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パラコンパクト等々2

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文章ではパラコンパクト性の基本的な言い換えを紹介する。次いでBing-長田-Smirnovの距離化可能定理を証明する。最後にここで紹介したパラコンパクト性の言い換えを用いて距離空間のパラコンパクト性の別証明を与える。

定義 1.

位相空間Xに於いてXの部分集合族𝒜が疎であるとはXの各点xに対してxの近傍Nが存在して

NAØとなるA𝒜が存在しないか、もしくは1個しか無い

を充たす時𝒜は疎であると言う。もちろん𝒜が疎であるときA,B𝒜,ABならばAB=Øである。

命題 2.

位相空間Xに於いて𝒜が疎であるとき𝒜は局所有限であり、 ={CL(A)|A𝒜}も疎である。

証明.

疎な族が局所有限であることは定義から明白である。={CL(A)|A𝒜}が疎であることは局所有限の場合の対応する結果と同様の証明でわかる。 ∎

命題 3.

以下の命題は同値位相空間Xの部分集合族𝒜について以下は同値

(1) 𝒜は疎
(2) 𝒜は局所有限で={CL(A)|A𝒜}の元は互いに交わらない。
証明.

(1)(2)は明らかである。(2)(1)を示そう。場合分けをする。

(i)xBBのとき、局所有限性からBBは閉集合であるからU=XBBは開集合であり、ひいてはxの近傍でありA𝒜についてAU=Øとなる。

(ii)xがあるCに属してるとき、の元は互いに交わらないのでこのようなCは唯一つしか存在しない。さて𝒜の局所有限性からも局所有限で特にF=BC,BBは閉集合であり、V=XFxの近傍での元とはたったCとしか交わらない。

よって2つの場合から𝒜が疎であることが示された。 ∎

定義 4.

位相空間Xの部分集合族𝒜σ局所有限であるとは高々可算個の局所有限な族𝒰1,𝒰2,𝒰nが存在して

𝒜=i𝒰i

となることである。111文脈的に明らかであろうが、𝒰の元の和集合を表す記号𝒰=U𝒰Uとは違うので注意せよ。紛らわしいが、文脈的にわかるはずなので今後もこういう書き方をする。𝒰も使う。

同様にσ疎も定義する。

定義 5 (族正規).

位相空間Xが族正規であるとはXの閉集合からなる任意の疎な族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。222T1は要請しないことにする明らかに族正規空間は正規である。

命題 6.

族正規空間Xに於いて上の族正規空間の定義に於いて{UA|A𝒜}は疎であるように取る事が出来る。

証明.

F=𝒜,O=A𝒜UAと置くとFは閉集合でOは開集合であり、FOを充たす。族正規空間Xは正規空間でもあるので

FPCL(P)O

となる開集合Pが存在する。VA=UAPと置くと明らかにAVA

ABVAVB=Ø

である。{VA|A𝒜}が疎であることを示そう。場合分けによる。

(i)xOの場合。このときxCL(P)なのでN=XCL(P)xの近傍で{VA|A𝒜}のどの元とも交わりを持たない。 (ii)xOのとき、つまりあるUCxが属しているとき。このときUCxの近傍である。{UA|A𝒜}の元が互いに交わらないこととVAUAであることからUCVCただこの一つとしか交わらない。

以上より{VA|A𝒜}は疎である。 ∎

定理 7.

パラコンパクトハウスドルフ空間Xは族正規

証明.

証明の方針はパラコンパクトハウスドルフ空間が正規であることの証明と同じである。

𝒜を閉集合からなる疎な族であるとする。F𝒜xFについて Ox,FxOx,F

CL(Ox,F)(AF,A𝒜A)=Ø

であるように取る。パラコンパクトハウスドルフ空間が正則であることと、𝒜が疎であることからAF,A𝒜Aが閉であることからこの様なOx,Fは確かに存在する。

さてこのとき

𝒪={X𝒜,Ox,F}xF𝒜

Xの開被覆となるので局所有限な開被覆の細分が存在する。それを𝒰と書こう。そしてf𝒜に対して

DF={U𝒰|AUØ}

と置くとFDFで局所有限性からCL(DF)={CL(U)𝒰|AUØ}よって𝒰𝒪の細分であることから

CL(DF)(AF,A𝒜A)=Ø

が成り立つ。さて更にF𝒜に対して

GF=DF(FA,A𝒜CL(DA))

と置けば𝒰の局所有限性からこれは開集合で先の記述からFGFでありさらに

ABGAGB=Ø

である。以上からパラコンパクトハウスドルフ空間が族正規であることがわかる。 ∎

定義 8.

