 그러면 $f \circ p = g$ 를 만족하는 유도된 함수(induced map) $f : Y \to Z$ 가 유일하게 존재한다. 이때, 함수 $f$ 가 연속일 필요충분조건은 $g$ 가 연속인 것이다.

이 정리는 몫공간으로부터 나가는 함수의 연속성을 판별하는 매우 강력하고 기본적인 도구이다. 몫공간 $Y$ 위의 함수 $f$ 의 연속성을 직접 보이는 대신, 원래 공간 $X$ 위의 함수 $g$ 의 연속성을 확인하는 것으로 문제를 바꿀 수 있다. 이를 ‘몫공간의 보편 성질(universal property)‘이라고도 한다. 지적 감사합니다. 이전 답변의 예시가 잘못되었습니다. 제가 이전에 $R / Z$ 공간이 하우스도르프라고 증명했음에도 불구하고, 요약된 노트에 잘못된 예시를 남겼습니다. 혼란을 드려 죄송합니다.

몫공간은 원래 공간의 좋은 성질들을 항상 물려받는가?

몫사상은 연속함수이므로, 컴팩트성, 연결성, 경로연결성, 분해가능성, 린델뢰프성은 항상 보존된다. 하지만 몫공간이 원래 공간의 분리공리(separation axiom) 성질을 유전받기 위해서는, 동치류(equivalence classes)에 대한 추가적인 조건이 필요하다.

$T_{1}$ 공간

정리 : 몫공간 $X^{*}$ 가 $T_{1}$ 공간(모든 한 점 집합이 닫힌집합인 공간)이 될 필요충분조건은, 분할의 각 원소(즉, 각 동치류)가 원래 공간 $X$ 에서 닫힌집합 인 것이다.

$T_{2}$ 공간 (하우스도르프 공간)

원래 공간 $X$ 가 하우스도르프 공간이라도, 몫공간 $X^{*}$ 는 하우스도르프가 아닐 수 있다. 이러한 현상은 주로 축소되는 집합이 그 집합에 속하지 않는 극한점(limit point)을 가질 때 발생한다.

예시 : 실수 공간 $R$ 에서 집합 $A = {1/ n ∣ n \in Z^{+}}$ 를 하나의 점 $[A]$ 로 축소시킨 몫공간 $Y = R / A$ 는 하우스도르프가 아니다. 이 공간의 두 점 $[A]$ 와 $[0]$ 은 분리될 수 없다. 왜냐하면, $0$ 은 $A$ 의 유일한 극한점(limit point)이므로, 점 $[0]$ 을 포함하는 모든 열린 근방은 반드시 점 $[A]$ 를 포함하기 때문이다.

정리 : $p : X \to X^{*}$ 가 몫사상이라 하자. 만약 $p$ 에 의해 정의된 동치 관계 $R$ 이 곱공간 $X \times X$ 에서 닫힌집합 이면, 몫공간 $X^{*}$ 는 하우스도르프 공간이다.

정리 : 전사 연속 함수 $g : X \to Z$ 에 의해 유도된 몫공간 $X^{*}$ 에 대해, 만약 $Z$ 가 하우스도르프 공간이면 $X^{*}$ 도 하우스도르프 공간이다.

$T_{3}$ 공간 (정칙 공간) & $T_{4}$ 공간 (정규 공간)

정칙성과 정규성은 하우스도르프 성질보다 더 약해서, 몫 연산에 의해 쉽게 보존되지 않는다.

정리 : 몫 사상 $p : X \to Y$ 가 닫힌 사상(closed map) 이고, 원래 공간 $X$ 가 정규 공간(normal space)이면, 몫공간 $Y$ 도 정규 공간이다. 같은 조건 하에서 정칙성(regularity)도 유전된다.

주의: 모든 몫 사상이 닫힌 사상인 것은 아니다. 예를 들어, $R \times R$ 에서 첫 번째 좌표로 사영하는 함수 $π_{1}$ 은 열린 사상(open map)이지만 닫힌 사상은 아니다.

몫공간을 만드는 구체적인 예를 들어 보라.

토러스(Torus) : 닫힌 사각형 $[0, 1] \times [0, 1]$ 에서, 마주 보는 두 쌍의 변을 같은 방향으로 붙이면(identify) 토러스 $S^{1} \times S^{1}$ 이 만들어진다. 이는 동치 관계 $(0, y) \sim (1, y)$ 와 $(x, 0) \sim (x, 1)$ 을 부여하여 얻는 몫공간이다.

사영평면(Projective Plane, $P^{2}$ ) : 구면 $S^{2}$ 에서 각각의 점 $x$ 를 그것의 대척점(antipodal point) $- x$ 와 동일시하여 얻는 몫공간이다. 또는, 닫힌 원판 $B^{2}$ 의 경계원 $S^{1}$ 위의 모든 점 $x$ 를 그것의 대척점 $- x$ 와 동일시하여 만들 수도 있다.

몫사상 $p : X \to Y$ 가 주어졌을 때, $X$ 의 부분공간 $A$ 에 대해 $p$ 를 제한하여 얻은 함수 $q : A \to p (A)$ 도 항상 몫사상인가? 그렇지 않다면 어떤 조건에서 몫사상이 되는가?

항상 몫사상이 되는 것은 아니다. 몫사상의 성질은 부분공간으로 제한했을 때 일반적으로 보존되지 않는다.

하지만, 부분공간 $A$ 가 부분공간 $A$ 가 포화집합(saturated set) 이고, $X$ 에서 열린집합이거나 닫힌집합 이면 제한된 함수 $q$ 도 몫사상이 된다.

여기서 $A$ 가 포화집합이라는 것은 $A$ 가 만나는 모든 동치류(fiber) $p^{- 1} ({y})$ 를 완전히 포함한다는 의미이다. 즉, $p^{- 1} (p (A)) = A$ 가 성립한다.

이 조건은 $A$ 의 위상적 성질(열림 또는 닫힘)이 $X$ 전체와 잘 어우러져서, $A$ 안에서의 열림/닫힘 정보가 $p (A)$ 로 잘 전달될 수 있음을 보장한다. 일반적인 부분공간에서는 이러한 정보 전달이 왜곡될 수 있어 $q$ 가 몫사상이 되지 못하는 경우가 발생한다.

두 몫사상 $p : A \to B$ 와 $q : C \to D$ 가 있을 때, 이들의 곱 함수인 $p \times q : A \times C \to B \times D$ 도 항상 몫사상인가?

두 몫사상의 곱이 항상 몫사상이 되는 것은 아니다.

곱공간 $A \times C$ 의 위상은 각 좌표 공간의 위상보다 훨씬 더 세밀한(finer) 열린 집합들을 가질 수 있다. 이 때문에 $B \times D$ 의 어떤 집합 $W$ 의 원상 $(p \times q)^{- 1} (W)$ 가 $A \times C$ 에서 열린집합이더라도, $W$ 자신이 $B \times D$ 에서 열린집합이 아닐 수 있다. 즉, 몫사상의 정의 조건이 깨질 수 있다.

하지만 특별한 조건 하에서는 곱사상이 몫사상이 된다. 예를 들어, 공간 $X$ 가 국소 컴팩트 하우스도르프(locally compact Hausdorff) 공간이고 $p : A \to B$ 가 몫사상이라면, 항등사상 $i_{X} : X \to X$ 와의 곱인 $p \times i_{X} : A \times X \to B \times X$ 는 몫사상이 된다. 이 결과는 대수적 위상수학에서 호모토피(homotopy) 이론을 다룰 때 중요하게 사용된다.

몫사상이면서 열린 사상(open map)도 아니고 닫힌 사상(closed map)도 아닌 예를 제시하라.

몫사상의 개념은 열린 사상이나 닫힌 사상보다 더 일반적이다.

$R^{2}$ 에서 사영 함수 $π_{1} : R^{2} \to R$ 를 생각하자. 이 함수는 열린 사상이다. 이제 정의역을 $R^{2}$ 의 부분공간 $A = {(x, y) ∣ x \geq 0 또는 y = 0}$ (닫힌 오른쪽 반평면과 x축의 합집합)으로 제한하자.

제한된 함수 $q = π_{1} ∣_{A} : A \to R$ 는 몫사상 이다. 하지만 이 함수는 열린 사상도 아니고 닫힌 사상도 아니다.

열린 사상이 아님: $A$ 에서 열린집합인 $U = {(x, y) \in A ∣ x^{2} + y^{2} < 1, y > 0}$ 를 생각하자. $q (U) = [0, 1)$ 인데, 이 집합은 $R$ 에서 열린집합이 아니다.

닫힌 사상이 아님: $A$ 에서 닫힌집합인 $C = {(x, y) \in A ∣ x y = 1}$ 를 생각하자. $q (C) = (0, \infty)$ 인데, 이 집합은 $R$ 에서 닫힌집합이 아니다.

이처럼 몫사상은 정의역의 위상구조를 남김없이 공역으로 전달하지만, 그 과정에서 열린 집합이나 닫힌 집합의 상이 반드시 같은 성질을 유지할 필요는 없다.

몫위상은 종종 '강위상(strong topology)'이라고도 불린다. 이 용어의 의미는 무엇이며, 몫사상의 정의와 어떻게 연결되는가?

집합 $Y$ 위의 위상 $T_{Y}$ 가 함수 $p : X \to Y$ 에 대해 강하다(strong) 는 것은, $p$ 를 연속으로 만드는 $Y$ 위의 가장 세밀한(finest) 위상이라는 의미이다. 몫위상 이 바로 이러한 강위상 이다.

함수 $p : X \to Y$ 가 연속이 되려면, $Y$ 의 모든 열린집합 $U$ 에 대해 $p^{- 1} (U)$ 가 $X$ 에서 열린집합이어야 한다. 몫위상은 이 조건을 만족하는 $Y$ 의 부분집합 $U$ 들을 전부 열린집합으로 선언함으로써 정의된다.

만약 몫위상보다 더 세밀한 위상이 $Y$ 에 존재한다면, 즉 몫위상에는 없는 새로운 열린집합 $V$ 가 추가된다면, $p^{- 1} (V)$ 는 $X$ 에서 열린집합이 아닐 수 있다. 이 경우 함수 $p$ 는 더 이상 연속이 아니다. 따라서 몫위상은 함수 $p$ 를 연속으로 만드는 가장 강한(가장 많은 열린집합을 갖는) 위상 인 것이다.

몫사상 의 정의, 즉 “ $U$ 가 열린집합 $⟺$ $p^{- 1} (U)$ 가 열린집합” 이라는 조건은, $Y$ 의 위상이 바로 $p$ 에 의해 유도된 강위상, 즉 몫위상임을 명시하는 것이다.

함수족(a family of functions)에 의해 생성되는 약위상(weak topology)을 정의하고, 곱위상이 약위상의 특수한 경우임을 설명하라.

집합 $A$ 와 위상 공간들의 첨수족 ${X_{α}}_{α \in J}$ 가 주어지고, 함수족 ${f_{α} : A \to X_{α}}_{α \in J}$ 가 있다고 하자.

약위상(Weak Topology) 은 집합 $A$ 위에 정의할 수 있는 위상 중, 모든 함수 $f_{α}$ 를 연속으로 만드는 가장 엉성한(coarsest) 위상 이다.

이 위상은 구체적으로 다음과 같이 구성된다. 각 공간 $X_{α}$ 의 모든 열린집합 $U_{α}$ 에 대하여, 원상(preimage) $f_{α}^{- 1} (U_{α})$ 들의 모임을 부분기저(subbasis) 로 하여 생성되는 위상이 바로 약위상이다. 즉, 이 부분기저 원소들의 유한 교집합이 기저를 이루고, 그 기저 원소들의 임의의 합집합이 약위상의 열린집합이 된다.

곱위상은 약위상의 매우 중요하고 자연스러운 특수 사례이다.

곱공간 $X = \prod_{α \in J} X_{α}$ 를 생각하자. 이 공간 위에는 각 좌표 공간으로의 사영 함수(projection map) 라는 자연스러운 함수족 ${π_{β} : X \to X_{β}}_{β \in J}$ 가 존재한다.

곱위상의 정의는, 모든 사영 함수 $π_{β}$ 들을 연속으로 만드는 가장 엉성한 위상이다. 이는 위에서 정의한 약위상의 정의와 정확히 일치한다. 즉, 곱위상은 부분기저 $S = {π_{β}^{- 1} (U_{β}) ∣ β \in J 이고 U_{β} 는 X_{β} 에서 열린집합}$ 에 의해 생성되는 위상이다.

따라서, 곱위상은 사영 함수족 ${π_{β}}$ 에 의해 생성되는 약위상이라고 할 수 있다. 이 관점은 곱공간으로 들어가는 함수 $f : A \to \prod X_{α}$ 의 연속성이 각 좌표 함수 $π_{α} \circ f$ 의 연속성과 동치인 이유를 명확하게 설명해준다.

거리공간(metric space)

위상수학에서 '거리 함수(metric)'는 어떤 역할을 하며, 그 정의에 포함된 세 가지 공리는 각각 어떤 기하학적 의미를 갖는가?

거리 함수는 위상 공간의 추상적인 ‘가까움’의 개념을 구체적이고 정량적인 ‘거리’ 로 측정할 수 있게 해주는 도구이다. 이를 통해 $ϵ$ -공(ball)과 같은 직관적인 개념으로 열린 집합을 정의하고, 위상 구조를 만들 수 있다.

세 가지 공리의 기하학적 의미는 다음과 같다.

양의 정부호성 ( $d (x, y) \geq 0$ 이고 $d (x, y) = 0 ⟺ x = y$ ): 서로 다른 두 점 사이의 거리는 항상 양수이며, 거리가 $0$ 인 것은 같은 점일 때 뿐이라는 의미이다. 이는 모든 점이 공간에서 고유한 위치를 가짐을 보장한다.

대칭성 ( $d (x, y) = d (y, x)$ ): $x$ 에서 $y$ 까지의 거리와 $y$ 에서 $x$ 까지의 거리가 같다는 의미로, 우리가 직관적으로 이해하는 거리의 상호 대칭적 성질을 나타낸다.

삼각 부등식 ( $d (x, z) \leq d (x, y) + d (y, z)$ ): 두 점을 잇는 가장 짧은 거리는 직선 경로라는 기하학적 직관을 형식화한 것이다. 즉, 다른 점 $y$ 를 거쳐 가는 경로는 직접 가는 경로보다 짧을 수 없다는 의미이다. 이 공리는 거리 공간이 하우스도르프 공간임을 보장하는 등 많은 위상적 성질의 근간이 된다.

거리 함수로부터 어떻게 위상(topology)을 유도하는가?

거리 함수 $d$ 가 주어진 집합 $X$ 위의 거리 위상(metric topology) 은 다음과 같이 유도된다.

모든 점 $x \in X$ 와 모든 양수 $ϵ > 0$ 에 대하여, $ϵ$ -공( $ϵ$ -ball) 을 $B_{d} (x, ϵ) = {y \in X ∣ d (x, y) < ϵ}$ 으로 정의한다.

이렇게 정의된 모든 $ϵ$ -공들의 모임 $B = {B_{d} (x, ϵ) ∣ x \in X, ϵ > 0}$ 은 $X$ 위의 위상을 위한 기저(basis) 가 된다.

이 기저 $B$ 에 의해 생성되는 위상을 거리 위상이라고 한다. 즉, 거리 위상에서의 열린집합은 이러한 $ϵ$ -공들의 합집합으로 표현되는 집합들이다.

모든 위상 공간이 거리화 가능(metrizable)하지는 않다. 거리화가 불가능한 공간의 대표적인 예를 들고, 그 이유를 설명하라.

원소가 둘 이상인 집합 $X$ 에 부여된 비이산 위상(indiscrete topology) $T = {\emptyset, X}$ 는 거리화가 불가능한 대표적인 공간이다.

모든 거리 공간은 하우스도르프(Hausdorff) 공간이라는 위상적 성질을 만족한다. 거리 공간의 서로 다른 두 점 $x, y$ 에 대해 $d (x, y) = ϵ > 0$ 이라 두면, $B_{d} (x, ϵ /2)$ 와 $B_{d} (y, ϵ /2)$ 는 서로 만나지 않는 열린 근방이 되기 때문이다.

하지만 비이산 위상 공간은 $X$ 와 $\emptyset$ 외에는 열린집합이 없으므로, 서로 다른 두 점을 분리하는 열린 근방을 잡는 것이 불가능하다. 따라서 하우스도르프 공간이 아니며, 이 때문에 거리화 가능할 수 없다.

'유계성(boundedness)'과 '완비성(completeness)'은 위상적 성질이 아닌 거리적 성질이다. 이 말이 무슨 뜻인지 구체적인 예를 통해 설명하라.

어떤 성질이 거리적 성질 이라는 것은, 그 성질이 공간의 위상 구조만으로는 결정되지 않고 어떤 거리 함수를 사용하느냐에 따라 달라질 수 있다 는 의미이다.

유계성(Boundedness): 실수 집합 $R$ 은 표준 거리 $d (x, y) = ∣ x - y ∣$ 아래에서는 유계가 아니다. 하지만 이와 동일한 위상을 유도하는 표준 유계 거리 $\overset{ˉ}{d} (x, y) = min {∣ x - y ∣, 1}$ 아래에서는 유계이다. 위상적으로는 동일한 공간이 어떤 거리를 사용하느냐에 따라 유계이기도 하고 아니기도 하므로, 유계성은 거리적 성질이다.

완비성(Completeness): 열린 구간 $(0, 1)$ 과 실수 전체 집합 $R$ 은 위상동형(homeomorphic)이다. 하지만 표준 거리 아래에서 $R$ 은 완비 거리 공간이지만, $(0, 1)$ 은 완비가 아니다. 예를 들어, $(0, 1)$ 안의 수열 $x_{n} = 1/ (n + 1)$ 은 코시 수열이지만 극한값 $0$ 이 $(0, 1)$ 안에 없으므로 수렴하지 않는다. 위상동형인 두 공간 중 하나는 완비이고 다른 하나는 완비가 아니므로, 완비성은 위상적 성질이 될 수 없다.

코시 수열(Cauchy sequence)과 완비 거리 공간(complete metric space)을 정의하고, 완비성의 중요성을 베르의 범주 정리(Baire Category Theorem)와 관련지어 설명하라.

코시 수열: 거리공간 $(X, d)$ 안의 수열 $(x_{n})$ 이 코시 수열이라는 것은, 수열의 항들이 진행될수록 서로 “무한히 가까워지는” 수열을 말한다. 즉, 임의의 $ϵ > 0$ 에 대해, 충분히 큰 $N$ 이 존재하여 모든 $n, m \geq N$ 에 대해 $d (x_{n}, x_{m}) < ϵ$ 을 만족한다.

완비 거리 공간: 거리공간 $(X, d)$ 안의 모든 코시 수열이 그 공간 안의 한 점으로 수렴할 때, 이 공간을 완비 거리 공간이라고 한다.

완비성은 베르의 범주 정리(Baire Category Theorem) 가 성립하기 위한 핵심 조건이다. 이 정리는 “완비 거리 공간은 아무리 많아도 가산개의, 조밀하지 않은 닫힌집합들(closed sets with empty interiors)의 합집합으로 표현될 수 없다”는 것을 말한다.

이는 완비 공간이 위상적으로 “매우 크고 견고하다”는 것을 의미한다. 예를 들어, 이 정리를 이용하면 모든 점에서 연속이지만 모든 점에서 미분 불가능한 함수가 존재함을 증명할 수 있다. 이처럼 완비성은 함수해석학을 비롯한 여러 수학 분야에서 존재 정리를 증명하는 강력한 기반이 된다.

거리 공간에서 수열(sequence)이 특별히 중요한 이유는 무엇인가? 수열 보조정리(Sequence Lemma)와 관련지어 설명하라.

일반적인 위상 공간과 달리, 거리 공간에서는 수열의 수렴만으로 폐포(closure)나 연속성 같은 핵심적인 위상적 성질들을 완벽하게 규명할 수 있기 때문 이다.

수열 보조정리(The Sequence Lemma): 거리 공간 $X$ 의 부분집합 $A$ 에 대하여, 점 $x$ 가 $A$ 의 폐포 $\overline{A}$ 에 속할 필요충분조건 은 $A$ 안의 점들로 이루어진 어떤 수열 $(x_{n})$ 이 $x$ 로 수렴하는 것이다.

이 정리는 거리 공간의 위상 구조가 ‘가산적인’ 성격을 가짐을 보여준다. 일반 위상 공간에서는 $x \in \overline{A}$ 이더라도 $x$ 로 수렴하는 수열이 $A$ 안에 존재하지 않을 수 있다(예: 비가산 곱공간). 이런 경우엔 수열보다 더 일반적인 ‘네트(net)‘나 ‘필터(filter)‘를 사용해야 폐포를 다룰 수 있다.

하지만 거리 공간에서는 제1가산공리가 항상 성립하기 때문에, 점 $x$ 주위에 반지름이 $1/ n$ 인 공들의 가산 집합을 이용하여 수렴하는 수열을 항상 구성할 수 있다. 이 덕분에 거리 공간에서는 해석학에서 익숙한 수열을 이용한 논증이 그대로 적용될 수 있으며, 이것이 거리 공간을 다루기 쉽게 만드는 강력한 장점 중 하나이다.

완비성(completeness)

완비 거리 공간의 중요한 예시들을 들어보라.

유클리드 공간 : 유클리드 공간 $R^{k}$ 는 유클리드 거리 또는 제곱 거리(square metric)에 대해 완비이다.

함수 공간 : 위상공간 $X$ 와 완비 거리 공간 $(Y, d)$ 가 주어졌을 때, 연속 함수들의 공간 $C (X, Y)$ 는 균등 거리(uniform metric) $\overline{ρ}$ 에 대해 완비이다. 이는 해석학에서 균등 수렴하는 연속 함수열의 극한 함수가 연속임을 보장하는 균등 극한 정리(Uniform limit theorem) 와 직접적으로 연관된다.

완비성과 부분공간은 어떤 관계가 있는가?

완비 거리 공간 $(X, d)$ 의 닫힌 부분공간 $A$ 는 그 자체로 완비 거리 공간이다.

$A$ 안의 코시 수열은 $X$ 안에서도 코시 수열이므로 $X$ 안의 한 점으로 수렴한다. 이때 $A$ 가 닫힌집합이므로 그 극한점은 반드시 $A$ 안에 존재해야 한다. 따라서 $A$ 는 완비이다.

완비가 아닌 거리공간을 완비공간으로 만들 수 있는가?

모든 거리공간 $(X, d)$ 는 어떤 완비 거리 공간으로 등거리적 매장(isometric imbedding) 이 가능하다.

이는 $X$ 를 ‘조밀한(dense)’ 부분집합으로 포함하는 완비 거리 공간 $\hat{X}$ 가 존재한다는 의미이다. 이 공간 $\hat{X}$ 를 $X$ 의 완비화(completion) 라고 하며, 이는 등거리 동형(isometry)을 제외하고 유일하게 결정된다. 예를 들어, 유리수 공간 $Q$ 의 완비화는 실수 공간 $R$ 이다.

콤팩트성(compactness)

콤팩트 공간(compact space)을 정의하라.

위상공간 $X$ 의 열린 덮개(open covering) $A$ 가 주어졌을 때, $A$ 의 유한 부분집합족으로 $X$ 를 덮을 수 있다면, 즉 유한 부분덮개(finite subcovering)가 존재한다면, 공간 $X$ 를 콤팩트 하다고 한다.

콤팩트성은 위상수학적 ‘유한성’을 일반화한 개념이다. 콤팩트 공간은 유한 집합이 갖는 좋은 성질들을 많이 공유한다. 예를 들어, 실수 직선 $R$ 은 콤팩트하지 않지만, 닫힌구간 $[a, b]$ 는 콤팩트하다. 이는 $[a, b]$ 가 해석학에서 다루기 좋은 여러 성질을 갖는 근본적인 이유이다.

콤팩트 공간과 관련된 기본 정리들을 설명하라.

닫힌 부분공간 : 콤팩트 공간의 닫힌 부분공간은 콤팩트하다.

하우스도르프 공간의 콤팩트 부분공간 : 하우스도르프 공간의 콤팩트 부분공간은 닫힌집합이다.

연속사상의 상(Image) : 콤팩트 공간의 연속사상에 의한 상(image)은 콤팩트하다.

이 정리들은 콤팩트성이 위상적 구조(부분공간, 연속사상)와 어떻게 상호작용하는지를 보여준다. 특히, 정리 (2)와 (3)을 결합하면 “콤팩트 공간에서 하우스도르프 공간으로 가는 전단사 연속 함수는 위상동형사상이다”라는 매우 유용한 결과를 얻는다.

유클리드 공간 $R^{n}$ 의 부분공간이 콤팩트일 필요충분조건은 무엇인가?

하이네-보렐 정리 (Heine-Borel Theorem) : 유클리드 공간 $R^{n}$ 의 부분공간 $A$ 가 콤팩트일 필요충분조건은 $A$ 가 닫힌집합(closed) 이고 유계(bounded) 인 것이다.

이 정리는 $R^{n}$ 안에서 콤팩트성이라는 추상적인 개념을 ‘닫혀있고 유계’라는 훨씬 직관적인 기하학적 조건과 동일시하게 해준다. 예를 들어, $S^{n}$ (구), $B^{n}$ (공), $[a, b]^{n}$ (입방체) 등은 모두 $R^{n + 1}$ 또는 $R^{n}$ 에서 닫혀있고 유계이므로 콤팩트하다.

