T1空間(T1 space)とは、相異なる任意の 2 点 $x,y$ に対し、$x$ を含み $y$ を含まない開集合と、$y$ を含み $x$ を含まない開集合がともに存在する位相空間のことであり、到達可能空間ともいう。これは 1 点集合(したがって有限集合)がすべて閉集合であることと同値である。Hausdorff 空間は $T_1$ であり、$T_1$ 空間は $T_0$ であるが、どちらの逆も成り立たない:無限集合上の余有限位相は $T_1$ だが Hausdorff でなく、Sierpinski 空間は $T_0$ だが $T_1$ でない。$T_1$ 性は部分空間と直積で保たれるが商空間では保たれず、有限集合上の $T_1$ 位相は離散位相だけである。可換環の素スペクトルが $T_1$ になるのは、素イデアルがすべて極大イデアルのときに限る。
位相空間の点を開集合でどの程度区別できるかを段階的に述べる条件を分離公理という。$T_1$ 空間はその下から 2 番目の段階であり、「2 点のそれぞれが、他方を含まない開集合をもつ」ことを要求する。
位相空間 $X$ が $T_1$ 空間($T_1$ space)であるとは、相異なる任意の 2 点 $x,y\in X$ に対し、
$$
x\in U,\quad y\notin U
$$
を満たす開集合 $U$ が存在することをいう。このとき $X$ は $T_1$ である、または $T_1$ 公理を満たすという。到達可能空間(accessible space)ともいう。
条件は相異なるすべての順序対 $(x,y)$ について要求しているので、$x$ と $y$ を入れ替えると、$y$ を含み $x$ を含まない開集合 $V$ も存在する。すなわち $T_1$ 空間とは、相異なる 2 点 $x,y$ に対して $x\in U$、$y\notin U$、$y\in V$、$x\notin V$ となる開集合 $U,V$ がとれる空間であり、分離公理 の記事の定義「$T_1$」と一致する(Mun00 §17、Eng89 §1.5)。$U$ と $V$ が交わらないことは要求しない。交わらない $U,V$ がとれるのが Hausdorff空間($T_2$ 空間)である。
一方、相異なる 2 点のうち一方だけを含む開集合があればよいとする条件が $T_0$ 公理であり、これを満たす空間を T0空間という。$T_0$ では「$x$ を含み $y$ を含まない開集合」と「$y$ を含み $x$ を含まない開集合」の少なくとも一方があればよいのに対し、$T_1$ では両方が要る。定義から
$$
T_2\ \Longrightarrow\ T_1\ \Longrightarrow\ T_0
$$
であり、どちらの逆も成り立たない(ex-t1-space-cofinite、ex-t1-space-sierpinski)。
空集合と 1 点からなる空間は、相異なる 2 点がないので条件を自明に満たし、$T_1$ 空間である。
$T_1$ 公理は「どの点も、ほかの 1 点から見て開集合で遠ざけられる」という条件である。後の prop-t1-space-characterizations で見るように、これは「1 点集合がすべて閉集合である」ことと同じであり、点が位相的に「つぶれていない」ことを表す。$T_0$ 空間では、相異なる点 $x,y$ について、$y$ が $x$ の閉包に入り込む($y$ のどの開近傍にも $x$ が入る)ことがありうるが、$T_1$ 空間ではそれが起こらない。
ただし $T_1$ 公理は 2 点のまわりを互いに離れた領域で囲むことまでは要求しないので、Hausdorff 性よりずっと弱い。点列の極限が一意であることなど、解析学で当然とされる性質の多くは $T_1$ だけでは保証されない(ex-t1-space-cofinite)。
距離空間 $(X,d)$ は $T_1$ 空間である。相異なる $x,y$ に対し $r:=d(x,y)>0$ とおくと、開球 $B(x,r)=\{z\in X\mid d(x,z)< r\}$ は $x$ を含み、$d(x,y)=r$ なので $y$ を含まない。より強く距離空間は Hausdorff 空間である(Hausdorff空間 の記事の例「距離空間の Hausdorff 性」)。たとえば実数直線 $\mathbb{R}$、Euclid 空間 $\mathbb{R}^n$ は $T_1$ である。