集合Xの部分集合族𝒜Xの点xについてdeg(x;𝒜)

deg(x;𝒜)=card{A𝒜|xA}

と定義する。これを𝒜に対するxの度数という。

定義 9.

集合Xの被覆𝒰について任意の点xについてdeg(x;𝒰)が有限となるとき、𝒰Xの点有限被覆という。

定義 10.

位相空間Xについてその任意の開被覆に点有限被覆となる開細分が存在するときXをメタコンパクト、もしくは弱パラコンパクトと言う。明らかにパラコンパクト空間はメタコンパクトである。

定理 11.

T3空間に於いて 以下は同値

(1) Xはパラコンパクト
(2) Xの任意の開被覆は閉集合からなる局所有限な被覆によって細分される
(3) Xの任意の開被覆は(閉とも開とも限らない集合からなる)局所有限な被覆によって細分される
(4) Xの任意の開被覆はσ局所有限な開被覆で細分される
(5) Xの任意の開被覆はσ疎な開被覆で細分される。
(6) Xはメタコンパクトかつ族正規
証明.

T3性から各点の閉近傍全体が基本近傍系を成してることから(1)(2)がわかる。また(2)(3)(1)(6)は明らかで、疎な族は特に局所有限でもあるから(5)(4)もわかるよって以下の論理包含図式が得られる。

(1)(2)(3)
(1)(6),(5)(4)

以下(3)(1),(6)(5),(4)(3)を示す。この3つが示されれば、提示された条件の同値性は漏れ無く証明される。

[(3)(1)の証明]

𝒱Xの開被覆とすると(3)から局所有限な(閉とも開とも限らない)被覆で細分されるそれを𝒜 と置く。𝒜は局所有限なので各x毎に𝒜の局所有限性を担保するxの近傍Wxが存在する。ここでT3性の仮定からより強くCL(Wx)𝒜の有限個の元としか交わらないとしてもよい。すると𝒲={Wx}xXXの開被覆なので再び(3)から𝒲の局所有限な被覆である細分が存在する。この𝒲の細分なのでの任意の元の閉包CL(B)𝒜の有限個の元としか交わらない。更に

𝒞={CL(B)|B}

と置くとこれは局所有限な閉被覆でC𝒞𝒜の有限個の元としか交わらない。 ここでA𝒜に対して

UA=X{C|CA=ØC𝒞}

と定義するとAUAであり𝒞の局所有限性からUAは開集合である。この時次が成り立つ。C𝒞について

CUAØCAØ

なぜなら、CUAØとするとUAの定義からCAØでしかありえない。逆は明らか。 対偶を取れば

CUA=ØCA=Ø

も成り立つ。よって𝒞{UA}A𝒜の有限個の元としか交わらない。

{UA}A𝒜が局所有限であることを示そう。各点xについて𝒞の局所有限性を担保するxの近傍Nが存在する。N𝒞の有限個の元 C1,C2,,Cmとしか交わらず、𝒞が被覆を成すことから

xNi=1mCi

となる。よって{UA}A𝒜の元がNと交わればC1,C2,,Cmのいづれかと必ず交わっているが、C1,C2,,Cmの各々は{UA}A𝒜の有限個の元とし交わらないのでN{UA}A𝒜の有限個の元としか交わらない。よって{UA}A𝒜は局所有限である。最後に𝒜𝒱の細分を成していることからA𝒜毎に

AOA

となるOA𝒰を選び、

{UAOA}A𝒜

とすると、明らかに𝒱の細分でAUAOA𝒜が被覆を成してることから{UAOA}A𝒜も被覆で{UA}A𝒜が局所有限であることから{UAOA}A𝒜も局所有限である。以上でXがパラコンパクトであることが示された。