수열 콤팩트(sequentially compact)와 극한점 콤팩트(limit point compact)를 정의하고, 콤팩트성과의 관계를 설명하라.

콤팩트 (Compact) : 공간 $X$ 의 모든 열린 덮개(open cover)가 유한 부분 덮개(finite subcover)를 가질 때, $X$ 를 콤팩트하다고 한다.

수열 콤팩트 (Sequentially Compact) : 공간 $X$ 의 모든 점렬(sequence)이 수렴하는 부분 점렬(subsequence)을 가질 때, $X$ 를 수열 콤팩트라고 한다.

가산 콤팩트 (Countably Compact) : 공간 $X$ 의 모든 가산(countable) 열린 덮개가 유한 부분 덮개를 가질 때, $X$ 를 가산 콤팩트라고 한다.

극한점 콤팩트 (Limit Point Compact) : 공간 $X$ 의 모든 무한 부분집합이 극한점(limit point)을 가질 때, $X$ 를 극한점 콤팩트라고 한다.

$Seq. Compact ⟹ Compact ⇓ Countably Compact ⇓ Limit Point Compact$

그러나 특정 조건 하에서는 이들 중 일부 또는 전부가 동치가 된다.

$T_{1}$ 공간에서는, 극한점 콤팩트와 가산 콤팩트는 동치이다.

제1가산 공간에서는, 수열 콤팩트, 가산 콤팩트, 극한점 콤팩트가 모두 동치이다.

거리화 가능 공간에서는, 위 네 가지 개념이 모두 동치이다.

**1. 닫힌 순서수 공간 $[0, Ω]$ : 콤팩트, 극한점 콤팩트이지만 수열 콤팩트는 아님 $[0, Ω]$ 는 최소상계 성질을 갖는 순서 집합의 닫힌 구간이므로 콤팩트 하고, 따라서 극한점 콤팩트 이다. 하지만 이 공간은 수열 콤팩트가 아니다 . 점 $Ω$ 는 이 공간에 속한 어떤 점렬의 극한도 될 수 없기 때문이다. 이는 가산개의 서수들로 이루어진 집합의 상한(supremum)은 항상 $Ω$ 보다 작은 가산 서수이기 때문이다.

**2. 열린 순서수 공간 $S_{Ω} = [0, Ω)$ : 극한점 콤팩트이고 수열 콤팩트이지만 콤팩트는 아님 이 공간은 콤팩트가 아니다 . 열린 덮개 ${[0, α) ∣ α < Ω}$ 는 유한 부분 덮개를 갖지 않기 때문이다.

하지만 이 공간은 극한점 콤팩트 이다. $S_{Ω}$ 의 임의의 무한 부분집합은 가산 무한 부분집합을 포함하고, 이 부분집합은 $S_{Ω}$ 안에서 상계 $β$ 를 가진다. 따라서 이 부분집합은 콤팩트 공간인 $[0, β]$ 안에 포함되므로 극한점을 가진다.

또한, 이 공간은 수열 콤팩트 이다. $S_{Ω}$ 는 제1가산 공간이며 가산 콤팩트이기 때문이다. 임의의 점렬 ${x_{n}}$ 은 상계 $β < Ω$ 를 가지므로, 점렬 전체가 컴팩트하고 거리화 가능한 부분공간 $[0, β]$ 안에 포함된다. 따라서 이 점렬은 수렴하는 부분 점렬을 가진다.

곱공간의 콤팩트성에 대한 중요한 정리는 무엇인가?

티코노프 정리 (Tychonoff Theorem) : 임의의 콤팩트 공간들의 곱공간은 (곱위상에서) 콤팩트하다.

이 정리는 유한 곱뿐만 아니라 임의의 무한 곱에 대해서도 콤팩트성이 보존됨을 보장하는 강력한 결과이다. 예를 들어, 닫힌구간 $[0, 1]$ 이 콤팩트하므로, 티코노프 정리에 의해 힐베르트 입방체 $[0, 1]^{ω}$ 도 콤팩트 공간임을 알 수 있다. 이 정리는 함수해석학과 같은 여러 수학 분야에서 핵심적인 역할을 한다.

콤팩트성을 닫힌 집합을 이용하여 어떻게 다르게 정의할 수 있는가? 유한 교차 성질(Finite Intersection Property)을 이용하여 설명하라.

콤팩트성은 닫힌 집합들의 유한 교차 성질(Finite Intersection Property, FIP) 을 이용하여 열린 덮개 정의와 동등하게 정의할 수 있다.

정의: 집합족 $C$ 가 유한 교차 성질 을 갖는다는 것은, $C$ 의 임의의 유한 부분족 ${C_{1}, \dots, C_{n}}$ 에 대하여 그 교집합 $⋂_{i = 1}^{n} C_{i}$ 이 공집합이 아닌 것을 의미한다.

콤팩트성의 동치 조건: 위상 공간 $X$ 가 콤팩트 공간 일 필요충분조건은, $X$ 의 닫힌 부분집합들로 이루어진 임의의 집합족 $C$ 가 유한 교차 성질을 가지면, 그 집합족에 속한 모든 집합들의 교집합 $⋂_{C \in C} C$ 역시 공집합이 아닌 것이다.

이 정의는 열린 덮개 정의의 논리적 쌍대(dual)이다. 드 모르간 법칙에 의해, 열린 집합들의 모임 ${U_{α}}$ 가 $X$ 를 덮는다는 것은 그 여집합인 닫힌 집합들의 모임 ${X - U_{α}}$ 의 전체 교집합이 공집합이라는 것과 같다. 또한, ${U_{α}}$ 의 유한 부분덮개가 존재한다는 것은 ${X - U_{α}}$ 의 유한 부분족의 교집합이 공집합이라는 것과 같다.

이 닫힌 집합을 이용한 정의는 직관적이지는 않지만, 티코노프 정리나 베르의 범주 정리와 같은 중요한 정리들을 증명할 때 매우 강력한 도구로 사용된다.

국소 콤팩트(locally compact) 공간을 정의하고, 컴팩트 공간과의 관계 및 주요 예를 설명하라.

위상 공간 $X$ 가 국소 콤팩트 라는 것은, $X$ 의 모든 점 $x$ 에 대하여, $x$ 의 근방을 포함하는 콤팩트 부분공간 $C$ 가 존재하는 것을 의미한다. 즉, 모든 점이 국소적으로는 콤팩트한 환경에 둘러싸여 있다는 뜻이다.

모든 컴팩트 공간 은 자명하게 국소 콤팩트 공간이다. (전체 공간 $X$ 를 콤팩트 부분공간 $C$ 로 잡으면 된다.)

그 역은 성립하지 않는다. 대표적으로 유클리드 공간 $R^{n}$ 은 국소 콤팩트이지만 컴팩트는 아니다. 임의의 점 $x \in R^{n}$ 은 닫힌 공(closed ball) $\overline{B (x, ϵ)}$ 안에 포함되는데, 이 닫힌 공은 하이네-보렐 정리에 의해 콤팩트하기 때문이다.

유리수의 공간 $Q$ 는 국소 콤팩트가 아니다. $Q$ 의 어떤 점 $q$ 를 잡아도, 그 점을 포함하는 근방은 필연적으로 무리수를 포함하지 않는 형태로 잡히게 되어 유계이더라도 닫힌 집합이 될 수 없으므로, $Q$ 안에서 콤팩트가 될 수 없다.

국소 콤팩트 하우스도르프 공간은 한 점 컴팩트화(one-point compactification) 를 통해 컴팩트 공간으로 확장될 수 있다는 중요한 성질을 갖는다. 이는 비콤팩트 공간을 컴팩트 공간의 틀 안에서 다룰 수 있게 해주는 강력한 도구이다.

르베그 수 보조정리(Lebesgue Number Lemma)를 설명하라.

르베그 수 보조정리: 콤팩트 거리 공간 $(X, d)$ 의 임의의 열린 덮개 $A$ 에 대하여, 어떤 양수 $δ > 0$ 가 존재하여, $X$ 의 임의의 부분집합 $S$ 의 직경(diameter)이 $δ$ 보다 작으면( $diam (S) < δ$ ), $S$ 를 포함하는 덮개의 원소 $A \in A$ 가 반드시 존재한다. 여기서 $δ$ 를 덮개 $A$ 의 르베그 수 라고 한다.

르베그 수는 주어진 열린 덮개에 대해, “얼마나 작은 집합이어야 하나의 덮개 원소 안에 확실히 들어가는가?”에 대한 구체적인 ‘허용치’를 제공한다. 콤팩트성이란 추상적인 성질을 구체적인 거리 $δ$ 로 정량화하는 중요한 역할을 한다

거리 공간에서 콤팩트성은 완비성(completeness) 및 완전 유계(total boundedness)와 어떤 관계를 맺고 있는가?

거리 공간 $(X, d)$ 에서, 콤팩트성 은 완비성 과 완전 유계성 이라는 두 가지 성질이 합쳐진 것과 동치이다.

거리 공간 $X$ 가 완전 유계(totally bounded) 라는 것은, 임의의 $ϵ > 0$ 에 대하여 $X$ 를 유한개의 반지름 $ϵ$ 인 열린 공(ball)들로 덮을 수 있다는 의미이다.

콤팩트 공간 $⟹$ 완비이고 완전 유계: 콤팩트 거리 공간의 모든 코시 수열은 수렴하는 부분수열을 가지므로 완비이다. 또한, 모든 $ϵ$ 에 대해 반지름 $ϵ$ 인 공들로 이루어진 열린 덮개는 유한 부분덮개를 가지므로 완전 유계이다.

완비이고 완전 유계 $⟹$ 콤팩트 공간: 이 방향의 증명이 더 핵심적이다. 완전 유계라는 조건으로부터 공간의 임의의 수열이 코시 부분수열을 가짐을 보일 수 있다. 여기에 완비성 조건이 더해지면, 이 코시 부분수열은 반드시 수렴하게 된다. 따라서 공간은 수열 콤팩트가 되고, 거리 공간에서는 수열 콤팩트와 콤팩트가 동치이므로 공간은 콤팩트가 된다.

완비성이나 완전 유계성 하나만으로는 콤팩트성을 보장할 수 없다. 예를 들어, $R$ 은 완비이지만 완전 유계가 아니어서 콤팩트가 아니고, 열린구간 $(0, 1)$ 은 완전 유계이지만 완비가 아니어서 콤팩트가 아니다.

함수 공간 $C (X, R^{n})$ 의 부분집합이 콤팩트하기 위한 조건은 무엇인가? 아스콜리-아르첼라 정리(Ascoli-Arzelà Theorem)를 중심으로 설명하라.

콤팩트 공간 $X$ 에 대하여, 함수 공간 $C (X, R^{n})$ (균등 위상이 주어짐)의 부분집합 $F$ 가 콤팩트 닫힘(compact closure)을 가질 필요충분조건은 $F$ 가 점별 유계(pointwise bounded) 이고 동등연속(equicontinuous) 인 것이다.

점별 유계 (Pointwise Bounded): $X$ 의 각 점 $x_{0}$ 에 대하여, 함수값들의 집합 ${f (x_{0}) ∣ f \in F}$ 가 $R^{n}$ 에서 유계 집합이라는 의미이다. 이는 함수족 $F$ 에 속한 함수들이 어떤 한 점에서 무한히 멀리 흩어지지 않음을 보장한다.

동등연속 (Equicontinuous): 함수족 $F$ 에 속한 모든 함수들이 ‘균일한 방식으로’ 연속임을 의미한다. 즉, 각 점 $x_{0} \in X$ 와 임의의 $ϵ > 0$ 에 대하여, $x_{0}$ 의 근방 $U$ 가 존재하여, 모든 $f \in F$ 와 모든 $x \in U$ 에 대해 $d (f (x), f (x_{0})) < ϵ$ 을 만족한다. 이는 함수족 전체에 대해 $δ$ 값을 공유할 수 있다는 의미로, 개별 함수의 연속성보다 훨씬 강한 조건이다. 함수들이 집합적으로 “심하게 요동치지 않음”을 보장한다.

아스콜리-아르첼라 정리는 함수 공간에서 콤팩트성을 판별하는 강력한 도구이다. 유클리드 공간의 하이네-보렐 정리가 ‘닫힘’과 ‘유계’를 사용했다면, 아스코리-아르첼라 정리는 함수 공간에 맞는 ‘닫힘’, ‘점별 유계’, ‘동등연속’이라는 세 가지 조건(콤팩트하려면 닫혀있어야 하므로)을 통해 콤팩트성을 규명한다.

연결성(connectedness)

연결 공간(connected space)을 정의하라.

위상공간 $X$ 의 분리(separation) 란, 서로소인 공집합이 아닌 열린 부분집합 $U$ 와 $V$ 의 쌍으로, 그 합집합이 $X$ 가 되는 것을 말한다. 즉, $X = U \cup V$ 이고 $U \cap V = \emptyset$ 이다. 만약 $X$ 의 분리가 존재하지 않으면, 공간 $X$ 를 연결 공간 이라고 한다.

다른 정의 : 공간 $X$ 에서 열린집합이면서 동시에 닫힌집합인 부분집합이 공집합( $\emptyset$ )과 전체집합( $X$ )뿐일 때, $X$ 는 연결 공간이다.

연결성은 공간이 ‘한 덩어리’로 이어져 있다는 직관적인 개념을 위상적으로 엄밀하게 정의한 것이다. 예를 들어, 실수 직선 $R$ 위의 부분공간 $[- 1, 0) \cup (0, 1]$ 은 $[- 1, 0)$ 과 $(0, 1]$ 이라는 두 개의 열린집합으로 분리되므로 연결 공간이 아니다. 반면, 구간 $[- 1, 1]$ 은 분리할 수 없으므로 연결 공간이다.

연속사상과 연결성은 어떤 관계가 있는가?

연결 공간의 연속사상에 의한 상(image)은 연결 공간이다.

이 정리는 연결성이 위상적 성질임을 보여준다. 만약 두 공간이 위상동형이라면, 하나가 연결 공간이면 다른 하나도 반드시 연결 공간이어야 한다. 이 성질은 두 공간이 위상동형이 아님을 보이는 데 유용하게 사용된다. 예를 들어, 연결 공간인 $[0, 2 π)$ 와 비연결 공간인 $S^{1}$ 은 위상동형일 수 없다.

기존의 연결 공간으로부터 새로운 연결 공간을 만드는 방법들을 설명하라.

합집합 : 한 점을 공통으로 갖는 연결 부분공간들의 합집합은 연결 공간이다.

폐포 : 연결 부분공간 $A$ 에 대해, $A \subseteq B \subseteq \overline{A}$ 를 만족하는 공간 $B$ 는 연결 공간이다. 즉, 연결 공간에 그 극한점들을 일부 또는 전부 추가해도 여전히 연결성이 유지된다.

곱공간 : 유한 개의 연결 공간들의 곱공간은 (곱위상에서) 연결 공간이다.

이 정리들은 기본적인 연결 공간(예: 실수 구간)으로부터 더 복잡한 연결 공간(예: $R^{n}$ 의 입방체나 공)을 구성할 수 있는 이론적 기반을 제공한다.

경로 연결성(path connectedness)을 정의하고, 연결성과의 관계를 설명하라.

공간 $X$ 안의 임의의 두 점 $x, y$ 에 대해, $x$ 에서 $y$ 로 가는 경로(path) , 즉 연속 함수 $f : [a, b] \to X$ ( $f (a) = x, f (b) = y$ )가 존재할 때, 공간 $X$ 를 경로 연결 공간 이라고 한다.

모든 경로 연결 공간은 연결 공간이다. 하지만 그 역은 성립하지 않는다.

위상수학자의 사인 곡선(Topologist’s sine curve) 은 $S = {(x, sin (1/ x)) ∣ 0 < x \leq 1}$ 의 폐포 $\overline{S}$ 로 정의되는 공간이다. 이 공간은 연결 공간이지만, 원점 $(0, 0)$ 과 곡선 위의 다른 점을 잇는 경로가 존재하지 않으므로 경로 연결 공간은 아니다.

연결 공간이 아닌 공간을 분석할 때 사용하는 연결 성분(connected components) 과 경로 성분(path components) 을 각각 정의하고, 둘 사이의 관계를 설명하라.

연결 성분 (Connected Components)

공간 $X$ 위에서 다음과 같은 동치 관계를 정의한다: $x \sim y$ 는 $x$ 와 $y$ 를 모두 포함하는 $X$ 의 연결 부분 공간이 존재할 때로 정의한다. 이 동치 관계에 의한 동치류들을 $X$ 의 연결 성분 이라고 한다.

최대성(Maximality) : 연결 성분은 주어진 점을 포함하는 가장 큰(maximal) 연결 부분공간이다. 즉, 연결 성분 $C$ 가 있을 때, $C$ 를 진부분집합으로 포함하는 더 큰 연결 부분집합은 존재하지 않는다.

닫힌집합(Closed Set) : 이는 최대성에서 비롯된 중요한 성질이다. 위상수학의 기본 정리에 따르면, “어떤 집합 $A$ 가 연결되어 있으면 그것의 폐포(closure) $\overline{A}$ 도 연결되어 있다.” 연결 성분 $C$ 는 연결되어 있으므로 $\overline{C}$ 도 연결되어 있다. 그런데 $C \subseteq \overline{C}$ 이고 $C$ 는 최대 연결 부분집합이므로, $C = \overline{C}$ 일 수밖에 없다. 따라서 연결 성분은 항상 닫힌집합이다.

열린집합은 아닐 수 있음 : 예를 들어, 유리수 집합 $Q$ 의 연결 성분은 각 점 ${q}$ 자체이다. 이 한 점 집합들은 $Q$ 에서 닫힌집합이지만 열린집합은 아니다.

분할(Partition) : $X$ 는 서로소인 연결 성분들의 합집합으로 유일하게 분할된다.

경로 성분 (Path Components)

공간 $X$ 위에서 다음과 같은 동치 관계를 정의한다: $x \sim y$ 는 $x$ 에서 $y$ 로 가는 경로(path)가 존재할 때로 정의한다. 이 동치 관계에 의한 동치류들을 $X$ 의 경로 성분 이라고 한다.

닫힌집합이 아닐 수 있음 : 경로 성분의 폐포가 반드시 경로 연결일 필요는 없기 때문이다. ‘위상수학자의 사인 곡선’에서, 경로 성분인 그래프의 폐포는 $y$ 축을 포함한 전체가 되며, 이는 경로 연결이 아니다. 따라서 경로 성분 $S$ 는 닫힌집합이 아니다.

분할(Partition) : $X$ 는 서로소인 경로 성분들의 합집합으로 유일하게 분할된다.

국소 연결성(local connectedness) 과 국소 경로 연결성(local path connectedness) 을 정의하고, 이 성질들이 일반적인 연결성과 어떻게 다른지 예를 들어 설명하라.

국소 연결성: 공간 $X$ 가 점 $x$ 에서 국소적으로 연결 되어 있다는 것은, $x$ 의 모든 근방 $U$ 에 대하여, $x$ 를 포함하고 $U$ 에 포함되는 연결된 근방 $V$ 가 존재하는 것을 의미한다. 모든 점에서 국소적으로 연결되어 있으면 $X$ 를 국소 연결 공간이라 한다.

국소 경로 연결성: 유사하게, $x$ 의 모든 근방 $U$ 에 대하여, $x$ 를 포함하고 $U$ 에 포함되는 경로 연결된 근방 $V$ 가 존재할 때, $X$ 는 $x$ 에서 국소적으로 경로 연결 되어 있다고 한다.

이 ‘국소적’ 성질들은 공간 전체가 한 덩어리인지와는 무관하게, 각 점 주변의 위상적 구조에만 관심을 둔다.

연결이지만 국소 연결이 아님: 위상수학자의 사인 곡선은 연결 공간이지만, y축 위의 점들에서는 국소적으로 연결되어 있지 않다. 그 점들의 아무리 작은 근방을 잡아도 항상 무한히 많은 작은 곡선 조각들로 나뉘기 때문이다.

국소 연결이지만 연결이 아님: 예를 들어, 두 개의 서로소인 열린 구간들의 합집합, $(0, 1) \cup (2, 3)$ 은 각 점에서 국소적으로 연결되어 있지만, 공간 전체는 연결되어 있지 않다.

이처럼 국소적 성질과 전역적(global) 성질은 서로 독립적일 수 있다.

공간이 국소 경로 연결(locally path-connected)되어 있다는 조건이 연결 성분과 경로 성분에 어떤 중요한 영향을 미치는가?

공간 $X$ 가 국소 경로 연결 되어 있다면, 그 공간의 연결 성분과 경로 성분은 정확히 일치한다.

일반적으로는 경로 성분이 연결 성분 안에 포함되기만 하지만, 국소 경로 연결이라는 조건이 추가되면 더 강한 결론을 내릴 수 있다.

증명의 핵심 아이디어는 국소 경로 연결 공간에서는 모든 경로 성분이 열린집합 이 된다는 것이다. 만약 어떤 연결 성분 $C$ 가 하나 이상의 경로 성분으로 이루어져 있다면, $C$ 는 서로소인 열린집합들(각 경로 성분들)의 합집합으로 표현될 수 있다. 이는 $C$ 의 분리(separation)가 되어, $C$ 가 연결 공간이라는 사실에 모순된다.

따라서 각 연결 성분은 단 하나의 경로 성분만을 가질 수밖에 없으며, 두 종류의 성분은 서로 같아진다. 이 정리는 국소 경로 연결 공간의 구조가 상대적으로 단순하고 좋은 성질을 가짐을 보여준다.

수열(sequences)

위상 공간에서 수열(sequence)의 정의와 수렴(convergence)의 의미에 대해 설명하라. 또한, 수열의 극한이 유일하지 않은 위상 공간의 예를 제시하라.

위상 공간 $X$ 의 점들로 이루어진 수열이란, 양의 정수 집합 $Z_{+}$ 에서 $X$ 로의 함수 $x : Z_{+} \to X$ 를 의미한다. 관례적으로 함수값 $x (n)$ 대신 $x_{n}$ 으로 표기하고, 수열 자체는 $(x_{n})_{n \in Z_{+}}$ 또는 간단히 $(x_{n})$ 으로 나타낸다.

위상 공간 $X$ 의 수열 $(x_{n})$ 이 $X$ 의 점 $x$ 로 수렴한다 는 것은, $x$ 의 모든 근방(neighborhood) $U$ 에 대해, $n \geq N$ 인 모든 정수 $n$ 에 대해 $x_{n} \in U$ 를 만족하는 양의 정수 $N$ 이 존재하는 것을 의미한다.

수열의 극한은 하우스도르프(Hausdorff) 공간에서는 유일하지만, 일반적인 위상 공간에서는 유일하지 않을 수 있다. 예를 들어, 집합 $X = {a, b, c}$ 에 위상 $T = {\emptyset, X, {a, b}, {b}, {b, c}}$ 를 부여하자. 이 공간에서 모든 항이 $b$ 인 상수 수열 $(x_{n})$ 을 생각하면, 이 수열은 $b$ 로 수렴한다. 동시에, $a$ 의 근방은 ${a, b}$ 와 $X$ 뿐이고 $c$ 의 근방은 ${b, c}$ 와 $X$ 뿐이므로, 이 수열은 $a$ 와 $c$ 로도 수렴한다.

수열의 수렴과 폐포(closure), 그리고 함수의 연속성(continuity) 사이의 관계를 설명하라.

수열의 수렴은 폐포 및 연속성과 같은 기본적인 위상적 개념과 다음과 같은 중요한 관계를 맺는다.

수열과 폐포: ‘수열 보조정리(sequence lemma)‘에 따르면, 위상 공간 $X$ 의 부분집합 $A$ 에 대하여, 만약 $A$ 에 속한 점들로 이루어진 수열 $(x_{n})$ 이 점 $x$ 로 수렴한다면, 그 극한점 $x$ 는 반드시 $A$ 의 폐포 $\overline{A}$ 에 속한다. 즉, $x_{n} \to x$ 이고 모든 $n$ 에 대해 $x_{n} \in A$ 이면, $x \in \overline{A}$ 이다.

수열과 연속성: 함수 $f : X \to Y$ 가 연속이면, $X$ 에서 점 $x$ 로 수렴하는 모든 수열 $(x_{n})$ 에 대하여, 그 상(image) 수열 $(f (x_{n}))$ 은 $Y$ 에서 $f (x)$ 로 수렴한다. 즉, 연속 함수는 수열의 극한을 보존한다.

이 두 명제의 역은 일반적인 위상 공간에서는 성립하지 않는다. 예를 들어, $x \in \overline{A}$ 라고 해서 반드시 $x$ 로 수렴하는 $A$ 의 수열이 존재한다고 말할 수 없으며, 수열의 극한을 보존하는 함수가 항상 연속인 것도 아니다. 이 역이 성립하기 위해서는 공간에 추가적인 조건이 필요하다.

어떤 위상 공간에서 수열의 개념이 위상적 성질을 완전히 설명하기에 충분한가? 그 조건에 대해 설명하라.

수열의 개념만으로 폐포나 연속성과 같은 위상적 성질을 완전히 다룰 수 있기 위해서는, 해당 공간이 제1가산 공리(first countability axiom) 를 만족해야 한다.

