コンパクトハウスドルフ空間の正規性ほか
この文章ではコンパクトハウスドルフ空間の正規性と局所コンパクトハウスドルフ空間の完全正則性を証明する。その後コンパクトハウスドルフ空間に対する有限開被覆に従属する1の分割の存在を証明する。実は有限開被覆に従属する1の分割の存在は空間の正規性と同値なのであるが、それはまた別の話。以下では全ての空間にハウスドルフ性が仮定されているので正規という言葉とという言葉、及び正則という言葉とという言葉を特に区別しないことにする。
命題 1.
コンパクトハウスドルフ空間は正則である。
証明.
をコンパクトハウスドルフ空間とし、となる点と閉集合の任意の組を考える。はハウスドルフ空間なので任意のに対して2つの開集合が存在して
とを充たす。さて明らかに
であり。のコンパクト性からその閉集合もコンパクトになるので有限個のが存在して
となるこの右辺をとおこう。つまり
これに対応して
とするとは開集合でであり、各について
となりなので任意のについて
更にだから
そして でなのでが正則であることが分かった。
∎
定理 2.
コンパクトハウスドルフ空間は正規である。
証明.
の互いに交わらない2つの閉集合を任意に固定してとする。先の命題よりコンパクトハウスドルフ空間は正則なので任意の毎に開集合が存在して
となる。さて明らかに
でありコンパクトハウスドルフ空間の閉集合もコンパクトなので有限個のが存在して
となる。
と定義しよう。 これに対応して
とするとは開集合であり、であり各で
で任意のについて
これとから
を得る。 そしてとなのでが正規であることが示せた。 ∎
定理 3.
局所コンパクトハウスドルフ空間は完全正則である。
証明.
局所コンパクトハウスドルフ空間の互いに交わらない点と閉集合をとし、の1点コンパクト化をとし、無限遠点をとする。つまりこの時はの閉集合でありである。は正規なのでウリゾーンの補題からとなる連続写像 が存在する。これをに制限すればそれも連続であり、とを分離する関数であるからが完全正則であることがわかる。 ∎
定義 4 (関数の台).
写像の台を集合の閉包として定義し、これをで表す。
注意.
閉包を取ってることに注意せよ。
定理 5 (被覆の縮小の存在).
コンパクトハウスドルフ空間の有限開被覆 について有限開被覆が存在して
を充たす。
証明.
帰納的にを構成する。
まずを構成する。と置くとこれは閉集合でが被覆を成すことから
となる。ここでの正規性を用いると
となる開集合が存在する。このようなの一つをとおくと
を明らかに充たし
更にがの被覆を成している。
まで
を充たしが被覆を成すようなが構成されたとしよう。この時
とする(は和集合されてる中にはないことに注意せよ)このときは閉集合で が被覆を成してるということから
となる。の正規性を用いると
となる。開集合が存在するがこれの一つをとすると
を充たしは被覆を成す。この構成をまで行えば求めるが得られる。 ∎
注意.
証明の中での正規性以外の性質を用いてないことに注意せよ。つまり、この定理は一般に正規空間でも成り立つのだが、それはまた別のお話。
定理 6 (被覆の縮小の存在2).
コンパクトハウスドルフ空間の有限開被覆 について有限閉被覆が存在して
を充たす。
証明.
注意.
定理6は有限閉(closed)被覆の存在を言ってることに注意せよ。開(open)被覆ではない。
定理 7 (コンパクトハウスドルフ空間上の単位の分割).
コンパクトハウスドルフ空間の有限開被覆 について実連続関数の族が存在して以下を充たす。
証明.
定理6からに対して
を充たす有限閉被覆が存在する。ここでウリゾーンの補題より各毎に連続関数が存在して
を充たす。つまり
である。 が被覆であることからは常に正である。そこで
と置けばこれは連続で明らかに
を充たす。 ∎
系 8 (局所コンパクトハウスドルフ空間のコンパクト集合上の単位の分割).
局所コンパクトハウスドルフ空間のコンパクト集合と有限個の開集合の族 が
を充たしてるとする。このとき実連続関数の族が存在して以下を充たす。
証明.
の1点コンパクト化をと置くこの時はの被覆となっている。都合のためにと置こう。はの被覆を成してるので先の定理8より
を充たす実連続関数の族が存在する。ここで
より
よってからを除いたは明らかに
を充たす。 ∎
定義 9.
位相空間の部分集合が相対コンパクトであるとはその閉包がコンパクトである時に言う
補題 10.
局所コンパクトハウスドルフ空間とそのコンパクト集合と開集合についてが充たされるならば、相対コンパクトな開集合が存在して
を充たす。つまり局所コンパクトハウスドルフ空間のコンパクト集合は相対コンパクトな基本近傍系を持つということである。
証明.
は局所コンパクトハウスドルフなのでも各点について相対コンパクトな開集合が存在して
を充たす。また明らかに
なのでのコンパクト性から有限個のが存在して
となる。
なのでも相対コンパクトで
なので定理の証明は終わる。 ∎
定理 11 (局所コンパクトハウスドルフ空間のコンパクト集合上のコンパクトサポートな単位の分割).
局所コンパクトハウスドルフ空間のコンパクト集合と有限個の開集合の族 が
を充たしてるとする。このとき実連続関数の族が存在して以下を充たす。
証明.
とに対して先の補題を用いれば相対コンパクトな開集合が存在して
を充たす。
さてと置くと、各は相対コンパクトであり、
を充たす。とに対して系8を用いると、 実連続関数の族が存在して以下を充たす。
ところでが相対コンパクトであることから各はコンパクトであり、なので定理は示された。 ∎
References
- [1] 森田紀一,位相空間論,岩波全書331,岩波書店,1981
- [2] W.Rudin,Real and Complex Analysis second edition,McGraw-Hill, 1974