連続写像のソースを表示

{{脚注の不足|date=2022年12月}}
{{Calculus}}
[[数学]]において、[[関数 (数学)|関数]]または[[写像]] {{mvar|f}} が、[[定義域]]のある点 {{mvar|a}} において'''連続'''（れんぞく、{{lang-en-short|continuous}}）であるとは、{{mvar|f}} が {{mvar|a}} において[[極限]]を保つこと、平たく言えば、{{mvar|f}} の入力 {{mvar|x}} を {{mvar|a}} に「限りなく近づける」ことで、その近づけ方によらず、出力 {{math|''f''(''x'')}} をも {{math|''f''(''a'')}} に「限りなく近づける」ことができるということである。特に定義域の全ての点において連続であるとき、 {{mvar|f}} は'''連続関数'''（れんぞくかんすう、{{lang-en-short|continuous function|links=no}}）または'''連続写像'''（れんぞくしゃぞう）という。連続でないことは'''不連続'''（ふれんぞく、{{lang-en-short|discontinuous|links=no}}）という。

連続性は[[多項式関数]]や[[指数関数]]といった多くの[[初等関数]]が備える性質であり、[[実数値関数]]では[[連結集合]]{{Efn2|[[実関数]]では単一の[[区間 (数学)|区間]]}}の上で[[中間値の定理]]、[[コンパクト集合]]{{Efn2|[[ユークリッド空間]]上の関数では[[有界]][[閉集合]]}}の上で[[最大値最小値定理]]が成り立つほか、[[微分可能関数|微分可能]]であるための必要条件や[[積分法|積分可能]]であるための十分条件でもあるなど、[[解析学]]的に重要な性質を伴う。

連続性は[[位相空間論]]において一般化され、[[近傍系]]や[[開集合|開集合系]]などの[[位相的構造]]を[[逆像]]で保つこととして定義され（[[#位相空間の間の写像の連続性|後述]]）、この意味で連続写像は位相的構造についての[[準同型]]である。そのため、[[位相空間]]の間の写像が、双方向に位相的構造を保つ写像、つまり[[同相写像]]であることは、[[逆写像|逆]]も連続な[[全単射]]連続写像であることと同値である。さらに、連続写像は[[位相空間の圏]]における[[射]]となる。また、連続性は[[ホモトピー]]の定義などを通じて[[位相幾何学]]の土台をなす。

== 実関数の連続性 ==
[[ファイル:Epsilon-delta definition of continuity (GIF).gif|サムネイル|右|ε-δ論法による関数の連続性]]
[[実関数]]、すなわち[[定義域]]と[[値域]]がともに[[実数直線]]上にある関数 {{math|''f''(''x'')}} が {{math|''x'' {{=}} ''a''}} を含む[[区間 (数学)|区間]]で定義されているとき、[[座標平面]]上にその[[グラフ (関数)|グラフ]]を描くことができるが、{{mvar|a}} における連続性とは、『数直線上の左から {{math|''x'' {{=}} ''a''}} に近づいたときの[[片側極限|極限値]]と、数直線上の右から {{math|''x'' {{=}} ''a''}} に近づいたときの極限値が一致して、しかも {{math|''f''(''a'')}} に等しいこと』{{Sfn|加藤|2019|p=71}}であり、[[関数の極限]]を用いて以下の等式で定義される{{Sfn|加藤|2019|p=71}}{{Efn2|杉浦{{Sfn|杉浦|1985|loc=第I章 §6}}も同じ等式で定義しているが、より一般に[[ユークリッド空間]]について述べていることと、極限の定義が一般的な定義と僅かに異なる（同値ではない）ことに注意を要する。この記事での意味の等式に最も近い表現は命題6.5の d) である。}}。
: <math> \lim_{x \to a} f(x) = f(a) </math>

