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非可算個の可算離散空間の直積についてのLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

可算離散位相の直積に関するStoneの定理

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では可算離散位相の非加算個の直積が非正規であるという定理を証明する。一般にStone定理と言えば「距離空間はパラコンパクト」という定理のことだが、この距離空間のパラコンパクト性を証明した参考文献1の後半で示されている定理がこの可算離散位相の非加算直積に対する定理である。参考文献1は初めて距離空間のパラコンパクト性を証明したことで有名だが、後半の定理はあまり有名になってない気がするのでこの文章で紹介することにしてみた。また正規という言葉はT1を積極的には仮定しない意味で使うが、以下の前半のセクションで出てくる空間はハウスドルフ空間ばかりなのでT1を仮定するかしないかで差異が出てくることのは後半のセクションからである。

1 定理

このセクションではStoneの定理を証明する。まず最初に証明で用いる用語などを定義する。

定義 1.

位相空間Xが正規であるとは交わらない二つの閉集合の任意の組F,Gに対して開集合U,Vが存在して

F⊂U,G⊂V,U∩V=∅

を充たすことである。

つまり、空間の非正規性を証明するには、互いに素な2つの閉集合で開集合で分離できない物の存在を示せば良いのである。
以下で使う定義

定義 2.

ℕは0を含めない自然数全体とし、以下常に離散位相を入れて考える。

そして

定義 3.

Λを添え字集合として位相空間Tを

T=∏λ∈Λℕ=ℕΛ

と定義する。もちろんTには直積位相をいれて考える。

定義 4.

Tの基本開集合とは U=∏λUλと書き表される集合で、有限個のλについてUλは1点集合で、それ以外のλについてUλ=ℕとなるようなTの部分集合のことである。

Tには直積位相が入っておりℕには離散位相が入っているので基本開集合全体はTの開基となる。

定義 5.

基本開集合Uについて

ℜ⁢(U)={λ∈Λ|πλ⁢(U)⁢が⁢1⁢元⁢集⁢合}

と定義する。もちろんπλは第λ成分への射影である。つまりℜ⁢(U)は基本開集合Uの一個の値しか取らない座標λの全体の集合である。基本開集合の定義からℜ⁢(U)は有限集合である。

定義 6.

各k∈ℕに対して

Ak={x={ξλ}∈T|k⁢以⁢外⁢の⁢n∈ℕ⁢に⁢つ⁢い⁢て⁢ξλ=n⁢と⁢な⁢る⁢λ⁢は⁢高⁢々⁢ひ⁢と⁢つ⁢し⁢か⁢存⁢在⁢し⁢な⁢い}

と定義する。

このAkを用いて定理を証明するのだがその前にAkの性質を2つ紹介して定理に備えよう。
Akについて次が成り立つ。

性質 1.

各k∈ℕについてAkは閉集合

証明.

α={aλ}∈T\Akとすると、Akの定義からあるkとは異なるn∈ℕとi≠j,i,j∈Λが存在して

ai=aj=n

となる。ここでTの開集合U=∏λUλを

Ui=Uj={n},Uλ=ℕ⁢(λ≠i,j)

と定義すると明らかにa∈UとU∩Ak=∅がわかり、Akが開集合であることがわかる。 ∎

性質 2.

Λが非可算のときi≠jならばAi∩Aj=∅

証明は明らかである。 いよいよ定理を述べよう。

定理 1 (Stoneの定理).

Λが非可算集合の時、Tは非正規

証明.

