위상수학자의 사인곡선

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1. 개요2. 정의3. 개형4. 성질5. 의의

1. 개요[편집]

topologist's sine curve

위상수학자의 사인곡선이란 2차원 공간 R2\mathbb R^2 위에 정의된 특수한 집합으로, 연결 공간이지만 경로 연결 공간이 아닌 대표적인 예시이다.

2. 정의[편집]

함수 f:R−{0}→Rf: \mathbb R - \left\{ 0 \right\} \to \mathbb R을

f(x)={sin⁡1x,if x≠00,if x=0f(x) = \begin{cases} \sin \dfrac 1x, & \mathsf{if} \ x \neq 0 \\ 0, & \mathsf{if} \ x = 0 \end{cases}

라고 정의하자. 이 때 f∣(0,1]f \rvert _{(0, 1]}의 그래프 T⊂R2T \subset \mathbb R^2는 다음과 같다.

T={(x,f(x))∈R2∣x∈(0,1]}={(x,sin⁡1x)∈R2 ∣ x∈(0,1]}T = \left\{ (x, f(x)) \in \mathbb R^2 | x \in (0, 1] \right\} = \left\{ \left( x, \sin \dfrac 1x \right) \in \mathbb R^2 \ \bigg| \ x \in (0, 1] \right\}

여기서 T⊂R2T \subset \mathbb R^2의 폐포

T‾={(x,sin⁡1x)∣ x∈(0,1]}⋃{(0,y) ∣ y∈[−1,1]}⊂R2\overline T = \left\{ \left( x, \sin \dfrac 1x \right) \bigg| \ x \in (0, 1] \right\} \bigcup \left\{ (0, y) \ | \ y \in [-1, 1] \right\} \subset \mathbb R^2

을 위상수학자의 사인 곡선이라고 부른다.

3. 개형[편집]

▲ 위상수학자의 사인 곡선의 개형. Wolfram Alpha
{sin⁡θ=0⇔θ=nπ,for some n∈Zsin⁡θ=1⇔θ=(2n+12)π,for some n∈Zsin⁡θ=−1⇔θ=(2n+32)π,for some n∈Z\begin{cases} \sin \theta = 0 & \Leftrightarrow \theta = n \pi, & \mathsf{for} \ \mathsf{some} \ n \in \mathbb Z \\ \sin \theta = 1 & \Leftrightarrow \theta = \left(2n + \dfrac 12 \right) \pi, & \mathsf{for} \ \mathsf{some} \ n \in \mathbb Z \\ \sin \theta = -1 & \Leftrightarrow \theta = \left(2n + \dfrac 32 \right) \pi, & \mathsf{for} \ \mathsf{some} \ n \in \mathbb Z \end{cases}

이므로, T‾\overline T는 (1nπ,0)\left( \dfrac 1{n \pi}, 0 \right), (1(2n+1/2)π,1)\left( \dfrac 1{\left(2n + 1/2 \right) \pi}, 1 \right), (1(2n+3/2)π,−1)\left( \dfrac 1{\left(2n + 3/2 \right) \pi}, -1 \right)(n∈Nn \in \mathbb N)와 같은 점을 모두 포함한다. 이 때 nn이 11 증가할 때마다, 사인 곡선 한 주기를 지나게 되므로 우리의 T‾\overline T는 00으로 다가갈수록 주기가 짧아짐을 알 수 있다. 또 임의의 실수 γ∈[−1,1]\gamma \in [-1, 1]에 대하여 sin⁡ϕ=γ\sin \phi = \gamma 인 ϕ∈[0,2π]\phi \in [0, 2 \pi]가 존재하므로, 다음과 같은 TT의 부분집합을 생각할 수 있다.

Tγ={(12nπ+ϕ,γ)∣ n∈N}T_\gamma = \left\{ \left( \dfrac 1{2n \pi + \phi}, \gamma \right) \bigg| \ n \in \mathbb N \right\}

lim⁡n→∞12nπ+ϕ=0\lim \limits_{n \to \infty} \dfrac 1{2n \pi + \phi} = 0이므로, TγT_\gamma 의 폐포는 Tγ‾=Tγ ∪ {(0,γ)}\overline {T_\gamma } = T_\gamma \ \cup \ \left\{ (0, \gamma ) \right\}이다. 따라서 lim⁡x→0+f(x)\lim \limits_{x \to 0+} f(x)는 존재하지 않는다.

4. 성질[편집]

[보조정리 1]

T‾\overline T는 연결 공간이다.