これは[[ε-δ論法]]によって次のように言い換えることができる。
: [[任意]]の[[正数|正]]の実数 {{mvar|&epsilon;}} について、適切に正の実数 {{mvar|&delta;}} をとることで、{{mvar|f}} の定義域に含まれて {{math|{{abs|''x'' &minus; ''a''}} < ''&delta;''}} を満たす全ての {{math|''x'' &ne; ''a''}} について {{math|{{abs|''f''(''x'') &minus; ''f''(''a'')}} < ''&epsilon;''}} が成り立つ。
これはつまり、どれだけ小さな正の実数 {{mvar|&epsilon;}} に対しても「{{mvar|a}} との誤差が {{mvar|&delta;}} 未満である {{math|''x'' &ne; ''a''}} を持ってくれば、{{math|''f''(''a'')}} との誤差が {{mvar|&epsilon;}} 未満であることが保証された {{math|''f''(''x'')}} を得られる」ような正の実数 {{mvar|&delta;}} が存在するということを意味する{{Sfn|杉浦|1985|loc=第I章 §6 命題6.5 d)}}。なお、{{math|''x'' &ne; ''a''}} の条件は無くてもよい{{Efn2|いかなる正の実数 {{mvar|&epsilon;}} についても  {{math|{{abs|''f''(''a'') &minus; ''f''(''a'')}} {{=}} 0 < ''&epsilon;''}} であるから、{{math|''x'' {{=}} ''a''}} の場合を含めても除いても同じことである。そのため、{{math|''f''(''x'')}} の連続性は、「任意の正の実数 {{mvar|&epsilon;}} について適切な正の実数 {{mvar|&delta;}} をとることで、{{mvar|f}} の定義域に含まれて {{math|{{abs|''x'' &minus; ''a''}} < ''&delta;''}} を満たす全ての {{mvar|x}} について {{math|{{abs|''f''(''x'') &minus; ''f''(''a'')}} < ''&epsilon;''}} が成り立つ」ことだとも言える{{Sfn|杉浦|1985|loc=第I章 §6 命題6.5 c)}}。}}。

関数 {{math|''f''(''x'')}} が定義域上のすべての点において連続であるとき、これを連続関数と呼ぶ{{Sfn|加藤|2019|p=71}}。

以下に挙げるように、連続関数を組み合わせてできる様々な関数が再び連続関数になることが知られている{{Sfn|加藤|2019|pp=72&ndash;74}}{{Sfn|杉浦|1985|pp=57&ndash;59}}。
* 関数 {{math|''f''(''x'')}} と {{math|''g''(''x'')}} がいずれも {{mvar|a}} において連続であるとき、以下の関数もまた {{mvar|a}} において連続である。これは一般の[[位相空間]]上で定義される[[実数値関数]]においても成立する{{Sfn|松坂|1968|pp=178&ndash;182}}。
** {{math|''k''&thinsp;''f''(''x'') &plus; ''l''&thinsp;''g''(''x'')}}（{{mvar|k}} と {{mvar|l}} は実数） 
** {{math|''f''(''x'') &middot; ''g''(''x'')}}
** {{math|''f''(''x'') / ''g''(''x'')}}（ただし {{math|''g''(''a'') &ne; 0}}）
* 関数 {{math|''f''(''x'')}} が {{mvar|a}} において連続で、 {{math|''g''(''x'')}} が {{math|''b'' {{=}} ''f''(''a'')}} において連続であるとき、[[合成関数]] {{math|(''g'' ∘ ''f'')(x) {{=}} ''g''(''f''(''x''))}} もまた {{mvar|a}} において連続である。これは位相空間の間の写像について一般に成立する{{Sfn|松坂|1968|p=185}}。つまり、連続写像の全体は合成について[[閉じている]]。

[[ファイル:Xto2.svg|サムネイル|右|二次関数は連続関数である。]]
[[ファイル:Floor function.svg|サムネイル|右|床関数は整数において不連続である。]]
; 例
* 実数上で定義された[[二次関数]] {{math|''f''(''x'') {{=}} ''x''{{sup|2}}}} は任意の実数 {{math|''a''}} において連続である。実際、任意の {{math|''&epsilon;'' > 0}} に対して、{{math|''&delta;'' {{=}} {{sqrt|''a''{{sup|2}} &plus; ''&epsilon;''}} &minus; {{sqrt|''a''{{sup|2}}}} > 0}} とすることで、{{math|{{abs|''x'' &minus; ''a''}} < ''&delta;''}} を満たす {{math|''x''}} について、{{math|{{abs|''x''{{sup|2}} &minus; ''a''{{sup|2}}}} < ''&epsilon;''}} が成り立つ{{Efn2|{{fontsize|75%|<math>
\begin{align}
  \left| x^2 - a^2 \right| &= | x - a | \cdot | x + a | \le | x - a | \cdot ( | x - a | + 2 | a | ) \\
  &< \left( \sqrt{a^2 + \varepsilon} - \sqrt{a^2} \right) \left[ \left( \sqrt{a^2 + \varepsilon} - \sqrt{a^2} \right) + 2\sqrt{a^2} \right] \\
  &= \left( \sqrt{a^2 + \varepsilon} - \sqrt{a^2} \right) \left( \sqrt{a^2 + \varepsilon} + \sqrt{a^2} \right) \\
  &= \left( a^2 + \varepsilon \right) - a^2 = \varepsilon
\end{align}
</math>}}}}。
* [[床関数]] {{math|''f''(''x'') {{=}} {{sub|⌊}}''x''{{sub|⌋}}}} は点 {{math|''a'' {{=}} 0}} において不連続である。実際、任意の {{math|''&delta;'' > 0}} に対して、{{math|&minus;''&delta;'' < ''x'' < 0}} を満たす {{mvar|x}} について {{math|{{abs|{{sub|⌊}}''x''{{sub|⌋}} &minus; 0}} &ge; 1}} であり、{{math|''&epsilon;'' &le; 1}} に対して「{{math|{{abs|''x'' &minus; ''a''}} < ''&delta;''}} ならば {{math|{{abs|''f''(''x'') &minus; ''f''(''a'')}} < ''&epsilon;''}} である」ような {{mvar|&delta;}} が存在しない。