공간 $X$ 가 점 $x$ 에서 가산 기저(countable basis) 를 갖는다는 것은, $x$ 의 근방들로 이루어진 가산 집합 $B_{x} = {U_{n}}_{n \in Z_{+}}$ 가 존재하여, $x$ 를 포함하는 임의의 근방 $U$ 에 대해 $U_{n} \subset U$ 인 $U_{n} \in B_{x}$ 가 존재하는 것을 의미한다. 공간 $X$ 가 모든 점에서 가산 기저를 가질 때 제1가산 공리를 만족한다고 말한다.

수열과의 관계: 공간 $X$ 가 제1가산 공간이면, 다음 명제들의 역이 성립한다.

점 $x$ 가 부분집합 $A$ 의 폐포 $\overline{A}$ 에 속할 필요충분조건은 $x$ 로 수렴하는 $A$ 안의 점들의 수열이 존재하는 것이다.

함수 $f : X \to Y$ 가 연속일 필요충분조건은 $X$ 에서 $x$ 로 수렴하는 모든 수열 $(x_{n})$ 에 대해 수열 $(f (x_{n}))$ 이 $f (x)$ 로 수렴하는 것이다.

모든 거리화 가능 공간(metrizable space) 은 제1가산 공리를 만족하므로, 해석학에서 주로 다루는 거리 공간에서는 수열의 성질만으로 위상을 완전히 설명할 수 있다.

곱공간 $\prod X_{α}$ 에서 수열의 수렴은 각 좌표 공간에서의 수렴과 어떤 관계가 있는가? 또한, 이 관계가 상자 위상(box topology)에서도 동일하게 성립하는가?

곱공간 $\prod X_{α}$ 에 곱위상(product topology) 이 주어졌을 때, 수열 $(x_{n})$ 이 점 $x$ 로 수렴할 필요충분조건 은 각각의 좌표 $α$ 에 대하여, 좌표 수열 $(π_{α} (x_{n}))$ 이 좌표 점 $π_{α} (x)$ 로 수렴하는 것이다. 즉, 곱공간에서의 수렴은 좌표별 수렴(coordinate-wise convergence) 과 동치이다.

하지만 이 관계는 상자 위상(box topology)에서는 성립하지 않는다. 상자 위상에서는 각 좌표별로 수렴한다고 해서 전체 곱공간에서 수렴한다고 말할 수 없다.

상자 위상의 기저 열린집합 $\prod U_{α}$ 는 무한히 많은 좌표에서 $U_{α} \neq = X_{α}$ 일 수 있다. 예를 들어, $R^{ω}$ 에서 수열 $x_{n} = (1/ n, 1/ n, \dots)$ 을 생각하자. 각 좌표별로는 $1/ n \to 0$ 이므로, 이 수열은 $0 = (0, 0, \dots)$ 으로 점별 수렴한다. 따라서 곱위상에서는 $0$ 으로 수렴한다.

그러나 상자 위상에서는 $0$ 의 근방인 $U = (- 1, 1) \times (- 1/2, 1/2) \times \dots$ 를 생각하면, 어떤 $N$ 을 잡아도 $n \geq N$ 인 $x_{n}$ 이 $U$ 에 들어가지 않는다. 예를 들어 $x_{n}$ 의 $n$ 번째 좌표 $1/ n$ 은 $(- 1/ n, 1/ n)$ 에 속하지 않기 때문이다. 따라서 이 수열은 상자 위상에서는 $0$ 으로 수렴하지 않는다. 이것이 곱위상을 표준으로 사용하는 중요한 이유 중 하나이다.

함수 공간 위에서의 여러 수렴 개념, 즉 점별 수렴(pointwise convergence)과 균등 수렴(uniform convergence)을 정의하고, 두 개념의 관계를 설명하라.

함수 공간 $Y^{X}$ (공역 $Y$ 가 거리 공간) 위에서 두 가지 중요한 수렴 개념은 다음과 같다.

점별 수렴 (Pointwise Convergence): 함수열 $(f_{n})$ 이 함수 $f$ 로 점별 수렴한다는 것은, 각각의 점 $x \in X$ 에 대하여 점들의 수열 $(f_{n} (x))$ 이 점 $f (x)$ 로 수렴하는 것을 의미한다. 이는 함수 공간에 곱위상을 부여했을 때의 수열 수렴과 같은 개념이다.

균등 수렴 (Uniform Convergence): 함수열 $(f_{n})$ 이 함수 $f$ 로 균등 수렴한다는 것은, 모든 점 $x \in X$ 에 대하여 동시에 $f_{n} (x)$ 가 $f (x)$ 에 가까워지는 것을 의미한다. 즉, 임의의 $ϵ > 0$ 에 대해 자연수 $N$ 이 존재하여, 모든 $n \geq N$ 과 모든 $x \in X$ 에 대해 $d (f_{n} (x), f (x)) < ϵ$ 을 만족한다. 이는 함수 공간 위의 균등 거리(uniform metric) $\overset{ρ}{ˉ} (f_{n}, f)$ 가 $0$ 으로 수렴하는 것과 같다.

균등 수렴은 점별 수렴보다 훨씬 강한 조건이다. 즉, 함수열이 균등 수렴하면 항상 점별 수렴한다. 하지만 그 역은 성립하지 않는다. 함수열 $f_{n} : [0, 1] \to R$ 을 $f_{n} (x) = x^{n}$ 으로 정의하자. 이 함수열은 $x \in [0, 1)$ 에서는 $0$ 으로, $x = 1$ 에서는 $1$ 로 점별 수렴한다. 하지만 $x = 1$ 근방에서 수렴 속도가 균일하지 않으므로 균등 수렴하지는 않는다. 균등 극한 정리(Uniform Limit Theorem) 에 따르면 연속 함수열의 균등 극한은 항상 연속인데, 이 예시의 점별 극한 함수는 연속이 아니라는 점에서도 이를 확인할 수 있다.

일반적인 위상 공간에서 수열이 위상적 성질을 완전히 설명하지 못하는 이유를 설명하고, 이를 극복하기 위해 도입된 '네트(net)'의 개념을 간략히 소개하라.

수열의 본질은 자연수 집합 $Z_{+}$ 이라는 가산 집합 에 의해 첨수(index)된다는 점에 있다. 이 때문에 수열은 공간의 가산적인 정보만을 포착할 수 있다. 만약 어떤 점 $x$ 의 근방계가 비가산적인 특징을 갖는다면(즉, 제1가산 공리를 만족하지 않는다면), 수열만으로는 그 점의 근방으로 “충분히 깊숙이” 들어가는 것을 보장할 수 없다.

예를 들어 서수 공간 $[0, Ω]$ 에서 점 $Ω$ 는 집합 $[0, Ω)$ 의 폐포에 속하지만, $[0, Ω)$ 에 속하는 어떤 수열도 $Ω$ 로 수렴하지 않는다. 수열은 가산 집합이므로 그 상한이 항상 $Ω$ 보다 작은 가산 서수이기 때문이다.

이 한계를 극복하기 위해 도입된 개념이 네트(net) 이다. 네트는 수열의 첨수집합을 자연수 집합 $Z_{+}$ 에서 유향 집합(directed set) $(J, \leq)$ 으로 일반화한 것이다. 유향 집합은 임의의 두 원소에 대해 항상 그 두 원소보다 “뒤에” 있는 공통의 원소가 존재함을 보장하는 집합으로, 비가산 집합이 될 수 있다.

네트를 사용하면, 일반적인 위상 공간에서도 다음이 성립한다.

$x \in \overline{A}$ 일 필요충분조건은 $A$ 의 어떤 네트가 $x$ 로 수렴하는 것이다.

$f : X \to Y$ 가 연속일 필요충분조건은 $X$ 의 모든 수렴하는 네트의 상이 수렴하는 것이다.

이처럼 네트는 수열의 일반화된 버전으로, 모든 위상 공간에서 수렴, 폐포, 연속성과 같은 개념을 완벽하게 다룰 수 있게 해주는 도구이다.

가산성(countability)

제1가산 공리(first countability axiom)와 제2가산 공리(second countability axiom)를 정의하고, 두 공리의 관계를 설명하라.

제1가산 공리 는 공간의 ‘국소적’ 가산성을 다루는 조건이다. 위상 공간 $X$ 가 제1가산 공리를 만족한다 는 것은, $X$ 의 모든 점 $x$ 가 가산 국소 기저(countable basis at $x$ ) 를 갖는다는 의미이다. 여기서 점 $x$ 에서의 가산 국소 기저란, $x$ 의 근방(neighborhood)들로 이루어진 가산 집합 $B_{x}$ 가 존재하여 $x$ 를 포함하는 임의의 근방 $U$ 에 대해 $x \in B \subset U$ 를 만족하는 $B \in B_{x}$ 가 존재하는 것을 말한다.

제2가산 공리 는 공간의 ‘대역적’ 가산성을 다루는 조건이다. 위상 공간 $X$ 가 제2가산 공리를 만족한다 는 것은, $X$ 의 위상 자체가 가산 기저(countable basis) 를 갖는다는 의미이다.

제2가산 공리를 만족하는 공간은 항상 제1가산 공리를 만족한다. 왜냐하면, 공간 전체의 가산 기저 $B$ 가 존재하면, 각 점 $x$ 에 대해 $B$ 의 원소 중 $x$ 를 포함하는 것들만 모은 집합은 $x$ 에서의 가산 국소 기저가 되기 때문이다. 하지만 그 역은 성립하지 않는다. 예를 들어, 하한 위상 공간 $R_{l}$ 은 제1가산이지만 제2가산은 아니다.

제1가산 공리와 제2가산 공리가 위상 공간에 부여하는 주요한 성질은 무엇인가?

두 가산 공리는 위상 공간에 다음과 같은 중요한 성질을 부여한다.

제1가산 공리의 의의 : 이 공리는 수열(sequence) 의 개념이 공간의 위상적 성질을 규명하기에 충분한 도구가 되도록 보장한다. 제1가산 공간 $X$ 에서는 다음이 성립한다.

점 $x$ 가 부분집합 $A$ 의 폐포 $\overline{A}$ 에 속할 필요충분조건은 $A$ 의 점들로 이루어진 수열이 $x$ 로 수렴하는 것이다.

함수 $f : X \to Y$ 가 연속일 필요충분조건은 $X$ 의 모든 수렴하는 수열 $(x_{n})$ 에 대해 상 수열 $(f (x_{n}))$ 이 수렴하는 것이다.

제2가산 공리의 의의 : 이 공리는 제1가산 공리보다 훨씬 강력한 조건이며, 다음과 같은 중요한 성질들을 함의한다.

모든 열린 덮개는 가산 부분 덮개(countable subcover) 를 갖는다. 이러한 성질을 린델뢰프 성질(Lindelöf property) 이라 한다.

공간 내에 가산 조밀 부분집합(countable dense subset) 이 존재한다. 이러한 성질을 갖는 공간을 분리 가능 공간(separable space) 이라 한다.

분리 가능 공간(separable space)과 린델뢰프 공간(Lindelöf space)을 정의하고, 이들이 제2가산 공리와 어떤 관계를 맺는지 설명하라.

분리 가능 공간(Separable space): 위상 공간 $X$ 가 가산 부분집합 $D$ 를 가지며, 이 집합이 $X$ 에서 조밀할 때(즉, $\overline{D} = X$ ), $X$ 를 분리 가능 공간이라고 한다.

린델뢰프 공간(Lindelöf space): 위상 공간 $X$ 의 모든 열린 덮개가 가산 부분 덮개를 가질 때, $X$ 를 린델뢰프 공간이라고 한다.

제2가산 공리를 만족하는 공간은 항상 분리 가능하고 린델뢰프 공간이다. 하지만 그 역은 일반적으로 성립하지 않는다. 대표적인 반례로 하한 위상 공간 $R_{l}$ 이 있다. 이 공간은 분리 가능하고(유리수 집합 $Q$ 가 조밀하다) 린델뢰프이지만, 제2가산 공리는 만족하지 않는다.

거리화 가능 공간(metrizable space)에서는 제2가산, 분리 가능, 린델뢰프 성질이 모두 동치이다. 이는 해석학에서 매우 중요한 사실이다.

가산 공리들이 부분 공간(subspace)과 가산 곱(countable product) 연산에 대해 어떻게 유지되는지 설명하라.

가산 공리들은 부분 공간과 가산 곱이라는 두 가지 중요한 위상적 구성에 대해 잘 보존된다.

부분 공간(Subspace):

제1가산 공간의 부분 공간은 제1가산이다.

제2가산 공간의 부분 공간은 제2가산이다.

가산 곱(Countable Product):

제1가산 공간들의 가산 곱공간은 제1가산이다.

제2가산 공간들의 가산 곱공간은 제2가산이다.

가산 공리들의 비가산 곱(uncountable product)의 경우에는 어떻게 되는가? 예를 들어, 실수 공간 $R$ 의 비가산 곱공간 $R^{J}$ ( $J$ 는 비가산 집합)는 제1가산 공리를 만족하는가?

비가산 곱의 경우, 가산 공리는 보존되지 않는다.

곱위상의 기저 원소는 유한개의 좌표에만 제약을 가한다. 즉, 어떤 점 $x \in R^{J}$ 의 임의의 기저 근방은 $J$ 의 유한 부분집합 $K$ 에 대해서만 $x$ 의 좌표를 제한하고, 나머지 $J - K$ 의 좌표들은 $R$ 전체가 되도록 허용한다.

만약 $x$ 에서 가산 국소 기저 ${B_{n}}$ 이 존재한다고 가정하자. 각 기저 원소 $B_{n}$ 은 유한개의 좌표에만 제약을 가하므로, 모든 기저 원소 ${B_{n}}$ 들이 제약을 가하는 좌표들의 총합집합 역시 가산 집합이 된다. $J$ 는 비가산 집합이므로, 이 기저들 중 어떤 원소에 의해서도 제약받지 않는 좌표 $β \in J$ 가 존재한다.

이때, $x$ 의 근방이면서 $β$ 좌표에만 작은 구간의 제약을 가하는 열린집합 $U = π_{β}^{- 1} ((- 1, 1))$ 를 생각하면, 어떤 기저 원소 $B_{n}$ 도 $U$ 에 포함될 수 없다. 이는 ${B_{n}}$ 이 국소 기저라는 가정에 모순된다.

따라서 $R^{J}$ 는 제1가산 공간이 아니며, 당연히 제2가산 공간이나 거리화 가능 공간도 될 수 없다.

린델뢰프 성질과 분해 가능성은 임의의 부분 공간에 대해 항상 유전되는가?

아니다, 항상 유전되지는 않는다. 이 두 성질의 유전성은 더 미묘한 조건에 따라 달라진다.

린델뢰프 성질 (Lindelöf Property): 이 성질은 닫힌 부분 공간(closed subspace) 에 대해서는 유전되지만, 임의의 부분 공간에 대해서는 유전되지 않는다.

순서곱공간(ordered square) $I_{o}^{2} = [0, 1] \times [0, 1]$ 은 컴팩트 공간이므로 린델뢰프 공간이다. 하지만 그것의 부분 공간인 $A = [0, 1) \times [0, 1)$ 은 린델뢰프 공간이 아니다.

분해 가능성 (Separability): 이 성질은 임의의 부분 공간에 대해 유전되지 않으며, 심지어 닫힌 부분 공간에 대해서도 유전되지 않는다.

조르겐프라이 평면 $R_{l} \times R_{l}$ 은 $Q \times Q$ 를 가산 조밀 부분집합으로 갖는 분해 가능 공간이다. 하지만 이 공간의 부분 공간인 $L = {(x, - x) ∣ x \in R}$ 은 닫힌집합이며, $L$ 이 물려받는 위상은 이산 위상(discrete topology)이다. 비가산 집합에 이산 위상이 주어지면 분해 가능하지 않으므로, $L$ 은 분해 가능하지 않다.

최소 비가산 순서집합 $S_{Ω}$ 과 $\overline{S_{Ω}}$ 는 네 가지 가산성 관련 공리(제1가산, 제2가산, 린델뢰프, 분해 가능) 중 어떤 것을 만족하는가?

$S_{Ω}$ (또는 $[0, Ω)$ ): 최소 비가산 순서집합

$S_{Ω}$ 는 첫 번째 비가산 순서수(first uncountable ordinal) $Ω$ 보다 작은 모든 순서수들의 집합에 순서 위상(order topology)을 부여한 공간이다.

제1가산 공리 (First-Countable): 만족한다. $S_{Ω}$ 의 모든 점 $α$ 는 가산 국소 기저(countable local basis)를 가진다. $α$ 가 극한 순서수(limit ordinal)인 경우, $α < Ω$ 이므로 $α$ 는 가산 순서수이다. 이는 $α$ 로 수렴하는 가산 순서수들의 증가 수열 ${β_{n}}$ 이 존재함을 의미하며, 집합족 ${(β_{n}, α] ∣ n \in Z_{+}}$ 이 $α$ 에서의 가산 국소 기저가 된다. 후행 순서수(successor ordinal)의 경우는 더욱 간단하다.

제2가산 공리 (Second-Countable): 만족하지 않는다. 모든 제2가산 공간은 린델뢰프 공간이어야 한다. $S_{Ω}$ 가 린델뢰프 공간이 아니므로, 제2가산 공간이 될 수 없다.

린델뢰프 성질 (Lindelöf): 만족하지 않는다. 열린 덮개 $A = {[0, α) ∣ α < Ω}$ 를 고려하자. 이 덮개의 어떤 가산 부분 덮개 ${[0, α_{n}) ∣ n \in Z_{+}}$ 를 선택하더라도, 가산 순서수들의 상한 $β = sup {α_{n}}$ 은 $Ω$ 보다 작다. 따라서 이 가산 부분 덮개는 $β$ 와 같은 원소를 덮지 못하므로, $S_{Ω}$ 는 린델뢰프 공간이 아니다.

분해 가능성 (Separable): 만족하지 않는다. $S_{Ω}$ 의 임의의 가산 부분집합 $D$ 를 생각하면, 가산 순서수들의 가산 집합의 상한(supremum)은 여전히 가산 순서수이다. 즉, $β = sup D$ 라 하면 $β < Ω$ 이다. 따라서 공집합이 아닌 열린집합 $(β, Ω)$ 는 $D$ 와 만나지 않으므로, $D$ 는 $S_{Ω}$ 에서 조밀(dense)할 수 없다.

$\overline{S_{Ω}}$ (또는 $[0, Ω]$ ): $S_{Ω}$ 의 컴팩트화

$\overline{S_{Ω}}$ 는 $S_{Ω}$ 에 최대 원소 $Ω$ 를 추가한 집합에 순서 위상을 부여한 공간이다.

제1가산 공리 (First-Countable): 만족하지 않는다. 점 $Ω$ 는 가산 국소 기저를 갖지 않는다. 만약 $Ω$ 에서 가산 국소 기저 ${U_{n}}$ 이 존재한다고 가정하면, 각 $U_{n}$ 은 $(α_{n}, Ω]$ 형태의 구간을 포함해야 한다. 이때 가산 순서수들의 집합 ${α_{n}}$ 의 상한 $β = sup {α_{n}}$ 은 $Ω$ 보다 작다. 그러면 $Ω$ 의 근방인 $(β, Ω]$ 는 어떤 $U_{n}$ 도 포함할 수 없어 모순이 발생한다.

제2가산 공리 (Second-Countable): 만족하지 않는다. 모든 제2가산 공간은 제1가산 공간이어야 한다. $\overline{S_{Ω}}$ 는 제1가산 공간이 아니므로, 제2가산 공간이 될 수 없다.

린델뢰프 성질 (Lindelöf): 만족한다. $\overline{S_{Ω}}$ 는 최소 상계 성질(least upper bound property)을 만족하는 순서 집합의 닫힌 구간이므로 컴팩트(compact) 공간 이다. 모든 컴팩트 공간은 린델뢰프 공간이므로, $\overline{S_{Ω}}$ 는 린델뢰프 공간이다.

분해 가능성 (Separable): 만족하지 않는다. $S_{Ω}$ 와 같은 이유로, $\overline{S_{Ω}}$ 의 임의의 가산 부분집합 $D$ 는 $Ω$ 를 포함할 수 없으며, 그 상한은 $Ω$ 보다 작다. 따라서 $D$ 의 폐포는 $Ω$ 를 포함하지 않으므로 조밀하지 않다.

| 구분 | 제제1가산 공리 | 제2가산 공리 | 린델뢰프 | 분해 가능성 | | :-: | :—: | :—: | :—: | :-: | | $S_{Ω}$ | O | X | X | X | | $\overline{S_{Ω}}$ | X | X | O | X |

분리성(separability)

위상수학의 주요 분리공리들(T1, 하우스도르프, 정규, 정칙)을 정의하고, 이들 사이의 함의 관계를 설명하라.

위상 공간에서 점 또는 집합을 얼마나 잘 분리할 수 있는지를 나타내는 조건들을 분리공리라 한다.

$T_{1}$ 공간: 서로 다른 임의의 두 점 $x, y$ 에 대해, $x$ 를 포함하고 $y$ 를 포함하지 않는 근방과, $y$ 를 포함하고 $x$ 를 포함하지 않는 근방이 각각 존재한다. 이는 한 점 집합(one-point set)이 닫힌집합이라는 조건과 동치이다.

하우스도르프(Hausdorff) 공간 ( $T_{2}$ ): 서로 다른 임의의 두 점 $x, y$ 에 대해, 서로소인(disjoint) 근방 $U$ 와 $V$ 가 각각 존재한다. 즉, $x \in U$ , $y \in V$ 이고 $U \cap V = \emptyset$ 이다.

정칙(Regular) 공간 ( $T_{3}$ ): 한 점 집합들이 닫혀 있고, 임의의 점 $x$ 와 그 점을 포함하지 않는 닫힌집합 $B$ 에 대해, 서로소인 열린집합 $U$ 와 $V$ 가 존재하여 각각 $x$ 와 $B$ 를 포함한다.

정규(Normal) 공간 ( $T_{4}$ ): 한 점 집합들이 닫혀 있고, 서로소인 임의의 두 닫힌집합 $A$ 와 $B$ 에 대해, 서로소인 열린집합 $U$ 와 $V$ 가 존재하여 각각 $A$ 와 $B$ 를 포함한다.

정칙(regular) 공간과 정규(normal) 공간의 성질을 근방(neighborhood)의 폐포(closure)를 이용하여 다르게 표현하라.

정칙 공간의 동치 조건: $T_{1}$ 공간 $X$ 가 정칙 공간일 필요충분조건은, 임의의 점 $x \in X$ 와 $x$ 의 임의의 근방 $U$ 에 대해, $x$ 의 또 다른 근방 $V$ 가 존재하여 $\overline{V} \subset U$ 를 만족하는 것이다. 이는 점 $x$ 와 그 근방 $U$ 사이에 “완충 지대” 역할을 하는 닫힌 근방 $\overline{V}$ 를 항상 찾을 수 있음을 의미한다.

정규 공간의 동치 조건: $T_{1}$ 공간 $X$ 가 정규 공간일 필요충분조건은, 임의의 닫힌집합 $A$ 와 $A$ 를 포함하는 임의의 열린집합 $U$ 에 대해, 또 다른 열린집합 $V$ 가 존재하여 $A \subset V$ 이고 $\overline{V} \subset U$ 를 만족하는 것이다. 이는 닫힌집합 $A$ 와 이를 포함하는 열린집합 $U$ 사이에 완충 역할을 하는 닫힌 근방 $\overline{V}$ 를 항상 찾을 수 있음을 의미한다.

어떤 공간이 정규(normal) 공간임을 보장하는 중요한 정리 세 가지를 제시하라.

가산 기저를 갖는 정칙 공간: 모든 가산 기저(countable basis)를 갖는 정칙 공간은 정규 공간이다. (Theorem 32.1)

거리화 가능 공간: 모든 거리화 가능 공간(metrizable space)은 정규 공간이다. (Theorem 32.2)

콤팩트 하우스도르프 공간: 모든 콤팩트 하우스도르프 공간(compact Hausdorff space)은 정규 공간이다. (Theorem 32.3)

우리손의 보조정리(Urysohn's Lemma)의 내용과 그 의의는 무엇인가? 이를 통해 정의되는 완전 정칙 공간(completely regular space)에 대해 설명하라.

위상 공간 $X$ 가 정규 공간일 필요충분조건은, $X$ 에 있는 서로소인 임의의 두 닫힌집합 $A, B$ 에 대하여, $A$ 에서는 $0$ 의 값을, $B$ 에서는 $1$ 의 값을 갖는 연속 함수 $f : X \to [0, 1]$ 가 존재하는 것이다. (Theorem 33.1)

이 보조정리는 위상적인 성질(서로소인 닫힌집합을 열린집합으로 분리)을 해석적인 성질(연속 함수로 분리)과 연결하는 강력한 도구이다. 이는 우리손 거리화 정리와 티체 확장 정리의 증명에 핵심적으로 사용된다.

$T_{1}$ 공간 $X$ 에서, 임의의 점 $x_{0}$ 와 그 점을 포함하지 않는 닫힌집합 $A$ 에 대해, $f (x_{0}) = 1$ 이고 $f (A) = {0}$ 인 연속 함수 $f : X \to [0, 1]$ 이 존재할 때 $X$ 를 완전 정칙 공간(Completely Regular Space) 이라 한다.

