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遺伝的正規とか完全正規とか

一色三良(concious77)
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では正規という言葉はT1を仮定しない意味で用いる。

定義 1.

位相空間Xの2つの集合A,Bが離れているとは

C⁢L⁢(A)∩B=Ø,A∩C⁢L⁢(B)=Ø

を充たすことである。

定義 2 (遺伝的正規).

位相空間が正規でかつ、その任意の部分空間が正規であるときその空間を遺伝的正規という。遺伝的正規空間がT1も充たすときT5空間という。

命題 3.

以下は同値

(1) Xは遺伝的正規
(2) Xの任意の開集合は部分空間として正規
(3) Xの離れた2つの集合は開集合で分離できる
証明.

(1)⟹(2)は明らかである。

[(2)⟹(3)]

A,BをXの離れた2つの集合としてC=C⁢LX⁢(A)∩C⁢LX⁢(B)と置くとこれは閉集合であり、(2)からO=X∖Cは正規空間である。そして

C⁢LO⁢(A)=O∩C⁢LX⁢(A)=C⁢LX⁢(A)∖C,C⁢LO⁢(B)=O∩C⁢LX⁢(B)=C⁢LX⁢(B)∖C

なので

C⁢LO⁢(A)∩C⁢LO⁢(B)=Ø

であり、C⁢LO⁢(A),C⁢LO⁢(B)はOの閉集合でOは正規空間なのでOの開集合U,Vが存在して

C⁢LO⁢(A)⊂U,C⁢LO⁢(B)⊂V,U∩V=Ø

となる。A,Bが離れていることからA⊂C⁢LO⁢(A),B⊂C⁢LO⁢(B)でOの開集合はXの開集合でもあるので結局離れている2つの集合A,Bは開集合で分離できる。

[(2)⟹(3)の証明終わり]

[(3)⟹(1)]

SをXの部分空間とし、A,B⊂SをSの交わらない閉集合の任意の組とする。さて

A=C⁢LS⁢(A)=S∩C⁢LX⁢(A),B=C⁢LS⁢(B)=S∩C⁢LX⁢(B)

であるから、B⊂Sから

C⁢LX⁢(A)∩B=C⁢LX⁢(A)∩S∩B=C⁢LS⁢(A)∩B=A∩B=Ø

であり、同様にA∩C⁢LX⁢(B)=Øである。よってA,Bは離れている。よって(3)よりXの開集合で分離できるが、相対位相の定義からSでもA,BはSの開集合で分離できる。よってSは正規空間。つまりXは遺伝的正規空間である。 ∎

定義 4 (ゼロ集合).

位相空間Xの部分集合Aがゼロ集合であるとはある連続関数f:X→[0,1]が存在して

A=f−1⁢(0)

を充たすことである。

定義 5.

位相空間Xの2つの閉集合E,Fが関数で完全に分離されるとは連続関数f:X→[0,1]が存在して

f−1⁢(0)=E,f−1⁢(1)=F

を充たすこと。

定義 6 (完全正規).

位相空間が正規でかつ、その任意の開集合がFσ集合であるときその空間を完全正規空間という。完全正規空間がT1も充たすときT6空間という。

命題 7.

以下は同値

(1) Xは完全正規
(2) Xの任意の閉集合はGδ集合
(3) Xの任意の閉集合はゼロ集合
(4) Xの交わらない2つの閉集合の任意の組E,Fは連続関数で完全に分離できる
(5) Xの閉集合上の[0,1]への連続関数はゼロ集合を保ったままXへ拡張できる
証明.

Fσ集合の補集合はGδ集合で逆も成り立つので(1)⇔(2)はすぐにわかる。

[(2)⇔(3)]

FをXの閉集合とするとこれはGδ集合であるから開集合の列{On}n∈ℕ⁢を⁢用⁢い⁢てF=∩n∈ℕOnと書ける。さて各i∈ℕ

F⊂Oi

なので正規性からウリゾーンの補題を用いて連続関数fi:X→[0,2−i]が存在して

fi|F≡0,fi|X∖Oi≡2−i

となる。そこで

g⁢(x)=∑i∈ℕfi⁢(x)

と置くと|fi|≤2−iなのでgは絶対収束するからgは連続関数である。そして

g⁢(x)=0⇔∀i∈ℕ⁢fi⁢(x)=0

なので

g−1⁢(0)=⋂n∈ℕOn=F

となることがわかりFはゼロ集合となることがわかる。逆に任意の閉集合Fがゼロ集合とするとある連続関数f:X→[0,1]が存在して

F=f−1⁢(0)

