AUTOMATIC HTML VERSION

パラコンパクト性など:アドベントカレンダー2015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。

パラコンパクトネス等々

一色三良(concious77)
HTML変換日:2026年7月26日

この文書ではパラコンパクトの概念を導入し、コンパクトハウスドルフ空間を用いた簡潔なパラコンパクトネスの特徴付けを紹介する。これを用いてCW複体のパラコンパクト性を証明できるが、それはまた別のお話。

この文章では正則、正規という言葉をT1仮定しない意味で用いてT3,T4T1仮定する意味で用いる。またT3.5空間とはT1でかつ完全正則な空間のことである。

1 パラコンパクト性

定義 1 (局所有限性).

位相空間Xに於いてXの部分集合の族𝔄が局所有限であるとはXの各点xについてxの近傍Nが存在して

NAA𝔄

を充たすことである。

命題 2.

𝔄を位相空間Xの局所有限な族とする。このとき

CL(A𝔄A)=A𝔄CL(A)

が成立する。111CLは閉包作用素である。

命題 3.

明らかに

CL(A𝔄A)A𝔄CL(A)

が成り立つ。逆向きの包含関係を示そう。xCL(A𝔄A) とする。𝔄は局所有限なのでxの近傍Nが存在して

NAA𝔄

を充たす。Nと交わる𝔄の元をA1,A2,AnとするとxCL(A𝔄A)から

xCL(i=1nAi)

が成立する。しかし有限個の和集合については

CL(i=1nAi)=i=1mCL(Ai)

が成り立つので結局

xA𝔄CL(A)

つまり

CL(A𝔄A)=A𝔄CL(A)
系 4.

位相空間Xの局所有限な閉集合の族𝔄について

A𝔄A

は閉集合である。

系 5.

位相空間Xの局所有限な族𝔄について{CL(A)}A𝔄も局所有限である。

定義 6 (細分).

𝔄,𝔅集合Xの部分集合の族とする。このとき𝔄𝔅の細分であるとは

A𝔄B𝔅AB

となることである。

定義 7 (パラコンパクト).

位相空間がパラコンパクトであるとは空間の任意の開被覆に対して局所有限でかつ開被覆であるような細分が存在することである。

明らかにパラコンパクト空間の族の位相的直和はパラコンパクトになる。

次の命題はコンパクトハウスドルフ空間が正規であることの証明のアナロジーと命題2からの帰結である。

命題 8.
222より強くパラコンパクトハウスドルフ空間は族正規空間であることが示せるが、それはまた別の話である。

パラコンパクトハウスドルフ空間はT4

証明.

考える空間をXとする。まず最初にXが正則であることを示そう。Xの点ppを含まない閉集合Cの任意の組を考える。このとき任意のxCについてpCL(Ux)となる。xの開近傍Uxが存在する。なぜならXのハウスドルフ性からp,xを分離する開集合O,Uが存在するが

pXOU

CLでXOは閉集合なのでpCL(U)となるのでこのUUxとすれば良い。そして

{XC,Ux}xC

を考えるとこれはXの開被覆になっているのでパラコンパクト性からこの被覆の開細分で局所有限な𝒜が存在する。このとき={A𝒜|ACØ}を考えるとこの族の元Aは細分性からあるxCについて

AUx

となる。(AACØAXC)よってAならば

pCL(A)

さてG=を考えるとCGであり、そして局所有限性から

CL(G)=ACL(A)

なのでpCL(G)よって

XCL(G),G

p,Cを分離する開集合となる。

次に正規性を証明しようA,BXの交わらない2つの閉集合の任意の組とする。上よりXは正則なので各aAについてCL(Ua)B=Øとなるaの開近傍Uaが存在する。さて

{XA,Ua}aA

を考えるとこれはXの開被覆となっているのでパラコンパクト性からこの開被覆の開細分である局所有限被覆𝒰が存在する。さらに

𝒱={V𝒰|AVØ}

を考えると上と同様の議論でV𝒱ならば

CL(V)B=Ø

よってG=𝒱AG局所有限性から

CL(G)=V𝒱CL(V)

なのでCL(G)B=Øよって

G,XCL(G)

A,Bを分離する開集合となる。 ∎

明らかにコンパクト空間はパラコンパクトである。さらに パラコンパクトである空間の重要な例として距離空間がパラコンパクトであることを示そう。 以下の定理の証明の中では0とし、B(x,r)で擬距離空間のxを中心とするr開球を表すとする。

定理 9 (Stone の定理).