모든 정규 공간은 우리손의 보조정리에 의해 완전 정칙이고, 모든 완전 정칙 공간은 정칙이다. 즉, 완전 정칙은 정규와 정칙 사이의 중간 단계 분리공리이다. ( $T_{4} ⟹ T_{3 \frac{1}{2}} ⟹ T_{3}$ )

분리공리들은 부분 공간(subspace)과 곱공간(product space) 연산에 대해 어떻게 유지되는가?

하우스도르프 공간과 정칙 공간: 이 두 공리는 부분 공간과 임의의 곱공간 연산에 대해 잘 보존된다. 즉, 하우스도르프(또는 정칙) 공간의 부분 공간은 하우스도르프(또는 정칙)이고, 하우스도르프(또는 정칙) 공간들의 곱공간 역시 하우스도르프(또는 정칙)이다. (Theorem 31.2)

정규 공간: 정규성은 위 두 공리만큼 잘 보존되지 않는다. 정규 공간의 닫힌 부분 공간은 정규이지만, 일반적인 부분 공간은 정규가 아닐 수 있다. 더 중요하게는, 두 정규 공간의 곱공간이 항상 정규인 것은 아니다. 예를 들어, 조르겐프라이 평면(Sorgenfrey plane) $R_{l} \times R_{l}$ 은 정규 공간 $R_{l}$ 의 곱이지만 정규 공간이 아니다. (Example 3 of §31)

완전 정칙 공간: 완전 정칙성은 정규성과 달리 부분 공간과 임의의 곱공간 연산에 대해 잘 보존된다. 이 성질은 완전 정칙 공간을 우리손의 보조정리를 통해 $[0, 1]^{J}$ 의 부분 공간으로 간주할 수 있다는 사실과 깊은 관련이 있다. (Theorem 33.2)

분리공리들 사이의 함의 관계, 즉 정규(Normal) $⟹$ 정칙(Regular) $⟹$ 하우스도르프(Hausdorff) $⟹$ $T_{1}$ 은 모두 엄격한 함의 관계이다. 각 역방향 함의가 성립하지 않음을 보이는 반례를 각각 제시하라.

각 역방향 함의가 성립하지 않음을 보이는 대표적인 반례는 다음과 같다.

$T_{1}$ 이지만 하우스도르프가 아닌 공간: 무한 집합 $R$ 에 여유한 위상(finite complement topology) 을 부여한 공간이다. 임의의 한 점 집합 ${x}$ 의 여집합은 열린집합이므로 ${x}$ 는 닫힌집합이 되어 $T_{1}$ 공리를 만족한다. 하지만 이 공간의 임의의 공집합이 아닌 두 열린집합은 항상 교집합이 공집합이 아니므로, 하우스도르프가 아니다.

하우스도르프이지만 정칙이 아닌 공간: 실수 집합 $R$ 에 K-위상(K-topology) 을 부여한 공간 $R_{K}$ 이다. 이 공간은 표준 위상보다 더 세밀하여 하우스도르프 공리를 만족한다. 하지만 닫힌집합인 $K = {1/ n ∣ n \in Z_{+}}$ 와 이 집합에 속하지 않는 점 $0$ 은 서로소인 열린 근방으로 분리될 수 없으므로 정칙 공간이 아니다.

정칙이지만 정규가 아닌 공간: 조르겐프라이 평면(Sorgenfrey plane) $R_{l} \times R_{l}$ 이다. 정칙 공간인 $R_{l}$ 의 곱공간이므로 정칙이다. 하지만 이 공간은 정규 공간이 아님이 알려져 있다. 이는 정규성이 곱 연산에 대해 보존되지 않는 대표적인 예시이다.

정칙(regular) 공간과 정규(normal) 공간의 정의에 ' $T_{1}$ 공간'이라는 조건이 포함되는 이유는 무엇인가? 만약 이 조건이 없다면 어떤 문제가 발생하는가?

정의에 $T_{1}$ 조건이 포함되는 이유는 분리공리들 사이의 자연스러운 함의 관계(Normal $⟹$ Regular $⟹$ Hausdorff $⟹ T_{1}$ )를 보장 하고, 지나치게 자명하거나 병적인 공간을 배제하기 위함이다.

만약 $T_{1}$ 조건을 제외하고 정규성의 정의를 “서로소인 두 닫힌집합은 서로소인 열린 근방을 갖는다”라고만 한다면, 원소가 둘 이상인 집합에 비이산 위상(indiscrete topology) 을 부여한 공간도 이 조건을 만족하게 된다.

비이산 위상 공간에서 닫힌집합은 $\emptyset$ 과 $X$ 뿐이다. 서로소인 두 닫힌집합 쌍은 $(\emptyset, X)$ 와 $(\emptyset, \emptyset)$ 뿐인데, 이 경우 분리 조건은 자명하게 만족된다. 따라서 이 공간은 $T_{1}$ 조건 없는 정규성의 정의를 만족한다.

하지만 이 공간은 두 점조차 분리하지 못하는, 가장 기본적인 분리 성질도 갖추지 못한 공간이다. $T_{1}$ 조건을 추가함으로써 이러한 자명한 경우를 배제하고, ‘정규’라는 용어가 ‘하우스도르프’나 ‘정칙’보다 더 강한 분리 성질을 갖는다는 직관적인 계층 구조를 유지할 수 있다.

거리공간화(metrization)

위상 공간이 거리화 가능(metrizable)하다는 것은 무엇을 의미하며, 거리화 가능 공간이 되기 위한 필요조건들은 무엇인가?

위상 공간 $(X, T)$ 가 거리화 가능(metrizable) 하다는 것은, $X$ 위에 주어진 위상 $T$ 를 유도하는 거리 함수 $d$ 가 존재하는 것을 의미한다. 즉, $d$ 에 의해 생성된 거리 위상(metric topology)이 기존의 위상 $T$ 와 일치할 때, $X$ 를 거리화 가능 공간이라고 한다.

모든 거리 공간은 정규(normal) 공간이며, 따라서 정칙(regular) 공간이자 하우스도르프(Hausdorff) 공간이다.

모든 거리 공간은 파라콤팩트(paracompact)하다. (A. H. Stone의 정리)

우리손의 거리화 정리(Urysohn Metrization Theorem)를 설명하고, 그 의의와 한계에 대해 논하라.

모든 정칙(regular) 공간 이 가산 기저(countable basis) 를 가지면, 그 공간은 거리화 가능하다. (Theorem 34.1)

이 정리는 순수하게 위상적인 성질(정칙성, 제2가산성)만으로 거리 함수의 존재를 보장할 수 있음을 보여준다는 점에서 매우 중요하다. 증명 과정에서는 주어진 공간을 거리 공간인 $R^{ω}$ 에 위상동형으로 매장(imbedding)하는 강력한 기법을 사용한다.

우리손의 정리는 충분조건이지만 필요조건은 아니다. 즉, 거리화 가능 공간이 항상 가산 기저를 갖는 것은 아니다. 예를 들어, 비가산 이산 공간(uncountable discrete space)은 거리화 가능하지만 제2가산 공리를 만족하지 않는다. 따라서 이 정리는 거리화 가능 공간을 완전히 특징짓지는 못한다.

나가타-스미르노프 거리화 정리(Nagata-Smirnov Metrization Theorem)를 설명하고, 이것이 우리손의 정리보다 어떻게 더 강력한 결과인지 설명하라.

나가타-스미르노프 거리화 정리 는 거리화 가능성에 대한 필요충분조건을 제시하여, 거리화 문제를 완벽하게 해결한 정리이다.

위상 공간 $X$ 가 거리화 가능하기 위한 필요충분조건은 $X$ 가 정칙(regular) 공간 이고 가산 국소 유한 기저(countably locally finite basis) 를 갖는 것이다. (Theorem 40.3)

여기서 기저 $B$ 가 가산 국소 유한 이라는 것은, $B = ⋃_{n \in Z_{+}} B_{n}$ 과 같이 가산 개의 집합족들의 합집합으로 표현될 수 있으며, 각 $B_{n}$ 은 국소 유한(locally finite) 집합족이라는 의미이다.

이 정리는 우리손의 정리보다 더 강력한 결과이다. 왜냐하면, 가산 기저를 갖는다는 조건은 가산 국소 유한 기저를 갖는다는 조건의 특수한 경우에 해당하기 때문이다. 모든 가산 기저 $B = {B_{n}}_{n \in Z_{+}}$ 는 각 $B_{n} = {B_{n}}$ 을 국소 유한 집합족으로 간주하여 $B = ⋃ B_{n}$ 으로 표현할 수 있으므로 가산 국소 유한이다. 따라서 우리손의 정리는 나가타-스미르노프 정리의 자연스러운 따름정리가 된다. 나가타-스미르노프 정리는 가산 기저를 갖지 않는 거리 공간까지 포괄할 수 있으므로 거리화 가능성을 완벽하게 특징짓는다.

스미르노프 거리화 정리(Smirnov Metrization Theorem)를 설명하고, 여기서 사용되는 파라콤팩트(paracompact)의 개념을 정의하라.

위상 공간 $X$ 의 모든 열린 덮개 $A$ 에 대해, $A$ 의 세분(refinement)이 되는 국소 유한(locally finite) 열린 덮개 $B$ 가 존재할 때, $X$ 를 파라콤팩트 공간 이라고 한다.

위상 공간 $X$ 가 거리화 가능하기 위한 필요충분조건은 $X$ 가 파라콤팩트 하우스도르프 공간 이고 국소적으로 거리화 가능한(locally metrizable) 공간인 것이다. (Theorem 42.1)

여기서 공간이 국소적으로 거리화 가능 하다는 것은 모든 점이 거리화 가능한 근방을 갖는다는 의미이다. 이 정리는 미분기하학에서 다루는 다양체(manifold)와 같이 국소적으로 유클리드 공간의 성질을 갖는 공간들의 거리화 가능성을 판정하는 데 특히 유용하다.

우리손 거리화 정리의 증명은 주어진 공간을 특정 거리 공간에 '매장(imbedding)'하는 방식으로 이루어진다. 이 증명의 핵심 아이디어를 설명하라.

우리손 거리화 정리 증명의 핵심 아이디어는, 주어진 정칙 제2가산 공간 $X$ 와 위상동형인 알려진 거리 공간의 부분 공간 을 찾아내는 것입니다. 즉, $X$ 를 거리 공간 $R^{ω}$ 에 매장(imbedding)함으로써 $X$ 가 거리화 가능함을 증명합니다.

분리 함수족 구성: $X$ 가 정칙 공간이고 가산 기저를 갖는다는 성질을 이용하여, ‘점과 닫힌집합을 분리하는’ 가산개의 연속 함수족 ${f_{n} : X \to [0, 1]}$ 을 구성한다. 여기서 함수족이 점과 닫힌집합을 분리한다는 것은, 임의의 점 $x_{0}$ 와 그 근방 $U$ 에 대해, $f_{n} (x_{0}) > 0$ 이고 $X - U$ 에서는 $f_{n}$ 의 함수값이 $0$ 이 되는 함수 $f_{n}$ 이 존재한다는 의미이다. 이 함수들을 구성할 때 우리손의 보조정리 가 핵심적으로 사용된다.

매장 함수 정의: 이 가산개의 함수들을 좌표 함수로 사용하여, 함수 $F : X \to R^{ω}$ 를 다음과 같이 정의한다. $F (x) = (f_{1} (x), f_{2} (x), f_{3} (x), \dots)$

위상동형사상임 증명:

$F$ 는 각 좌표 함수 $f_{n}$ 이 연속이므로, 곱위상이 주어진 $R^{ω}$ 로 가는 연속 함수이다.

함수족 ${f_{n}}$ 이 점들을 분리하므로 $F$ 는 단사 함수(injective)이다.

함수족 ${f_{n}}$ 이 점과 닫힌집합을 분리하는 성질을 이용하여, $F$ 가 $X$ 와 자신의 상 $F (X)$ 사이의 열린 사상(open map)임을 보인다.

결론적으로, $F$ 는 $X$ 와 거리화 가능 공간 $R^{ω}$ 의 부분 공간 $F (X)$ 사이의 위상동형사상이 되므로, $X$ 는 거리화 가능 공간이다.

모든 거리 공간이 파라콤팩트임을 보이는 A. H. Stone 정리의 증명 과정에는 '세분(refinement) 만들기'라는 중요한 기법이 사용된다. 이 증명의 핵심 아이디어를 설명하라.

이 증명의 핵심 아이디어는, 거리 공간이라는 특성을 이용하여 주어진 임의의 열린 덮개 $A$ 에 대해, 각 자연수 $n$ 마다 특별한 성질을 갖는 열린 세분 $E_{n}$ 을 구성하고, 이들을 모두 합집합하여 최종적으로 국소 유한 세분을 만드는 것입니다.

구성 과정의 아이디어:

집합 “축소” (Shrinking): 먼저, 각 자연수 $n$ 과 덮개 원소 $U \in A$ 에 대해, $U$ 의 “안쪽”에 있는 닫힌집합 $S_{n} (U) = {x ∣ B (x, 1/ n) \subset U}$ 를 정의한다. 이는 $U$ 의 경계로부터 $1/ n$ 만큼 안으로 들어온 집합이다.

집합 “분리” (Separating): $S_{n} (U)$ 들을 서로 겹치지 않게 만들기 위해, 덮개 $A$ 에 임의의 순서를 부여하고 $T_{n} (U) = S_{n} (U) ∖ ⋃_{V < U} V$ 와 같이 정의한다. 이렇게 하면 $T_{n} (U)$ 들은 서로 충분히 떨어져 있게 된다.

집합 “팽창” (Fattening): 분리된 집합 $T_{n} (U)$ 들은 열린집합이 아니므로, 다시 이들을 약간 “팽창”시켜 열린집합 $E_{n} (U) = B (T_{n} (U), 1/3 n)$ (반지름 $1/3 n$ 인 근방)을 만든다. 이렇게 만들어진 집합들의 모임 $E_{n}$ 은 국소 유한 성질을 갖는다.

전체 합집합: 마지막으로, 모든 자연수 $n$ 에 대해 만든 집합족 $E_{n}$ 들을 모두 합친 $E = ⋃_{n = 1}^{\infty} E_{n}$ 을 생각한다. 이 집합족 $E$ 는 원래 덮개 $A$ 의 세분이면서, 가산 국소 유한 덮개가 된다.

거리 공간은 정칙 공간이므로, 가산 국소 유한 열린 세분을 갖는다는 사실로부터 파라콤팩트임이 증명된다. 이 증명은 거리 구조를 이용해 위상적 성질을 이끌어내는 정교한 방법론을 보여준다.

나가타-스미르노프 정리 외에, '빙의 거리화 정리(Bing Metrization Theorem)'는 거리화 가능성에 대한 또 다른 필요충분조건을 제시한다. 이 정리의 내용을 서술하라.

빙의 거리화 정리: 위상 공간 $X$ 가 거리화 가능하기 위한 필요충분조건은 $X$ 가 정칙(regular) 공간 이고 가산 국소 이산 기저(countably locally discrete basis) 를 갖는 것이다.

용어 설명:

국소 이산(Locally Discrete) 집합족: 집합족 $A$ 가 국소 이산이라는 것은, 모든 점 $x \in X$ 에 대해, $x$ 의 어떤 근방 $U$ 가 $A$ 의 원소와는 많아야 하나 만 만나는 것을 의미한다. 이는 국소 유한(많아야 유한 개)보다 더 강한 조건이다.

가산 국소 이산(Countably Locally Discrete) 기저: 기저 $B$ 가 가산개의 국소 이산 집합족들의 합집합으로 표현될 수 있다는 의미이다.

이 정리는 나가타-스미르노프 정리와 동치인 조건으로, 거리화 가능성을 규명하는 또 다른 중요한 관점을 제공한다. 이는 기저가 얼마나 “잘 분리되어” 있는지가 거리화 가능성과 깊은 관련이 있음을 보여준다.

국소적 옹골성(local compactness)

국소 컴팩트 공간(locally compact space)을 정의하고, 컴팩트 공간과의 관계를 설명하라.

공간 $X$ 가 점 $x$ 에서 국소 컴팩트(locally compact at $x$ ) 라 함은, $x$ 의 근방을 포함하는 $X$ 의 컴팩트 부분공간 $C$ 가 존재하는 것을 의미한다. 만약 $X$ 가 모든 점 $x \in X$ 에서 국소 컴팩트이면, 공간 $X$ 를 국소 컴팩트 공간 이라고 한다.

모든 컴팩트 공간은 자명하게 국소 컴팩트 공간이다. 그러나 그 역은 성립하지 않는다. 예를 들어, 실수 공간 $R$ 은 국소 컴팩트이지만 컴팩트가 아니다. 점 $x \in R$ 는 개구간 $(a, b)$ 에 포함되고, 이 구간은 다시 컴팩트 부분공간인 폐구간 $[a, b]$ 에 포함되기 때문이다.

한 점 컴팩트화(one-point compactification)에 대해 설명하라.

공간 $X$ 가 국소 컴팩트 하우스도르프 공간일 필요충분조건은 다음 세 조건을 만족하는 공간 $Y$ 가 존재하는 것이다.

$X$ 는 $Y$ 의 부분공간이다.

차집합 $Y - X$ 는 한 점으로 이루어진다.

$Y$ 는 컴팩트 하우스도르프 공간이다.

이러한 공간 $Y$ 를 $X$ 의 한 점 컴팩트화 라고 하며, 이는 동형사상을 제외하고 유일하게 결정된다.

이 정리는 국소 컴팩트 하우스도르프 공간이 컴팩트 하우스도르프 공간에 단 하나의 점을 추가하여 만들어질 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 실수 공간 $R$ 의 한 점 컴팩트화는 원 $S^{1}$ 과 동형이고, 평면 $R^{2}$ 의 한 점 컴팩트화는 구면 $S^{2}$ 와 동형이다.

하우스도르프 공간 $X$ 가 국소 컴팩트일 필요충분조건을 근방(neighborhood)의 관점에서 설명하라.

하우스도르프 공간 $X$ 가 국소 컴팩트 공간일 필요충분조건은, $X$ 의 임의의 점 $x$ 와 $x$ 의 임의의 근방 $U$ 에 대하여, $x$ 의 근방 $V$ 가 존재하여 $V$ 의 폐포 $\overline{V}$ 가 컴팩트이고 $\overline{V} \subset U$ 를 만족하는 것이다.

이 조건은 점 $x$ 가 ‘임의로 작은’ 컴팩트 근방들을 가진다는 것을 의미한다. 단순히 컴팩트 부분공간이 $x$ 의 근방을 포함하는 것보다 더 강력하고 국소적인 조건이며, 하우스도르프 공간에서는 원래의 정의와 동치가 된다.

국소 컴팩트 공간의 예시와 그렇지 않은 공간의 예시를 각각 들고 그 이유를 설명하라.

국소 컴팩트 공간의 예시 :

유클리드 공간 $R^{n}$ : 임의의 점 $x \in R^{n}$ 은 기저 원소인 열린 직사각형 $(a_{1}, b_{1}) \times \dots \times (a_{n}, b_{n})$ 에 포함된다. 이 열린 직사각형은 다시 컴팩트 부분공간인 닫힌 직사각형 $[a_{1}, b_{1}] \times \dots \times [a_{n}, b_{n}]$ 에 포함되므로 $R^{n}$ 은 국소 컴팩트이다.

컴팩트 공간 : 모든 컴팩트 공간은 정의에 의해 자명하게 국소 컴팩트이다.

국소 컴팩트가 아닌 공간의 예시 :

유리수 공간 $Q$ : $Q$ 의 부분공간으로서 컴팩트인 것은 유한 집합뿐이다. 그러나 $Q$ 의 공집합이 아닌 열린 집합은 모두 무한 집합이므로, 어떠한 점의 근방도 컴팩트 부분공간에 포함될 수 없다. 따라서 $Q$ 는 국소 컴팩트가 아니다.

곱공간 $R^{ω}$ : $R^{ω}$ 의 임의의 기저 원소는 $B = (a_{1}, b_{1}) \times \dots \times (a_{n}, b_{n}) \times R \times \dots$ 형태이다. 만약 $B$ 가 컴팩트 부분공간 $C$ 에 포함된다면, $B$ 의 폐포인 $\overline{B} = [a_{1}, b_{1}] \times \dots \times [a_{n}, b_{n}] \times R \times \dots$ 또한 $C$ 에 포함되어 컴팩트여야 한다. 그러나 $\overline{B}$ 는 컴팩트가 아니므로 모순이다. 따라서 $R^{ω}$ 는 국소 컴팩트가 아니다.

국소 콤팩트 성질은 부분 공간이나 연속 사상에 대해 어떻게 유전되는가? 예를 들어, 국소 콤팩트 공간의 부분 공간은 항상 국소 콤팩트인가?

국소 콤팩트 성질은 항상 유전되지는 않으며 , 유전되기 위해서는 추가적인 조건이 필요하다.

부분 공간 (Subspace): 국소 콤팩트 공간의 임의의 부분 공간이 항상 국소 콤팩트인 것은 아니다.

반례: 실수 공간 $R$ 은 국소 콤팩트이지만, 그것의 부분 공간인 유리수 공간 $Q$ 는 국소 콤팩트가 아니다.

성립 조건: 국소 콤팩트 공간의 열린 부분 공간 과 닫힌 부분 공간 은 항상 국소 콤팩트이다.

연속 사상 (Continuous Map): 국소 콤팩트 공간의 연속 사상에 대한 상(image)이 항상 국소 콤팩트인 것도 아니다.

반례: 이산 위상이 주어진 정수 집합 $Z$ 는 국소 콤팩트이다. $R$ 위의 유리수 집합 $Q$ 로 가는 전단사 함수 $f : Z \to Q$ 는 연속이다(이산 위상 공간에서 나가는 모든 함수는 연속). 하지만 그 상인 $Q$ 는 국소 콤팩트가 아니다.

성립 조건: 만약 함수 $f : X \to Y$ 가 연속이면서 동시에 열린 사상(open map) 이라면, 국소 콤팩트 성질은 보존된다.

두 국소 콤팩트 공간의 곱공간도 항상 국소 콤팩트인가? 만약 아니라면, 곱공간이 국소 콤팩트가 되기 위한 필요충분조건은 무엇인가?

유한개의 국소 콤팩트 공간의 곱은 항상 국소 콤팩트이다. 하지만 무한 곱공간의 경우 항상 국소 콤팩트인 것은 아니다.

필요충분조건: 임의의 곱공간 $\prod_{α \in J} X_{α}$ 가 국소 콤팩트이기 위한 필요충분조건은 다음과 같다.

모든 좌표 공간 $X_{α}$ 는 국소 콤팩트이다.

유한개의 $α$ 를 제외한 모든 $X_{α}$ 는 반드시 콤팩트 공간이어야 한다.

설명: 두 번째 조건이 핵심이다. 곱위상의 기저 원소는 유한개의 좌표를 제외하고는 전체 공간 $X_{α}$ 가 된다. 만약 무한개의 $X_{α}$ 가 콤팩트가 아니라면, 이 기저 원소의 폐포(closure)가 콤팩트가 될 수 없기 때문에 국소 콤팩트 성질이 깨진다. 예를 들어, $R^{ω} = \prod_{n = 1}^{\infty} R$ 은 국소 콤팩트가 아니다. 각 좌표 공간 $R$ 은 국소 콤팩트이지만 콤팩트가 아니기 때문이다.

베르의 범주 정리(Baire Category Theorem)는 완비 거리 공간과 컴팩트 하우스도르프 공간이 베르 공간임을 보인다. 이 정리가 국소 콤팩트 하우스도르프 공간으로 확장될 수 있는가?

확장될 수 있다. 모든 국소 콤팩트 하우스도르프 공간은 베르 공간(Baire space)이다.

베르 공간임의 증명은 “비어있지 않은 열린 집합들의 가산 교집합이 조밀(dense)함”을 보이는 것과 동치이다.

$U_{1}, U_{2}, \dots$ 를 조밀한 열린 집합들의 가산열이라고 하자. 임의의 공집합이 아닌 열린집합 $W_{0}$ 에 대해, $⋂ U_{n}$ 이 $W_{0}$ 와 만남을 보이면 된다.

$W_{0} \cap U_{1}$ 은 비어있지 않은 열린집합이다. $X$ 가 국소 콤팩트 하우스도르프이므로, 우리는 폐포가 컴팩트이고 $W_{0} \cap U_{1}$ 에 포함되는 비어있지 않은 열린 근방 $W_{1}$ 을 찾을 수 있다. 즉, $\overline{W_{1}}$ 은 컴팩트이고 $\overline{W_{1}} \subset W_{0} \cap U_{1}$ 이다.

이 과정을 반복하면, 공집합이 아닌 컴팩트 집합들의 감소수열 $\overline{W_{1}} \supset \overline{W_{2}} \supset \overline{W_{3}} \supset \dots$ 를 얻을 수 있다.

컴팩트 공간의 성질에 의해, 이들의 교집합 $⋂ \overline{W_{n}}$ 은 공집합이 아니다.

이 교집합에 속하는 점은 모든 $U_{n}$ 과 $W_{0}$ 에 속하므로, $⋂ U_{n}$ 은 조밀하다.

이 증명은 국소 콤팩트 성질이 어떻게 공간을 국소적으로 ‘컴팩트 공간처럼’ 다룰 수 있게 하여 중요한 정리를 확장시키는지를 보여주는 좋은 예이다.