無限集合 $X$ に、空集合と補集合が有限な部分集合を開集合とする余有限位相を入れる。$x\neq y$ なら $X\setminus\{y\}$ は補集合 $\{y\}$ が有限なので開集合であり、$x$ を含み $y$ を含まない。よってこの空間は $T_1$ である。しかし空でない 2 つの開集合は、補集合がともに有限で $X$ が無限なので必ず交わり、この空間は Hausdorff 空間でない(余有限位相 の記事の命題「空でない開集合の交わり」)。
この空間は「$T_1$」を満たすが「$T_2$」を満たさず、含意「$T_1$ 空間は Hausdorff 空間である」を破る。さらに $X=\mathbb{N}$ のとき、点列 $x_n:=n$ は $\mathbb{N}$ のすべての点に収束するので、含意「$T_1$ 空間では収束する点列の極限は一意である」も破る(余有限位相 の記事の例「自然数上の余有限位相と点列」)。
余有限位相は、集合 $X$ 上の $T_1$ な位相のうちで最も粗いものである(余有限位相 の記事の命題「T1 位相の特徴づけ」)。すなわち $X$ 上の位相 $\mathcal O$ が $T_1$ であることと、$\mathcal O$ が余有限位相を含むことは同値である。
2 点集合 $S=\{0,1\}$ に開集合系 $\{\emptyset,\{1\},S\}$ を入れた空間を Sierpinski空間という。開集合 $\{1\}$ は $1$ を含み $0$ を含まないので、$S$ は $T_0$ 空間である。しかし $0$ を含む開集合は $S$ だけで、これは $1$ を含むので、$0$ を含み $1$ を含まない開集合は存在しない。よって $S$ は $T_1$ でない。この空間は「$T_0$」を満たすが「$T_1$」を満たさず、含意「$T_0$ 空間は $T_1$ 空間である」を破る。閉集合で言えば、$\{0\}=S\setminus\{1\}$ は閉集合であるが、$\{1\}$ は閉集合でなく、その閉包は $S$ である。
体 $k$ と $n\ge1$ について、$k^n$ に、多項式の集合 $S\subset k[x_1,\dots,x_n]$ の共通零点の集合 $V(S)$ を閉集合とする Zariski位相を入れる。点 $a=(a_1,\dots,a_n)$ は $V(\{x_1-a_1,\dots,x_n-a_n\})=\{a\}$ なので閉集合であり、後の prop-t1-space-characterizations により $k^n$ は $T_1$ 空間である。$k$ が無限体なら、$n=1$ の場合は余有限位相に一致するので Hausdorff でない(余有限位相 の記事の例「無限体上の直線の Zariski 位相」)。$k$ が有限体なら $k^n$ は有限集合で、すべての部分集合が有限個の点の和集合として閉なので離散位相になる。
可換環 $A$ の素イデアル全体 $\operatorname{Spec}A$ に Zariski 位相を入れる(アフィンスキーム の記事の定義「素スペクトルとZariski位相」)。点 $\mathfrak p$ の閉包は $V(\mathfrak p)=\{\mathfrak q\in\operatorname{Spec}A\mid\mathfrak q\supset\mathfrak p\}$ であり、$\mathfrak p$ が閉点であることと $\mathfrak p$ が極大イデアルであることは同値である(閉点 の記事の命題「スペクトルの閉点と極大イデアル」)。
たとえば $\operatorname{Spec}\mathbb{Z}$ では、零イデアル $(0)$ は素イデアルであるが極大イデアルでないので、$\{(0)\}$ は閉集合でない。実際 $(0)$ の閉包は $\operatorname{Spec}\mathbb{Z}$ 全体であり、素数 $p$ について、$(p)$ を含み $(0)$ を含まない開集合は存在しない(開集合 $D(f)$ が $(p)$ を含めば $f\neq0$ なので $(0)\in D(f)$ である)。一方 $\operatorname{Spec}A$ はつねに $T_0$ 空間である(閉点 の記事の系「スキームの閉点」の証明)。よって $\operatorname{Spec}\mathbb{Z}$ は「$T_0$」を満たすが「$T_1$」を満たさない。$\operatorname{Spec}A$ がいつ $T_1$ になるかは prop-t1-space-spec で決定する。