擬距離空間の任意の開被覆に対し局所有限でかつσ疎であるような開細分が存在する。特に擬距離空間はパラコンパクトである。333擬距離とは非退化性d(x,y)=0x=yを仮定しない距離のことである。

証明.

M.E.Rudinによる簡潔な証明[7]を引用しよう。

Xを考えている擬距離空間として {Cα}αAXの開被覆とする。ただし添字Aは整列されているものとする。整列可能定理を用いればこのように仮定しても一般性を失わない。そして自然数nに対して開集合の族𝒰n={Dα,n}αAnについて帰納的に構成する。今、nより小さい自然数については構成が終わっているとしてIα,nXを次の3つの条件を充たすXの点x全体の集合として定義する。

(1) α=min{β|xCβ}
(2) j<nxβADβ,j
(3) B(x,32n)Cα

そして

Dα,n=xIα,nB(x,2n)

と定義する。こうして

𝒰n={Dα,n}αA

が定義される。n=1のときでも(2)が空な条件となるだけで、Iα,1が構成され𝒰1がきちんと定義される。以上により帰納的に開集合の族の列

𝒰1,𝒰2,,𝒰n,

が構成される。そして

𝒰={Dα,n}(α,n)A×

と置く。明らかにDα,nCαなので𝒰{Cα}αAの細分になってる事はすぐにわかる。

𝒰Xの被覆となることを見よう。xXについてxCαとなる最小のαが存在する。そしてnを十分大きく取ればB(x,3sn)Cαとなる。このnについてもし

j<nxβADβ,j

ならばもちろんx𝒰である。一方

j<nxβADβ,j

ならばxIα,nとなるのでxB(x,2n)Dα,nつまりx𝒰 となる。いづれにせよx𝒰なので

X=𝒰

となり、𝒰Xの開被覆であることがわかる。

𝒰が局所有限である事を見よう。xXを任意に与えると𝒰が被覆なので xDα,nとなるDα,n𝒰が存在し、jを十分大きく取れば

B(x,2j)Dα,n

となる。このとき次が成り立つ

(a):in+jβAB(x,2nj)Dβ,i
(b):i<n+jDβ,iB(x,2nj)βA

この(a),(b)から𝒰の局所有限性はすぐに従う。またこの(a),(b)から𝒰α,nが疎であることもわかる。 これらの証明をしよう。

(a)の証明:in+jならば特にi>nなのでIβ,iの定義の(2)からyIβ,iならばyDα,nそしてB(x,2j)Dα,nからyB(x,2j)なので

d(x,y)2j

が成立する。いまここで(a)が成立しない、つまりB(x,2nj)Dβ,iと交わると仮定すると

Di,β=yIi,βB(y,2i)

よりあるyIi,βについてzB(x,2nj)B(y,2i)が存在するが、in+jn+1及びn+jj+1から2i2j12nj2j1となるので

2jd(x,y)d(x,z)+d(z,y)<2nj+2i2j1+2j1=2j

がわかり2j<2jとなるから矛盾。よって(a)が成立する。[(a)の証明終わり]

(b)の証明:まずβγ,pDβ,i,qDγ,iならば2nj+1<d(p,q)が成立することを示そう。β<γと仮定しても一般性を失わない。Dの定義から

pB(y,2i),qB(z,2i)

となるyIβ,i,zIγ,iが存在する。さてβ<γよりIγ,iの定義の(1)からzCβが成り立ち、Dβ,iCβから

zDβ,i

となる。 よってIβ,iの定義の(3)からB(y,32i)Dβiなので、上と合わせてzB(y,32i)であるから

32id(y,z)

を得る。 これと三角不等式から

32id(y,z)d(y,p)+d(p,q)+d(q,z)<2i+d(p,q)+2i=22i+d(p,q)

なので結局

2i<d(p,q)