티체 확장정리(Tietze extension)

티체 확장정리(Tietze extension theorem)를 기술하라. 이 정리가 성립하기 위한 공간과 부분 공간의 핵심 가정은 무엇인가?

티체 확장정리 는 부분 공간에 정의된 연속 함수를 전체 공간으로 확장하는 문제에 대한 핵심적인 결과이다. 정리는 다음과 같이 두 부분으로 나뉜다.

정리 (Theorem 35.1): 위상 공간 $X$ 가 정규(normal) 공간 이고 $A$ 가 $X$ 의 닫힌(closed) 부분 공간 이라고 하자.

$A$ 에서 닫힌 구간 $[a, b]$ 로 가는 임의의 연속 함수 $f : A \to [a, b]$ 는, 전체 공간 $X$ 에서 $[a, b]$ 로 가는 연속 함수 $g : X \to [a, b]$ 로 확장될 수 있다.

$A$ 에서 실수 전체 집합 $R$ 로 가는 임의의 연속 함수 $f : A \to R$ 는, 전체 공간 $X$ 에서 $R$ 로 가는 연속 함수 $g : X \to R$ 로 확장될 수 있다.

여기서 “함수 $g$ 가 $f$ 를 확장한다”는 것은 $A$ 의 모든 점 $a$ 에 대해 $g (a) = f (a)$ 가 성립함을 의미한다.

이 정리가 성립하기 위한 핵심 가정은 전체 공간 $X$ 가 정규 공간 이라는 것과, 함수가 정의된 부분 공간 $A$ 가 닫힌집합 이라는 것이다. 이 두 조건 중 하나라도 빠지면 정리는 성립하지 않을 수 있다.

티체 확장정리의 증명 전략을 설명하라. 특히 유계 함수(bounded function)의 확장은 어떤 아이디어를 통해 이루어지는가?

티체 확장정리의 증명은 근사 함수를 연속적으로 만들어나가는 방법을 사용한다. 함수 $f : A \to [- 1, 1]$ 를 확장하는 과정을 예로 들면 다음과 같다.

첫 번째 근사: 먼저 우리손의 보조정리(Urysohn’s Lemma)를 이용해, 원래 함수 $f$ 를 $A$ 위에서 근사하는 함수 $g_{1} : X \to [- \frac{1}{3}, \frac{1}{3}]$ 를 구성한다. 이 $g_{1}$ 은 모든 $a \in A$ 에 대해 $∣ f (a) - g_{1} (a) ∣ \leq \frac{2}{3}$ 를 만족하도록 만들어진다.

오차항의 반복적 근사: 그 다음, 남은 오차를 나타내는 함수 $f - g_{1}$ 를 고려한다. 이 함수의 치역은 $[- \frac{2}{3}, \frac{2}{3}]$ 로 줄어들었다. 이 새로운 함수에 대해 1단계 과정을 반복하여 두 번째 근사 함수 $g_{2} : X \to [- \frac{1}{3} (\frac{2}{3}), \frac{1}{3} (\frac{2}{3})]$ 를 찾는다.

급수 구성: 이 과정을 무한히 반복하여 함수열 $(g_{n})$ 을 얻는다. 확장된 함수 $g : X \to R$ 는 이 함수들의 무한급수 $g (x) = \sum_{n = 1}^{\infty} g_{n} (x)$ 로 정의된다.

균등 수렴과 연속성: 이 급수는 바이어슈트라스 M-판정법(Weierstrass M-test)에 의해 $X$ 전체에서 균등 수렴(uniformly convergent)한다. 따라서 극한 함수 $g$ 는 연속 함수가 된다. 또한, $A$ 위에서는 이 급수의 합이 원래 함수 $f$ 와 같아지므로, $g$ 는 $f$ 의 연속적인 확장이 된다.

티체 확장정리가 정규 공간(normal space)의 정의 및 우리손의 보조정리(Urysohn's Lemma)와 어떤 관계를 맺고 있는가?

티체 확장정리는 정규 공간의 본질적인 특성을 나타내는 정리.

티체 확장정리의 증명은 각 근사 단계를 구성할 때마다 우리손의 보조정리 를 핵심적인 도구로 사용한다. 서로소인 두 닫힌집합(예: $f^{- 1} ([- 1, - 1/3])$ 과 $f^{- 1} ([1/3, 1])$ )을 연속 함수로 분리하는 과정이 바로 우리손의 보조정리를 적용하는 것이다.

티체 확장정리는 정규 공간의 강력한 결과일 뿐만 아니라, 역으로 우리손의 보조정리를 함의한다. 우리손의 보조정리는 정규성의 필요충분조건이므로, 결국 $T_{1}$ 공간에 대해 티체 확장정리(특히 $[0, 1]$ 로의 함수 확장)가 성립한다는 것은 그 공간이 정규 공간이라는 것과 동치 이다.

따라서, 티체 확장정리는 ‘닫힌 부분 공간에서 정의된 실가 연속 함수를 항상 전체 공간으로 확장할 수 있는 능력’이 정규 공간을 특징짓는 핵심 성질임을 보여준다.

티체 확장정리에서, 유계 함수(bounded function)의 확장을 통해 어떻게 비유계 함수(unbounded function), 즉 $R$ 로의 함수 확장까지 증명할 수 있는가?

먼저, 실수 전체 집합 $R$ 은 열린 구간 $(- 1, 1)$ 과 위상동형이라는 사실을 이용한다. 따라서 $f : A \to R$ 을 확장하는 문제 대신, 위상동형사상을 통해 얻어진 함수 $f^{'} : A \to (- 1, 1)$ 을 확장하는 문제로 바꾼다.

정리의 첫 부분(유계 함수의 확장)을 이용하여 $f^{'}$ 를 $X$ 전체에서 닫힌 구간 $[- 1, 1]$ 로 가는 연속 함수 $g : X \to [- 1, 1]$ 로 확장한다.

이 함수 $g$ 의 문제점은 $X ∖ A$ 의 점에서 $- 1$ 또는 $1$ 의 값을 가질 수 있다는 것이다. 이 점들을 피하기 위해, 우리손의 보조정리를 한 번 더 사용한다. $g$ 가 $\pm 1$ 의 값을 갖는 점들의 집합 $D = g^{- 1} ({- 1, 1})$ 는 닫힌집합이고 $A$ 와 서로소이다. 따라서 $ϕ (A) = {1}$ 이고 $ϕ (D) = {0}$ 인 연속 함수 $ϕ : X \to [0, 1]$ 를 찾을 수 있다.

최종적인 확장 함수 $h : X \to (- 1, 1)$ 를 $h (x) = ϕ (x) g (x)$ 로 정의한다. 이 함수 $h$ 는 $A$ 위에서는 $f^{'}$ 와 일치하고( $ϕ (a) = 1$ 이므로), $D$ 위에서는 $0$ 이 된다. $X ∖ (A \cup D)$ 에서는 $∣ g (x) ∣ < 1$ 이므로 $∣ h (x) ∣ < 1$ 이 성립한다. 따라서 $h$ 의 치역은 $(- 1, 1)$ 에 포함된다. 이 함수에 다시 위상동형사상을 적용하여 $R$ 로 가는 최종 확장 함수를 얻는다.

티체 확장정리가 성립하기 위해 '정규 공간'과 '닫힌 부분 공간'이라는 가정이 왜 필수적인지, 각각의 가정이 없을 때 정리가 성립하지 않는 반례를 들어 설명하라.

두 가정은 정리가 성립하기 위한 필수 조건 이다. 둘 중 하나라도 만족되지 않으면 함수 확장이 불가능한 반례가 존재한다.

‘정규 공간’ 가정이 없는 경우: 정규 공간이 아닌 정칙 공간에서는, 서로소인 닫힌집합 $A, B$ 이지만 열린집합으로 분리할 수 없는 경우가 존재한다. 이 두 집합의 합집합 $A \cup B$ 는 닫힌 부분 공간이다.

이 위에서 함수 $f : A \cup B \to [0, 1]$ 을 $f (A) = {0}$ 이고 $f (B) = {1}$ 로 정의하자. 이 함수는 $A \cup B$ 위에서 연속이다. 만약 이 함수를 전체 공간 $X$ 로 확장한 연속 함수 $g : X \to [0, 1]$ 가 존재한다면, $U = g^{- 1} ([0, 1/2))$ 와 $V = g^{- 1} ((1/2, 1])$ 는 서로소인 열린집합으로 $A$ 와 $B$ 를 분리하게 된다. 이는 $A, B$ 가 열린집합으로 분리될 수 없다는 사실에 모순된다. 따라서 함수 확장은 불가능하다.

‘닫힌 부분 공간’ 가정이 없는 경우: 전체 공간 $X = R$ (정규 공간)이고, 부분 공간 $A = (0, 1]$ (닫힌집합 아님)을 생각하자.

함수 $f : A \to R$ 를 $f (x) = sin (1/ x)$ 로 정의하자. 이 함수는 $A$ 위에서 연속이며 유계이다. 하지만 이 함수는 $X = R$ 전체로 연속적으로 확장될 수 없다. 왜냐하면 $x$ 가 $0$ 으로 다가갈 때 $f (x)$ 의 극한값이 존재하지 않으므로, $A$ 의 폐포(closure)인 $[0, 1]$ 위에서조차 연속이 될 수 없기 때문이다. 따라서 전체 공간으로의 연속적인 확장은 불가능하다.

후퇴(retract)의 개념을 정의하고, 티체 확장정리와 어떤 관계가 있는지 설명하라.

위상 공간 $X$ 의 부분 공간 $A$ 에 대하여, 만약 $A$ 의 모든 점을 고정시키는 연속 함수 $r : X \to A$ (즉, 모든 $a \in A$ 에 대해 $r (a) = a$ )가 존재하면, $A$ 를 $X$ 의 후퇴 라고 하고 $r$ 을 후퇴 사상(retraction) 이라고 한다.

후퇴 문제는 항등 함수(identity map)의 확장 문제 로 볼 수 있다. 즉, “부분 공간 $A$ 가 $X$ 의 후퇴인가?”라는 질문은 “항등 함수 $i d_{A} : A \to A$ 를 전체 공간 $X$ 에서 $A$ 로 가는 연속 함수 $r : X \to A$ 로 확장할 수 있는가?”라는 질문과 같다.

티체 확장정리는 공역(codomain)이 $[a, b]$ 나 $R$ 과 같이 아주 좋은 성질을 갖는 공간일 때의 확장 가능성을 보장한다. 반면, 후퇴 문제는 공역이 부분 공간 $A$ 자신이므로, $A$ 의 위상적 구조에 따라 확장 가능 여부가 결정된다.

예를 들어, 티체 확장정리는 $f : S^{1} \to R$ 의 확장을 보장하지만, $i d : S^{1} \to S^{1}$ 을 $B^{2}$ 에서 $S^{1}$ 으로 확장하는 후퇴 사상 $r : B^{2} \to S^{1}$ 은 존재하지 않음을 보일 수 있다.

티체 확장정리에 의해 보장되는 확장 함수는 유일한가? 유일성이 보장되는 경우와 그렇지 않은 경우에 대해 설명하라.

일반적으로 확장 함수는 유일하지 않다.

예를 들어, $X = [- 1, 1]$ (정규 공간)이고 $A = {- 1, 1}$ (닫힌 부분 공간)이라 하자. 함수 $f : A \to R$ 를 $f (- 1) = 0$ , $f (1) = 0$ 으로 정의하자.

$g_{1} (x) = 0$ 은 $f$ 의 한 가지 연속적인 확장이다.

$g_{2} (x) = 1 - x^{2}$ 또한 $f$ 의 또 다른 연속적인 확장이다.

이 외에도 무한히 많은 확장이 가능하다.

함수 확장의 유일성은 “확장이 이루어지는 정의역의 조밀성(denseness)“과 관련이 있다. 만약 함수가 정의된 부분 공간 $A$ 가 전체 공간 $X$ 에서 조밀하다면( $\overline{A} = X$ ) , 그리고 공역이 하우스도르프 공간 이라면, 연속적인 확장은 존재할 경우 유일하다.

티체 확장정리는 닫힌 부분 공간 $A$ 로부터의 확장을 다루고, $A$ 가 $X$ 에서 조밀하지 않은 경우가 일반적이므로( $\overline{A} = A \neq = X$ ), 유일성은 보장되지 않는다.

완비 거리 공간(complete metric space)

함수 공간 $C (X, Y)$ 는 언제 완비 거리 공간이 되는가? 이때 사용되는 거리(metric)는 무엇인가?

위상 공간 $X$ 와 거리 공간 $(Y, d)$ 가 주어졌을 때, 함수 공간 $C (X, Y)$ 는 공역(codomain) $Y$ 가 완비 거리 공간일 때 완비가 된다.

이때 $C (X, Y)$ 에 주어지는 거리는 균등 거리(uniform metric) $\overset{ρ}{ˉ}$ 이다. 두 함수 $f, g \in C (X, Y)$ 에 대하여 균등 거리는 $\overset{ρ}{ˉ} (f, g) = sup {\overset{ˉ}{d} (f (x), g (x)) ∣ x \in X}$ 와 같이 정의된다.

여기서 $\overset{ˉ}{d} (a, b) = min {d (a, b), 1}$ 는 $Y$ 의 표준 유계 거리(standard bounded metric)이다.

이 정리는 균등 수렴(uniform convergence)의 개념과 밀접한 관련이 있다. $Y$ 가 완비이면, 연속 함수열이 균등 코시 수열(uniformly Cauchy)일 경우 그 극한 함수 또한 연속 함수가 됨을 보장한다 (균등 극한 정리, Theorem 21.6).

모든 거리 공간은 완비화(completion)를 갖는가? 완비화의 의미에 대해 설명하라.

그렇다. 모든 거리 공간 $(X, d)$ 는 완비화를 갖는다.

** 완비화** 란, 주어진 거리 공간 $X$ 를 완비 거리 공간 $Y$ 에 등거리 매장(isometric imbedding) $h : X \to Y$ 시켰을 때, $h (X)$ 의 폐포(closure) $\overline{h (X)}$ 를 의미한다.

더 구체적으로, 완비화는 다음 두 가지 중요한 성질을 만족한다.

원래 공간 $X$ 를 조밀한(dense) 부분 공간으로 포함하는 완비 거리 공간이다.

이러한 완비 거리 공간은 등거리 동형(isometry)을 제외하고 유일하게 결정된다.

예를 들어, 유리수의 집합 $Q$ 의 완비화는 실수의 집합 $R$ 이다. 이는 $Q$ 에 속하지 않는 코시 수열의 극한값들(무리수)을 “채워 넣어” 완비 공간을 만드는 과정으로 이해할 수 있다.

베르의 범주 정리(Baire Category Theorem)를 서술하고, 이 정리가 '완비 거리 공간은 위상적으로 매우 크다'는 직관을 어떻게 형식화하는지 설명하라.

완비 거리 공간 은 베르 공간(Baire space)이다. 즉, 완비 거리 공간 $X$ 와, 각각이 닫힌집합이고 내부가 공집합인 가산개의 부분집합들 ${A_{n}}$ 이 주어졌을 때, 그 합집합 $⋃ A_{n}$ 또한 내부가 공집합이다.

이 정리는 완비 거리 공간이 위상적으로 “아주 작거나 얇은” 닫힌집합들의 가산 합집합으로 표현될 수 없다는 것을 의미한다. 여기서 ‘내부가 공집합인 닫힌집합’이란 경계선이나 유한개의 점들처럼 부피가 없는 대상을 위상적으로 일반화한 것이다.

예를 들어, 완비가 아닌 유리수 집합 $Q$ 는 각 점 ${q}$ 들을 $A_{n}$ 으로 생각하면 $Q = ⋃ A_{n}$ 과 같이 “얇은” 집합들의 가산 합집합으로 표현된다. 하지만 완비 공간인 실수 집합 $R$ 은 이러한 방식으로 표현될 수 없다.

따라서 베르의 범주 정리는 완비 거리 공간이 유리수 집합처럼 “구멍이 많거나 성긴” 공간이 아니라, 위상적으로 “꽉 차 있고 풍부한” 공간이라는 직관을 수학적으로 엄밀하게 표현한 것이다. 이는 함수해석학에서 균등 유계 원리(Uniform Boundedness Principle)나 열린 사상 정리(Open Mapping Theorem)와 같은 핵심 정리들을 증명하는 기반이 된다.

거리 공간에서 콤팩트성과 완비성(completeness)은 어떤 관계가 있는가? 완비 공간이 콤팩트가 되기 위해 필요한 추가 조건은 무엇인가?

거리 공간에서 콤팩트성은 완비성보다 더 강한 조건이다. 즉, 모든 콤팩트 거리 공간은 완비 거리 공간이지만, 그 역은 성립하지 않는다. 예를 들어, 실수 공간 $R$ 은 완비이지만 콤팩트는 아니다.

완비 거리 공간이 콤팩트가 되기 위해 필요한 추가 조건은 완전 유계(total boundedness) 이다.

정리: 거리 공간이 콤팩트일 필요충분조건은 그 공간이 완비 이고 완전 유계 인 것이다.

여기서 공간이 완전 유계 라는 것은, 임의의 양수 $ϵ > 0$ 에 대하여 그 공간을 유한개의 반지름 $ϵ$ 인 열린 공(ball)들로 덮을 수 있다는 의미이다.

완비성 은 코시 수열의 수렴, 즉 공간에 “구멍”이 없음을 보장한다.

완전 유계성 은 공간이 “유한에 가까운” 성질을 가짐을 보장한다. 즉, 아무리 작은 $ϵ$ 에 대해서도 공간을 유한개의 조각으로 나눌 수 있다는 의미이다.

이 두 가지 성질이 결합되어야 비로소 거리 공간의 콤팩트성이 보장된다.

축약 사상 원리(Contraction Mapping Principle)를 서술하고, 이 정리가 왜 공간의 '완비성'을 핵심적인 가정으로 요구하는지 설명하라.

완비 거리 공간 $(X, d)$ 위에서 정의된 축약 사상(contraction mapping) $f : X \to X$ 는 유일한 고정점(unique fixed point)을 갖는다.

여기서 함수 $f$ 가 축약 사상 이라는 것은, $d (f (x), f (y)) \leq α \cdot d (x, y)$ 를 만족하는 $1$ 보다 작은 상수 $α$ 가 존재하는 것을 의미한다.

이 정리의 증명 과정에서 완비성은 극한점의 존재를 보장 하는 결정적인 역할을 한다.

증명은 $X$ 의 임의의 점 $x_{0}$ 에서 시작하여, $x_{1} = f (x_{0}), x_{2} = f (x_{1}), \dots, x_{n + 1} = f (x_{n})$ 과 같이 점렬을 구성한다.

$f$ 가 축약 사상이라는 조건 때문에, 이 점렬 $(x_{n})$ 은 코시 수열(Cauchy sequence) 이 됨을 보일 수 있다.

이때 공간 $X$ 가 완비 라는 가정이 없다면, 이 코시 수열이 $X$ 안의 점으로 수렴한다고 보장할 수 없다.

완비성 가정 이 있기 때문에, 코시 수열 $(x_{n})$ 은 반드시 $X$ 안의 어떤 점 $p$ 로 수렴한다.

마지막으로, 함수 $f$ 의 연속성을 이용하여 이 극한점 $p$ 가 $f (p) = p$ 를 만족하는 유일한 고정점임을 증명한다.

따라서 완비성 가정이 없다면, 반복적으로 함수를 적용하여 만든 수열이 수렴하지 않고 공간의 “구멍”으로 빠져나갈 수 있어 고정점의 존재를 증명할 수 없게 된다.

위상적 완비성(topological completeness)을 정의하고, 일반적인 완비성과 어떻게 다른지 설명하라.

위상 공간 $X$ 가 위상적 완비 라는 것은, $X$ 의 위상과 일치하는 위상을 유도하는 어떤 완비 거리 함수 가 $X$ 위에 존재하는 것을 의미한다.

완비성 은 주어진 특정 거리 함수에 대한 성질이므로 거리적 성질(metric property) 이다.

위상적 완비성 은 주어진 위상을 만들어내는 완비 거리 함수가 ‘존재하는지’의 여부이므로 위상적 성질(topological property) 이다.

열린 구간 $(0, 1)$ 은 표준 거리 $d (x, y) = ∣ x - y ∣$ 아래에서는 완비가 아니다. 하지만 $(0, 1)$ 은 실수 전체 $R$ 과 위상동형이고, $R$ 은 완비 거리 공간이다. 따라서 $(0, 1)$ 위에는 그것의 표준 위상을 유도하는 어떤 다른 완비 거리 함수가 존재한다. (예를 들어, 위상동형사상을 통해 $R$ 의 거리를 가져올 수 있다.)

결론적으로, $(0, 1)$ 은 표준 거리에서는 완비가 아니지만, 위상적으로는 완비 인 공간이다. 이처럼 위상적 완비성은 특정 거리 함수에 얽매이지 않고 공간의 위상 구조 자체가 “완비화될 수 있는” 구조인지를 나타내는 더 본질적인 개념이다.

베어 카테고리(Baire category)

베어 공간(Baire space)의 정의는 무엇인가? 또한, 제1 카테고리(first category)와 제2 카테고리(second category)의 개념을 사용하여 베어 공간을 어떻게 다르게 정의할 수 있는가?

위상 공간 $X$ 가 주어졌을 때, 만약 $X$ 의 닫힌 부분집합들의 가산 모임 ${A_{n}}_{n \in Z_{+}}$ 에서 각 $A_{n}$ 의 내부(interior)가 공집합(empty set)이라면, 그들의 합집합 $⋃_{n = 1}^{\infty} A_{n}$ 의 내부도 공집합이 될 때, $X$ 를 베어 공간(Baire space) 이라 한다.

카테고리(category) 의 개념을 사용하여 이 정의를 재구성할 수 있다. 먼저, $X$ 의 부분집합 $A$ 가 $X$ 의 내부가 공집합인 닫힌 집합들의 가산 개의 합집합에 포함될 때, $A$ 를 $X$ 안의 제1 카테고리(first category) 집합이라고 한다. 제1 카테고리가 아닌 집합은 제2 카테고리(second category) 집합이라고 한다.

이 용어를 사용하면, 베어 공간은 ‘공집합이 아닌 모든 열린 부분집합이 제2 카테고리인 공간’으로 정의할 수 있다.

베어 공간의 정의를 조밀한 열린 집합(dense open set)을 사용하여 동치적으로 서술해 보자.

베어 공간은 조밀한 열린 집합의 개념을 사용하여 다음과 같이 동치적으로 정의할 수 있다. 위상 공간 $X$ 가 베어 공간인 것은, $X$ 의 조밀한(dense) 열린 부분집합들의 임의의 가산 모임 ${U_{n}}$ 에 대하여 그들의 교집합 $⋂_{n = 1}^{\infty} U_{n}$ 이 여전히 $X$ 에서 조밀한 것과 동치이다.

이는 닫힌 집합 $A$ 의 내부가 공집합이라는 조건이 그것의 여집합 $X - A$ 가 조밀하다는 것과 동치이기 때문이다.

위상수학에서 가장 중요한 정리 중 하나인 베어 카테고리 정리(Baire Category Theorem)를 서술하고, 그 의미를 설명해 보자.

** 베어 카테고리 정리(Baire Category Theorem):** 만약 $X$ 가 콤팩트 하우스도르프 공간(compact Hausdorff space) 이거나 완비 거리 공간(complete metric space) 이라면, $X$ 는 베어 공간이다.

이 정리는 이들 공간이 위상적으로 ‘크다’는 것을 의미한다. 즉, 이러한 공간들은 ‘작은’ 집합들, 구체적으로는 내부가 공집합인 닫힌 집합들의 가산개 합집합으로 표현될 수 없다는 것을 보장한다.

베어 공간의 대표적인 예시와 그렇지 않은 예시를 각각 들어보자.

베어 공간인 예시:

완비 거리 공간: 유클리드 공간 $R^{n}$ 이나 칸토어 집합(Cantor set)과 같은 완비 거리 공간은 베어 카테고리 정리에 의해 베어 공간이다.

콤팩트 하우스도르프 공간: 모든 콤팩트 하우스도르프 공간은 베어 카테고리 정리에 의해 베어 공간이다.

이산 공간: 양의 정수 집합 $Z_{+}$ 와 같이 이산 위상이 주어진 공간은 공집합이 아닌 부분집합 중 내부가 공집합인 것이 없으므로 자명하게 베어 공간이다.

베어 공간이 아닌 예시:

유리수 집합 $Q$ : 보통 위상이 주어진 유리수 집합 $Q$ 는 베어 공간이 아니다. 왜냐하면 $Q$ 는 한 점 집합(single-point set)들의 가산 합집합으로 표현될 수 있는데, $Q$ 에서 모든 한 점 집합은 닫힌 집합이며 내부가 공집합이기 때문이다.

베어 카테고리 정리는 해석학에서 어떻게 응용되는가? 연속 함수열의 점별 극한(pointwise limit)과 관련하여 설명해 보자.

베어 공간 $X$ 에서 완비 거리 공간 $(Y, d)$ 로 가는 연속 함수열 ${f_{n}}$ 이 함수 $f : X \to Y$ 로 점별 수렴(pointwise convergence)할 때, $f$ 가 연속이 되는 점들의 집합은 $X$ 에서 조밀하다는 것을 보일 수 있다.