== 距離空間の間の写像の連続性 ==
一般の[[距離空間]] {{math|(''X'', ''d''{{sub|''X''}})}} と {{math|(''Y'', ''d''{{sub|''Y''}})}} の間の写像 {{math|''f'': ''X'' &rarr; ''Y''}} についても、{{math|''a'' &in; ''X''}} における連続性の定義は
: <math> \lim_{x \to a} f(x) = f(a) </math>
で与えられる。

これもまたε-δ論法によって、
: 任意の正の実数 {{mvar|&epsilon;}} について適切な正の実数 {{mvar|&delta;}} をとることで、{{math|''d''{{sub|''X''}}(''x'', ''a'') < ''&delta;''}} を満たす全ての {{mvar|x}} について {{math|''d''{{sub|''Y''}}(''f''(''x''), ''f''(''a'')) < ''&epsilon;''}} が成り立つ
と言い換えることができる{{Sfn|松坂|1968|p=240}}。

また、点 {{mvar|p}} の [[球体#一般の距離空間における球体|{{mvar|&epsilon;}}-近傍]] {{math|''B''{{sub|''&epsilon;''}}(''p'') {{=}} {{mset|''q''|''d''(''q'', ''p'') < ''&epsilon;''}}}} の概念を用いることで、
: 任意の正の実数 {{mvar|&epsilon;}} について適切な正の実数 {{mvar|&delta;}} をとることで、{{mvar|a}} の {{mvar|&delta;}}-近傍に含まれる全ての {{mvar|x}} について {{math|''f''(''x'')}} は {{math|''f''(''a'')}} の {{mvar|&epsilon;}}-近傍に含まれる
とも言えて{{Efn2|ここで、{{mvar|a}} の {{mvar|&delta;}}-近傍は {{math|(''X'', ''d''{{sub|''X''}})}} におけるもの、{{math|''f''(''a'')}} の {{mvar|&epsilon;}}-近傍は {{math|(''Y'', ''d''{{sub|''Y''}})}} におけるものであることには注意が必要である。}}、{{math|''x'' &in; ''A'' &rarr; ''f''(''x'') &in; ''B'' &hArr; ''f''(''A'') &sub; ''B'' &hArr; ''A'' &sub; ''f''{{sup|&minus;1}}(''B'')}} であることから、[[一階述語論理]]で
: <math> \forall \varepsilon > 0 \; \exists \delta > 0 \; \bigl[ f(B_\delta(a)) \subset B_\varepsilon(f(a)) \bigr] </math>
: （{{math|''f''(''a'')}} の任意の {{mvar|&epsilon;}}-近傍は {{mvar|a}} のある {{mvar|&delta;}}-近傍の像を包む）
あるいは
:<math> \forall \varepsilon > 0 \; \exists \delta > 0 \; \bigl[ B_\delta(a) \subset f^{-1}(B_\varepsilon(f(a))) \bigr] </math>
: （{{math|''f''(''a'')}} の任意の {{mvar|&epsilon;}}-近傍の逆像は {{mvar|a}} のある {{mvar|&delta;}}-近傍を包む）
と表すこともできる{{Sfn|松坂|1968|pp=240&ndash;241}}。

