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距離空間と位相群のルベーグの被覆補題の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。

コンパクト集合とルベーグの被覆補題

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では距離空間及び位相群に於けるルベーグの被覆補題をパラレルに証明する。証明を見比べると距離空間と位相群が「似ている」ことがわかると思う。実はこの2つの概念であるを内包する一様空間という概念があり、ルベーグの被覆補題は一様空間で成り立つ定理なのである。この文章では一様空間を定義したりしないが、興味があれば参考文献[1]や[2]を参照する事をオススメする。選択公理を用いないような証明にした。

1 距離空間に対するルベーグの被覆補題

定理 1 (距離空間におけるルベーグの被覆補題).

(X,d)を距離空間とし、K⊂XをXのコンパクト集合とし、𝒰をKの開被覆とする、つまり、𝒰⊂𝔒Xで

K⊂⋃𝒰

である。このとき正の数εが存在して任意のx∈Kについて

∃U∈𝒰⁢B⁢(x,ε)⊂U

となる。ここでB⁢(a,r)は点aを中心とする半径rの開球のことである。

証明.

Xの部分集合族𝒩

𝒩={B⁢(x,12⁢r)|x∈K⁢∃U∈𝒰⁢B⁢(x,r)⊂U}

と置くと明らかに

K⊂⋃𝒩

なのでKのコンパクト性から𝒩の有限部分集合{B⁢(ai,12⁢ri)}i=1nが存在して

(1) K⊂⋃i=1nB⁢(ai,12⁢ri)

となる。そして

ε=12⁢min⁡(r1,r2,⋯,rn)

と置くこのとき任意のx∈Kについて

∃U∈𝒰⁢B⁢(x,ε)⊂U

となることを示そう。x∈Kについて(1)からあるiが存在してx∈B⁢(ai,12⁢ri)である。このとき B⁢(x,ε)⊂B⁢(ai,ri)となることを示そう。z∈B⁢(x,ε)とすると三角不等式とεの定義から

d⁢(z,ai)≤d⁢(z,x)+d⁢(x,ai)<ε+12⁢ri≤12⁢ri+12⁢ri=ri

よってd⁢(z,ai)<riなので

B⁢(x,ε)⊂B⁢(ai,ri)

さて𝒩の定義から

∃U∈𝒰⁢B⁢(ai,ri)⊂U

が成り立つので任意のx∈Kについて

∃U∈𝒰⁢B⁢(x,ε)⊂U

となる。 ∎

系 2.

距離空間(X,d)上の台がコンパクトな実連続関数fは一様連続である。つまり

∀ε>0⁢∃δ>0⁢d⁢(x,y)<δ⟹|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε
証明.

supp⁢f=Kと置く。 任意のεに対し各a∈Kについて

Ua={x∈X||f⁢(a)−f⁢(x)|<ε2}

と置くとこれはXの開集合であり、a∈Uaなので

K⊂⋃a∈KUa

となる。この開被覆族{Ua}a∈Kについて先の定理を用いて正の数δを得る。このとき、

d⁢(x,y)<δ⟹|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε

となる事を示そう。x∈Kの場合、δの充たす条件からあるa∈Kが存在して

B⁢(x,δ)⊂Ua

となる。この事とx,y∈B⁢(x,δ)より

|f⁢(a)−f⁢(x)|<ε2,|f⁢(a)−f⁢(y)|<ε2

よって

|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε

が成り立つ。y∈Kの場合も同様。 x,y∉Kのときはf⁢(x)=f⁢(y)=0なので明らかに

|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε

が成り立つ。 ∎

2 位相群に対するルベーグの被覆補題

定義 3 (位相群).