となる。そこでOn=f−1⁢([0,1/n)) とするとF=⋂n∈ℕOnとなり任意の閉集合がGδ集合になる。

[(2)⇔(3)の証明終わり]

[(3)⇔(4)]

まず(4)⟹(3)は閉集合FとØを完全に分離する連続関数f:X→[0,1]を考えると

f−1⁢(0)=F

となることからわかる。逆を示そう。

E,FをXの交わらない2つの閉集合の任意の組としよう。また、2つの連続関数a,b:X→[0,1]が存在して

a−1⁢(0)=E,b−1⁢(0)=F

となる。今、E,Fは互いに交わらないのでa+b>0となる。そこで連続関数f:X→[0,1]を

f=aa+b

とおけば、

f−1⁢(0)=E,f−1⁢(1)=F

となる。よってE,Fは完全に関数で分離される。

[(3)⇔(4)の証明終わり]

[(5)⇔(1)]

(5)が成り立つとすれば、閉集合A上の連続関数0をX上までゼロ集合を保ったまま拡張できる。つまりAはゼロ集合となるので(5)⟹(3)⟹(1)となりわかる。逆を示そう。

今までで、(1)から(4)までの同値性はわかっている。Aを任意の閉集合としてf:A→[0,1]を任意の連続関数とする。Xは正規なのでティーチェの拡張定理よりfの拡張g:X→[0,1]が得られる。また、Aはゼロ集合なので連続関数h:X→[0,1]が存在してh−1⁢(0)=Aとなる。そして

k=max⁡{g,h}

とおけばこれは連続関数k:X→[0,1]で確かに

k−1⁢(0)=f−1⁢(0)

となる。

[(5)⇔(1)の証明終わり]

∎

命題 8.

完全正規空間の部分空間は遺伝的正規である。また、完全正規空間の任意の部分空間も完全正規である。

証明.

Xの任意の開集合はFσ集合であり、正規空間の任意のFσ集合は部分空間として正規なのでXは遺伝的正規である。また、 Xの任意の部分集合Sについて、Xの開集合とSの共通部分はSの開集合っであり、Sの開集合は全てこのように得られる。またXのFσ集合とSとの共通部分はSのFσ集合なのでSが完全正規であることがわかる。 ∎

例 9 (遺伝的正規だが完全正規でない例).

非加算離散空間の1点コンパクト化: 非加算集合をDとして離散位相を与えて、それを1点コンパクト化した空間をQ=D∪{∞}とする。このときQは遺伝的正規である。なぜなら部分集合S⊂Qを任意に考える。S⊂DのときSは離散空間なのでSは正規空間である。また∞∈SのときSはコンパクトハウスドルフ空間になるのでSは正規である。よってQは遺伝的正規である。しかし、∞の近傍は∞を含む補有限集合でDは非加算なので{∞}がGδ集合ではない。よってQは完全正規ではない。

例 10 (正規だが遺伝的正規でない例).

非加算離散空間の1点コンパクトの2個の直積空間: 上で定義したQについてE=Q×Qを考えると之はコンパクトハウスドルフ空間なので正規であるが、Eは遺伝的正規ではない。Eの正規でない空間を見出そう。X=E∖{(∞,∞)}は正規でない。特にA=Q×{∞}∖{(∞,∞)}=D×{∞}とB={∞}×Q∖{(∞,∞)}={∞}×Dは両方共X=E∖{(∞,∞)}の閉集合であるが、Xの開集合で分離できない。そのことを示そう。N={an|n∈ℕ}をDの可算部分集合とする。この時∞∈C⁢LQ⁢(N)である。さてU,VをXの開集合でA⊂U,B⊂Vとしよう。そしてn∈ℕについて

Un={y∈X|(an,y)∈U}

と置く。するとXがEの開集合であることからUもEの開集合になるのでUnはQの開集合になる。そして∞∈Unである。そして上で見たように{∞}はGδ集合では無いので

{∞}⫋⋂n∈ℕUn

である。p∈⋂n∈ℕUn∖{∞}を適当に選び、

O={x|(x,p)∈V}

と置くとやはりOはQの開集合であり、p≠∞より(∞,p)∈Bなので∞∈Oである。また∞∈C⁢LQ⁢(N)なのでnを十分大きく取るとan∈Oである。このときOの定義から(an,p)∈Vであり、pの定義から(an,p)∈Uなので結局

U∩V≠Ø

となり、A,Bが分離できないことが分かった。よってEは遺伝的正規ではない。111一般にXにGδ集合でない閉集合が存在し、Yに閉集合でない可算集合が存在するとき、X×Yは遺伝的正規ではない。[3]を参照のこと。ちなみに[3]ではこの空間Eが遺伝的正規だとの記述があるが間違いである。

例 11 (完全正規だが第一可算でない例).