さらに、点 {{mvar|p}} の[[近傍 (位相空間論)#距離空間における近傍|近傍]]の全体 {{math|𝒩(''p'') {{=}} {{mset|''V''|&exist;&epsilon; > 0 {{bracket|''B''{{sub|&epsilon;}}(''p'') &sub; ''V''}}}}}} を用いて、{{var|&epsilon;}} や {{mvar|&delta;}} が現れず距離に明示的に依存しない形に書き直すことができる。{{math|''f''(''a'')}} の任意の近傍 {{mvar|V}} はある {{mvar|&epsilon;}}-近傍を包んでいるので、それに対応した {{mvar|a}} のある {{mvar|&delta;}}-近傍を近傍 {{mvar|W}} として持ってくるのである。その結果、
: <math> \forall V \in \mathcal N (f(a)) \; \exists W \in \mathcal N(a) \; \bigl[ f(W) \subset V \bigr] </math>
: （{{math|''f''(''a'')}} の任意の近傍 {{mvar|V}} は {{mvar|a}} のある近傍 {{mvar|W}} の像を包む）
あるいは
: <math> \forall V \in \mathcal N (f(a)) \; \exists W \in \mathcal N(a) \; \bigl[ W \subset f^{-1}(V) \bigr] </math>
: （{{math|''f''(''a'')}} の任意の近傍 {{mvar|V}} の逆像は {{mvar|a}} のある近傍 {{mvar|W}} を包む）
とあらわすことができる。特に後者はより短く
: <math> \forall V \in \mathcal N (f(a))  \; \bigl[ f^{-1}(V) \in \mathcal N(a) \bigr] </math>
: （{{math|''f''(''a'')}} の任意の近傍 {{mvar|V}} の逆像は {{mvar|a}} の近傍である）
と表すこともできる。

== 位相空間の間の写像の連続性 ==
[[File:continuity topology.svg|thumb|right|300px|一点における写像の連続性。{{math|''f''(''x'')}} の任意の近傍 {{mvar|V}} に対して、{{mvar|x}} の近傍 {{mvar|U}} で {{math|''f''(''U'') &sub; ''V''}} となるものが存在する。すなわち<br /><math> \forall V \in \mathcal N (f(x)) \; \exists U \in \mathcal N(x) \; \bigl[ f(U) \subset V \bigr] </math>]]
前節の通り、距離空間の間の写像の連続性は、近傍を用いて距離に明示的に依存せずに表すことができた。これを位相が定める[[近傍系]]に適用することで、一般の[[位相空間]] {{math|(''X'', 𝒪{{sub|''X''}})}} と {{math|(''Y'', 𝒪{{sub|''Y''}})}} の間の写像 {{math|''f'': ''X'' &rarr; ''Y''}} について {{math|''a'' &in; ''X''}} における連続性は、
: <math> \forall V \in \mathcal N (f(a))  \; \bigl[ f^{-1}(V) \in \mathcal N(a) \bigr] </math>
で定義される{{Sfn|松坂|1968|p=178}}。これは距離空間のときと同じように
: <math> \forall V \in \mathcal N (f(a)) \; \exists W \in \mathcal N(a) \; \bigl[ f(W) \subset V \bigr] </math>
あるいは
: <math> \forall V \in \mathcal N (f(a)) \; \exists W \in \mathcal N(a) \; \bigl[ W \subset f^{-1}(V) \bigr] </math>
と書いても同じである。写像 {{mvar|f}} が {{mvar|X}} のすべての点において連続であるならば、{{mvar|f}} を連続写像という{{Sfn|松坂|1968|p=178}}。