そしてi<n+jからin+j1なので2i2nj+1となり

2nj+1<d(p,q)

が成り立つ。 さてもし(b)が成り立たない、つまりB(x,2nj)Dβ,i,Dγ,i(βγ)の二つと交わるなら
pB(x,2nj)Dβ,i,qB(x,2nj)Dγ,iとなるp,qが存在するが

d(p,q)d(p,x)+d(x,q)<2nj+2nj=2nj+1

となるが2nj+1<d(p,q)なので矛盾する。よって(b)が成立する。[(b)の証明終わり]

以上で証明は完結した。 ∎

次のtube lemma と呼ばれる定理は簡単だが、幅広い応用を持つ。

定理 10 (tube lemma).

Xを位相空間、Yをコンパクト位相空間とする。更にxXX×Yの開集合O

{x}×YO

を充たしているとする。このときXにおけるxの開近傍Nが存在して

{x}×YN×YO

を充たす。

証明.

A={x}×Yと置く

𝒪={U×V|A(U×V)Ø,U×VO,U,VX,Y}

と置くと、𝒪は開集合族で直積の開集合の定め方から

A𝒪

が成り立つので𝒪Aの開被覆である。AYと同相であるからコンパクトなので

Ai=1n(Pi×Qi)O

となる𝒪の有限部分族{Pi×Qi}i=1nが存在する。そして明らかに

Yi=1nQi

であり

N=i=1nPi

と置けばxN

A={x}×YN×YN×inQi=i=1n(N×Qi)i=1n(Pi×Qi)O

が成り立つので証明が終わる。 ∎

一般にパラコンパクト性は直積で全くもって保たれないが、次の事が知られている。

系 11.

パラコンパクト空間Xとコンパクト空間Yの直積X×Yはパラコンパクト

証明.

𝒰X×Yの開被覆とする。そして

𝒩={NX|NXN×Y𝒰}

と定義するとYのコンパクト性とtube lemmaから

X=𝒩

となる。Xのパラコンパクト性から局所有限な𝒩の開細分{Ma}aA が存在する。細分なので各aについてMaNとなるN𝒩が存在する。よって

Ma×YN×Y

となる。𝒩の定義からN×Y𝒰の有限個の元の和集合で被覆される。このa毎に存在するN×Yを被覆する𝒰の有限個の元を

{Ub}B(a)B(a)

と書くことにすると

Ma×YbB(a)Ub

が成立する。さてX×Yの開集合の族

𝒢={Ub(Ma×Y)|bB(a)aA}

𝒰の細分であることは明白である。また{Ma×Y}aAX×Yの開被覆を成しているので{Ub}B(a)の定め方から𝒢が開被覆であることがわかる。𝒢が局所有限であることを示そう。

(x,y)X×Yとする。{Ma}aAの局所有限性からxの近傍Vが存在してV{Ma}aAの有限個の元としか交わらない。Vと交わる{Ma}aAの元を

Ma1,Ma2,,Man

と置く。このときN×Y(x,y)の近傍であり、N×Y{Ma×Y}aAの有限個の元

Ma1×Y,Ma2×Y,,Man×Y

としか交わらない。そして各aiについてB(ai)は有限集合なのでN×Y𝒢={Ub(Ma×Y)|bB(a)aA}の有限個の元としか交わらない。よって𝒢は局所有限である。 ∎

tube lemmaのもう一つの応用として次の変数の片側がコンパクト空間になっている2変数の実関数に関する性質を証明しよう。これはある意味で関数の最大値が連続的に動く事を示している。

系 12 (連続関数のsupの連続依存性).

位相空間Xとコンパクト空間Y及びX×Y上の実連続関数f:X×Yについて

F(x)=supyYf(x,y)

で定義されるF:XX上の実連続関数である。

証明.