[(3)(1)の証明終わり]

[(6)(5)の証明]

点有限な被覆にσ疎な開被覆である細分が存在する事を示せば良い。𝒰を点有限開被覆とし、iに対して

Fi={xX|deg(x;𝒰)i}

と置けばFiFi+1であり、点有限性から

iFi=X

が成り立つ。帰納的にi0に対して開集合からなる𝒰の細分である疎な族𝒱iを構成するが、 Vi=𝒱iと置いたときに、条件(hoge)

(hoge) Fni=1nVi

が成り立つように構成する。

i=0のとき:F0=Øであるから𝒱0={Ø}とおけば条件(hoge)は充たされる。

i=nまで構成されたとして、i=n+1のとき、

I={{U1,U2,,Un+1}|{U1,U2,,Un+1}𝒰U1,U2,,Un+1は互いに異なる}

と定義し、TIに対して

AT=(Xj=0nVj)(XUTU)

と定義するとこれは閉集合であり、

ATUTU

が成り立つ。なぜなら𝒰が被覆であり、AT(XUTU)だからである。

さて{AT}TIが疎であることを示そう。xXを任意に与える。

deg(x;𝒰)nのとき:xFnj=0nVjj=0nVjATの定義から{AT}TIの元と交わらない。

deg(x;𝒰)n+2のとき:xを含むn+2個の𝒰の元U1,U2,,Un+2が存在しする。そこでN=i=1n+2Uiと置けばどんなTIに対しても、このU1,U2,,Un+2のいづれかひとつはTに属しないのでATの定義からN{AT}TIの元と交わらない。

deg(x;𝒰)=n+1のとき:ちょうどn+1個の𝒰の元U1,U2,,Un+1xを含む。S={U1,U2,,Un+1}Iと置けば、ATの定義から N=i=1n+2UiASとしか交わらない。

よって以上から{AT}TIは閉集合からなる疎な族である。(6)からXが族正規であることと命題6から疎な開集合の族{OT}TIが存在してATOTを充たす。これを用いて

PT=OTUTU

と定義すると𝒱n+1={PT}TIは開集合からなる疎な族であり、𝒰の細分である。また、明らかにATPT。これが条件(hoge)を充たすことをみよう。

まず帰納法の仮定から以下の包含関係が成り立つ。333一般に2つの集合A,BについてAB=A(BA)であることに注意しよう。

Fn+1=FnFn+1(j=0nVj)Fn+1=(j=0nVj)(Fn+1(j=0nVj))

そこでxFn+1(j=0nVj)を任意に与えると deg(x;𝒰)=n+1であり、このときあるTIが存在して

xXUTU

である。よってxj=0nVjであるからxATPTつまり

Fn+1(j=0nVj)Vn+1

であるから結局

Fn+1j=0n+1Vj

よって(hoge)が充たされ𝒱iが任意のi0について構成できた。

さてさて各𝒱iが開集合からなる疎な族で𝒰の細分なので𝒲=i0𝒱iは開集合からなるσ疎な族で𝒰の細分である。最後に𝒲Xの被覆であることを見よう。

X=nFn

𝒲=j=0Vj

であるから(hoge)より𝒲が被覆となることがわかる。

[(6)(5)の証明終わり]

[(4)(3)の証明]

𝒰Xの開被覆とすると(4)からσ局所有限な開被覆で細分されるそれを

𝒜=ii(iは局所有限)

と置く。そして

Gi=i

とするとこれは開集合である。更に

D1=G1,Di=Gi(k=1i1Gk)

として{Di}iを定義するとn<iならばGnDi=Øなので局所有限であり、Xの被覆である。。そして最後に

𝒬={WDi|Wii}

と置く。明らかにこれは開被覆であり、𝒜𝒰の細分であることから𝒬𝒰の細分である。𝒬が局所有限であることを示そう。xXとするとあるnが存在してxGnである。Gnは高々D1,D2,Dnとしか交わらない。さて1,2,,nそれぞれに対してその局所有限性を担保するxの被覆が存在するが、その近傍をそれぞれN1,N2,,Nnと置く。すると

GnN1N2Nn

xの近傍で明らかに𝒬={WDi|Wii}の有限個の元としか交わらない。よって𝒰に(開とも閉とも限らないが)局所有限な細分が存在することがわかった。

[(4)(3)の証明終わり]

命題 12.