実数直線 $\mathbb{R}$ 上の同値関係 $\sim$ を、$x\sim y$ $:\Longleftrightarrow$ $x=y$ または $x,y\in(0,1)$ で定め、商空間 $Y:=\mathbb{R}/{\sim}$ と商写像 $q\colon\mathbb{R}\to Y$ を考える(商写像 の記事の定義「同値関係による商空間」)。$Y$ の点 $c:=q((0,1))$ について $q^{-1}(\{c\})=(0,1)$ は $\mathbb{R}$ の閉集合でないので、商位相の定義により $\{c\}$ は $Y$ の閉集合でない。よって後の prop-t1-space-characterizations により $Y$ は $T_1$ でない。$\mathbb{R}$ は $T_1$ なので、この例は含意「$T_1$ 空間の商空間は $T_1$ 空間である」を破る。$q$ は連続写像で全射なので、$T_1$ 性が連続写像による像で保たれないことも示している。
1 ⇔ 2 ⇔ 3 は 閉点 の記事の命題「$T_1$ 空間の特徴づけ」で証明されている(分離公理 の記事の命題「$T_1$ と一点集合の閉性」も同じ)。要点は、1 のもとで $x$ を含まない開集合をすべて合わせると $X\setminus\{x\}$ になることと、2 のもとで $X\setminus\{y\}$ が $x$ を含み $y$ を含まない開集合になることである。残りを示す。
2 ⇒ 4:$x$ を含む開集合の共通部分を $I_x$ とおくと $x\in I_x$ である。$y\neq x$ なら、2 により $X\setminus\{y\}$ は $x$ を含む開集合なので、$y\notin I_x$ である。よって $I_x=\{x\}$ である。
4 ⇒ 1:$x\neq y$ とすると、4 により $y\notin I_x$ なので、$x$ を含む開集合 $U$ で $y\notin U$ となるものがある。
2 ⇔ 5:閉包 $\overline{\{y\}}$ は $\{y\}$ を含む最小の閉集合なので、$\{y\}$ が閉集合であることと $\overline{\{y\}}\subset\{y\}$ であることは同値である。後者がすべての $y$ について成り立つことが 5 にほかならない。
5 ⇔ 6:定数列 $x,x,\dots$ が $y$ に収束することは、$y$ のどの開近傍も $x$ を含むことと同値である。一方、点 $y$ が集合 $B$ の閉包に属することは、$y$ のどの開近傍も $B$ と交わることと同値である(閉包の基本性質)。$B=\{x\}$ とすると、定数列 $x,x,\dots$ が $y$ に収束することは $y\in\overline{\{x\}}$ と同値である。したがって 6 は「$y\in\overline{\{x\}}$ ならば $y=x$」がすべての $x,y$ について成り立つことを意味し、文字を入れ替えれば 5 と同じである。$\square$
5 の条件は、点の間の関係 $x\preceq y$ $:\Longleftrightarrow$ $x\in\overline{\{y\}}$ を使って言い直せる。この関係は反射的で推移的な関係(前順序)であり、$x\preceq y$ は「$x$ のどの開近傍も $y$ を含む」と同値である。