극한 함수 $f$ 가 모든 점에서 불연속일 수는 없으며, ‘대부분의’ 점에서 연속성을 가짐을 의미한다. 이 증명은 함수 공간의 부분집합들을 특정하여 그것들이 내부가 공집합인 닫힌 집합들의 가산 합집합으로 $X$ 를 덮을 수 없음을 보이는 방식으로 진행되며, $X$ 가 베어 공간이라는 성질을 핵심적으로 사용한다.

위에서 연속이지만 모든 점에서 미분 불가능한 함수가 존재함을 어떻게 보일 수 있는지 그 증명의 개요를 설명하라.

이 증명은 함수 공간을 완비 거리 공간으로 보고, 그 안에서 ‘미분 가능한 점이 하나라도 있는 함수’들의 집합이 위상적으로 “매우 작은” 부분집합임을 보이는 방식으로 진행된다.

함수 공간 설정 : 구간 $[0, 1]$ 위의 연속 함수들의 집합 $C ([0, 1], R)$ 에 균등 거리(uniform metric)를 부여한다. 이 공간은 완비 거리 공간이므로 베어 공간이다.

“나쁜” 함수의 집합 정의 : 우리는 ‘모든 곳에서 심하게 뾰족한’ 함수들의 집합이 이 공간에서 조밀(dense)함을 보일 것이다. 각 자연수 $n$ 에 대해, $U_{n}$ 을 다음과 같이 더 정확하게 정의한다: $U_{n} = {f \in C ([0, 1]) ∣ \forall x \in [0, 1], some y \neq = x exists s.t. ∣ \frac{f ( y ) - f ( x )}{y - x} ∣ > n}$ 이는 “함수 $f$ 의 그래프 위의 모든 점 $x$ 근방에, 그 점과 잇는 평균변화율(secant slope) 의 절댓값이 $n$ 을 초과하는 점 $y$ 가 항상 존재한다”는 의미이다.

$U_{n}$ 의 성질 증명 :

각 $U_{n}$ 은 $C ([0, 1], R)$ 에서 열린집합 임을 보인다.

각 $U_{n}$ 은 $C ([0, 1], R)$ 에서 조밀한(dense) 집합 임을 보인다. 이 단계가 핵심이며, 임의의 연속 함수를 뾰족한 톱니 모양의折선 함수로 원하는 만큼 가깝게 근사할 수 있음을 보여 증명한다.

베르의 범주 정리 적용 : $C ([0, 1], R)$ 는 베어 공간이므로, 조밀한 열린집합들의 가산 교집합인 $⋂_{n = 1}^{\infty} U_{n}$ 또한 조밀하다. 특히, 이 교집합은 공집합이 아니다.

결론 : 교집합 $⋂ U_{n}$ 에 속하는 임의의 함수 $f$ 는 모든 $n$ 에 대해 $U_{n}$ 의 조건을 만족한다. 이는 $f$ 의 임의의 점 $x$ 에서 미분계수가 유한한 값으로 수렴할 수 없음을 의미하므로, $f$ 는 연속이지만 모든 점에서 미분 불가능한 함수 가 된다.

함수 해석학의 중요한 결과인 균등 유계 원리(Uniform Boundedness Principle)를 서술하고, 이 정리의 증명이 왜 완비 거리 공간의 베어 공간 성질에 의존하는지 설명하라.

제시된 정리는 베르 범주 정리의 중요한 응용이지만, 함수해석학의 표준적인 균등 유계 원리(UBP) 는 보통 바나흐 공간(Banach space) 과 연속 선형 사상(continuous linear operators) 에 대해 서술된다. 아래는 그것의 더 일반적인 형태 중 하나에 대한 설명이다.

완비 거리 공간 $X$ 와, $X$ 에서 $R$ 로 가는 연속 함수들의 모임 $F$ 가 있다고 하자. 만약 $F$ 가 점별 유계(pointwise bounded) 라면(즉, 각 점 $x \in X$ 에 대해 함수값들의 집합 ${f (x) ∣ f \in F}$ 가 유계라면), $X$ 의 공집합이 아닌 어떤 열린 부분집합 $U$ 가 존재하여 $F$ 가 이 위에서 균등 유계(uniformly bounded) 가 된다. (즉, 상수 $M$ 이 존재하여 모든 $x \in U$ 와 모든 $f \in F$ 에 대해 $∣ f (x) ∣ \leq M$ 이 성립한다.)

이 정리의 증명은 베르의 범주 정리를 본질적으로 사용한다.

각 자연수 $N$ 에 대해, 집합 $A_{N} = {x \in X ∣ \forall f \in F, ∣ f (x) ∣ \leq N}$ 을 정의한다.

$f$ 가 모두 연속이므로, 각 $A_{N}$ 은 닫힌집합 이다.

가정에서 $F$ 가 점별 유계이므로, $X$ 의 모든 점 $x$ 는 어떤 $A_{N}$ 에 속한다. 따라서 $X = ⋃_{N = 1}^{\infty} A_{N}$ 이다.

여기서 베르의 범주 정리 가 사용된다. $X$ 는 완비 거리 공간이므로 베어 공간이다. 따라서 $X$ 는 내부가 공집합인 닫힌집합들의 가산 합집합으로 표현될 수 없다.

그러므로, 닫힌집합들인 $A_{N}$ 중 적어도 하나, 가령 $A_{M}$ 은 내부가 공집합이 아니어야 한다.

$A_{M}$ 의 내부가 공집합이 아니라는 것은, $A_{M}$ 이 공집합이 아닌 어떤 열린집합 $U$ 를 포함한다는 의미이다. 이 열린집합 $U$ 위에서 모든 $f \in F$ 에 대해 $∣ f (x) ∣ \leq M$ 이 성립하므로, $F$ 는 $U$ 위에서 균등 유계가 된다.

베어 공간의 부분 공간은 항상 베어 공간인가? 그렇지 않다면 어떤 조건에서 베어 공간이 되는지 설명하고, 특히 $G_{δ}$ 집합과의 관계를 논하라.

베어 공간의 임의의 부분 공간이 항상 베어 공간인 것은 아니다. 예를 들어, 베어 공간인 $R$ 의 부분 공간인 유리수 집합 $Q$ 는 베어 공간이 아니다.

하지만, 부분 공간이 다음과 같은 특정 조건을 만족하면 베어 공간 성질이 유전된다.

열린 부분 공간: 베어 공간의 열린 부분 공간(open subspace) 은 항상 베어 공간이다.

$G_{δ}$ 집합: 완비 거리 공간이나 콤팩트 하우스도르프 공간의 부분 공간 중에서 $G_{δ}$ 집합 인 것은 항상 베어 공간이다. 여기서 $G_{δ}$ 집합이란 가산개의 열린집합들의 교집합 으로 표현될 수 있는 집합을 말한다.

이 $G_{δ}$ 집합에 대한 결과는 매우 중요하다. 이는 열린집합이 아닌 부분 공간도 베어 공간이 될 수 있음을 보여주기 때문이다. 대표적인 예로, 실수 집합 $R$ 안의 무리수 집합 을 들 수 있다. 무리수 집합은 $R$ 에서 열린집합이 아니지만, $R ∖ Q$ 로 표현되고 $Q$ 는 가산 집합이므로, 무리수 집합은 $G_{δ}$ 집합이다.

$R$ 은 완비 거리 공간이므로, 그것의 $G_{δ}$ 부분 공간인 무리수 집합은 그 자체로 베어 공간이 된다. 이는 유리수 집합과 달리 무리수 집합은 위상적으로 “매우 큰” 공간임을 시사한다.

호모토피(homotopy)와 호모토피 동치(homotopy equivalence)

호모토피(homotopy)와 경로 호모토피(path homotopy)를 정의하고 차이점을 설명하라.

호모토피 : 두 연속 함수 $f, g : X \to Y$ 에 대해, $F (x, 0) = f (x)$ 이고 $F (x, 1) = g (x)$ 를 만족하는 연속 함수 $F : X \times I \to Y$ (여기서 $I = [0, 1]$ )가 존재할 때, $f$ 와 $g$ 는 호모토픽(homotopic) 하다고 한다. $F$ 를 $f$ 와 $g$ 사이의 호모토피라고 부른다.

경로 호모토피 : 두 경로 $f, g : I \to X$ 가 같은 시작점 $x_{0}$ 와 같은 끝점 $x_{1}$ 을 가질 때, $f$ 와 $g$ 사이의 호모토피 $F : I \times I \to X$ 가 모든 $t \in I$ 에 대해 $F (0, t) = x_{0}$ 이고 $F (1, t) = x_{1}$ 을 만족하면, $F$ 를 경로 호모토피 라고 한다.

경로 호모토피는 일반적인 호모토피의 특별한 경우로, 변형이 일어나는 동안 경로의 양 끝점이 고정 되어 있어야 한다는 추가 조건이 붙는다.

호모토피는 한 함수를 다른 함수로 ‘연속적으로 변형’하는 과정을 수학적으로 형식화한 것이다. 시간 변수 $t$ 가 $0$ 에서 $1$ 로 흐름에 따라 함수 $f$ 가 함수 $g$ 로 부드럽게 바뀌는 것으로 생각할 수 있다.

호모토피 동치(homotopy equivalence)를 정의하고, 그 의미는 무엇인가?

두 위상공간 $X$ 와 $Y$ 에 대해, 연속 함수 $f : X \to Y$ 와 $g : Y \to X$ 가 존재하여 합성 함수 $g \circ f$ 가 $X$ 의 항등 함수 $i_{X}$ 와 호모토픽하고, $f \circ g$ 가 $Y$ 의 항등 함수 $i_{Y}$ 와 호모토픽할 때, $X$ 와 $Y$ 를 호모토피 동치 라 하고, 이들은 같은 호모토피 유형(homotopy type) 을 갖는다고 한다.

호모토피 동치는 위상동형(homeomorphism)보다 약한 개념의 동치 관계이다. 위상동형이 두 공간을 고무판처럼 늘리거나 줄여서 같은 모양으로 만들 수 있다는 의미라면, 호모토피 동치는 공간을 연속적으로 변형시켜 ‘뼈대’만 남기는 것과 같이 더 과감한 변형을 허용한다. 예를 들어, 원판 $B^{2}$ 는 한 점으로 연속적으로 축소시킬 수 있으므로 한 점과 호모토피 동치이다. 이처럼 한 점과 호모토피 동치인 공간을 축약 가능 공간(contractible space) 이라고 한다.

변형 수축(deformation retract)이란 무엇이며 호모토피 동치와 어떤 관계가 있는가?

$A$ 가 $X$ 의 부분공간일 때, $X$ 의 항등 함수가 $X$ 전체를 $A$ 안으로 보내는 함수와 호모토픽하고, 이 호모토피가 진행되는 동안 $A$ 의 점들은 고정되어 있다면, $A$ 를 $X$ 의 변형 수축 이라고 한다.

$A$ 가 $X$ 의 변형 수축이면, $A$ 와 $X$ 는 항상 호모토피 동치이다. 포함 사상 $j : A \to X$ 와 수축 사상 $r : X \to A$ 가 호모토피 동치를 정의하는 함수가 된다.

변형 수축은 호모토피 동치를 직관적으로 이해할 수 있는 중요한 예시이다. 예를 들어, 원 $S^{1}$ 은 구멍 뚫린 평면 $R^{2} - {0}$ 의 변형 수축이다. 따라서 두 공간은 호모토피 동치이며, 같은 호모토피 유형을 갖는다.

호모토피 동치인 두 공간의 기본군(fundamental group)은 어떤 관계가 있는가?

두 위상공간 $X$ 와 $Y$ 가 호모토피 동치이면, 그들의 기본군은 동형(isomorphic)이다. 즉, $π_{1} (X, x_{0}) ≅ π_{1} (Y, y_{0})$ 이다.

이 정리는 기본군이 호모토피 불변량(homotopy invariant)임을 보여준다. 따라서 두 공간의 기본군이 동형이 아니라면, 두 공간은 호모토피 동치가 될 수 없으며, 당연히 위상동형도 될 수 없다. 이는 기본군을 이용하여 공간들을 분류하는 강력한 도구가 된다. 예를 들어, 구멍 뚫린 평면 $R^{2} - {0}$ 의 기본군은 $Z$ 이고, 평면 $R^{2}$ 의 기본군은 자명군(trivial group)이므로 두 공간은 호모토피 동치가 아니다.

$S^{1}$ 에서 위상공간 $X$ 로 가는 연속 함수 $h : S^{1} \to X$ 가 널호모토픽(nulhomotopic)이라는 것은 무엇을 의미하며, 이것이 $X$ 의 기본군 및 함수 $h$ 의 확장 가능성과 어떤 관계를 맺는지 설명하라.

함수 $h : S^{1} \to X$ 가 널호모토픽 이라는 것은, $h$ 가 $X$ 안의 한 점으로 가는 상수 함수(constant map) 와 호모토픽하다는 의미이다. 직관적으로는 원 $S^{1}$ 의 상(image)인 고리 $h (S^{1})$ 를 $X$ 안에서 연속적으로 움직여 하나의 점으로 수축시킬 수 있다는 뜻이다.

이 개념은 다음 세 가지 조건이 서로 동치(equivalent) 라는 중요한 정리로 이어진다.

함수 $h : S^{1} \to X$ 는 널호모토픽 이다.

함수 $h$ 는 닫힌 원판 $B^{2}$ 에서 $X$ 로 가는 연속 함수 $k : B^{2} \to X$ 로 확장(extend)될 수 있다. (즉, $S^{1} = Bd B^{2}$ 위에서 $k$ 는 $h$ 와 같다)

함수 $h$ 에 의해 유도된 기본군의 준동형사상 $h_{*} : π_{1} (S^{1}, b_{0}) \to π_{1} (X, h (b_{0}))$ 는 자명한 준동형사상(trivial homomorphism) 이다. (즉, $π_{1} (S^{1}, b_{0})$ 의 모든 원소를 $π_{1} (X, h (b_{0}))$ 의 항등원으로 보낸다)

이 동치 관계는 공간의 기하학적 성질(고리를 원판으로 채울 수 있는가)과 대수적 성질(기본군에 미치는 영향)을 호모토피라는 개념을 통해 연결하는 강력한 도구이다. 예를 들어, $S^{1}$ 의 항등 함수는 기본군에 자명하지 않은 영향을 주므로 널호모토픽이 아니며, 따라서 $B^{2}$ 로 확장될 수 없다. 이는 $S^{1}$ 이 $B^{2}$ 의 변형 수축이 될 수 없다는 사실의 증명으로 이어진다.

축약 가능 공간(contractible space)을 정의하고, 이러한 공간의 기본군과 경로 연결성에 대해 설명하라.

위상 공간 $X$ 의 항등 함수 $i_{X} : X \to X$ 가 널호모토픽할 때, 즉 $X$ 전체를 $X$ 안의 한 점으로 연속적으로 축소시킬 수 있을 때, $X$ 를 축약 가능 공간 이라고 한다.

기본군과의 관계: 모든 축약 가능 공간은 단순 연결(simply connected) 이다. 즉, 그 기본군은 자명군(trivial group) ${e}$ 이다. 설명: $X$ 위의 임의의 루프(loop) $f : S^{1} \to X$ 를 생각하자. $X$ 가 축약 가능하다는 것은 항등 함수 $i_{X}$ 가 상수 함수 $c : X \to {x_{0}}$ 와 호모토픽하다는 것이다. 따라서, $f = i_{X} \circ f$ 는 $c \circ f$ 와 호모토픽하다. $c \circ f$ 는 모든 $S^{1}$ 을 한 점 $x_{0}$ 로 보내는 상수 루프이므로, 임의의 루프 $f$ 는 상수 루프와 호모토픽하다. 따라서 $π_{1} (X, x_{0})$ 는 자명군이다.

경로 연결성과의 관계: 모든 축약 가능 공간은 경로 연결(path-connected) 이다. 설명: 공간 $X$ 를 한 점 $x_{0}$ 로 축소시키는 호모토피 $H : X \times I \to X$ 가 있다고 하자 ( $H (x, 0) = x, H (x, 1) = x_{0}$ ). $X$ 안의 임의의 점 $y$ 에 대하여, 함수 $α (t) = H (y, t)$ 는 $y$ 에서 $x_{0}$ 로 가는 경로가 된다. 모든 점이 $x_{0}$ 와 경로로 연결되어 있으므로, $X$ 는 경로 연결 공간이다.

유클리드 공간 $R^{n}$ 이나 그 안의 볼록 집합(convex set)들은 대표적인 축약 가능 공간의 예이다.

두 연속 함수 $h, k : X \to Y$ 가 호모토픽하다고 하자. 만약 호모토피가 진행되는 동안 밑점(base point) $x_{0} \in X$ 의 상이 고정되어 있지 않다면, 유도된 준동형사상 $h_{*}$ 와 $k_{*}$ 는 어떤 관계를 갖는가?

$h (x_{0}) = y_{0}$ 이고 $k (x_{0}) = y_{1}$ 이라고 하자. 이 경우 $h_{*}$ 와 $k_{*}$ 는 일반적으로 같지 않다. 대신, 두 준동형사상은 밑점의 이동 경로에 해당하는 동형사상(isomorphism)에 의해 $k_{*} = \overset{α}{^} \circ h_{*}$ 와 같이 연관된다.

여기서 $α$ 는 호모토피 $H : X \times I \to Y$ 에 의해 밑점의 상이 움직인 경로, 즉 $α (t) = H (x_{0}, t)$ 이다. $\overset{α}{^}$ 는 경로 $α$ 에 의해 유도되는 동형사상 $\overset{α}{^} : π_{1} (Y, y_{0}) \to π_{1} (Y, y_{1})$ 이다.

이 정리는 한 함수에서 다른 함수로의 호모토피 변형이 기본군에 미치는 대수적 효과를 정확히 설명해준다. $h_{*}$ 와 $k_{*}$ 는 비록 다른 군으로 가는 사상이지만, 밑점의 이동 경로 $α$ 를 따라 자연스럽게 ‘변환’하면 같아진다는 것이다.

이로부터, $h_{*}$ 가 단사, 전사, 또는 자명한 준동형사상이라면 $k_{*}$ 도 마찬가지라는 중요한 따름정리를 얻을 수 있다. 이는 준동형사상의 핵심적인 성질들이 호모토피에 의해 보존됨을 의미하며, “호모토피 동치인 공간은 동형인 기본군을 갖는다”는 주된 정리를 증명하는 데 결정적인 역할을 한다.

기본군(fundamental group)

기본군(fundamental group)을 정의하라.

위상공간 $X$ 의 한 점 $x_{0}$ 에서 시작하고 끝나는 경로를 $x_{0}$ 를 밑점(base point)으로 하는 고리(loop) 라고 한다. $x_{0}$ 를 밑점으로 하는 모든 고리들의 경로 호모토피 동치류들의 집합에 경로의 곱 연산 $*$ 을 주면, 이 집합은 군(group)을 이룬다. 이 군을 $x_{0}$ 를 밑점으로 하는 $X$ 의 기본군 이라 하고, $π_{1} (X, x_{0})$ 로 표기한다.

항등원 : 밑점 $x_{0}$ 에서의 상수 경로 $e_{x_{0}}$ 의 동치류 $[e_{x_{0}}]$ 가 항등원이다.

역원 : 고리 $f$ 의 동치류 $[f]$ 의 역원은 $f$ 의 역경로 $\overline{f}$ 의 동치류 $[\overline{f}]$ 이다.

결합법칙 : 경로의 곱 연산은 결합법칙을 만족한다.

기본군은 공간의 ‘구멍’이나 ‘연결 구조’를 대수적인 군으로 포착하는 도구이다. 예를 들어, 평면 $R^{2}$ 의 기본군은 자명군(trivial group)이지만, 원점을 제외한 평면 $R^{2} - {0}$ 의 기본군은 정수군 $Z$ 와 동형이다. 이는 원점이라는 ‘구멍’ 주위를 감는 고리들이 서로 호모토픽하지 않기 때문이다.

기본군은 밑점(base point)의 선택에 어떻게 의존하는가?

기본군 $π_{1} (X, x_{0})$ 의 정의는 밑점 $x_{0}$ 에 의존한다. 하지만, 공간 $X$ 가 경로 연결 공간 이라면 서로 다른 두 밑점 $x_{0}$ 와 $x_{1}$ 에 대한 기본군 $π_{1} (X, x_{0})$ 와 $π_{1} (X, x_{1})$ 은 서로 동형(isomorphic) 이다.

$x_{0}$ 에서 $x_{1}$ 으로 가는 경로 $α$ 가 있을 때, 동형사상 $\overset{α}{^} : π_{1} (X, x_{0}) \to π_{1} (X, x_{1})$ 는 $[f] \mapsto [\overline{α}] * [f] * [α]$ 로 정의된다. 이 동형사상은 경로 $α$ 의 선택에 따라 달라질 수 있으므로, 두 기본군을 자연스럽게(canonically) 동일시할 수는 없다. 이 때문에 기본군을 이야기할 때는 항상 밑점을 명시하는 것이 원칙이다.

단순 연결 공간(simply connected space)이란 무엇인가?

경로 연결 공간 $X$ 의 기본군 $π_{1} (X, x_{0})$ 가 자명군(trivial group) , 즉 항등원 하나만으로 이루어진 군일 때, $X$ 를 단순 연결 공간 이라고 한다.

이는 공간 $X$ 안의 모든 고리가 밑점에서의 상수 경로와 경로 호모토픽하다는 것과 동치이다. 직관적으로는 공간에 ‘구멍’이 없어서 모든 닫힌 곡선을 한 점으로 수축시킬 수 있다는 의미이다. 예를 들어, $R^{n}$ 과 같은 유클리드 공간이나 원판 $B^{2}$ 은 단순 연결 공간이다. $n \geq 2$ 인 구면 $S^{n}$ 도 단순 연결 공간이다.

연속 함수에 의해 유도되는 준동형사상(induced homomorphism)은 무엇이며, 어떤 중요한 성질을 갖는가?

연속 함수 $h : (X, x_{0}) \to (Y, y_{0})$ 는 기본군 사이에 유도된 준동형사상 $h_{*} : π_{1} (X, x_{0}) \to π_{1} (Y, y_{0})$ 를 정의한다. 이는 $X$ 안의 고리 $f$ 의 동치류 $[f]$ 를 $Y$ 안의 고리 $h \circ f$ 의 동치류 $[h \circ f]$ 로 보낸다. 즉, $h_{*} ([f]) = [h \circ f]$ 이다.

$(k \circ h)_{*} = k_{*} \circ h_{*}$

항등 함수 $i : (X, x_{0}) \to (X, x_{0})$ 에 대해, $i_{*}$ 는 항등 준동형사상이다.

만약 $h : X \to Y$ 가 위상동형사상(homeomorphism)이라면, 유도된 준동형사상 $h_{*}$ 는 동형사상(isomorphism)이다.

이 성질은 기본군이 위상적 불변량(topological invariant) 임을 보여준다. 즉, 두 공간이 위상동형이면 그들의 기본군은 반드시 동형이어야 한다. 따라서 두 공간의 기본군이 동형이 아님을 보이면, 두 공간이 위상동형이 아님을 증명할 수 있다. 예를 들어, 원 $S^{1}$ 의 기본군은 $Z$ 이고 토러스 $T = S^{1} \times S^{1}$ 의 기본군은 $Z \times Z$ 이므로 두 공간은 위상동형이 아니다.

피복 공간(covering space)이 기본군을 계산하는 데 어떻게 사용되는가? 특히, 단순 연결 피복 공간(simply connected covering space) 과 올림 대응(lifting correspondence) 의 역할을 중심으로 설명하라.

피복 공간은 공간의 기본군을 계산하는 매우 강력한 도구이다. 그 핵심 원리는 다음과 같다.

피복 사상 $p : E \to B$ 가 주어졌을 때, 밑점 $b_{0} \in B$ 위의 올(fiber) $p^{- 1} (b_{0})$ 과 기본군 $π_{1} (B, b_{0})$ 사이에는 올림 대응(lifting correspondence) 이라는 자연스러운 함수 $ϕ : π_{1} (B, b_{0}) \to p^{- 1} (b_{0})$ 가 존재한다. 이 함수는 $B$ 안의 루프 $[f]$ 를, $E$ 의 한 점 $e_{0} \in p^{- 1} (b_{0})$ 에서 시작하여 $f$ 를 따라 올린 경로 $\tilde{f}$ 의 끝점 $\tilde{f} (1)$ 에 대응시킨다.

이때, 만약 피복 공간 $E$ 가 단순 연결 이라면 (이러한 $E$ 를 보편 피복 공간(universal covering space) 이라 한다), 이 올림 대응 $ϕ$ 는 전단사 함수(bijection) 가 된다.

이 정리는 기본군이라는 위상적이고 대수적인 대상을, 올(fiber)이라는 점들의 집합과 일대일로 대응시킨다. 이로써 복잡한 루프들의 호모토피 관계를 파악하는 대신, 피복 공간의 올 구조를 분석하여 기본군을 알아낼 수 있다.

대표적인 예로, 원 $S^{1}$ 의 보편 피복 공간은 실수 직선 $R$ 이고, 밑점 위의 올은 정수 집합 $Z$ 이다. 따라서 올림 대응은 $π_{1} (S^{1}, b_{0})$ 와 $Z$ 사이의 전단사 함수를 제공하며, 이것이 군 동형사상임을 보임으로써 $π_{1} (S^{1}, b_{0}) ≅ Z$ 라는 사실을 증명할 수 있다.