擬距離空間(X,d)についてdと同じ位相を誘導する擬距離eで、

e(x,y)1

を充たすものが存在する。

証明.

e(x,y)=min{d(x,y),1}と置けば良い。これが擬距離の公理を充たすことの証明は、読者へ委ねる。0<ε<1のとき、xを中心としたdによるε開球とeによるε開球は同じ集合になるのでdeは同じ位相を誘導する。 ∎

定義 13 (ゲージ空間).

空間Xに擬距離の族𝔇={di|iI}が備わっている時、(X,𝔇)𝔇をゲージとするゲージ空間という。ゲージ空間(X,𝔇)には

{B(x,ε;di)|xX,ε(0,+),iI}

を準開基とした標準的な位相が定義される。ここでB(x,ε;di)xを中心としたはdiによるε開球である。また上の命題からゲージ空間(X,𝔇)に対して同じ位相を誘導するゲージ𝔈e𝔈の大きさが1を超えないものが存在する。

命題 14 (ゲージ空間の擬距離距離付け可能性).

ゲージ空間(X,{di|iI})に於いてIが高々可算のときXは擬距離付け可能であり、任意のx,yX,xyについてあるiIが存在して

di(x,y)0

が成り立つならばXは距離付け可能である。

証明.

di1としても良く、Iが高々可算なのでIとしてもよい。このとき

D(x,y)=iI12idi(x,y)

とするとこれはどんなx,yについても有限の値になり、この級数は一様収束するので(X,{di|iI})上の連続関数である。。またこれが擬距離であることを見るのは容易い。この擬距離Dがゲージ{di|iI}と同じ位相を誘導する事を見よう。D(X,{di|iI})の連続関数なので擬距離空間(X,D)の開集合は(X,{di|iI})の開集合である。逆の事を示そう。任意の点aXについてD(a,x)<2iεならば2idi(a,x)D(a,x)なのでd(a,x)<εつまり、

B(a,2iε;D)B(a,ε;di)

となる。よって(X,{di|iI})の開集合は(X,D)開集合となるので結局(X,{di|iI})は擬距離付け可能である。

最後にx,yX,xyについてあるiIが存在して

di(x,y)0

が成り立つときD(x,y)>0となるのでDは距離となる。 ∎

定理 15 (Bing-長田-Smirnovの距離化可能定理).

T3空間Xについて以下は同値

(1) Xは距離化可能
(2) Xσ疎な開基を持つ
(3) Xσ局所有限な開基を持つ
証明.

(2)(3)は明らかである。以下(1)(2),(3)(1)を示そう。

[(1)(2)の証明]

B(x,r)xを中心とするr開球を表すことにする。 すると各iに対して

Si={B(x,2i)}xX

Xの開被覆でありかつ=iSiXの開基を成している。 前回までで距離空間のパラコンパクト性はわかっている。先の定理(5)より Siにはσ疎な開被覆である細分Eiが存在する。この時𝒲=iEiσ疎である。𝒲が開基になることを示そう。ところで次の簡単な事実がある。

():xB(y,2k1)ならばB(y,2k1)B(x,2k)

さてが開基なので𝒲が開基であることを示すには各点xと任意のnについてあるW𝒲が存在して

xWB(x,2n)

を示せば良いが、En+1は被覆でありSn+1の細分であるから各点xに対して

xWB(y,2n1)

となるyXが存在する。そして()よりB(y,2n1)B(x,2n)が成り立つ。よって

xWB(x,2n)

が成り立つ。よって𝒲が開基であることが示されたので(2)が成り立つ。

[(1)(2)の証明終わり]

[(3)(1)の証明]

Xの開集合系を𝔒とする。 まず、条件(3)からXの任意の開被覆は被覆であるσ疎な開細分をもつので定理11からパラコンパクトハウスドルフ空間である。よって特にXは正規である。