連続写像は近傍系以外の[[位相的構造]]を用いて定義することもできる。位相空間 {{math|(''X'', 𝒪{{sub|''X''}})}} と {{math|(''Y'', 𝒪{{sub|''Y''}})}} の間の写像 {{math|''f'': ''X'' &rarr; ''Y''}} について、以下の3条件は互いに同値である{{Sfn|松坂|1968|pp=175&ndash;176}}。
* {{mvar|Y}} の任意の[[開集合]] {{mvar|O}} に対して、その逆像 {{math|''f''{{sup|&minus;1}}(''O'')}} が {{mvar|X}} の開集合である{{Efn2|開集合全てでなく[[準開基]]に限ったとしても同値である。}}。
* {{mvar|Y}} の任意の[[閉集合]] {{mvar|F}} に対して、その逆像 {{math|''f''{{sup|&minus;1}}(''F'')}} が {{mvar|X}} の閉集合である。
* {{mvar|X}} の任意の点 {{mvar|x}} について、{{math|''f''(''x'')}} の任意の近傍 {{mvar|V}} の逆像 {{math|''f''{{sup|&minus;1}}(''V'')}} が {{mvar|x}} の近傍である{{Efn2|全近傍系の代わりに[[基本近傍系]]や開近傍系に限ったとしても同値である。例えば、距離空間においては各点の{{mvar|&epsilon;}}-近傍の全体が基本近傍系となるので、ε-δ論法による定義は基本近傍系によるものだということもできる。}}。
このことから、開集合や閉集合を用いて連続写像を定義することもできる。特に、位相を開集合によって定義する流儀が多いことに伴い、開集合を用いた定義が採用されることが多い。他に、{{仮リンク|クラトフスキー閉包作用素|en|Kuratowski closure operator|label=閉包作用素}} {{math|cl}} や[[開核作用素]] {{math|int}} も位相を定めるが、以下の条件も連続性と同値である。
* {{mvar|X}} の任意の部分集合 {{mvar|A}} に対して、{{math|''f''(cl{{sub|''X''}}(''A'')) ⊂ cl{{sub|''Y''}}(''f''(''A''))}}である{{Sfn|松坂|1968|p=185}}。
* {{mvar|Y}} の任意の部分集合 {{mvar|B}} に対して、{{math|cl{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B'')) ⊂ ''f''{{sup|−1}}(cl{{sub|''Y''}}(''B''))}} である{{Efn2|{{math|''A'' {{=}} ''f''{{sup|−1}}(''B'')}} として {{math|''f''(cl{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B'')))}} {{math|{{=}} ''f''(cl{{sub|''X''}}(''A''))}} {{math|⊂ cl{{sub|''Y''}}(''f''(''A''))}} {{math|{{=}} cl{{sub|''Y''}}(''f''(''f''{{sup|−1}}(''B'')))}} {{math|⊂ cl{{sub|''Y''}}(''B'')}} であることから両辺の逆像をとることで導かれる。逆の成立は {{math|''B'' {{=}} ''f''(''A'')}} として {{math|cl{{sub|''X''}}(''A'')}} {{math|⊂ cl{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''f''(''A'')))}} {{math|{{=}} cl{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B''))}} {{math|⊂ ''f''{{sup|−1}}(cl{{sub|''Y''}}(''B''))}} {{math|{{=}} ''f''{{sup|−1}}(cl{{sub|''Y''}}(''f''(''A'')))}} であることから両辺の像をとることで確かめられる。}}。
* {{mvar|Y}} の任意の部分集合 {{mvar|B}} に対して、{{math|''f''{{sup|−1}}(int{{sub|''Y''}}(''B'')) ⊂ int{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B''))}} である{{Efn2|{{math|''f''{{sup|−1}}(int{{sub|''Y''}}(''B''))}} {{math|{{=}} ''f''{{sup|−1}}(int{{sub|''Y''}}(''B''){{sup|∁}}){{sup|∁}}}} {{math|{{=}} ''f''{{sup|−1}}(cl{{sub|''Y''}}(''B''{{sup|∁}})){{sup|∁}}}} {{math|⊂ cl{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B''{{sup|∁}})){{sup|∁}}}} {{math|{{=}} int{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B''{{sup|∁}}){{sup|∁}})}} {{math|{{=}} int{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B''))}} と導出される。逆の成立は {{math|cl{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B''))}} {{math|{{=}} cl{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B''{{sup|∁}}){{sup|∁}})}} {{math|{{=}} int{{sub|''X''}}(''f''{{sup|−1}}(''B''{{sup|∁}})){{sup|∁}}}} {{math|⊂ ''f''{{sup|−1}}(int{{sub|''Y''}}(''B''{{sup|∁}})){{sup|∁}}}} {{math|{{=}} ''f''{{sup|−1}}(cl{{sub|''Y''}}(''B''){{sup|∁}}){{sup|∁}}}} {{math|{{=}} ''f''{{sup|−1}}(cl{{sub|''Y''}}(''B''))}} と確認できる。}}。

=== 点列および有向点族を用いた定義 ===
この記事の冒頭では、「（点を）限りなく近づける」という喩えを用いて、連続写像を[[極限]]を保つ写像だと説明した。距離空間上で点の極限を厳密に議論するためには[[イプシロン-エヌ論法|ε-N論法]]で定義されるような[[列の極限]]がよく用いられる。しかし、これは一般の位相空間に対して連続性を[[特徴づけ (数学)|特徴づけ]]るには（単にε-N論法の {{mvar|ε}}-近傍を一般の近傍に書き換えるだけでは）不十分であり、極限の概念を[[点列]]より広い概念に拡張する必要がある。

「列の極限を保つ」写像は'''点列連続'''（{{lang-en-short|sequentially continuous|links=no}}）と呼ばれる。すなわち、写像 {{math|''f'': ''X'' → ''Y''}} が点列連続であるとは、{{mvar|X}} 内の点列 {{math|(''x''{{sub|''n''}})}} が[[極限点]] {{mvar|a}} に収束するならば像の列 {{math|(''f''(''x''{{sub|''n''}}))}} が {{math|''f''(''a'')}} に収束することである。

任意の連続写像は点列連続である。さらに、{{mvar|X}} が[[第一可算空間]]の[[商位相空間]]ならば、逆もまた成立して任意の点列連続写像は連続であり、このような空間は[[列型空間]]と呼ばれる。特に、任意の距離空間は自然数 {{mvar|N}} についての {{math|{{frac|''N''}}}}-近傍の全体が基本近傍系をなすことから、第一可算公理を満たして列型空間である。