Xの任意の点aでの連続性を示す。ε>0を任意に与える。そしてA={a}×Yとし、S=f(A)と置く。YはコンパクトなのでAはコンパクト集合である。そしてdの距離とすると

D:;rd(r,S)

は連続関数なのでT=Df:X×Yは連続である。さてTの連続性から

O={(x,y)|T(x,y)=Df(x,y)=d(f(x,y),S)<ε}

X×Yの開集合で明らかにAOである。よってtube lemmaからaの開近傍Nが存在して

AN×YO

となる。このときDの定義とOの定義から(a,y),(x,z)N×Yについて

(1) |f(a,y)f(x,z)|D(S,f(x,z))<ε

が成り立つ。Yのコンパクト性から各xXについて

F(x)=supyYf(x,y)=f(x,y0)

となるy0が存在するので、xNならば(1)から

|F(a)F(x)|<ε

となるので点aでの連続性は示された。aは任意なので結局FX上連続である。 ∎

以上で得られた結果を用いて次のパラコンパクト性とコンパクトハウスドルフ空間の関係を語る定理を証明しよう。

定理 13.

Yをコンパクトハウスドルフ空間とし、XYについて

X×Y

が正規であるとする。このときXはパラコンパクトである。

証明.

{Ui}iIXの開被覆とする。そしてYの開集合からなる族OiiI

OiX=Ui

となるOiからなるものとする。そしてO=iIOiとしH=X×Oと置く。更に

F={(x,y)X×Y|x=y}

と置く。この集合は包含写像XYのグラフとなっているのでYのハウスドルフ性からX×Yの閉集合となり、明らかに

FH

となる。そしてX×Yの正規性からF上で恒等的に0の値をとりHの補集合で恒等的に1の値を取る実連続関数f:X×Y[0,1]が存在する。さてF:X×X×Y

F(v,w,y)=|f(v,y)f(w,y)|

とすると明らかに連続関数であり、Yのコンパクト性から先の系により

d(v,w)=supyY=|f(v,y)f(w,y)|=supyYF(v,w,y)

X×Xの連続関数であり、X上の擬距離である。この事からdε開球Xの開集合であり、擬距離dから誘導される位相𝔒dは元々のXの位相𝔒より粗い。つまり

𝔒d𝔒

が成り立つ。

Wx={v|d(x,v)<12}

と置くと族{Wx}xX(X,𝔒d)の開被覆となり、擬距離空間はパラコンパクトであることから(X,𝔒d)における{Wx}xXの局所有限開細分{Gj}jJが存在する。この族は𝔒d𝔒から(X,𝔒)の局所有限開被覆でもある。またxXを任意に固定してvWxについてf(v,v)=0から

f(x,v)=f(x,v)f(v,v)|f(x,v)f(v,v)|d(x,v)<12

よってYの中444XYであることを思い出そう

Wx{yY|f(x,y)12}

となる。xを固定するごとに{yY|f(x,y)12}Yの閉集合であるから

WxCLY(Wx){yY|f(x,y)12}

が成立する。CLYYの中で閉包をとっているということである。更にH=X×OfHの補集合では恒等的に1の値を取ることから

{yY|f(x,y)12}O

が従う。結局

WxCLY(Wx){yY|f(x,y)12}O

が任意のxについて成り立つ。 そして{Gj}jJ{Wx}xXの細分であることから同様に

GjCLY(Gj)O

が成り立つ。 さてCLY(Gj)はコンパクト空間Yの閉集合であることからコンパクトである。よってO=iIOiCLY(Gj)OからjJ毎にIの有限部分集合A(j)が存在して{Oi}iA(j)CLY(Gj)の被覆となる。そして

{GjOi|jJiA(j)}

と置くとこの族はXの開被覆となりGjXからGjOi=GjUiとなるので{Ui}iIの細分となる。{Gj}(X,𝔒)の局所有限細分でもあり、A(j)は有限集合であることから結局{GjOi|jJiA(j)}{Ui}iIの局所有限細分となる。よってXはパラコンパクト。 ∎

この定理の以下の系の証明は明らかであろう。

系 14.

局所コンパクトハウスドルフ空間Xとその1点コンパクト化αXについて

X×αX

が正規ならXはパラコンパクト

系 15 (玉野の定理).

T3.5空間Xとそのストーン・チェックコンパクト化βXについて

X×βX

が正規ならXはパラコンパクト

これらの結果を用いて次のパラコンパクト空間の便利な特徴付けを証明する。

定理 16.

T3.5空間Xについて以下は同値

(1) X
(2) ZX×ZT4
証明.