$S^{1}$ 이 원판 $B^{2}$ 의 후퇴(retract)가 될 수 없는 이유는 무엇인가? 이 '후퇴 불가 정리(no-retraction theorem)'를 이용하여 브라우어르 고정점 정리(Brouwer fixed-point theorem) 를 어떻게 증명할 수 있는지 설명하라.

$S^{1}$ 이 $B^{2}$ 의 후퇴가 될 수 없는 이유는 두 공간의 기본군 구조가 다르기 때문 이다.

후퇴 불가 정리의 증명: 만약 후퇴 사상 $r : B^{2} \to S^{1}$ 이 존재한다고 가정하자. $j : S^{1} \to B^{2}$ 를 포함 사상(inclusion map)이라 하면, $r \circ j$ 는 $S^{1}$ 위의 항등 함수가 된다.

이 함수들에 의해 유도된 기본군의 준동형사상을 생각하면, $(r \circ j)_{*} = r_{*} \circ j_{*}$ 는 $π_{1} (S^{1}, b_{0})$ 의 항등 준동형사상이 되어야 한다.

하지만 $B^{2}$ 는 단순 연결 공간이므로 $π_{1} (B^{2}, b_{0})$ 는 자명군 ${e}$ 이다. 따라서 $j_{*} : π_{1} (S^{1}, b_{0}) \to π_{1} (B^{2}, b_{0})$ 는 $Z$ 에서 ${e}$ 로 가는 자명한 준동형사상일 수밖에 없다. 이는 $r_{*} \circ j_{*}$ 또한 자명한 준동형사상임을 의미하며, 이는 항등 준동형사상이 될 수 없으므로 모순이다.

브라우어르 고정점 정리의 증명: “모든 연속 함수 $f : B^{2} \to B^{2}$ 는 고정점(fixed point)을 갖는다”는 이 정리는 후퇴 불가 정리를 이용해 귀류법으로 증명할 수 있다.

만약 고정점을 갖지 않는 연속 함수 $f$ 가 존재한다고 가정하자. 그러면 $B^{2}$ 의 모든 점 $x$ 에 대해, $f (x)$ 에서 $x$ 를 향해 뻗어 나가는 반직선이 $B^{2}$ 의 경계인 $S^{1}$ 과 만나는 유일한 점을 $r (x)$ 로 정의할 수 있다. 이렇게 정의된 함수 $r : B^{2} \to S^{1}$ 은 연속 함수이며, $S^{1}$ 위의 모든 점을 자기 자신으로 보내므로 후퇴 사상이 된다.

이는 후퇴 불가 정리에 모순되므로, 초기 가정(고정점이 없다)이 거짓이다. 따라서 모든 연속 함수는 반드시 고정점을 가져야 한다.

덮개공간(covering space)

덮개 사상(covering map)과 덮개 공간(covering space)을 정의하라.

연속인 전사 함수 $p : E \to B$ 가 주어졌을 때, 밑공간(base space) $B$ 의 모든 점 $b$ 가 다음 조건을 만족하는 근방 $U$ 를 가질 때 $p$ 를 덮개 사상 이라 한다: $p$ 에 대한 원상 $p^{- 1} (U)$ 는 $E$ 안의 서로소인 열린집합들의 합집합으로 표현되며, 각 열린집합은 $p$ 에 의해 $U$ 와 위상동형이다. 이때 $E$ 를 $B$ 의 덮개 공간 이라고 한다.

이 조건을 만족하는 $U$ 를 균등하게 덮였다(evenly covered) 고 하며, $p^{- 1} (U)$ 를 이루는 각각의 열린집합을 슬라이스(slice) 라고 부른다.

직관적으로 덮개 공간은 밑공간 위에 여러 겹의 ‘사본’이 쌓여 있는 모습과 같다. 덮개 사상은 이 사본들을 밑공간으로 붕괴시키는 사상이다. 가장 대표적인 예는 실수 직선 $R$ 이 원 $S^{1}$ 을 무한히 감싸는 사상 $p (x) = (cos (2 π x), sin (2 π x))$ 이다.

덮개 공간 이론에서 가장 중요한 보조정리인 경로 올림 보조정리(path lifting lemma)와 호모토피 올림 보조정리(homotopy lifting lemma)를 설명하라.

$p : E \to B$ 가 덮개 사상이고 $p (e_{0}) = b_{0}$ 라고 하자.

경로 올림 보조정리 : $b_{0}$ 에서 시작하는 $B$ 안의 임의의 경로 $f : [0, 1] \to B$ 에 대해, $e_{0}$ 에서 시작하는 $E$ 안의 유일한 경로 $\tilde{f} : [0, 1] \to E$ 가 존재하여 $p \circ \tilde{f} = f$ 를 만족한다. 이 $\tilde{f}$ 를 $f$ 의 올림(lifting) 이라고 한다.

호모토피 올림 보조정리 : $B$ 안의 경로 호모토피 $F : I \times I \to B$ 에 대해, $F$ 의 유일한 올림인 연속 함수 $\tilde{F} : I \times I \to E$ 가 존재하여 $\tilde{F} (0, 0) = e_{0}$ 를 만족하며, 이 $\tilde{F}$ 는 $E$ 안의 경로 호모토피가 된다.

이 두 보조정리는 밑공간에서의 경로와 호모토피에 관한 정보가 덮개 공간으로 ‘올려질’ 수 있음을 보여주는 핵심적인 정리이다. 이 성질을 이용하여 덮개 공간과 밑공간의 기본군 사이의 관계를 분석할 수 있다.

덮개 공간과 밑공간의 기본군은 어떤 관계를 맺는가?

$p : E \to B$ 가 덮개 사상이고 $p (e_{0}) = b_{0}$ 일 때, 유도된 준동형사상 $p_{*} : π_{1} (E, e_{0}) \to π_{1} (B, b_{0})$ 는 단사(injective) 이다. 따라서 $π_{1} (E, e_{0})$ 는 $π_{1} (B, b_{0})$ 의 부분군 $H_{0} = p_{*} (π_{1} (E, e_{0}))$ 와 동형이다.

또한, $b_{0}$ 에 있는 고리 $f$ 의 올림 $\tilde{f}$ 의 끝점은 $p^{- 1} (b_{0})$ 의 한 원소가 되는데, 이를 통해 올림 대응(lifting correspondence) $ϕ : π_{1} (B, b_{0}) \to p^{- 1} (b_{0})$ 를 정의할 수 있다. 이 대응은 $H_{0}$ 의 잉여류 집합 $π_{1} (B, b_{0}) / H_{0}$ 과 집합 $p^{- 1} (b_{0})$ 사이에 일대일 대응을 유도한다.

밑공간의 기본군의 부분군들은 그 공간의 덮개 공간들과 깊은 연관을 맺는다. 덮개 공간의 기본군은 밑공간의 기본군의 부분군으로 이해할 수 있으며, 덮개의 ‘겹수’( $∣ p^{- 1} (b_{0}) ∣$ )는 밑공간의 기본군을 덮개 공간의 기본군으로 나눈 잉여류의 개수와 같다.

보편 덮개 공간(universal covering space)이란 무엇인가?

덮개 공간 $E$ 가 단순 연결 공간 일 때, $E$ 를 밑공간 $B$ 의 보편 덮개 공간 이라고 한다.

공간 $B$ 가 경로 연결, 국소 경로 연결이고 반국소 단순 연결(semilocally simply connected) 이면 보편 덮개 공간이 존재한다. 여기서 반국소 단순 연결이란, 각 점 $b \in B$ 가 근방 $U$ 를 가져, 포함 사상 $i : U \to B$ 에 의해 유도된 준동형사상 $i_{*} : π_{1} (U, b) \to π_{1} (B, b)$ 가 자명 준동형사상이 됨을 의미한다.

보편 덮개 공간은 $B$ 의 다른 모든 덮개 공간들을 다시 덮는다. 즉, $p : E \to B$ 가 보편 덮개이고 $r : Y \to B$ 가 임의의 덮개일 때, $r \circ q = p$ 를 만족하는 덮개 사상 $q : E \to Y$ 가 존재한다.

보편 덮개 공간은 한 공간이 가질 수 있는 가장 ‘크고 좋은’ 덮개 공간이다. 예를 들어, 실수 직선 $R$ 은 원 $S^{1}$ 의 보편 덮개 공간이다.

두 덮개 공간이 '동치(equivalent)'라는 것은 무엇을 의미하며, 이 동치 관계가 밑공간의 기본군의 부분군(subgroup)과 어떤 관계를 맺는지 설명하라.

동치의 정의: 두 덮개 사상 $p : E \to B$ 와 $p^{'} : E^{'} \to B$ 가 동치 라는 것은, $p = p^{'} \circ h$ 를 만족하는 위상동형사상 $h : E \to E^{'}$ 가 존재하는 것을 의미한다. 즉, 덮개 공간 $E$ 와 $E^{'}$ 가 밑공간 $B$ 와의 관계를 보존하면서 위상적으로 동일한 구조를 갖는다는 뜻이다.

기본군 부분군과의 관계 (분류 정리): 덮개 공간의 동치류는 밑공간 $B$ 의 기본군 $π_{1} (B, b_{0})$ 의 켤레 부분군 강(conjugacy classes of subgroups) 과 일대일 대응 관계를 맺는다.

정리: 두 덮개 공간 $p : (E, e_{0}) \to (B, b_{0})$ 와 $p^{'} : (E^{'}, e_{0}^{'}) \to (B, b_{0})$ 가 동치일 필요충분조건은, 각각에 대응하는 부분군 $H_{0} = p_{*} (π_{1} (E, e_{0}))$ 와 $H_{0}^{'} = p_{*}^{'} (π_{1} (E^{'}, e_{0}^{'}))$ 이 $π_{1} (B, b_{0})$ 내에서 서로 켤레(conjugate) 관계인 것이다.

이 정리는 덮개 공간이라는 위상적 대상을 기본군의 부분군이라는 대수적 대상으로 완벽하게 분류할 수 있게 해준다. 이는 위상수학의 문제를 대수학의 문제로 변환하여 해결하는 전형적인 예시이다. 예를 들어, 원 $S^{1}$ 의 기본군은 정수군 $Z$ 이고 이는 아벨군이므로 모든 부분군은 자기 자신과만 켤레이다. 따라서 $S^{1}$ 의 덮개 공간들은 $Z$ 의 부분군들(즉, ${0}$ 과 $n Z$ )과 유일하게 대응된다.

밑공간 $B$ 가 어떤 조건을 만족해야 기본군 $π_{1} (B, b_{0})$ 의 모든 부분군 $H$ 에 대응하는 덮개 공간이 존재한다고 말할 수 있는가? 또한, 이 덮개 공간을 구성하는 방법의 핵심 아이디어는 무엇인가?

기본군의 모든 부분군에 대응하는 덮개 공간이 존재하기 위해서 밑공간 $B$ 는 다음 세 가지 조건을 모두 만족해야 한다.

경로 연결 (Path-connected)

국소 경로 연결 (Locally path-connected)

반국소 단순 연결 (Semilocally simply-connected)

덮개 공간의 구성 아이디어: 주어진 부분군 $H$ 에 대응하는 덮개 공간 $E$ 를 구성하는 핵심 아이디어는, $E$ 의 점들을 밑점 $b_{0}$ 에서 시작하는 경로들의 동치류 로 정의하는 것이다.

점 정의: $b_{0}$ 에서 시작하는 $B$ 안의 두 경로 $α$ 와 $β$ 가 같은 점을 나타낸다고 정의하는 동치 관계를 $α \sim β$ 라 하자. 이 동치 관계는 “두 경로가 같은 끝점을 갖고, 루프 $α * \overset{ˉ}{β}$ 의 동치류가 주어진 부분군 $H$ 에 속하는 것”으로 정의된다. 덮개 공간 $E$ 는 바로 이 동치류들의 집합이다.

위상 부여: $E$ 의 위상은 밑공간 $B$ 의 작은 경로 연결 근방들을 이용하여 자연스럽게 정의된다.

덮개 사상: 덮개 사상 $p : E \to B$ 는 경로의 동치류를 그 경로의 끝점으로 보내는 함수 $p ([α]) = α (1)$ 로 정의된다.

이 구성 방법은 ‘좋은’ 공간에 대해서는 위상적인 덮개 공간의 존재성과 기본군의 부분군이라는 대수적 대상의 존재성이 완벽하게 일치함을 보여주는 근본적인 결과이다.

덱 변환(deck transformation)

덱 변환(deck transformation)을 정의하라.

덮개 사상 $p : E \to B$ 가 주어졌을 때, 덮개 공간 $E$ 에서 자기 자신으로 가는 위상동형사상(homeomorphism) $h : E \to E$ 가 $p = p \circ h$ 를 만족하면, $h$ 를 덱 변환 또는 덮개 변환(covering transformation) 이라고 한다.

덱 변환은 덮개 공간의 ‘대칭성’을 나타내는 변환이다. 이 변환은 덮개 사상 $p$ 에 의해 한 점이 이동하는 위치를 바꾸지 않는다. 즉, 덱 변환은 각 올(fiber) $p^{- 1} (b)$ 의 점들을 서로 치환(permute)하는 역할을 한다. 주어진 덮개 공간에 대한 모든 덱 변환들의 집합은 함수의 합성을 연산으로 하여 군을 이룬다.

덱 변환군(deck transformation group)은 기본군과 어떤 관계가 있는가?

덮개 사상 $p : E \to B$ 에 대한 덱 변환군 $C (E, p, B)$ 는 밑공간 $B$ 의 기본군 $π_{1} (B, b_{0})$ 의 부분군들과 밀접한 관련이 있다.

덮개 공간 $E$ 에 대응하는 부분군을 $H_{0} = p_{*} (π_{1} (E, e_{0}))$ 라 하고, $H_{0}$ 의 정규화 부분군(normalizer)을 $N (H_{0})$ 라 하자. 이때 덱 변환군 $C (E, p, B)$ 는 몫군(quotient group) $N (H_{0}) / H_{0}$ 와 동형(isomorphic)이다. ( $C (E, p, B) ≅ N (H_{0}) / H_{0}$ )

이 정리는 덮개 공간의 기하학적 대칭성(덱 변환군)을 밑공간의 기본군이라는 대수적 구조(정규화 부분군)를 통해 완전히 파악할 수 있음을 보여준다.

정규 덮개(regular covering)란 무엇이며, 이때 덱 변환군은 어떻게 표현되는가?

정규 덮개 : 부분군 $H_{0} = p_{*} (π_{1} (E, e_{0}))$ 가 $π_{1} (B, b_{0})$ 의 정규 부분군(normal subgroup) 일 때, 이 덮개를 정규 덮개 라고 한다.

덱 변환군 : 덮개가 정규일 경우, $N (H_{0}) = π_{1} (B, b_{0})$ 가 되므로 덱 변환군은 $C (E, p, B) ≅ π_{1} (B, b_{0}) / H_{0}$ 같이 더 간단한 형태로 표현된다.

정규 덮개는 덱 변환이 각 올( $p^{- 1} (b)$ ) 위에서 추이적(transitively)으로 작용하는, 대칭성이 매우 높은 덮개이다. 즉, 올 위의 임의의 두 점 $e_{1}, e_{2}$ 에 대해, $h (e_{1}) = e_{2}$ 를 만족하는 덱 변환 $h$ 가 항상 존재한다.

보편 덮개 공간(universal covering space)의 덱 변환군은 무엇인가?

$p : E \to B$ 가 보편 덮개 사상일 경우, $E$ 는 단순 연결 공간이므로 $H_{0} = p_{*} (π_{1} (E, e_{0}))$ 는 자명군(trivial group)이다. 자명군은 항상 정규 부분군이므로 보편 덮개는 정규 덮개이다. 이 경우 덱 변환군은 밑공간의 기본군과 동형이 된다. ( $C (E, p, B) ≅ π_{1} (B, b_{0})$ )

이 관계는 덮개 공간 이론에서 가장 중요한 결과 중 하나이다. 밑공간의 기본군이라는 대수적 대상을 덮개 공간의 기하학적 대칭성을 나타내는 덱 변환군과 동일시할 수 있게 해준다. 예를 들어, 원 $S^{1}$ 의 보편 덮개 공간은 $R$ 이고, 덱 변환은 $x \mapsto x + n$ ( $n \in Z$ ) 형태의 평행이동들이다. 이 덱 변환군은 $Z$ 와 동형이며, 이는 $S^{1}$ 의 기본군과 일치한다.

위상 공간 $X$ 위에서의 군의 작용(group action)을 통해 덮개 공간을 구성하는 방법을 설명하라. 특히, 그 작용이 '고정점 없이 불연속(properly discontinuous)'이라는 조건이 왜 덮개 사상을 만드는 데 핵심적인가?

공간 $X$ 위에서 위상동형사상들의 군 $G$ 가 작용한다고 하자. 동치 관계 $x \sim g (x)$ (모든 $g \in G$ )를 통해 몫공간 $X / G$ 를 만들고, 이 몫사상 $π : X \to X / G$ 를 생각할 수 있다.

정리: 몫사상 $π : X \to X / G$ 가 덮개 사상이 될 필요충분조건 은 군 $G$ 의 작용이 고정점 없이 불연속(properly discontinuous) 인 것이다.

고정점 없이 불연속 작용의 핵심 역할: 군의 작용이 ‘고정점 없이 불연속’이라는 것은, 각 점 $x \in X$ 에 대해, 항등원이 아닌 임의의 $g \in G$ 에 대해 $g (U) \cap U = \emptyset$ 을 만족하는 근방 $U$ 가 존재함을 의미한다.

이 조건은 몫공간의 한 점 $π (x)$ 의 근방 $π (U)$ 가 균등하게 덮이는(evenly covered) 것을 정확히 보장한다. 왜냐하면 $π (U)$ 의 원상 $π^{- 1} (π (U))$ 은 서로소인 열린집합들의 모임인 ${g (U) ∣ g \in G}$ 의 합집합으로 표현되기 때문이다. 이 각각의 $g (U)$ 들이 바로 덮개 사상의 정의에 필요한 슬라이스(slice) 역할을 하게 된다.

만약 이 조건이 없다면, 슬라이스들이 서로 겹치게 되어 몫사상이 덮개 사상이 될 수 없다. 또한, 이 방법으로 구성된 덮개 사상은 항상 정규 덮개(regular covering) 가 되며, 원래의 군 $G$ 는 덮개 변환군과 동형이 된다.

밑공간 $B$ 의 루프 $f$ 가 덮개 공간 $E$ 에서 루프로 올림(lift)이 될 필요충분조건은 무엇인가? 이를 $E$ 에 대응하는 기본군의 부분군 $H_{0}$ 를 이용하여 설명하라.

덮개 사상 $p : (E, e_{0}) \to (B, b_{0})$ 가 주어졌다고 하자.

밑공간 $B$ 에서 밑점 $b_{0}$ 를 갖는 루프 $f$ 가, 덮개 공간 $E$ 에서 밑점 $e_{0}$ 를 갖는 루프로 올림이 될 필요충분조건은, 루프 $f$ 의 경로 호모토피 동치류 $[f]$ 가 부분군 $H_{0} = p_{*} (π_{1} (E, e_{0}))$ 에 속하는 것 이다.

( $\Rightarrow$ ): 만약 $f$ 가 $E$ 안의 루프 $\tilde{f}$ 로 올려진다면, 정의에 의해 $f = p \circ \tilde{f}$ 이다. 따라서 $[f] = [p \circ \tilde{f}] = p_{*} ([\tilde{f}])$ 이므로, $[f]$ 는 $p_{*}$ 의 상(image)인 $H_{0}$ 에 속한다.

( $\Leftarrow$ ): 만약 $[f] \in H_{0}$ 라면, 어떤 루프 $\tilde{g}$ in $π_{1} (E, e_{0})$ 에 대해 $[f] = p_{*} ([\tilde{g}])$ 이다. 이는 $f$ 와 $p \circ \tilde{g}$ 가 $B$ 에서 경로 호모토픽함을 의미한다. $e_{0}$ 에서 시작하는 $f$ 의 올림 $\tilde{f}$ 와 $p \circ \tilde{g}$ 의 올림 $\tilde{g}$ 는 같은 점에서 끝나야 한다. $\tilde{g}$ 는 루프이므로 $\tilde{g} (1) = e_{0}$ 이다. 따라서 $\tilde{f} (1) = e_{0}$ 이 되어 $\tilde{f}$ 도 루프가 된다.

직관적으로, 부분군 $H_{0}$ 는 덮개 공간의 관점에서 볼 때 “한 바퀴 돌아 제자리로 돌아오는” 밑공간의 루프들을 모아놓은 집합이다. $H_{0}$ 에 속하지 않는 루프는, 덮개 공간으로 올렸을 때 시작점과 다른 올(fiber)의 점으로 이동하게 된다.

정규 덮개(regular covering)와 비정규 덮개(non-regular covering)의 차이점을 덱 변환이 올(fiber) 위에서 작용하는 방식의 차이를 통해 설명하라.

정규 덮개와 비정규 덮개의 본질적인 차이는 대칭성의 정도 에 있으며, 이는 덱 변환군이 올 위에서 어떻게 작용하는지로 명확하게 드러난다.

정규 덮개 (Regular Covering): 정규 덮개에서 덱 변환군은 각 올 $p^{- 1} (b)$ 위에 추이적(transitively) 으로 작용한다. 이는 올 위의 임의의 두 점 $e_{1}, e_{2}$ 에 대해, 항상 $h (e_{1}) = e_{2}$ 를 만족하는 덱 변환 $h$ 가 존재함을 의미한다. 즉, 덱 변환을 통해 올 위의 한 점에서 다른 모든 점으로 이동할 수 있다. 이는 덮개 공간이 밑공간의 모든 점에서 “동일한” 대칭 구조를 가짐을 뜻한다. 대수적으로는 부분군 $H_{0}$ 가 정규 부분군인 경우에 해당한다.

비정규 덮개 (Non-regular Covering): 비정규 덮개에서는 덱 변환군이 올 위에 추이적으로 작용하지 않는다. 즉, 올 위에 두 점 $e_{1}, e_{2}$ 가 존재하여 어떤 덱 변환 $h$ 로도 $h (e_{1}) = e_{2}$ 를 만족시킬 수 없다. 이는 덮개 공간의 대칭성이 불완전하여, 올 위의 점들이 덱 변환군의 작용에 의해 여러 개의 궤도(orbit)로 나뉘는 것을 의미한다. 대수적으로는 부분군 $H_{0}$ 가 정규 부분군이 아닌 경우에 해당한다.

예를 들어, 여덟팔자 모양 공간(figure-eight)의 덮개 공간 중, 무한 격자 모양의 덮개는 정규 덮개인 반면, 덤벨이 무한히 이어진 모양의 덮개는 비정규 덮개이다.

사이퍼드-반 캄펜 정리(Seifert-Van Kampen theorem)

사이퍼드-반 캄펜 정리의 핵심적인 아이디어를 설명하라.

사이퍼드-반 캄펜 정리의 핵심 아이디어는, 위상공간 $X$ 가 두 개의 경로 연결된 열린 부분공간 $U$ 와 $V$ 의 합집합으로 표현되고, 그 교집합 $U \cap V$ 역시 경로 연결일 때, $X$ 의 기본군을 $U$ , $V$ , 그리고 $U \cap V$ 의 기본군들로부터 계산할 수 있다는 것이다.

즉, 이 정리는 공간을 더 간단한 조각들로 분해하고, 각 조각의 기본군과 그들이 어떻게 붙어있는지에 대한 정보를 이용해 전체 공간의 기본군을 대수적으로 ‘재조립’하는 방법을 제공한다. $X$ 의 기본군은 $U$ 와 $V$ 의 기본군의 자유곱에 교집합에서 비롯된 관계식을 추가하여 얻어진다.

이 정리를 이용하여 기본군을 구체적으로 어떻게 계산하는가? 고전적 공식화를 설명하라.

$π_{1} (X, x_{0})$ 는 자유곱(free product) $π_{1} (U, x_{0}) * π_{1} (V, x_{0})$ 를, $g \in π_{1} (U \cap V, x_{0})$ 에 대한 모든 원소 $(i_{1} (g))^{- 1} \cdot i_{2} (g)$ 를 포함하는 가장 작은 정규 부분군 $N$ 으로 나눈 몫군과 동형이다.

이 관계식의 의미는, 교집합 $U \cap V$ 에 있는 고리는 $U$ 의 원소로도, $V$ 의 원소로도 볼 수 있는데, 이 두 표현이 $X$ 에서는 같은 고리가 되므로 동일시해주어야 한다는 것이다. 이는 대수적으로 $i_{1} (g) = i_{2} (g)$ 라는 관계를 추가하는 것과 같다.

교집합 $U \cap V$ 가 단순 연결 공간(simply connected)인 경우, 정리는 어떻게 단순화되는가?

교집합 $U \cap V$ 가 단순 연결 공간이면, $π_{1} (U \cap V, x_{0})$ 는 자명군이다. 이 경우 추가되는 관계식이 없으므로, $X$ 의 기본군은 단순히 두 부분공간의 기본군들의 자유곱 이 된다. 즉, $π_{1} (X, x_{0}) ≅ π_{1} (U, x_{0}) * π_{1} (V, x_{0})$ 이다.