群Gが位相空間であり、かつ、その二項演算と単項演算が連続、すなわち、

binary:G×G→G,(x,y)↦x⁢y,inverse:G→G,x↦x−1

が連続である時、群Gを位相群と呼ぶ。

定義から明らかに写像

a∗:G→G,x↦a⁢x,∗b:G→G,x↦x⁢b

は同相写像である。よってO⁢が⁢開⁢集⁢合⁢な⁢ら⁢a⁢O,O⁢b⁢も⁢開⁢集⁢合⁢で⁢あ⁢り⁢、⁢閉⁢集⁢合⁢に⁢つ⁢い⁢て⁢も⁢同⁢様⁢で⁢あ⁢る⁢。 さらに各⁢点⁢x⁢に⁢つ⁢い⁢て⁢そ⁢近⁢傍⁢は⁢単⁢位⁢元⁢e⁢の⁢近⁢傍⁢の⁢み⁢で⁢完⁢全⁢に⁢決⁢定⁢さ⁢れ⁢て⁢し⁢ま⁢う⁢と⁢い⁢う⁢著⁢し⁢い⁢性⁢質⁢が⁢あ⁢る⁢。⁢す⁢な⁢わ⁢ち

𝔑⁢(x)={x⁢U|U∈𝔑⁢(e)}={W⁢x|W∈𝔑⁢(e)}

が成立する。𝔑⁢(x)はxの近傍系である。また一般にGの部分集合A,B,Cについて

A⁢B={a⁢b|a∈A,b∈B},C−1={x|x−1∈C}

と書くことにする。

補題 4.

任意のV∈𝔑⁢(e)についてあるN,M∈𝔑⁢(e)が存在して

N⁢N⊂V,M−1⊂V

を充たす。

証明.

群演算と逆元を取る演算が連続なので明らかである。 ∎

上の補題で存在がわかるN⁢N⊂VとなるNはVの「半分の大きさ」の近傍と考えることが出来る。そのことは距離空間のルベーグの被覆補題と位相群のルベーグの被覆補題の証明を見比べるとよくわかると思う。

S−1=SとなるGの部分集合を対称であるという。さて、 V∈𝔑⁢(e)についてV−1∈𝔑⁢(e)なので

V∩V−1∈𝔑⁢(e)

である。(V∩V−1)−1=V∩V−1なので、結局eの対称近傍全体はeの基本近傍系を成していることがわかる。

定理 5 (位相群に於けるルベーグの被覆補題・左).

Gを位相群とし、K⊂GをGのコンパクト集合とし、𝒰をKの開被覆とする、つまり、𝒰⊂𝔒Gで

K⊂⋃𝒰

である。このときGの単位元eの近傍Vが存在して任意のx∈Kについて

∃U∈𝒰⁢x⁢V⊂U

となる。

証明.

Xの部分集合族𝒩

𝒩={a⁢M|x∈K⁢N⁢は⁢単⁢位⁢元⁢の⁢近⁢傍⁢∃U∈𝒰⁢a⁢M⁢M⊂U}

と置くと明らかに

K⊂⋃𝒩

であるからKのコンパクト性から𝒩の有限部分族{ai⁢Mi}i=1nが存在して

(2) K⊂⋃i=1nai⁢Mi

となる。そして

V=⋂i=1nMi

と置くとVは単位元の近傍である。このとき任意のx∈Kについて

∃U∈𝒰⁢x⁢V⊂U

となることを示そう。x∈Kについて(1)からあるiが存在してx∈ai⁢Miである。このとき x⁢V⊂a⁢Mi⁢Miとなることを示そう。z∈x⁢Vとすると ai−1⁢x∈Mi,x−1⁢z∈V及びMaとVの定義から

ai−1⁢z=ai−1⁢x⋅x−1⁢z∈Mi⋅V⊂Mi⁢Mi

よってz∈ai⁢Mi⁢Miなので

x⁢V⊂ai⁢Nai

さて𝒩の定義から

∃U∈𝒰⁢ai⁢Mi⁢Mi⊂U

なので任意のx∈Kについて

∃U∈𝒰⁢x⁢V⊂U

となる。 ∎

系 6.