先の性質1,2より、A1とA2は交わらない閉集合の組である。今、 A1⊂U,A2⊂Vとなる任意の開集合の組U,Vを考え、U∩Vの元を構成する。この元の存在と開集合の組の任意性からTが非正規であることがわかる。

今から可算列{xn}⊂A1とxn∈A1⊂Unとなる基本開集合の可算列{Un}、正の整数の狭義単調増加列{M⁢(n)}及び {λn}⊂Λを帰納的に構成していく。
n=1の時、x1は全ての座標が1であるTの元とする。つまりx1={ξλ}としたとき

ξλ=1⁢(∀λ∈Λ)

明らかにx1∈A1⊂Uであり、基本開集合U1が存在してx1∈U1⊂Uとなる。この時のℜ⁢(U1)の元の個数をM⁢(1)としℜ⁢(U1)の元に適当に番号をつけてℜ⁢(U1)={λ1⁢…⁢λM⁢(1)}とする。
nまで諸々が構成されたとしてn+1の時、xn+1={ξλ}を

ξλ={kλ=λk,1≤k≤M⁢(n)⁢のとき1その他

と定義する。明らかにxn+1∈A1⊂Uである。この時やはり基本開集合Un+1が存在してxn+1∈Un+1⊂Uとなる。近傍を小さく取り直して ℜ⁢(Un)⫋ℜ⁢(Un+1)と仮定しても良く、ℜ⁢(Un+1)の元の個数をM⁢(n+1)とし、 ℜ⁢(Un+1)∖ℜ⁢(Un)の元を{λM⁢(n)+1⁢…⁢λM⁢(n+1)}とする。(M⁢(n)+1とM⁢(n+1)の違いに注意せよ)
上で得られた可算列を用いてy={ηλ}を

ηλ={kλ=λk⁢のとき2その他の場合

と定義する。 明らかにy∈A2⊂Vである。この時基本開集合V0が存在して y∈V0⊂Vとなる。ℜ⁢(V0)は有限なので

∃n∈ℕ⁢k>M⁢(n)⇒λk∈Λ∖ℜ⁢(V0)

となる。このnを用いてz={ζλ}を

ζλ={kλ=λk,1≤k≤M⁢(n)⁢のとき1M⁢(n)<k≤M⁢(n+1)⁢のとき2その他の場合

と定義する。V0=∏λVλ(Vλは一元集合かℕ)と書けるが、zの定義からVλが1元集合であるような座標ではzとyの値は一致してるので

z∈V0

そして同様にUn+1=∏λUλ(Uλは一元集合かℕ)と書けるが、zの定義からUλが1元集合となる座標ではzとxn+1の値は一致するので

z∈Un+1

よって z∈Un+1∩V0⊂U∩Vとなり、U∩V≠∅が分かった。 結論としてTは非正規である。 ∎

系 2.

{Xλ}λ∈Λはノンコンパクト距離空間の非加算な族とする。(各Xλは異なっても良い)
この時、 ∏λ∈ΛXλは非正規である。

証明.

正規空間の閉集合は正規空間となることと、ノンコンパクトな距離空間は可算離散空間を閉集合として持つ(なぜか?)ことからわかる。 ∎

位相群は必ず完全正則となる事がよく知られているが、では常に正規なのだろうかというう疑問が起こる。ストーンの定理を用いるとこの疑問に対し反例を容易に作る事ができる。

系 3 (完全正則だが正規ではない位相群の例).

位相群の直積が直積位相に対して位相群になってることを使うと、Λを非可算集合として

ℤΛ

は完全正則だが正規でない位相群であることがわかる。

2 応用

このセクションではStoneの定理からわかる重要なひとつの応用を述べる。

定義 7 (可算コンパクト).

位相空間Xはその上の任意の可算開被覆に有限部分被覆が存在するとき可算コンパクトという。また、可算コンパクト性は空間X上の非空閉集合からなる任意の有限交叉的な可算族が非空な共通部分をもつことと同値である。またまた、可算個の非空閉集合からなる単調減少111つまりFn⊃Fn+1ということな{Fn}n∈ℕ族が非空な共通部分を持つことと可算コンパクト性は同値である。

定義 8.

位相空間Xの部分空間Mと点x∈Xについてxが部分集合Mの集積点であるとは、

x∈CL⁢(M∖{x})

を充たすことである。つまり、xの任意の近傍Vについて、あるm∈Mが存在してm∈Vとx≠mを充たすということである。

定義 9 (集積コンパクト).

位相空間Xの任意の無限集合が集積点を持つとき、空間Xは集積コンパクトであるという。無限集合は可算部分集合を持つので空間Xが集積コンパクトであることと、Xの任意の可算無限集合が集積点を持つことは同値である。

命題 4.

