그물 (수학)

틀:위키데이터 속성 추적 위상수학에서 그물(틀:Llang) 또는 무어-스미스 열(Moore-Smith列, 틀:Llang)은 점렬의 일반화이다. 점렬과 달리, 그 지수가 자연수 대신 임의의 상향 원순서 집합일 수 있다.

정의

집합 $X$ 위의 그물은 어떤 상향 원순서 집합 $I$에 대하여 $I$에서 $X$로 가는 함수 $x_{\bullet }:I\to X$이다. 이는 흔히 점렬과 유사하게 첨자로 $(x_i{)}_{i\in I}$와 같이 표기한다.

점렬은 전순서 집합 $(\mathbb{N},\le )$에서 어떤 집합으로 가는 함수이므로, 그물은 점렬의 일반화이다.

상향 원순서 집합 $I$와 집합 $X$ 및 $X$ 속의 그물 $(x_i{)}_{i\in I}$ 및 $X$의 부분 집합 $S\subseteq X$가 주어졌다고 하자.

• 만약 $\{x_i:i\gtrsim i_0\}\subseteq S$가 성립하는 $i_0\in I$가 존재한다면, $(x_i{)}_{i\in I}$가 최종적으로 $S$에 속한다(틀:Llang)고 한다.
• 만약 임의의 $i\in I$에 대하여 $x_j\in S$인 $j\gtrsim i$가 존재한다면, $(x_i{)}_{i\in I}$가 빈번히 $S$에 속한다고 한다.

$(x_i{)}_{i\in I}$가 극대 그물(極大-, ultranet, universal net)일 필요충분조건은, X의 임의의 부분 집합 $S\subseteq X$에 대하여 $(x_i{)}_{i\in I}$가 최종적으로 $S$에 속하거나 최종적으로 여집합 $X\setminus S$에 속하는 것이다. 이는 극대 필터에 대응되는 개념이다.

극한

상향 원순서 집합 $I$와 위상 공간 $X$ 및 $X$ 속의 그물 $(x_i{)}_{i\in I}$ 및 점 $x\in X$가 주어졌다고 하자. 만약 다음 조건이 성립한다면, $(x_i{)}_{i\in I}$가 $x$로 수렴한다(틀:Llang) 또는 극한 $x$를 갖는다(틀:Llang)고 한다.

• $x$의 임의의 근방 $U\ni x$에 대하여 $(x_i{)}_{i\in I}$는 최종적으로 $U$에 속한다.

그물 $(x_i{)}_{i\in I}$가 $x$로 수렴할 경우, 점렬의 경우처럼 다음과 같이 쓴다.

$\underset{i\in I}{\lim }{x}_i=x$

만약 $X$에 기저가 주어져 있을 경우, 그물이 $x$로 수렴하는 것을 보이기 위해서는 그물이 최종적으로 $x$를 포함하는 기저의 원소들에 속한다는 것만 보이면 된다.

상극한과 하극한

상향 원순서 집합 $(I,\lesssim )$에서 실수로 가는 그물의 경우, 상극한·하극한을 점렬의 경우와 유사하게 다음과 같이 정의할 수 있다.틀:Rp틀:Rp틀:Rp

$\underset{i\in I}{\mathrm{lim\; sup}}{x}_i=\underset{i\in I}{\lim }\underset{i\lesssim j}{\sup }{x}_j=\underset{i\in I}{\inf }\underset{i\lesssim j}{\sup }{x}_j$

$\underset{i\in I}{\mathrm{lim\; inf}}{x}_i=\underset{i\in I}{\lim }\underset{i\lesssim j}{\inf }{x}_j=\underset{i\in I}{\sup }\underset{i\lesssim j}{\inf }{x}_j$

그물의 상극한과 하극한은 점렬에서와 비슷한 성질을 갖는다. 예를 들어, 다음이 항상 성립한다.

$\mathrm{lim\; sup}(x_{\alpha }+y_{\alpha })\le \mathrm{lim\; sup}{x}_{\alpha }+\mathrm{lim\; sup}{y}_{\alpha },$

이 부등식에서 두 그물 중 하나가 수렴하면 등호가 성립한다.

