연결 공간

 


Connected Space
1. 정의
1.1. 연결 공간
1.2. 경로 연결 공간
1.3. 연결성분
1.4. 경로 연결성분
2. 연결성과 열린 닫힌 집합
3. 국소적 연결 공간
4. 단순 연결


1. 정의



1.1. 연결 공간


연결 공간을 직접적으로 정의하는 것이 아니라 비연결 공간을 정의하고 비연결이 아닌 공간을 연결 공간이라 한다.

위상 공간 $$X$$의 임의의 공집합이 아닌 열린집합 $$A, B$$에 대하여, $$ X= A\cup B $$이고 $$ A\cap B = \emptyset $$이면 $$\{ A, B\}$$를 $$X$$의 분리(separation)라 하고 $$X$$의 분리 $$\{ A, B\}$$가 존재하면 $$X$$는 비연결 공간(disconnected space)라 한다.

위상 공간 $$X$$가 연결(connected)이란 $$X$$의 분리 $$\{ A, B\}$$가 존재하지 않는 경우를 말한다. 이러한 공간을 연결 공간(connected space)이라 한다.

1.2. 경로 연결 공간


경로연결공간(path-connected space)는 모든 점이 경로로 연결된 공간이다. 이를 수학적으로 서술하면 다음과 같다.

위상 공간 $$X$$상의 임의의 두 점 $$p, q$$에 대하여 $$\gamma(0)=p, \gamma(1)=q$$를 만족하는 연속함수 $$\gamma\colon[0, 1]\to X$$가 존재할 때, $$X$$를 경로연결공간(path-connected space)이라 한다.

쉽게 말해, 아무 점을 두 개 잡았을 때 한 점에서 출발해 다른 한 점으로 도착하는 연속함수를 항상 잡을 수 있다는 뜻이다. 이것이 불가능한 공간을 비경로연결공간(path-disconnected space)이라고 한다.
위 경로연결공간의 정의에서 나와있듯이, 두 점 $$p, q\in X$$에 대하여 $$\gamma(0)=p, \gamma(1)=q$$를 만족하는 연속함수 $$\gamma\colon[0, 1]\to X$$를 $$p$$와 $$q$$ 사이의 경로(path)라고 한다.
자명하게, 경로연결이면 연결이다. 증명은 가정법을 이용, f-1(U), f-1(V)를 잡고, [0,1]이 연결공간인걸 이용하면 된다. [0,1]이 연결공간인 건 해석개론 시간에 지겹게 할테니 패스.
반면, 연결공간이 항상 경로연결공간인 것은 아니다. 좋은 반례로 위상수학자의 사인곡선이 있다.
일반적으로, 다양체에서는 경로연결과 연결이 동치라는 것이 알려져 있다.

1.3. 연결성분


위상공간 $$X$$의 점 $$x$$를 포함하는 가장 큰 연결부분공간을 $$x$$의 연결성분이라 한다.

1.4. 경로 연결성분


위상공간 $$X$$의 점 $$x$$와 경로로 연결할 수 있는 모든 점들의 집합을 $$x$$의 경로 연결성분이라 한다.

2. 연결성과 열린 닫힌 집합


$$X$$가 비연결공간이면 정의에 따라서, 공집합이 아니고 서로소인 두 열린 집합 $$U, V \in X$$가 존재하여 $$X=U\cup V$$를 만족한다. 그렇다면 $$U = X \setminus V$$이므로 $$U$$는 열린 동시에 닫혔고, $$V$$ 역시 마찬가지다.
반대로 $$X$$가 연결공간이면 열린 닫힌 집합이 $$\emptyset $$, $$X$$ 뿐이다.

3. 국소적 연결 공간


위상공간 $$ (X,\mathcal{T}) $$에 대하여, $$X$$의 모든 점이 항상 연결부분공간인 근방을 지닐 때 국소 연결 공간(Locally Connected Space)이라고 부른다.
즉, 위상공간 $$\left(X, \mathcal{T}\right)$$이 주어졌을 때, 임의의 $$x \in X$$에 대하여 $$x \in Y \subset X$$인 근방 Y가 X의 부분공간으로서 위상르 주었을 때 연결공간이 될 수 있다는 뜻이다.

4. 단순 연결


단순연결공간(simply connected space)는 길연결보다 강한 연결의 개념이며 주로 다음과 같이 정의된다.

위상 공간 $$X$$ 의 기본군이 자명군일때 이를 단순연결공간(simply connected space)이라 한다.

더 자세히 들어가려면 연속변형이니 기본군이니 왱알왱알 해야 하지만 조금 직관적으로 설명해 보자면 우리가 경로 연결성을 판단할 때는 두 점을 잇는 곡선을 그릴수 있냐로 판단할 수 있다. 그렇다면 속이 꽉 찬 원판과 그것의 가운데에 구멍이 난 원판을 생각을 해 보자. 둘다 아무 점이나 둘을 찍어 곡선을 연결하는것은 어려운 일이 아닐 것이다. 이제 곡선중 시작점과 끝점이 같은 고리형태의 곡선을 생각해보자. 원판에서는 자연스럽게 시작점으로 끌어 당길 수 있지만 구멍이 나 있는 공간에서 구멍을 감싸는 곡선이라면 구멍이 난 부분을 통과하기 위해서는 들어오기 위해서는 구멍을 빠져나오는 과정이 적어도 한번 필요하다. 그리고 전자의 경우를 단순연결이라 한다.
더 쉽게 말하면 아무 닫힌곡선이든 한점으로 수축가능하다면 그것이 단순연결이라는 것이다.
[각주]