列型空間でない位相空間では点列連続性が連続性よりも真に弱い。そのような空間でも極限によって連続性を扱えるようにするために点列の概念を拡張したものが'''[[有向点族]]'''（有向点列、ネット）である。これは[[可算]]な[[全順序]]集合である[[自然数]] '''N''' の代わりに、適当な[[有向集合]] {{mvar|&Lambda;}} を[[添字集合]]とするような点の族である。有向点族 {{math|(''x''{{sub|''&lambda;''}}){{sub|''&lambda;'' &in; ''&Lambda;''}}}} が {{mvar|a}} に収束するとは、{{mvar|a}} の任意の近傍 {{mvar|V}} に対しても、適当な {{math|''&lambda;''{{sub|0}} &in; ''&Lambda;''}} が存在して、{{math|''&lambda;''{{sub|0}} &le; ''&lambda;''}} を満たす全ての {{math|''&lambda;'' &in; ''&Lambda;''}} について {{math|''x''{{sub|''&lambda;''}} &in; ''V''}} であることとして定義される{{Sfn|松坂|1968|p=246}}。特に、[[ハウスドルフ空間]]では収束する有向点族の極限はただ一点である{{Efn2|これは逆も真であり、ハウスドルフ空間の特徴づけになっている。}}。

この有向点族の極限を用いることで、写像の連続性を表すことができるようになる。というのも、{{math|''a'' &in; ''X''}} に収束する任意の有向点族 {{math|(''x''{{sub|''&lambda;''}}){{sub|''&lambda;'' &in; ''&Lambda;''}}}} について {{math| (''f''(''x''{{sub|''&lambda;''}})){{sub|''&lambda;'' &in; ''&Lambda;''}}}} が必ず {{math|''f''(''a'')}} に収束することが、{{mvar|a}} において {{math|''f'': ''X'' → ''Y''}} が連続であるための必要十分条件となる{{Sfn|松坂|1968|p=246}}{{Efn2|特に {{math|''Y''}} がハウスドルフ空間であるときは、{{mvar|x}} を {{mvar|a}} に限りなく近づけるときの {{mvar|f}} の極限が {{math|''f''(''a'')}} であることだと言える。}}からである。これにより、連続写像を「有向点族の極限を保つ」写像として定義することができる。

== 性質 ==
二つの写像 {{math|''f'': ''X'' → ''Y'', ''g'': ''Y'' → ''Z''}} が連続ならば、それらの[[写像の合成|合成]] {{math|''g'' ∘ ''f'': ''X'' → ''Z''}} もそうである。また {{math|''f'': ''X'' → ''Y''}} が連続のとき、
* {{math|''X''}} が[[コンパクト空間|コンパクト]]ならば {{math|''f''(''X'')}} もコンパクト{{Sfn|松坂|1968|p=212}}；
* {{math|''X''}} が[[連結空間|連結]]ならば {{math|''f''(''X'')}} も連結{{Sfn|松坂|1968|p=196}}；
* {{math|''X''}} が[[弧状連結]]ならば {{math|''f''(''X'')}} も弧状連結；
* {{math|''X''}} が[[リンデレフ空間|リンデレフ]]ならば {{math|''f''(''X'')}} もリンデレフ；
* {{math|''X''}} が[[可分空間|可分]]ならば {{math|''f''(''X'')}} も可分；
* {{math|''X''}} が[[ハウスドルフ空間|ハウスドルフ]]であっても{{math|''f''(''X'')}} がハウスドルフであるとは限らない；
である。

一つ固定した空間 {{math|''X''}} 上に入れることのできる位相の全体には[[半順序]]を入れることができて、位相 {{math|τ<sub>1</sub>}} が別の位相 {{math|τ<sub>2</sub>}} よりも{{仮リンク|位相の比較|en|comparison of topologies|label=粗い}} ({{math|τ<sub>1</sub> ⊆ τ<sub>2</sub>}}) とは、{{math|τ<sub>1</sub>}} に関する任意の開集合が、必ず {{math|τ<sub>2</sub>}} に関する開集合ともなるときに言うのであった。さてこのとき、[[恒等写像]] 
: {{math|id<sub>X</sub>: (''X'', τ<sub>2</sub>) → (''X'', τ<sub>1</sub>)}}
が連続となる必要十分条件は {{math|τ<sub>1</sub> ⊆ τ<sub>2</sub>}} が成り立つことである。より一般に、連続写像
: <math>(X, \tau_X) \to (Y, \tau_Y)</math>
に対し、位相 {{math|τ<sub>''Y''</sub>}} をより粗い位相に取り換えても、また {{math|τ<sub>''X''</sub>}} をより細かい位相に取り換えても、連続性は保たれる。