성질

연속 함수

점렬은 위상 공간의 각종 특성을 정의하는 데 자연스럽지 못한 경우가 많다. 이는 점렬이 자연수를 정의역으로 갖는데, 자연수 집합은 가산 집합이므로 지나치게 작기 때문이다. 예를 들어, 일반적인 두 위상 공간 $X$, $Y$ 사이의 함수 $f:X\to Y$에 대하여, 다음 두 조건이 동치가 아니다.

• 연속 함수이다.
• 임의의 점렬 $(x_n{)}_{n\in \mathbb{N}}\subseteq X$이 만약 $x\in X$에 수렴한다면, $(f(x_n){)}_{n\in \mathbb{N}}$ 역시 $f(x)$로 수렴한다.

전자는 후자를 항상 함의하며, X, Y가 제1 가산 공간일 경우에는 후자가 전자를 함의하지만, 일반적 위상 공간에 대해서는 후자가 전자를 함의하지 못할 수 있다.

그물을 사용하면 이러한 문제가 발생하지 않는다. 구체적으로, 임의의 위상 공간 $X$, $Y$ 및 함수 $f:X\to Y$에 대하여, 다음 두 조건이 서로 동치이다.

• 연속 함수이다.
• 임의의 그물 $(x_i{)}_{i\in I}\subseteq X$이 만약 $x\in X$에 수렴한다면, 그물 $(f(x_i){)}_{i\in I}$ 역시 $f(x)$로 수렴한다.

닫힌집합 · 콤팩트 집합

위상 공간 $X$의 부분 집합 $S\subseteq X$에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.

• 닫힌집합이다.
• $S$ 속의 임의의 그물의 임의의 ($X$ 속에서 취한) 극한은 $S$의 원소이다. 즉, 그물 극한은 $S$를 벗어나지 않는다.

위상 공간 $X$의 부분 집합 $S\subseteq X$ 및 점 $x\in X$에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.

• $x\in \mathrm{cl}(S)$. 여기서 $\mathrm{cl}$은 폐포이다.
• $x$로 수렴하는 $S$ 속의 그물이 존재한다.

볼차노-바이어슈트라스 정리에 따르면, 위상 공간 $X$에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.

• 콤팩트 공간이다.
• $X$ 속의 임의의 그물은 수렴하는 부분 그물을 갖는다.

극한의 존재·유일성

일반적인 위상 공간에서 임의의 그물은 극한을 0개·1개·2개 이상 가질 수 있다. 그러나 하우스도르프 공간 속의 그물의 극한은 0개 또는 1개이다.

위상 공간 $X$ 속의 그물 $(x_i{)}_{i\in I}$이 극한을 가질 필요충분조건은 모든 부분그물이 극한을 갖는 것이다. 이때 $(x_i{)}_{i\in I}$의 모든 극한은 모든 부분그물의 극한이 된다.

곱위상이 주어진 곱공간의 그물이 극한을 가질 필요충분조건은 그물의 각 사영(projection, 정확히 말해 어떤 공간들의 곱공간에서 원래의 공간 중 하나로 내리는 사영사상과 원래 그물의 합성함수로 이루어지는 그물)이 극한을 갖는 것이다. 이 성질과 볼차노-바이어슈트라스 정리를 이용하면 티호노프 정리를 쉽게 증명할 수 있다.

위상 공간 $X$ 속의 그물 $(x_i{)}_{i\in I}$ 및 점 $y\in X$이 다음 조건을 만족시킨다면 $y$가 $(x_i{)}_{i\in I}$의 집적점이라고 한다.

• $y$의 임의의 근방 $U\ni y$에 대하여 $(x_i{)}_{i\in I}$가 빈번히 $U$에 속한다.

그물 $(x_i{)}_{i\in I}$의 집적점의 집합은 $(x_i{)}_{i\in I}$의 부분그물의 극한들을 모두 모은 집합과 같다.

역사

미국 수학자 일라이어킴 헤이스팅스 무어와 허먼 라일 스미스(틀:Llang)가 1922년 처음 도입하였다.

유사한 목적으로 개발된 개념으로 필터가 있다.

각주

• 틀:서적 인용
• 틀:서적 인용
• 틀:저널 인용
• Schechter, Eric (1997). Handbook of Analysis and its Foundations. San Diego: Academic Press. ISBN 126227608.
• 틀:저널 인용

외부 링크

• 틀:Eom
• 틀:Eom
• 틀:Nlab
• 틀:Nlab