上の関係 $\preceq$ を $X$ の特殊化の前順序という。$\preceq$ が反対称的である($x\preceq y$ かつ $y\preceq x$ なら $x=y$)ことは $X$ が $T_0$ であることと同値であり、$\preceq$ が等号だけである($x\preceq y$ なら $x=y$)ことは、prop-t1-space-characterizations の 5 により $X$ が $T_1$ であることと同値である。前者は次のように確かめられる。$x\preceq y$ かつ $y\preceq x$ は、$x$ の開近傍がすべて $y$ を含み、$y$ の開近傍がすべて $x$ を含むこと、すなわち $x$ と $y$ の一方だけを含む開集合がないことである。
たとえば ex-t1-space-sierpinski の Sierpinski 空間では $0\preceq1$ であり、ex-t1-space-spec の素スペクトルでは $\mathfrak q\preceq\mathfrak p$ と $\mathfrak q\supset\mathfrak p$ が同値である。
$A$ を可換環とする。$\operatorname{Spec}A$ が $T_1$ 空間であることと、$A$ の素イデアルがすべて極大イデアルであることは同値である。とくに $A$ が整域なら、$\operatorname{Spec}A$ が $T_1$ であることと $A$ が体であることは同値である。
prop-t1-space-characterizations により、$\operatorname{Spec}A$ が $T_1$ であることは、そのすべての点が閉点であることと同値である。閉点 の記事の命題「スペクトルの閉点と極大イデアル」により、点 $\mathfrak p$ が閉点であることは $\mathfrak p$ が極大イデアルであることと同値なので、前半が従う。$A$ が零環のときは $\operatorname{Spec}A=\emptyset$ であり、両辺とも成り立つ。
$A$ が整域なら $(0)$ は素イデアルである。$A$ が体なら素イデアルは $(0)$ だけで、これは極大イデアルである。$A$ が体でないなら、$0$ でも単元でもない元 $a$ があり、$(0)\subsetneq(a)\subsetneq A$ なので $(0)$ は極大イデアルでない。前半と合わせて後半が従う(素スペクトルの閉点については AM69 Chapter 1 の演習 18 も参照)。$\square$
$A\neq0$ のとき、素イデアルがすべて極大であることは $A$ の Krull次元が $0$ であることにほかならない。たとえば体、$\mathbb{Z}/n\mathbb{Z}$($n\ge2$)、有限個の体の直積環、Artin環、Boole環の素スペクトルは $T_1$ である。$\mathbb{Z}$ や体 $k$ 上の多項式環 $k[x]$ は体でない整域なので、その素スペクトルは $T_1$ でない(ex-t1-space-spec)。
いずれも prop-t1-space-characterizations の 2 を使う。
1:$y\in Y$ について $\{y\}$ は $X$ の閉集合なので、$\{y\}=\{y\}\cap Y$ は相対位相で $Y$ の閉集合である。
2:点 $x=(x_i)_{i\in I}$ について、射影 $\mathrm{pr}_i$ は連続で $\{x_i\}$ は $X_i$ の閉集合なので、$\mathrm{pr}_i^{-1}(\{x_i\})$ は閉集合であり、
$$
\{x\}=\bigcap_{i\in I}\mathrm{pr}_i^{-1}(\{x_i\})
$$
も閉集合である($I=\emptyset$ なら直積は 1 点集合で、共通部分は全体と約束する)。
3:点 $a=(a_i)_{i\in I}\in\prod_iX_i$ を 1 つとり、$j\in I$ を固定する。$t\in X_j$ に対し、$j$ 成分が $t$ で、$i\neq j$ の成分が $a_i$ である点を $s(t)$ とおくと、写像 $s\colon X_j\to\prod_iX_i$ は、各 $\mathrm{pr}_i\circ s$ が恒等写像($i=j$)か定値写像($i\neq j$)なので連続である(直積位相の普遍性)。$s$ は単射なので $\{t\}=s^{-1}(\{s(t)\})$ であり、閉集合 $\{s(t)\}$ の連続写像による逆像として $X_j$ の閉集合である。$\square$