* [[定義域]] {{math|''X''}} に[[離散位相]]を入れるとき、任意の写像 {{math|''f'': ''X'' &rarr; ''Y''}} は任意の位相空間 {{math|''Y''}} を終域として連続である{{Sfn|松坂|1968|pp=176&ndash;177}}。
* [[終域]] {{math|''Y''}} に[[密着位相]]を入れるとき、任意の写像 {{math|''f'': ''X'' &rarr; ''Y''}} は任意の位相空間 {{math|''X''}} を定義域として連続である{{Sfn|松坂|1968|p=177}}。
* 定義域が密着空間で終域が[[コルモゴロフ空間| ''T''<sub>0</sub>-空間]]ならば、[[定値写像]]のみが連続になる。
* 連続性は{{仮リンク|局所性質|en|Local property|label=局所的な性質}}である。

== 同相写像 ==
{{Main|位相同型}}
連続写像は開集合の逆像が開集合となり、閉集合の逆像が閉集合となる写像であったが、それと対照的に「開集合の像が開集合となる」写像と「閉集合の像が閉集合となる」写像は、それぞれ[[開写像と閉写像]]と呼ばれる。つまり、開写像あるいは閉写像が[[逆写像]]を持てばそれは連続であり、連続写像が逆を持てばその逆写像は開かつ閉写像である{{Efn2|逆写像を持たない、つまり全単射でない写像においては、開写像と閉写像は一致するとは限らない。例えば、実数を終域とする[[定値写像]]は閉写像だが開写像ではない。ちなみに定値写像は、終域のいかなる部分集合も逆像は定義域全体か空集合のどちらかであり、どちらも[[開かつ閉集合]]であるから、必ず連続写像である。}}。このことから、位相空間の間の写像について以下は全て同値である。
* 両連続写像（逆も連続な連続写像{{Efn2|全単射である連続写像に対して、その逆写像は必ずしも連続でない。例えば、ある2点集合を共通の台集合とする[[離散空間]]と[[密着空間]]を考えると、台集合上の[[恒等写像]]は離散空間から密着空間への全単射連続写像となるが、逆は連続でない。ただし、定義域が[[コンパクト空間]]で終域が[[ハウスドルフ空間]]ならば、連続全単射は閉写像でもあるので同相である{{Sfn|松坂|1968|pp=216}}。}}）
* 全単射な連続開写像
* 全単射な連続閉写像
* 逆も開である開写像
* 逆も閉である閉写像
* 逆が閉である開写像・逆が開である閉写像{{Efn2|両者は互いに逆の関係である。}}
このような写像は開集合系や近傍系といった[[位相的構造]]をも双方向に保つ{{Efn2|当然、閉集合系や開核、閉包も保つ}}ため、[[位相同型]]写像、あるいは同相写像と呼ばれる。また、同相写像 {{math|''f'': ''X'' &rarr; ''Y''}} が存在するとき、{{mvar|X}} と {{mvar|Y}} は互いに位相同型である、あるいは同相であるという{{Sfn|松坂|1968|pp=182&ndash;185}}。

== 連続写像の定める位相 ==
位相空間 {{math|''X''}} から（特に位相を考えない）集合 {{math|''S''}} への写像
: <math>f\colon X \to S</math>
が与えられたとき、{{math|''S''}} 上の{{仮リンク|終位相|en|final topology}}は、{{math|''S''}} の部分集合 {{math|''A''}} が開集合であるということを、{{math|''f''<sup>−1</sup>(''A'')}} が {{math|''X''}} の開集合であることと定めることにより定義される。{{math|''S''}} に予め位相が定められていたとき、{{math|''f''}} がその位相に関して連続となる必要十分条件は、もとの位相が {{math|''S''}} 上の終位相よりも粗いことである。従って、終位相は {{math|''S''}} 上の {{math|''f''}} を連続にする最も細かい位相となる。{{math|''f''}} が[[全射]]のとき、終位相は {{math|''f''}} の定める[[同値関係]]のもとでの[[商位相]]と自然に同一視される。 