次に(X,𝔒)の位相と同じ位相を誘導する高々可算個のゲージを構成しよう。(3)よりXに基底として

=ii(各iは局所有限)

となるものが選べる。これを用いてμ=(m,n)に対して擬距離を構成する。まずUnに対して

K(U)={CL(W)|Wm,CL(W)U}

と置くとmの局所有限性からK(U)は閉集合であり、K(U)Uを充たす。そこでXの正規性からウリゾーンの補題を用いて

fU|K(U)1,fU|XU0

となる連続関数fU:X[0,1]が存在する。これを用いて

dμ(x,y)=Un|fU(x)fU(y)|

と定義する。x,yそれぞれのnの局所有限性を表現する開近傍をNx,Nyとすると、Nx×Ny上ではdμは有限和になるのでこの上の連続関数である。よってdμX×X上の連続関数である。444一般に写像f;XYは任意のU𝒰f|U:UYが連続関数であるようなXの開被覆𝒰が存在すれば、fX上でも連続である。よって(X,{dμ}μ×)の開集合は(X,𝔒)の開集合である。逆の事を示そう。μ=(m,n)×,UnについてaK(U)とすればdμ(a,y)<1ならば

|fU(a)fU(y)|=|1fU(y)|dμ(a,y)<1

なので0<fU(y)fU|XU0なので結局

B(a,1;dμ)U

となる。よって(X,𝔒)の基底なので(X,𝔒)の開集合は(X,{dμ}μ×)の開集合でもあり、Xは可算個のゲージで位相を付ける事ができる。よって命題14から (X,𝔒)は擬距離付け可能である。また、が開基であることと、元々(X,𝔒)がハウスドルフであることからxyについてμ×が存在して

dμ(x,y)0

となることを見るのは容易いので、最終的にXが距離付け可能であることがわかる。

[(3)(1)の証明終わり] ∎

系 16 (ウリゾーンの距離化可能定理).

第二可算T3空間は距離化可能

証明.

元を一つしか持たない族は明らかに疎であるから可算な族はσ疎である。この事からウリゾーンの距離化可能定理は明らかである。 ∎

定義 17.

位相空間がc.c.c.を充たすとは、Xの互いに交わらない開集合の族の濃度が高々可算になるときに言う。

系 18.

距離空間に於いて次は同値555この命題はわざわざBing-長田-Smirnovを使わずとも証明できる。そのことからわかることは、距離空間には何かしら内在的な「可算性」があるということである。(もちろん第一可算公理を充たすのだが、そういう局所的なことではなく大域的な性質としての話である。)それを暴いたのがBing-長田-Smirnovの定理である。

(1) 第二可算公理
(2) 可分
(3) リンデレフ
(4) c.c.c.
証明.

距離空間に限らず一般の位相空間で以下のよく知られた次の論理包含関係がある。

可分第二可算公理c.c.c.リンデレフ

よって距離空間において[リンデレフ可分]と[c.c.c.第二可算公理]を示せばよい。

[c.c.c.第二可算公理の証明] Bing-長田-Smrnovの距離化可能定理からXにはσ疎な開基が存在するが、c.c.c.なら疎な族の濃度は高々可算になる。よってσ疎な族の濃度も高々可算である。よってσ疎な開基は濃度が高々可算な開基になるので第二可算公理が成り立つ。

[c.c.c.第二可算公理の証明終わり]

[リンデレフ可分の証明]

n毎に2n開球全体の族Sn={B(x,2n)}xXXの開被覆になるが、リンデレフ性から高々可算個の2n開球でXを被覆出来る。その可算個の2n開球の中心を{xi,n}iと置く。この時

D={xi,n|i,n}

は高々可算な集合であるが、これがXで稠密であることを言おう。各xについてB(x,2k)を考える。この時{xi,k}iの各々を中心とする2k開球はXを被覆するのであるiが存在してxB(xi,n,2k)であるが、もちろんxi,nB(x,2k)である。よってこの事からXの任意の開集合はDと共通部分を持つことがわかるのでDXで稠密である。

