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正規性の特徴付け

一色三良(concious77)
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では正規空間の様々な特徴付けを紹介する。ここでは正規空間とはT1を仮定しない意味で用いる。

定義 1 (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

B𝔅A𝔄AB

となることである。

定義 2 (点有限族).

集合Xの部分集合の族𝔄が点有限であるとはXの任意の点xに対してxAとなるA𝔄が有限個しかないことである。

定義 3 (局所有限族).

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。

定義 4 (開収縮).

位相空間Xの開被覆𝒰に対して{VU|U𝒰}が開収縮であるとは{VU|U𝒰}Xの開被覆であって、任意のU𝒰について

CL(VU)U

を充たすこと。

定義 5 (閉収縮).

位相空間Xの開被覆𝒰に対して{FU|U𝒰}が閉収縮であるとは{FU|U𝒰}Xの閉被覆であって、任意のU𝒰について

FUU

を充たすこと。

定義 6 (Weak supportとSupport).

関数fX[0,1]弱台wspp(f)

wspp(f)={xX|f(x)>0}

と定義する。

関数fX[0,1]supp(f)

supp(f)=CL(supp(f))=CL({xX|f(x)>0})

以下様々な種類の単位の分割を定義する。

定義 7 (弱い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する弱い単位の分割であるとは{wsppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1

を充たすこと

定義 8 (強い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する強い単位の分割であるとは{suppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1

を充たすこと

定義 9 (点有限な弱い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する弱い単位の分割であるとは{wsppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1
{wsppfi}iIは点有限

を充たすこと

定義 10 (点有限な弱い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属す強い単位の分割であるとは{suppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1
{suppfi}iIは点有限

を充たすこと

定義 11 (局所有限な弱い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する局所有限な弱い単位の分割であるとは{wsppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1
{wsppfi}iIが局所有限

を充たすこと

定義 12 (局所有限な強い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する局所有限な強い単位の分割であるとは{suppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1
{suppfi}iIが局所有限

を充たすこと

関数の拡張

定義 13.

位相空間Xについて、Xの任意の交わらない2つの閉集合の組E,Fについて連続関数f:X[0,1]が存在して

f|E0,f|F1

が成り立つとき、Xは条件(U)を充たすという。

定義 14.

位相空間Xについて、任意のXの閉集合AA上の連続関数f:A[0,1]に対して、連続関数g:X[0,1]が存在して

g|A=f

を充たすときXは条件(T)を充たすという。

定義 15.

位相空間Xについて、任意のXの閉集合AA上の連続関数f:Aに対して、連続関数g:Xが存在して

g|A=f

を充たすときXは条件(R)を充たすという。

定理 16.

位相空間Xについて以下は同値である。

(1) 正規性
(2) 条件(U)を充たす
(3) 条件(T)を充たす
(4) 条件(R)を充たす

0-族正規性

定義 17 (0-族正規性もしくは可算族正規性).

位相空間X0-族正規であるとはXの閉集合からなる任意の可算で疎な族𝒜に対してAUAとなる開集合の族{UA|A𝒜}が存在して

ABUAUB=Ø

が成り立つことである。111T1は要請しないことにする明らかに0-族正規空間は正規である。

定理 18.

位相空間Xに於いて正規性と0-族正規性は同値

証明.

正規空間が0-族正規であることを示せばいい。 ∎

縮小

定理 19.

位相空間Xについて以下は同値である。

(1) 正規性
(2) 点有限開被覆に開収縮が存在する
(3) 局所有限開被覆に開収縮が存在する
(4) 有限開被覆に開収縮が存在する
(5) 点有限開被覆に閉収縮が存在する
(6) 局所有限開被覆に閉収縮が存在する
(7) 有限開被覆に閉収縮が存在する
証明.

(1)(2)の証明は省略する。これは所謂ウリゾーンの補題である。

交わらない2つの閉集合E,Fについてf|E0,f|F1となる連続関数f:X[0,1]について、U=f1([0,1/2)),V=f1((1/2,1])を考えればU,Vは互いに交わらない開集合でEU,FVなので結局(2)(1)が成り立つ。また(3)を仮定したとき互いに交わらない2つの閉集合E,Fについて関数f:EF[0,1]E上で0F上で1の値を取る関数とすればこれは連続関数で(3)を用いれば連続関数g:X[0,1]g|E0,g|F1となる関数が得られるので(2)が成り立つ。以上の簡単な考察から

(1)(2)(3)

が分かった。また、(1)(3)はティーチェの拡張定理としてよく知られているので証明を省略する。そして 以下の論理包含図式は明らかであろう。

(4)(5)(6)(7)(8)(9)

これらを踏まえて以下では

(1)(4),(9)(1),(5)(10),(10)(2)

を証明する。

[(1)(4)の証明]

{Ui}iIXの任意の点有限開被覆とし、Iは整列しているとする。超限帰納法で

(hoge1)CL(Vi)Ui
(hoge2)kI{Vi}ik{Ui}k<iXの被覆を成している

となるViを構成する。0Iの最小元として、まずV0を構成する。F0=Xk0Ukと置くとこれは閉集合で{Ui}iIが被覆を成すことから

F0U0

となる。ここでXの正規性を用いると

F0VCL(V)U0

となる開集合Vが存在する。このようなVの一つをV0とおくと

CL(V0)U0

を明らかに充たし 更に{V0}{Ui}i>0Xの被覆を成している。

次にi<kとなる任意のiについては(a),(b)を充たすViが構成できているとしよう。このとき

Fk=X(i<kVik<iUi)