(1)(2)11よりコンパクトハウスドルフ空間ZについてX×Zはパラコンパクトハウスドルフ空間である。よってT4である。

(2)(1)定理13を踏まえると、Xを部分空間として含むコンパクトハウスドルフ空間の存在を言えば良いが、今XT3.5だと仮定しているので、例えばXのストーンチェックコンパクト化βXや十分に冪の大きいチコノフキューブ[0,1]𝔪などがXを部分空間として含むので証明は完結する。555T3.5空間は、コンパクトハウスドルフ空間の部分空間として実現できるが、逆にコンパクトハウスドルフ空間の部分空間はT3.5空間になる。

定理16を用いてパラコンパクト性の色々な性質を証明しよう。

系 17.

パラコンパクトハウスドルフ空間のFσ集合はパラコンパクト

証明.

Yをパラコンパクトハウスドルフ空間XFσ集合とすると任意のコンパクトハウスドルフ空間ZについてY×ZX×ZFσ集合となり正規空間のFσ集合は正規だからY×ZT4となり先の定理からYがパラコンパクトであることがわかる。 ∎

次の定理は補題11の拡張である。

系 18.
666この定理のσコンパクトをリンデレフに変更するともはや定理は成り立たない。例えばゾルゲンフライ直線同士の積などが反例になる。

パラコンパクトハウスドルフ空間とσコンパクトT3空間との直積はパラコンパクト

証明.

Xをパラコンパクトハウスドルフ空間、YσコンパクトT3空間とする。σコンパクト空間はリンデレフなので特にYはリンデレフT3空間なのでT4空間であり、特にT3.5空間である。よってYはあるコンパクトハウスドルフ空間Zの部分集合として実現できる。(例えばβXや十分に冪の大きいチコノフキューブの部分空間となる。)そして、補題11よりX×Zはパラコンパクトハウスドルフ空間であり、Yσコンパクト性からYZFσ集合となるのでX×Yはパラコンパクトハウスドルフ空間X×ZFσ集合となるので、先の補題からX×Yはパラコンパクトになる。 ∎

系 19.
777より一般に正規リンデレフ空間は強パラコンパクト、特にパラコンパクトであるが、これはまた別の話。

σコンパクトなT3空間はパラコンパクト

証明.

直前の補題にX={}のときを適用すればわかる。 ∎

局所コンパクトハウスドルフ空間のパラコンパクト性について次の事実がある。

事実 20.

局所コンパクトハウスドルフ空間がパラコンパクトであるための必要十分条件は空間がσコンパクトな局所コンパクトハウスドルフ空間の位相的直和となること。

証明は例えば[2]参照。この事実と系18から次が知れる。

系 21.

パラコンパクトハウスドルフ空間とパラコンパクト局所コンパクトハウスドルフ空間の直積はパラコンパクト。

2 おまけ

証明はかなり省く

事実 22.

正規(T4)空間の可算包含列

G1G2G3Gn

においてGiGi+1の閉集合となっているとする。このときこの列の帰納極限空間X=limGi=iGiは正規(T4)

証明は例えば[6]参照

定理 23.

コンパクトハウスドルフ空間の包含列の帰納極限はパラコンパクト

証明.

コンパクトハウスドルフ空間がT4空間であることと 上の事実からX=limGi=iGiT4であり、さらにσコンパクトである。ゆえに系19よりパラコンパクトである。 ∎

系 24.

無限次元射影空間はパラコンパクト

References

  • [1] 児玉之行,永見啓応,位相空間論,岩波書店,1974
  • [2] ニコラ・ブルバキ,数学原論 位相1
  • [3] 森田紀一,位相空間論,岩波全書331,岩波書店1981
  • [4] E.Michael,A Note on Paracompact Spaces ,Proc.Amer.Math.Soc.vol4(1953)
  • [5] K.Morita,paracompactness and product spaces,Fund.Math.vol50(1962),pp.223-236
  • [6] K.Morita,On spaces having the weak topology with respect to closed coverings,Proc.Japan Acad.Vol29 No.10(1953)
  • [7] M.E.Rudin,A New Proof that Metric Spaces are Paracompact,Proc.Amer.Math.Soc.vol20(1969),p603