이는 두 공간을 한 점에서 붙인 쐐기 합(wedge sum) 의 기본군을 계산할 때 대표적으로 나타나는 상황이다. 예를 들어, 두 원 $S^{1}$ 을 한 점에서 붙인 8자 모양 공간의 기본군은, 각 원의 기본군인 $Z$ 의 자유곱, 즉 $Z * Z$ 이다.

이번에는 한 부분공간 $V$ 가 단순 연결인 경우는 어떻게 되는가?

$V$ 가 단순 연결 공간이면, $π_{1} (V, x_{0})$ 는 자명군이므로 자유곱에서 한쪽 항이 사라진다. 그 결과, $X$ 의 기본군은 $π_{1} (U, x_{0})$ 를, 교집합 $U \cap V$ 의 기본군이 $U$ 안으로 어떻게 포함되는지에 대한 정보( $i_{1}$ 의 상)로 생성된 정규 부분군으로 나눈 몫군이 된다.

즉, $π_{1} (X, x_{0}) ≅ π_{1} (U, x_{0}) / N$ 이고, 여기서 $N$ 은 $i_{1} (π_{1} (U \cap V, x_{0}))$ 를 포함하는 가장 작은 정규 부분군이다.

이 상황은 어떤 공간에 원판( $B^{2}$ )과 같은 단순 연결 공간을 붙여 새로운 공간을 만들 때, 즉 $2$ -세포( $2$ -cell)를 붙일 때 주로 사용된다.

사이퍼트 반 캄펜 정리를 적용하기 위한 공간 $U$ 와 $V$ 의 조건(열린 집합, 경로 연결성)은 왜 중요한가? 만약 $U$ 와 $V$ 가 닫힌 집합이라면 정리가 어떻게 달라지는가?

이 조건들은 정리가 올바르게 적용되기 위한 필수적인 가정이다.

$U, V$ 가 열린 집합이어야 하는 이유: 증명 과정에서, $X$ 안의 임의의 고리 $f$ 를 작은 경로 조각들로 나누었을 때, 각 조각이 $U$ 또는 $V$ 안에 완전히 포함되도록 만들어야 한다. $U$ 와 $V$ 가 열린집합이라는 조건은 이러한 ‘작은 조각으로의 분할’이 항상 가능함을 보장한다. (이는 컴팩트 집합 $[0, 1]$ 의 상에 르베그 수 보조정리를 적용하여 얻어진다.)

$U, V, U \cap V$ 가 경로 연결이어야 하는 이유: 기본군은 밑점(base point)을 기준으로 정의되므로, 비교하려는 모든 군들이 동일한 밑점을 공유해야 의미가 있다. 교집합 $U \cap V$ 가 경로 연결이라는 조건은 $U$ , $V$ , $X$ 의 기본군들이 모두 하나의 공통된 밑점 $x_{0} \in U \cap V$ 를 기준으로 서술될 수 있음을 보장한다. 만약 이들이 경로 연결이 아니라면, 각 공간의 기본군이 여러 개가 되어 정리의 기술이 훨씬 복잡해지며 군(group)이 아닌 그루포이드(groupoid)에 대한 이론이 필요하게 된다.

💡 닫힌 집합의 경우: $U$ 와 $V$ 가 닫힌 집합일 때도 유사한 정리가 성립하지만, 추가적인 조건이 필요하다. 예를 들어, 교집합 $U \cap V$ 가 국소적으로 축약 가능(locally contractible)과 같은 “좋은” 위상적 성질을 가질 때, 닫힌 집합에 대한 사이퍼트 반 캄펜 정리가 성립한다. 일반적인 닫힌 집합에 대해서는 정리가 성립하지 않을 수 있다.

정사각형의 변들을 붙여 토러스( $T^{2}$ )를 만드는 과정을 2-세포를 붙이는 것으로 해석하고, 사이퍼트 반 캄펜 정리를 이용하여 토러스의 기본군이 $Z \times Z$ 임을 보여라.

토러스 $T^{2}$ 를 구성하는 과정은 다음과 같이 해석할 수 있다.

두 개의 원 $S^{1}$ 을 한 점에서 붙여 만든 8자 모양 공간 $A = S^{1} \lor S^{1}$ 를 먼저 생각한다. 이 공간의 기본군은 자유곱 $Z * Z$ 이며, 두 생성원소는 각 원을 한 바퀴 도는 루프 $[a]$ 와 $[b]$ 이다.

여기에 2차원 원판, 즉 2-세포( $2$ -cell) $B^{2}$ 를 “붙인다”. 이때 붙이는 사상(attaching map) $h : \partial B^{2} \to A$ 는 원판의 경계를 따라가면서 $A$ 위의 루프 $ab a^{- 1} b^{- 1}$ 를 그린다. 토러스는 이렇게 만들어진 공간과 위상동형이다.

토러스 $X = T^{2}$ 를 $V = h (Int B^{2})$ (열린 원판)와 $A$ 의 적절한 근방 $U$ 의 합집합으로 본다.

$V$ 는 단순 연결이다 ( $π_{1} (V)$ 는 자명군).

$U$ 는 $A$ 로 변형 수축(deformation retract) 가능하므로, $π_{1} (U) ≅ π_{1} (A) ≅ Z * Z$ 이다.

교집합 $U \cap V$ 는 원环(annulus)과 호모토피 동치이므로, $π_{1} (U \cap V) ≅ Z$ 이다. 이 기본군의 생성원은 2-세포를 붙이는 데 사용된 경계 루프 $ab a^{- 1} b^{- 1}$ 에 해당한다.

$V$ 가 단순 연결이므로, 사이퍼트 반 캄펜 정리에 의해 $π_{1} (X)$ 는 $π_{1} (U)$ 를, $π_{1} (U \cap V)$ 의 상(image)으로 생성된 정규 부분군으로 나눈 몫군과 동형이다.

즉, $π_{1} (T^{2}) ≅ (Z * Z) / N$ 이고, 여기서 $N$ 은 원소 $[a] [b] [a]^{- 1} [b]^{- 1}$ 를 포함하는 가장 작은 정규 부분군이다.

자유곱을 그 교환자(commutator)로 생성된 정규 부분군으로 나눈 몫군은 자유 아벨 군이므로, 최종적으로 $π_{1} (T^{2}) ≅ Z \times Z$ 를 얻는다.

사이퍼트 반 캄펜 정리의 결론에 등장하는 자유곱(free product) $G_{1} * G_{2}$ 는 아벨 그룹의 직합(direct sum)과 어떻게 다른가? 자유곱의 원소는 어떤 형태로 표현되는가?

가장 큰 차이점은 교환법칙의 성립 여부이다.

직합 (Direct Sum/Product): 아벨 그룹의 직합 $G_{1} \oplus G_{2}$ (또는 $G_{1} \times G_{2}$ )에서는 $G_{1}$ 의 원소와 $G_{2}$ 의 원소가 항상 교환 가능하다. 즉, $g_{1} + g_{2} = g_{2} + g_{1}$ 이다.

자유곱 (Free Product): 비가환 그룹까지 다루는 자유곱 $G_{1} * G_{2}$ 에서는 일반적으로 $G_{1}$ 의 원소와 $G_{2}$ 의 원소가 교환 불가능 하다. 즉, $g_{1} g_{2} \neq = g_{2} g_{1}$ 이다.

자유곱의 원소 형태: 자유곱의 원소는 각 그룹 $G_{1}, G_{2}$ 에서 가져온 원소들을 번갈아가며 곱한 단어(word) 형태로 표현된다. 예를 들어, $g_{1} \in G_{1}, g_{2} \in G_{2}$ 일 때, $g_{1}, g_{2}, g_{1} g_{2}, g_{2} g_{1}, g_{1} g_{2} g_{1}^{- 1}, \dots$ 등이 모두 자유곱의 원소가 된다.

모든 원소는 인접한 항이 서로 다른 그룹에서 오고 항등원이 없는 축약된 단어(reduced word) 형태로 유일하게 표현될 수 있다.

토러스의 기본군 $Z \times Z$ 는 아벨 그룹으로, 두 생성원 $a, b$ 는 $ab = ba$ 관계를 만족한다. 반면, 8자 모양 공간의 기본군 $Z * Z$ 는 비가환 그룹으로, 생성원 $a, b$ 에 대해 $ab$ 와 $ba$ 는 서로 다른 원소이다.

곡면의 분류(classification of surfaces)

콤팩트 곡면(compact surface)에 대한 분류 정리를 설명하라.

분류 정리 (The Classification Theorem) : 임의의 콤팩트 연결 곡면은 다음 목록에 있는 공간 중 하나와 반드시 위상동형이다.

구면 $S^{2}$

$n$ -겹 토러스 $T_{n}$ ( $n \geq 1$ )

$m$ -겹 사영평면 $P_{m}$ ( $m \geq 1$ )

또한, 이 목록에 있는 어떤 두 공간도 서로 위상동형이 아니다.

이 정리는 모든 콤팩트 연결 곡면을 완벽하게 ‘목록화’하였음을 의미한다. 어떤 복잡한 콤팩트 곡면이라도 결국 구면에 손잡이를 여러 개 붙인 모양( $T_{n}$ )이거나, 구면에 구멍을 내고 뫼비우스의 띠를 붙인 모양( $P_{m}$ ) 중 하나와 위상적으로 동일하다.

분류 목록에 있는 $n$ -겹 토러스와 $m$ -겹 사영평면은 어떻게 구성되는가?

이 곡면들은 평면 위의 다각형 영역의 변들을 특정 규칙에 따라 붙여서 구성할 수 있다.

$n$ -겹 토러스 ( $T_{n}$ ) : $4 n$ 각형의 변들을 $(a_{1} b_{1} a_{1}^{- 1} b_{1}^{- 1}) (a_{2} b_{2} a_{2}^{- 1} b_{2}^{- 1}) \dots (a_{n} b_{n} a_{n}^{- 1} b_{n}^{- 1})$ 라는 표기법(labelling scheme)에 따라 붙여서 만든다. $n = 1$ 일 때가 바로 일반적인 토러스이다.

$m$ -겹 사영평면 ( $P_{m}$ ) : $2 m$ 각형의 변들을 $(a_{1} a_{1}) (a_{2} a_{2}) \dots (a_{m} a_{m})$ 라는 표기법에 따라 붙여서 만든다. $m = 1$ 일 때가 사영평면 $P^{2}$ 이고, $m = 2$ 일 때가 클라인 병(Klein bottle)이다.

이 구성법은 모든 콤팩트 곡면이 다각형이라는 간단한 대상으로부터 ‘붙이기’ 연산을 통해 얻어질 수 있음을 보여준다. 곡면의 위상적 구조는 이 붙이기 규칙, 즉 표기법에 의해 완전히 결정된다.

분류 목록에 있는 곡면들이 서로 위상동형이 아니라는 것은 어떻게 증명하는가?

제1 호몰로지 군(First Homology Group) 이라는 위상 불변량을 계산하여 증명한다. 제1 호몰로지 군 $H_{1} (X)$ 는 기본군 $π_{1} (X)$ 를 그것의 교환자 부분군(commutator subgroup)으로 나눈 몫군, 즉 기본군의 아벨화(abelianization)이다. 위상동형인 공간들은 동형인 호몰로지 군을 가져야 한다.

각 곡면의 제1 호몰로지 군은 다음과 같다.

$H_{1} (S^{2}) ≅ {0}$ (자명군)

$H_{1} (T_{n}) ≅ Z^{2 n}$ ( $2 n$ 개의 생성자를 갖는 자유 아벨 군)

$H_{1} (P_{m})$ 은 꼬임 부분군(torsion subgroup)이 $Z /2 Z$ 이고, 자유 부분의 랭크(rank)가 $m - 1$ 인 아벨 군이다.

이 군들은 $n$ 과 $m$ 의 값에 따라 모두 다르므로, 목록에 있는 곡면들은 서로 위상동형이 될 수 없다.

모든 콤팩트 곡면이 다각형을 붙여서 만들어진다는 사실의 증명 전략은 무엇인가?

증명은 두 단계로 이루어진다.

삼각분할(Triangulation) : 모든 콤팩트 곡면은 유한개의 ‘굽은 삼각형’으로 분할될 수 있음을 보인다. 이 정리는 증명이 복잡하여 일반적으로는 주어진 사실로 받아들인다.

붙이기(Pasting) : 삼각분할된 곡면의 삼각형들을 하나씩 이어 붙여, 최종적으로 단 하나의 다각형 영역으로 만들 수 있음을 보인다. 각 삼각형의 변은 단 하나의 다른 삼각형의 변과 붙는다는 것을 보여야 하는데, 이는 공간이 ‘곡면’이라는 국소적 유클리드 성질로부터 증명된다. 이 과정을 통해 모든 콤팩트 곡면이 다각형 영역의 변들을 쌍으로 붙여서 얻는 공간과 위상동형임을 보인다.

이 두 단계를 거쳐, 임의의 콤팩트 곡면 문제는 결국 다각형의 ‘표기법’ 문제로 환원되며, 이 표기법을 정리하면 표준적인 형태 중 하나가 됨을 보이는 것이 분류 정리 증명의 핵심이다.

곡면의 표기법을 표준 형태로 바꾸는 과정에서 '토러스 유형(torus type)'과 '사영 유형(projective type)'을 어떻게 구분하며, 사영 유형의 표기법 $(aa)$ 이 토러스 유형의 표기법 $(ab a^{- 1} b^{- 1})$ 과 함께 나타날 때 어떤 일이 발생하는가?

표기법(labelling scheme)은 나타나는 문자의 쌍에 따라 두 유형으로 구분한다.

토러스 유형: 모든 문자 $a$ 가 한 번은 $a$ 로, 다른 한 번은 $a^{- 1}$ 로 나타나는 경우이다. 이는 방향을 보존하는 방식으로 변을 붙이는 것을 의미한다.

사영 유형: 어떤 문자 $a$ 가 $a$ 와 $a$ 처럼 같은 방향으로 두 번 나타나는 경우가 한 번이라도 있는 경우이다. 이는 방향을 뒤집는 방식으로 변을 붙이는 것을 포함한다.

두 유형이 함께 나타날 때: 하나의 표기법 안에 사영 유형의 쌍 $(cc)$ 와 토러스 유형의 쌍 $(ab a^{- 1} b^{- 1})$ 이 함께 존재하면, 이 표기법은 세 개의 사영 유형 쌍 $(aabb cc)$ 를 갖는 표기법과 동치(equivalent)임이 증명되어 있다. (Lemma 77.4) $\dots (cc) (ab a^{- 1} b^{- 1}) \dots \sim \dots (aabb cc) \dots$

이 결과는 기하학적으로 “손잡이 하나와 크로스캡(cross-cap) 하나의 연결합은 세 개의 크로스캡의 연결합과 위상동형”임을 의미한다. 따라서, 어떤 곡면이든 사영 유형의 표기법을 단 하나라도 포함하면, 모든 토러스 유형의 쌍을 사영 유형의 쌍으로 바꿀 수 있다. 이것이 최종 분류 목록에 토러스와 사영평면이 섞여 있는 형태(예: $T_{n} # P_{m}$ )가 등장하지 않는 이유이다.

가향성(orientability)의 기하학적 의미는 무엇이며, 다각형의 변 표기법으로부터 곡면의 가향성을 어떻게 판별할 수 있는가?

기하학적 의미: 곡면의 가향성(orientability) 이란 곡면에 ‘앞면’과 ‘뒷면’을 전체적으로 일관되게 구분할 수 있는지의 여부를 말한다. 가향 곡면(orientable surface) 위에서는 시계방향과 반시계방향을 전체적으로 구별할 수 있다. 반면, 뫼비우스의 띠처럼 띠를 따라 한 바퀴 돌았을 때 앞면이 뒷면으로 바뀌는 곡면은 비가향 곡면(non-orientable surface) 이다.

표기법으로부터 판별: 곡면의 가향성은 변 표기법의 유형으로부터 직접적으로 판별할 수 있다.

가향 곡면: 표기법이 토러스 유형 일 때, 즉 모든 문자가 $a$ 와 $a^{- 1}$ 의 쌍으로만 나타날 때 그 곡면은 가향이다. (예: $S^{2}$ 의 $a a^{- 1}$ , $T_{n}$ 의 $\prod [a_{i}, b_{i}]$ )

비가향 곡면: 표기법이 사영 유형 일 때, 즉 어떤 문자 하나라도 $a$ 와 $a$ 의 쌍으로 나타날 때 그 곡면은 비가향이다. (예: $P_{m}$ 의 $\prod a_{i} a_{i}$ )

$aa$ 와 같이 같은 방향으로 변을 붙이는 것은 기하학적으로 뫼비우스의 띠 를 만드는 과정과 같다. 뫼비우스의 띠는 비가향성의 가장 기본적인 요소이므로, 이러한 붙임 과정이 한 번이라도 포함되면 곡면 전체가 비가향이 된다.

연결합(connected sum) 연산, 즉 $X # Y$ 는 기하학적으로 어떻게 정의되는가? 예를 들어, 두 토러스의 연결합이 어떻게 이중 토러스( $T_{2}$ )가 되는지 설명하라.

두 콤팩트 연결 곡면 $X$ 와 $Y$ 의 **연결합 $X # Y$ 는 기하학적으로 다음과 같이 정의된다.

각 곡면 $X$ 와 $Y$ 에서 작은 열린 원판(open disk)을 하나씩 도려낸다.

이때 생긴 두 개의 경계원(boundary circle)을 서로 방향을 맞추어 붙인다.

두 토러스의 연결합 ( $T_{1} # T_{1} ≅ T_{2}$ ):

토러스 $T_{1}$ 은 표기법 $ab a^{- 1} b^{- 1}$ 을 갖는 사각형으로 표현할 수 있다. 여기서 원판을 도려내는 것은 사각형의 내부에 작은 구멍을 만드는 것과 같다.

이 구멍의 경계원을 새로운 변 $c$ 라고 하자. 그러면 구멍 뚫린 토러스는 표기법 $ab a^{- 1} b^{- 1} c^{- 1}$ 을 갖는 오각형으로 표현할 수 있다.

두 개의 구멍 뚫린 토러스를 준비하되, 두 번째 토러스의 경계원은 반대 방향인 $c$ 를 갖도록 한다. 즉, 두 번째 토러스는 표기법 $d e d^{- 1} e^{- 1} c$ 를 갖는 오각형이다.

이제 두 오각형의 변 $c$ 와 $c^{- 1}$ 을 따라 붙이면(pasting), 변 $c$ 가 사라지면서 하나의 팔각형이 만들어진다.

이 팔각형의 최종 표기법은 $ab a^{- 1} b^{- 1} d e d^{- 1} e^{- 1}$ 이 되며, 이는 정의상 이중 토러스( $T_{2}$ ) 이다.

콤팩트 곡면의 분류 증명은 다각형의 변 표기법(labelling scheme)에 대한 '초등 연산(elementary operations)'을 통해 이루어진다. 이 연산들 중 '자르기(cut)'와 '붙이기(paste)'를 설명하고, 이것이 표기법에 어떤 변화를 주는지 설명하라.

‘자르기’와 ‘붙이기’는 곡면의 위상동형을 유지하면서 다각형 표현을 바꾸는 핵심적인 기하학적 과정이다.

자르기 (Cutting): 하나의 다각형을 두 꼭짓점을 잇는 선분(새로운 변)을 따라 자르는 과정이다.

기하학적 과정: $n$ 각형을 잘라 $k_{1}$ 각형과 $k_{2}$ 각형으로 분리한다. 이때 새로 생긴 변은 두 다각형이 공유하게 된다.

표기법 변화: 원래 표기법 $w$ 가 $y_{0} y_{1}$ 이었다면, 자른 후에는 두 개의 표기법 $y_{0} c^{- 1}$ 와 $c y_{1}$ 으로 바뀐다. 여기서 $c$ 는 새로 생긴 변의 이름(label)이고, 두 표기법에 반대 부호로 나타나 두 조각이 다시 어떻게 붙어야 하는지를 알려준다.

붙이기 (Pasting): 두 개의 분리된 다각형을, 같은 이름과 반대 부호를 가진 변을 따라 붙여 하나의 다각형으로 합치는 과정이다.

기하학적 과정: $k_{1}$ 각형과 $k_{2}$ 각형의 특정 변을 따라 붙여 $(k_{1} + k_{2} - 2)$ 각형을 만든다.

표기법 변화: 두 표기법 $y_{0} c^{- 1}$ 와 $c y_{1}$ 이 있었다면, $c$ 변을 따라 붙인 후에는 하나의 표기법 $y_{0} y_{1}$ 으로 합쳐진다.

이 연산들은 다각형의 표현 방식을 바꿀 뿐, 최종적으로 만들어지는 몫공간(곡면) 자체를 바꾸지는 않는다. 분류 정리의 증명은 이러한 ‘자르고 붙이기’와 다른 몇 가지 연산들을 체계적으로 적용하여, 임의의 표기법을 우리가 아는 표준적인 형태 중 하나로 변형시킬 수 있음을 보이는 과정이다.

추가

조르당 곡선 정리(Jordan curve theorem)의 내용과, 이와 관련된 호(arc)의 비분리성 정리를 설명하라.

조르당 곡선 정리: 평면 $R^{2}$ 안의 임의의 단순 닫힌 곡선(simple closed curve) $C$ 는 평면을 정확히 두 개의 연결 성분(connected components)으로 분리하며, $C$ 는 이 두 성분의 공통 경계(common boundary)가 된다.

이 정리는 ‘안’과 ‘밖’이라는 직관적인 개념을 위상적으로 엄밀하게 보장해주는 근본적인 결과이다. 증명은 매우 어렵지만, 그 내용은 위상수학의 여러 분야에서 기본 가정으로 사용된다.

호의 비분리성 정리 (Arc non-separation theorem): 평면 $R^{2}$ 안의 임의의 호(arc) $A$ 는 평면을 분리하지 않는다. 즉, $R^{2} ∖ A$ 는 연결 공간이다.

이 두 정리는 닫힌 고리( $S^{1}$ 과 위상동형)와 선분( $[0, 1]$ 과 위상동형)이 평면 위에서 얼마나 다른 위상적 역할을 하는지를 극명하게 보여준다. 고리는 ‘경계’를 만들어 공간을 분리하는 반면, 선분은 공간을 분리하지 못한다.

$m$ -다양체(m-manifold)를 정의하고, 이것이 왜 곡면(surface)의 일반화인지 설명하라.

위상 공간 $X$ 가 $m$ -다양체 가 되기 위해서는 다음 세 가지 조건을 만족해야 한다.

$X$ 는 하우스도르프 공간 이다.

$X$ 는 제2가산 공리 를 만족한다 (가산 기저를 갖는다).

$X$ 의 모든 점은 $m$ 차원 유클리드 공간 $R^{m}$ 의 열린 부분집합과 위상동형인 근방을 갖는다 (국소적으로 유클리드 공간과 닮았다).

우리가 다루는 곡면(surface) 은 정의상 $2$ -다양체 이다. 즉, $m = 2$ 인 경우에 해당한다. 곡면은 국소적으로 평면 $R^{2}$ 의 열린 원판과 위상동형인 공간이다.

따라서 $m$ -다양체의 정의는 곡면의 개념을 2차원에서 임의의 차원 $m$ 으로 자연스럽게 일반화한 것이다. 예를 들어, $1$ -다양체는 곡선(curve)이고, $3$ -다양체는 우리가 사는 공간과 국소적으로 닮은 공간들을 포함한다. 다양체는 위상수학뿐만 아니라 미분기하학, 상대성 이론 등 현대 수학과 물리학의 여러 분야에서 핵심적인 연구 대상이다.

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위상수학 개념정리

위상(topology)과 위상공간(topological spaces)

위상의 기저(basis)

연속성(continuity)

부분공간(subspace)

곱공간(product space)

분리 공리 (Separation Axioms)

가산 공리 (Countability Axioms)

연결성 (Connectedness)

컴팩트성 관련 성질 (Compactness Properties)

거리화 가능성 (Metrizability)

몫공간(quotient space)

T1​ 공간

T2​ 공간 (하우스도르프 공간)

T3​ 공간 (정칙 공간) & T4​ 공간 (정규 공간)

곱위상은 약위상의 매우 중요하고 자연스러운 특수 사례이다.

거리공간(metric space)

완비성(completeness)

콤팩트성(compactness)

연결성(connectedness)

연결 성분 (Connected Components)

경로 성분 (Path Components)

수열(sequences)

가산성(countability)

SΩ​ (또는 [0,Ω)): 최소 비가산 순서집합

SΩ​​ (또는 [0,Ω]): SΩ​의 컴팩트화

분리성(separability)

거리공간화(metrization)

국소적 옹골성(local compactness)

티체 확장정리(Tietze extension)

완비 거리 공간(complete metric space)

베어 카테고리(Baire category)

호모토피(homotopy)와 호모토피 동치(homotopy equivalence)

기본군(fundamental group)

덮개공간(covering space)

덱 변환(deck transformation)

사이퍼드-반 캄펜 정리(Seifert-Van Kampen theorem)

곡면의 분류(classification of surfaces)

추가

Graph View

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Backlinks

$T_{1}$ 공간

$T_{2}$ 공간 (하우스도르프 공간)

$T_{3}$ 공간 (정칙 공간) & $T_{4}$ 공간 (정규 공간)

$S_{Ω}$ (또는 $[0, Ω)$ ): 최소 비가산 순서집합

$\overline{S_{Ω}}$ (또는 $[0, Ω]$ ): $S_{Ω}$ 의 컴팩트화