と定義する。さて

FkUk

となることを見よう。もしxFk(XUk)が存在したとしよう。{Ui}iIは点有限なのでxUaとなるaIは有限個であり、このようなもの全体を{a1,a2,,an}としよう。そしてb=max{a1,a2,an}と置くとFkの定義とxFkxUkよりb<kであり、b<iとなるiについてxUiであるのでbに対する(hoge2)からxibVbであるが、ibVbi<kViFkの定義からxFkになり、矛盾する。よってFkUk

さてさてここでXの正規性から

FkVCL(V)Uk

となる開集合Vが存在するが、このようなVのひとつをVkとしよう。このとき、(hoge1),(hoge2)が充たされることは見やすい。

最後にこのように作られた{Vi}iIXの被覆になることを見よう。xXを任意に与える {Ui}iIは点有限なのでxUaとなるaIは有限個であり、このようなもの全体を{a1,a2,,an}としよう。そしてb=max{a1,a2,an}と置くとb<iならばxUiなので(hoge2)からxVjとなるVjが存在する。よって{Vi}Iは被覆となる。

[(1)(4)の証明終わり]

[(9)(1)の証明]

E,Fを交わらない2つのXの閉集合としよう。このとき{XE,XF}Xの有限開被覆なので(9)から閉収縮{A,B}が存在する。つまり{A,B}

AXE,BXF

となる2つの閉集合である。このときU=XA,V=XBと置くと、これらは開集合であり、更にEU,FVである。またAB=Xから

UV=X(AB)=XX=Ø

なので結局Xは正規である。

[(9)(1)の証明終わり]

[(5)(10)の証明]

{Ui}iIを局所有限開被覆としよう。このとき(5)から

{Ui}iI

の開収縮{Vi}iIが存在する。またこれも局所有限である。さて(1)から(9)の同値性はもう知っている。{Vi}iI(8)を用いてこれの閉収縮{Fi}iIが存在する。そしてFiViなのでウリゾーンの補題から各iI毎に

gi|Fi1,gi|XVi0

を充たす連続関数gi:X[0,1]が存在する。ここでCL(Vi)Uiなので

suppgiUi

であるから{suppgi}iI{Ui}iIの細分である。 さて、局所有限性から連続関数h:X[0,+)

h(x)=iIgi(x)

と定義でき、更に{Fi}iIが被覆を成していることからg(x)>0である。そして

fi(x)=gi(x)h(x)

と連続関数fiX[0,1]を定義する事ができて、これが{Ui}iIに従属する局所有限な単位の分割であることは容易にわかる。

[(5)(10)の証明終わり]

[(10)(2)の証明]

E,Fを交わらない2つのXの閉集合としよう。このとき𝒜={XE,XF}Xの局所有限開被覆なのでこれに従属する局所有限な単位の分割{fi}iIが存在する。ここでSI

suppfiXE

を充たすI全体の集合とし、

g(x)=sSfs(x)

と定義すると局所有限性からgは連続関数であり、sSならばsuppfsXEなのでg|E0である。また{suppfi}iI𝒜の細分であるのでsuppfiEØsuppfiFØは同時に絶対に起らない。よってxFに対してxsuppfaとなるfaを考えると必ずsuppfaXEなのでiIfi=1から

g|F1

がわかる。よって(2)が成立する、

[(10)(2)の証明終わり]

単位の分割

補題 20.

位相空間Xとその開被覆𝒰について以下は同値

(1) 𝒰に従属する弱い単位の分割が存在する
(2) 𝒰に従属する局所有限な弱い単位の分割が存在する
定理 21 (局所有限被覆と単位の分割).

位相空間Xについて以下は同値である。

(1) 正規性
(2) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する弱い単位の分割が存在する
(3) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する強い単位の分割が存在する
(4) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する点有限な弱い単位の分割が存在する
(5) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する点有限な強い単位の分割が存在する
(6) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な弱い単位の分割が存在する
(7) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な強い単位の分割が存在する
定理 22 (有限被覆と単位の分割).

位相空間Xについて以下は同値である。

(1) 正規性
(2) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する弱い単位の分割が存在する
(3) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する強い単位の分割が存在する
(4) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する点有限な弱い単位の分割が存在する
(5) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する点有限な強い単位の分割が存在する
(6) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な弱い単位の分割が存在する
(7) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な強い単位の分割が存在する
定理 23 (点有限被覆と単位の分割).

位相空間Xについて以下は同値である。

(1) 正規性
(2) 任意の点有限開被覆に対してそれに従属する弱い単位の分割が存在する
(3) 任意の点有限開被覆に対してそれに従属する強い単位の分割が存在する
(4) 任意の点有限開被覆に対してそれに従属する点有限な弱い単位の分割が存在する
(5) 任意の点有限開被覆に対してそれに従属する点有限な強い単位の分割が存在する
(6) 任意の点有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な弱い単位の分割が存在する
(7) 任意の点有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な強い単位の分割が存在する

Δ細分

定理 24.

位相空間Xについて以下は正規性と同値

(1) 任意の開集合二枚からなる開被覆についてΔ細分となる有限開被覆が存在する。
(2) 任意の有限開被覆についてΔ細分となる有限開被覆が存在する。
(3) 任意の有限開被覆についてΔ細分となる開被覆が存在する。
(4) 任意の有限開被覆は正規被覆となる。
(5) 任意の局所有限開被覆についてΔ細分となる開被覆が存在する。

References

  • [1] 森田紀一,位相空間論,岩波全書331,岩波書店1981