1 は 分離公理 の記事の命題「基本的な分離公理の遺伝性」にもある。ex-t1-space-quotient で見たように、商空間と連続写像による像では $T_1$ 性は保たれない。
1:どの開近傍も $A$ の点を無限個含めば、そのうち $x$ と異なるものがあるので、$x$ は集積点である。逆に、$x$ の開近傍 $U$ で $U\cap A$ が有限集合であるものがあったとする。$F:=(U\cap A)\setminus\{x\}$ は有限集合なので prop-t1-space-characterizations の 3 により閉集合であり、$U\setminus F$ は $x$ を含む開集合で、$x$ と異なる $A$ の点を含まない。よって $x$ は集積点でない。
2:$x\in\overline{A'}$ とし、$U$ を $x$ の開近傍とする。$U\cap A'\neq\emptyset$ なので $y\in U\cap A'$ がとれる。$y=x$ なら $x\in A'$ であり、$U$ は $x$ と異なる $A$ の点を含む。$y\neq x$ なら、$\{x\}$ は閉集合なので $U\setminus\{x\}$ は $y$ の開近傍であり、$y\in A'$ よりこれは $A$ の点 $a\neq y$ を含む。$a\in U$ かつ $a\neq x$ である。いずれの場合も $U$ は $x$ と異なる $A$ の点を含むので $x\in A'$ であり、$\overline{A'}\subset A'$ が示された。$\square$
2 点集合 $X=\{a,b\}$ に密着位相を入れ、$A=\{b\}$ とする。$a$ の開近傍は $X$ だけで、これは $a$ と異なる $A$ の点 $b$ を含むので、$a$ は $A$ の集積点である。しかし $X$ は $A$ の点を 1 個しか含まない。この空間は $T_1$ を満たさず、prop-t1-space-accumulation の 1 の結論「集積点のどの開近傍も $A$ の点を無限個含む」を破る。さらに $A'=\{a\}$ であり、その閉包は $X$ なので、2 の結論「導集合は閉集合である」も破れている。
有限集合 $X$ 上の位相が $T_1$ であることと、それが離散位相であることは同値である。
離散位相では 1 点集合が開集合なので $T_1$ である。逆に $X$ が $T_1$ なら、$X$ の部分集合 $B$ はすべて有限集合なので、prop-t1-space-characterizations の 3 により $X\setminus B$ は閉集合、すなわち $B$ は開集合である。$\square$
したがって離散位相でない有限位相空間は $T_1$ でない。有限集合上の位相は特殊化の前順序(rem-t1-space-specialization)と一対一に対応し、$T_1$ な位相は前順序が等号だけである場合、すなわち離散位相に対応する。有限位相空間の理論は $T_0$ ではあるが $T_1$ でない空間を主な対象とする。
分離公理 の記事では、正則性条件・完全正則性条件・正規性条件に $T_1$ を加えたものを $T_3$・$T_{3.5}$・$T_4$ と呼ぶ。正則性条件だけでは $T_1$ は従わない(密着空間が正則性条件を満たす)が、正則性条件を満たす $T_1$ 空間は Hausdorff 空間である(分離公理 の記事の定理「$T_4$ から $T_0$ までの含意」)。実際、$x\neq y$ なら $\{y\}$ は閉集合なので、$x$ と $\{y\}$ を交わらない開集合で分離できる。
$T_1$ 空間では、コンパクト空間である部分集合が閉集合とは限らない(無限集合上の余有限位相では、すべての部分集合がコンパクトである。余有限位相 の記事の命題「部分集合のコンパクト性」)。この点は Hausdorff 空間と異なる(Hausdorff空間 の記事の命題「コンパクト部分集合の閉性」)。
位相群では分離公理の段階が縮まり、$T_0$、$T_1$、Hausdorff の 3 条件が同値になる(位相群 の記事で扱う)。
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