これと双対的に、集合 {{math|''S''}} から位相空間への写像 {{math|''f''}} に対し、{{math|''S''}} 上の{{仮リンク|始位相|en|initial topology}}は、{{math|''S''}} の部分集合 {{math|''A''}} が開集合であることを、{{math|''f''(''A'')}} が {{math|''X''}} の開集合となることと定めることによって定義される。{{math|''S''}} にもともと位相が入っているとき、{{math|''f''}} がその位相に関して連続となる必要十分条件は、その位相が {{math|''S''}} 上の始位相よりも細かいことである。従って、始位相は {{math|''S''}} 上の位相として {{math|''f''}} を連続にする最も粗い位相となる。{{math|''f''}} が[[単射]]のとき {{math|''S''}} を {{math|''X''}} の部分集合と同一視すれば、{{math|''S''}} 上の始位相は {{math|''X''}} から定まる[[相対位相|部分空間としての位相]]と自然に同一視される。 

より一般に、集合 {{math|''S''}} が与えられたとき、任意の位相空間 {{math|''X''}} への連続写像 {{math|''S'' &rarr; ''X''}} 全体の成す集合を特定することにより、{{math|''S''}} に位相が定まる。双対的に同じことが {{math|''X'' &rarr; ''S''}} に対しても考えられる。これは[[普遍性]]の一例である。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{notelist2}}
=== 出典 ===
{{Reflist|colwidth=25em}}
=== 文献 ===
* {{Cite book|和書|author=加藤文元|title=大学教養 微分積分|series=数研講座シリーズ|date=2019-11-01|publisher=[[数研出版]]|isbn=978-4-410-15229-0|ref={{SfnRef|加藤|2019}}|authorlink=加藤文元}}
* {{Cite book|和書|author=杉浦光夫|title=解析入門I|series=基礎数学|date=1985-04-25|publisher=[[東京大学出版会]]|isbn=4-13-062005-3|ref={{SfnRef|杉浦|1985}}|authorlink=杉浦光夫}}
* {{Cite book|和書|author=松坂和夫|title=集合・位相入門|series=松坂和夫 数学入門シリーズ|date=1968-06-10|publisher=[[岩波書店]]|isbn=978-4-00-029871-1|ref={{SfnRef|松坂|1968}}|authorlink=松坂和夫}}
* {{citation2|surname1=[[Boto von Querenburg]]|title=Mengentheoretische Topologie|edition=3., neu bearbeitete und erweiterte|series=Springer-Lehrbuch|publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer-Verlag]]|publication-place=Berlin [u. a.]|year=2001|isbn=3-540-67790-9|date=   2001|language=de
}}
* {{citation2|surname1=[[Friedrich Hirzebruch]] / [[Winfried Scharlau]]|title=Einführung in die Funktionalanalysis|series=Reihe "B. I.-Hochschultaschenbücher", Band Nr|volume=296|publisher=[[Bibliographisches Institut]]|publication-place=Mannheim [u. a.]|year=1971|isbn=3-411-00296-4|date=   1971|language=de
}} [http://www.ams.org/mathscinet/search/publdoc.html?arg3=&co4=AND&co5=AND&co6=AND&co7=AND&dr=all&pg4=AUCN&pg5=TI&pg6=PC&pg7=ALLF&pg8=ET&review_format=html&s4=Scharlau%2C%20Winfried&s5=&s6=&s7=&s8=All&vfpref=html&yearRangeFirst=&yearRangeSecond=&yrop=eq&r=35&mx-pid=463864 MR0463864]
* {{citation2|surname1=[[Horst Schubert (Mathematiker)|Horst Schubert]]|title=Topologie. Eine Einführung|edition=4.|series=Mathematische Leitfäden|publisher=[[B. G. Teubner Verlag]]|publication-place=Stuttgart|year=1975|isbn=3-519-12200-6|date=   1975|language=de
}} [http://www.ams.org/mathscinet/search/publdoc.html?arg3=&co4=AND&co5=AND&co6=AND&co7=AND&dr=all&pg4=AUCN&pg5=TI&pg6=PC&pg7=ALLF&pg8=ET&review_format=html&s4=Schubert%2C%20Horst&s5=&s6=&s7=&s8=All&vfpref=html&yearRangeFirst=&yearRangeSecond=&yrop=eq&r=1&mx-pid=423277 MR0423277]

== 関連項目 ==
; 連続性の関連概念
* [[一様連続]]
* [[ヘルダー連続]]
* [[リプシッツ連続]]
* [[絶対連続]]
* [[同程度連続]]
; 連続関数によって定義されるもの
* [[弧状連結]]
* [[ホモトピー]]

== 外部リンク ==
* [http://uob-community.ballarat.edu.au/~smorris/topology.htm Topology without tears] von Sidney A. Morris: Buch zur Topologie zum kostenfreien Download{{en icon}}

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{{Calculus topics}}
{{Topology}}
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[[Category:位相空間論]]
[[Category:写像]]
[[Category:関数の種類]]
[[Category:数学に関する記事]]