距離化可能でない方のハリネズミ(パリ)空間222距離化可能なハリネズミ(パリ)空間もある Aを非加算集合とし、I=[0,1]と置く。そしてIa=I×{a}として位相的直和空間

B=∐a∈AIa

を考え更に∐a∈A{(0,a)}を1点に潰した空間をHとする。つまりはBにBの(0,a)という形の元を全て同一視し、その他の元は放ったらかす同値関係を与えるのだが、このとき商写像p:B→Hは閉写像となる。Bは距離空間なので333一般に距離空間の位相的直和は距離空間になる。特に完全正規で、一般に完全正規空間の閉像は完全正規なのでHは完全正規となる。しかし、よく知られているようにこの空間は(0,a)の同値類という点で、第一可算公理を充たさない。

例 12 (第一可算で完全正規だが距離付け可能でない例).

ゾルゲンフライ直線:まずゾルゲンフライ直線は正規空間である。ゾルゲンフライ直線の任意の開集合は[a,b)という形の集合の和集合だが、このような集合は高々可算個の点とユークリッド直線ℝの開集合の和集合として書けるが、ℝの任意の開集合はFσ集合でゾルゲンフライ直線の位相はℝのそれより細かいので結局ゾルゲンフライ直線の開集合はFσ集合となる。よってゾルゲンフライ直線は完全正規である。ゾルゲンフライ直線が第一可算公理を充たすことと、距離化不可能であることは周知のとおりである。

おまけ

補題 13.

位相空間Xについて、互いに交わらない閉集合の任意の組E,Fについて開集合の列{Gn}n∈ℕが存在して

E⊂⋃n∈ℕGn,∀n∈ℕ⁢C⁢LX⁢(Gn)∩F=Ø

を充たすならば、Xは正規空間である。

証明.

互いに交わらない閉集合の任意の組E,Fを与えると、2つの開集合の列{Gn}n∈ℕと{Hn}n∈ℕが存在して

E⊂⋃n∈ℕGn,∀n∈ℕ⁢C⁢LX⁢(Gn)∩F=Ø

及び

F⊂⋃n∈ℕHn,∀n∈ℕ⁢C⁢LX⁢(Hn)∩E=Ø

を充たす。そして任意のn∈ℕに対して

Un=Gn∖⋃i≤nC⁢LX⁢(Hi),Vn=Hn∖⋃i≤nC⁢LX⁢(Gi)

としてU=⋃n∈ℕUn,V=⋃n∈ℕVnと置くとC⁢LX⁢(Gn)∩F=Ø,C⁢LX⁢(Hn)∩E=Øから

E⊂U,F⊂V

がわかる。またU∩V=Øはn,m∈ℕについて

Un∩Vm=Ø

を示せば良いが、これは Un⊂C⁢LX⁢(Gn),Vm⊂C⁢LX⁢(Hm)からすぐにわかる。 ∎

命題 14.

正則リンデレフ空間は正規

証明.

上の補題を用いよう。E,Fを交わらない閉集合の任意の組とする。さて正則性から任意のx∈Eについて開集合Uxが存在して

C⁢L⁢(Ux)∩F=Ø

となる。この時{Ux}x∈EはEを被覆し、Eはリンデレフ空間の閉集合だからE自身もリンデレフなので高々可算個の{Ux}x∈Eの部分被覆{On}n∈ℕが存在して

C⁢L⁢(On)∩F=Ø

と

E⊂⋃n∈ℕOn

とを充たす。よって先の補題から正則リンデレフ空間は正規であることがわかる。 ∎

命題 15.

正規空間のFσ集合は正規

証明.

やはり上の補題を用いよう。Xを正規空間としRはそのFσ集合で閉集合の列{Ln}n∈ℕの和集合でかけているとしよう。そしてE,FをRの交わらない閉集合の任意の組とする。このときXの閉集合A,Bを用いて

E=R∩A,F=R∩B

と書ける。さてA∩Ln=E∩LnとBはXの交わらない2つの閉集合である。なぜならLnが閉集合であり、A∩Ln∩B⊂E∩F=Øだからである。よってXの正規性からXの開集合Unが存在して

E∩Ln⊂Un,C⁢LX⁢(Un)∩B=Ø

と出来る。Un∩Rを考えて先の補題を用いれば定理は明白である。 ∎

References

  • [1] 児玉之行,永見啓応,位相空間論,岩波書店,1974
  • [2] 寺澤 順,トポロジーへの招待,日本評論社,2012
  • [3] M.Kateˇtov,Complete normality of cartesian products,Fund. Math. 35(1948) 271-274