T1空間Xにおいて可算コンパクト性と集積コンパクト性は同値である。

証明.

[可算コンパクト⟹集積コンパクトの証明]

Xの任意の可算集合に集積点があることを示せばよい。{an}n∈ℕを可算集合とする。添え字付けは単射であるとする。222つまり、n≠m⟹an≠amということである。さて、

Fn=CL⁢({ai|i≥n})

とすると、もちろんFnは非空な閉集合でFn⊃Fn+1を充たす。よってXの可算コンパクト性から

⋂n∈ℕFn≠Ø

である。ここでc∈⋂n∈ℕFnを取ろう。このときcの任意の近傍Vと任意のnについて

V∩{ai|i≥n}≠Ø

であり、{an}n∈ℕの添え字付けは単射なのでcは{an}n∈ℕの集積点となる。よってXは集積コンパクトである。(実はT1を用いていないことに注意しよう。T1を使うのは逆を導くときということである。)

[可算コンパクト⟹集積コンパクトの証明終わり]

[集積コンパクト⟹可算コンパクトの証明]

非空な閉集合なる単調減少な族{Fn}n∈ℕを考える。必要なら番号を付け替えて単調減少よりも強く

Fn⊋Fn+1

としてもよい。(狭義の単調減少) さてxnを

xn∈Fn∖Fn+1

を充たすものとしよう。このときA={xn}n∈ℕは添え字付けが単射なので可算集合である。そしてXの集積コンパクト性からAには集積点cが存在する。もしこのときあるm∈ℕが存在してc=xmとなったとしよう。

このときFm+1は閉集合でありFm+1⊃{xi|i>m}であるからX∖Fm+1はc=xmを含み、{xi|i>m}と交わらない開集合であり、またT1性からX∖{x1,x2,⋯,xm−1}はc=xmを含み、{x1,x2,⋯,xm−1}と交わらない開集合であるから、これら二つの開集合の共通部分をOとするとこれはc=xmを含む開集合であり、O∩A={xm}となり、cがAの集積点であることと矛盾する。よって任意のm∈ℕについてc≠xmである。

以上のことを踏まえると任意のm∈ℕについてX∖{x1,x2,⋯,xm}はT1性から開集合であり、cを含む開集合である。このことからcは任意のm∈ℕについて{xi|i>m}の集積点でもある。xnの定義とFnが閉集合であることから、特に任意のn∈ℕについてc∈Fnである。よって

⋂n∈ℕFn∋c

なので⋂n∈ℕFn≠Øがわかり、Xの可算コンパクト性が分かった。 [集積コンパクト⟹可算コンパクトの証明終わり] ∎

命題 5.

XがT1空間でかつ可算コンパクトではないとするとXはその相対位相が離散位相である可算な閉部分集合を持つ。

証明.

先の命題からこのようなXには集積点を持たない可算集合Mが存在するが、これはつまりMとMの孤立点全体が一致しているということであり、Mは閉集合である。Mは孤立点からのみ成るということからMがその相対位相で閉集合であることは直ちに従う、 ∎

定理 6.

非空なT1位相空間の族{Xλ}λ∈Λに於いて∏λ∈ΛXλが正規333このとき自動的にT4にもなる。ならΛの高々可算な元を除いてXλは可算コンパクトである。

証明.

もし 非可算個のλ∈ΛについてXλが可算コンパクトではないとすると先の命題からそのようなXλは可算な閉集合でその相対位相が離散位相になるようなものが存在するが、ともすると∏λ∈ΛXλはその相対位相が可算離散位相の非可算直積位相空間と同相になるような閉部分空間が存在することになる。その閉集合は定理1(Stoneの定理)から非正規であるが、正規空間の閉部分集合は正規になるので、これは矛盾である。よって背理法から定理の証明は終わる。 ∎

References

  • [1] A.H.Stone,Paracompactness and product spaces,Bull. Amer. Math. Soc. 54(1948),977-983