[リンデレフ可分の証明終わり] ∎

§おまけ Stoneの定理の別証明

前回距離空間のパラコンパクト性は証明したが、定理11を用いた別証明が出来る。

定理 19 (Stoneの定理).
666この方法は[2]にはA.H.Stoneの論文[7]によるものと書いているが実際にその論文を読んでみると距離空間ではなく一般に全体正規空間のパラコンパクト性を証明している。その証明を距離を用いて手直しするとこのような証明になるのである。全体正規空間とは任意の開被覆に正規被覆列が存在する空間のことであるが、正規被覆列にはそれと「両立」する距離を誘導出来ることが[7]以前にTukeyによって知られていた。Stoneも最初は距離空間でやってみてその後抽象的に全体正規性から誘導される被覆の正規列でパラコンパクト性の証明を手直ししたのかもしれない。

距離空間の任意の開被覆はσ疎な開被覆で細分出来る。よって定理11から距離空間はパラコンパクト

証明.

B(x,r)xを中心とするr開球を表すことにする。

{Uα}αAを距離空間(X,d)の開被覆とし、その添字集合Aは整列しているとする。これのσ疎な細分で開被覆となるものを構成しよう。まず各nに対して

Vα,n={xUα|d(x,XUα)2n}

と定義する。すると

Vα,nVα,n+1,nVα,n=Uα

が成り立つ。また次のことがわかる。

(1) pVα,n,qVα,n+1d(p,q)2n

なぜならVα,n+1の定義からqVα,n+1ならば任意のxXUαに対してd(q,x)<2n1 であるから三角不等式を用いてxXUαに対して

2nd(p,x)d(p,q)+d(q,x)d(p,q)+2n1

なのでd(p,q)2nとなる。さて

Hα,n=Vα,nβ<αUβ,n+1

と定義しよう。このとき次の事が成り立つ。

(2) αβ,pHα,n,qHβ,nd(p,q)2n1

理由を説明しよう。今α>βと仮定しても一般性を失わない。このときHα,nの定義からpHα,n,qHβ,nとするとpUβ,n+1なので(1)からd(p,q)2n1がわかる。

さてさて

Eα,n={xX|d(x,Hα,n)<2n3}=cHα,nB(c,2n3)

と定義すると明らかにEα,nは開集合であり、2n3<2nからEα,nUαがわかる。この開集合について次の事が成り立つ。

(3) αβ,pEα,n,qEβ,nd(p,q)2n2

理由を説明しよう。Eα,n,Eβ,nの定義からpEα,n,qEβ,nとすると sHα,n,tHβ,nが存在してpB(s,2n3),qB(t,2n3) となる。すると(2)と三角不等式から

2n1d(s,t)d(s,p)+d(p,q)+d(q,t)<2n3+d(p,q)+2n3=2n2+d(p,q)

よってd(p,q)2n2が成り立つ。

次の簡単な事実に注意しよう。

p,qB(c,r)d(p,q)<2r

この事実から各点xXについてB(x,2n4)は族n={Eα,n}αAの高々1個の元としか交わりを持たない。よってn={Eα,n}αAは疎である。よってnnσ疎な{Uα}αAの開細分である。最後にnnXの被覆になってることを言おう。

xXを任意に与え、αAxUαとなる最小のAの元とする。このとき nVα,n=UαからあるnについてxVα,nでありαの最小からxHα,nであり、Hα,nEα,nなのでxEα,nつまりnnXの被覆である。 ∎

References

  • [1] 寺澤 順,トポロジーへの招待,日本評論社,2012
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  • [3] R,Engelking,General Topology ,PWN,1977
  • [4] E.Michael,A note on paracompact spaces ,Proc.Amer.Math Soc.4(1953) 831-838
  • [5] K.Nagami,Paracompactness and strong screenability,Nagoya Math J.8(1955),83-88
  • [6] A.R.Pears,DIMENSION THEORY OF GENERAL SPACES,Cambridge Univ.Press,1975
  • [7] A.H.Stone,Paracompactness and product spaces,Bull,Amer.Math Soc. 54(1948),977-982