[ 증명 ]
우선, TT가 경로 연결 공간임을 보이자. TT 위의 임의의 두 점이 (x,sin⁡1x)\left( x, \sin \dfrac 1x \right), (y,sin⁡1y)\left( y, \sin \dfrac 1y \right)일 때, 경로 f:I=[0,1]→Tf: I = [0, 1] \to T를

f(t):=(x+t(y−x),sin⁡1x+t(y−x))f(t) := \left( x + t(y - x), \sin \dfrac 1{x + t(y - x)} \right)

로 놓으면 ff가 두 점 사이의 경로를 준다.
이제 곡선 TT가 경로 연결 공간이므로, TT는 자연스럽게 연결 공간이 된다.[1] 연결 공간의 폐포도 연결 공간이므로, T‾\overline T는 연결 공간이다.□
[보조정리 2]

T‾\overline T는 경로 연결 공간이 아니다.

[ 증명 ]
결론을 부정하여 T‾\overline T가 경로 연결 공간이라고 하자. 그러면, T‾\overline T의 점 f(0)=(0,1)f(0) = (0, 1)과 f(1)=(1,sin⁡1)f(1) = (1, \sin 1)을 잇는 경로 f:I=[0,1]→T‾f: I = [0, 1] \to \overline T가 존재한다. 경로 ff는 2차원 공간 R2\mathbb R^2를 공역으로 갖는 연속함수이므로, xx축 및 yy축에 해당하는 성분함수 f1:I=[0,1]→Rf_1: I = [0, 1] \to \mathbb R와 f2:I=[0,1]→Rf_2: I = [0, 1] \to \mathbb R도 연속함수이다.

이제 T‾\overline T의 닫힌 부분집합 {0}×I⊂T‾\left\{ 0 \right\} \times I \subset \overline T를 생각하면, 역상 f−1({0}×I)f^{-1}(\left\{ 0 \right\} \times I)도 II의 닫힌 부분집합 이어야 한다. 한편 실수의 유계이면서 닫힌 부분집합은 최댓값을 가지므로, α=max⁡f−1({0}×I)\alpha = \max f^{-1}(\left\{ 0 \right\} \times I)라 놓을 때 f(α)=(0,β)∈{0}×If(\alpha ) = (0, \beta ) \in \left\{ 0 \right\} \times I이다.

다음으로 γ∈I−{β}\gamma \in I - \left\{ \beta \right\}인 γ\gamma를 고르고, sin⁡ϕ=γ\sin \phi = \gamma 인 ϕ∈[0,2π]\phi \in [0, 2 \pi]를 택하자. α<1\alpha < 1이므로, α<α′<1\alpha < \alpha' < 1인 α′\alpha'를 아무거나 고르자. α′>α\alpha' > \alpha이므로 f1(α′)>0f_1(\alpha') > 0이다. 따라서 중간값 정리에 의해 f1([α,α′])f_1([\alpha, \alpha'])은 [0,f1(α′)]\left[ 0, f_1(\alpha') \right]의 모든 값을 가지며, 이 중에는 특별히 12nπ+ϕ\dfrac 1{2n \pi + \phi}와 같은 수들이 무수히 많이 존재한다.

따라서, f([α,α′])f([\alpha, \alpha'])는 무수히 많은 (12nπ+ϕ,γ)\left( \dfrac 1{2n \pi + \phi}, \gamma \right)를 가진다. 이 집합의 극한점은 (0,γ)(0, \gamma)인데, 구간 [α,α′][\alpha, \alpha']가 닫힌 집합이므로 (0,γ)∈f([α,α′])(0, \gamma) \in f([\alpha, \alpha'])이다. 그런데 [α,α′][\alpha, \alpha']의 점 중에서 α\alpha를 제외한 점들은 전부 xx좌표가 양수이므로 (0,γ)(0, \gamma)가 될 수 있는 것은 α\alpha 뿐이다. 그러나, f(α)=(0,β)≠(0,γ)f(\alpha ) = (0, \beta ) \neq (0, \gamma) 이므로 모순을 얻는다.

종합하면 귀류법의 가정이 잘못되었으며, T‾\overline T는 경로 연결 공간이 아니라는 결론을 얻는다.□

5. 의의[편집]

이 집합의 존재로 인해, 연결 공간과 경로 연결 공간은 같은 개념이 아님을 알 수 있다.

[1] 이는 단위 구간 I=[0,1]I = [0, 1]이 연결 공간이므로 성립한다.