位相群G上の台がコンパクトな実連続関数fは左一様連続である。つまり

∀ε>0⁢∃V∈𝔑⁢(e)⁢x−1⁢y∈V⟹|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε
証明.

supp⁢f=Kと置く。 任意のεに対し各a∈Kについて

Ua={x∈X||f⁢(a)−f⁢(x)|<ε2}

と置くとこれはXの開集合であり、a∈Uaなので

K⊂⋃a∈KUa

となる。この開被覆族{Ua}a∈Kについて先の定理を用いて単位元の近傍Vを得る。更に単元eの対称近傍全体は単位元eにおける基本近傍系を成すので、Vは対称であるとしてもよい。このとき、

x−1⁢y∈V⟹|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε

となる事を示そう。x∈Kの場合、Vの充たす条件からあるa∈Kが存在して

x⁢V⊂Ua

となる。この事とx,y∈x⁢Vより

|f⁢(a)−f⁢(x)|<ε2,|f⁢(a)−f⁢(y)|<ε2

よって

|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε

が成り立つ。Vが対称なのでy∈Kの場合のときはy−1⁢x∈Vなのでx∈Kの場合と同様に事が運ぶ。 x,y∉Kのときはf⁢(x)=f⁢(y)=0なので明らかに

|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε

が成り立つ。 ∎

定理 7 (位相群に於けるルベーグの被覆補題・右).

Gを位相群とし、K⊂GをGのコンパクト集合とし、𝒰をKの開被覆とする、つまり、𝒰⊂𝔒Gで

K⊂⋃𝒰

である。このときGの単位元eの近傍Vが存在して任意のx∈Kについて

∃U∈𝒰⁢V⁢x⊂U

となる。

証明.

上の左の場合と同様。 ∎

系 8.

位相群G上の台がコンパクトな実連続関数fは右一様連続である。つまり

∀ε>0⁢∃V∈𝔑⁢(e)⁢x−1⁢y∈V⟹|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε
証明.

上の左の場合と同様。 ∎

3 コンパクトハウスドルフ空間に対するルベーグの被覆補題

命題 9.

Xをコンパクトハウスドルフ空間とする.そして 𝔑XをΔX={(x,x)∈X×X∣x∈X}のX×Xにおける近傍全体の集合とする.このとき,𝔑はXの一様構造になり,逆にXの位相と同じ位相を生成するXの一様構造は𝔑Xしかない.

定理 10 (コンパクトハウスドルフ空間に対するルベーグの被覆補題).

Xをコンパクトハウスドルフ空間とし、 𝒰をXの開被覆とする. このときE∈𝔑Xが存在して,任意のx∈Xについて U∈𝒰が存在して,

E⁢(x)⊂U

となる。

証明.

𝔖をXの対称な開近縁全体とする. Xの部分集合族𝒩を

𝒩={V⁢(a)∣a∈X∧V∈𝔖∧∃U∈𝒰⁢V∘V⁢(a)⊂U}

と置くと明らかに

X=⋃𝒩

なので,Xのコンパクト性からX有限被覆{Vi⁢(ai)}i=1mが存在する. ここで,E=⋂i=1mととおく.このE が所望の性質を満たすことを示そう.任意にx∈Xを取ると,あるiが存在して x∈Vi⁢(ai)であり,このiに対してU∈𝒰が存在して Vi∘Vi⁢(ai)⊂Uが成り立つ. 今,任意のp∈E⁢(x)について(x,p)∈E⊂Viであり,また, iの取り方から(x,ai)∈Viなので,(p,ai)∈Vi∘Viである. つまりp∈Vi∘Vi⁢(ai)⊂Uである. これは E⁢(x)⊂Uを意味する. ∎

一葉連続性についても上の二つのものと同様のことが言えるが証明は省略する.

References

  • [1] ニコラ・ブルバキ,数学原論 位相1
  • [2] 柴田敏男,集合と位相空間,共立数学講座8,共立出版,1978