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パラコンパクト等々3

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日
定義 1 (閉包保存).

位相空間Xの部分集合族𝒜が閉包保存であるとは任意のℬ⊂𝒜について

⋃B∈ℬC⁢L⁢(B)=C⁢L⁢(⋃B∈ℬB)

を充たすこと。明らかに局所有限な族は閉包保存である。

定義 2.

位相空間Xの族{Uα}α∈Aについてその細分{Eβ}β∈Bが{Uα}α∈Aのクッション細分であるとは、写像f:B→Aが存在してEβ⊂Uf⁢(β)を充たし任意のC⊂Bについて

C⁢L⁢(⋃γ∈CEγ)⊂⋃γ∈CUf⁢(γ)

を充たすこと。

命題 3 (indexed refinement).

位相空間Xの族{Uα}α∈Aにクッション細分が存在するとき添字がAと両立するクッション細分が存在する。すなわち{Uα}α∈Aのクッション細分{Fα}α∈AでFα⊂UAを充たし、任意のI⊂Aについて

C⁢L⁢(⋃i∈IFi)⊂⋃i∈IUi
証明.

{Uα}α∈Aにはクッション細分{Eβ}β∈Bとそのクッション性を表す写像f:B→Aが存在するが、このときα∈Aについて

Fα=⋃f⁢(β)=αEβ

と置けば求めるクッション細分になっている。111Fα=Øとなる場合も十分にありえることに注意せよ。以下ではクッション細分という時には必ずこの命題で保証される添字と両立するクッション細分を考えることにする。 ∎

定義 4.

位相空間Xの部分集合族𝒜がσ閉包保存であるとは高々可算個の閉包保存な族𝒰1,𝒰2,⋯⁢𝒰n⁢⋯が存在して

𝒜=⋃i∈ℕ𝒰i

となることである。222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=⋃U∈𝒰U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クッション細分も定義する。

定理 5.

T3空間に於いて以下は同値である。

(1) Xはパラコンパクト
(2) Xの任意の開被覆には被覆である閉包保存な開細分が存在する
(3) Xの任意の開被覆には被覆である閉包保存な閉細分が存在する
(4) Xの任意の開被覆には被覆である閉包保存な(開とも閉とも限らない)細分が存在する
(5) Xの任意の開被覆には被覆である開集合からなるクッション細分が存在する
(6) Xの任意の開被覆には被覆である閉集合からなるクッション細分が存在する
(7) Xの任意の開被覆には被覆である(開とも開とも限らない集合からなる)クッション細分が存在する
証明.

T3を用いれば(4)⟹(7)が簡単にわかるので、 以下の論理包含関係は明らかであろう。

(2)(5)(1)(4)(7)(1)(7)(3)(6)

よって(7)⟹(1)をだけを示せばこの定理の証明は終わる。以下(7)を仮定して(1)を示す。開被覆{Ua}a∈Aを任意に与えこれのσ局所有限な開細分被覆を構成すればよい。また、添字集合Aは整列されているとする。

step0:XはT4である。

E,Fを素なXの2つの閉集合とする。このとき{X∖E,X∖F}はXの開被覆になっているのでそのクッション細分である被覆{N,M}が存在する。そのクッション性から

C⁢L⁢(N)⊂X∖E,C⁢L⁢(M)⊂X∖F

を充たす。さてこのときU=X∖C⁢L⁢(N),V=X∖C⁢L⁢(M)とおけばこの2つは開集合でE⊂U,F⊂VでありU∩V=X∖(C⁢L⁢(N)∪C⁢L⁢(M))=Øなので結局Xは正規である。

step1:以下を充たす{Uα}α∈Aのクッション細分の列{Cα,i}α∈A⁢(i∈ℕ)が存在する。

(a) (⋃β<αCβ,i)∩Cα,i+1=Ø
(b) Cα,i∩(⋃α<βCα,i+1)=Ø

帰納的に{Cα,i}α∈Aを構成しよう。

i=1のとき:{Cα,1}α∈Aは特に条件を付けず、(7)から存在が保証される{Uα}α∈Aのクッション細分とする。 i=nまで{Cα,i}α∈Aが構成されているとしてi=n+1のとき:

Uα.n+1=Uα∖C⁢L⁢(⋃β<αCβ,n)

として開集合の族{Uα,n+1}α∈Aを定義する。x∈Xを任意に与えαをx∈Uαととなる最小のAの元とすると

C⁢L⁢(⋃β<αCβ,n)⊂(⋃β<αUβ)

からx∈Uα,n+1なので{Uα,n+1}α∈AはXの開被覆となる。(7)から{Uα,n+1}α∈Aのクッション細分である被覆{Cα,n+1}α∈Aが存在する。これが上に挙げた条件(a),(b)を充たすことを見よう。

Cα,n+1⊂Uα.n+1=Uα∖C⁢L⁢(⋃β<αCβ,n)

から(a)が成り立つのはよく分かる。

β>αならUα,n+1の定義からCα,n∩Uβ,n+1=Øでありかつ、{Cα,n+1}α∈Aのクッション性から

C⁢L⁢(⋃α<βCβ,n+1)⊂⋃α<βUβ,n+1

なので確かに(b)が成立する。

step2:以下の条件を充たす開被覆{Vα,i|α∈A,i∈ℕ}が存在する。

(c) ∀α∈A⁢Vα,i⊂Uα
(d) α≠β⟹Vα,i∩Vβ,i=Ø

任意のα∈Aとi∈ℕについて

Vα,i=X∖C⁢L⁢(⋃β≠αCβ,i)

と定義するとこれは開集合である。i毎に{Cα,i}α∈AはXの被覆なので

Vα,i⊂Cα,i⊂Uα

が成立する。この事から(c),(d)が成立することは見やすい。最後に{Vα,i|α∈A,i∈ℕ}が被覆であることを証明しよう。x∈Xを任意に与えよう。そしてAが整列集合であることを使って

αi=min⁡{α∈A|x∈Cα,i}

と定義しよう。そして自然数k∈ℕを

αk=min⁡{αi|i∈ℕ}

を充たすようなものとしよう。このとき

x∈Vαk,k+1

を証明しよう。まず定義からx∈Cαk,kとなることがわかる。このとき(b)から

(hoge) x∉C⁢L⁢(⋃αk<αCα,k+1)

である。再びαkの定義からあるγ≥αkについてx∈Cγ,k+2が成り立つ。そして(a)から

x∉C⁢L⁢(⋃β<γCβ,k+1)

このとき(h⁢o⁢g⁢e)から{Cα,k+1}α∈Aが被覆を成していると言うことからγ=αkでなければならない。よって

x∉C⁢L⁢(⋃β<αkCβ,k+1)

であり、確かにx∈Vαk,k+1である。

step3:{Uα}α∈Aにはσ局所有限な開被覆となる細分が存在する。 step2で得られた{Vα,i|α∈A,i∈ℕ}に対して(7)を用いてこの被覆のクッション細分被覆{Dα,i|α∈A,i∈ℕ}を得る。このときXの正規性から各iについて

C⁢L⁢(⋃α∈ADα,i)⊂Gi⊂C⁢L⁢(Gi)⊂⋃α∈AVα,i

となるGiを得る。この時𝒲i={Vα,i∩Gi}と置けば𝒲iは開集合からなる疎な族となり、

⋃i∈ℕ𝒲i

は開被覆でσ疎で{Uα}α∈Aの細分となっている。

結局任意の開被覆にσ局所有限な開被覆となる細分が存在するT3空間はパラコンパクトなので結局Xはパラコンパクトである。 ∎

系 6.

パラコンパクトハウスドルフ空間の閉像はパラコンパクトハウスドルフ

証明.

全射閉写像f:X→YについてXがパラコンパクトハウスドルフのときYがパラコンパクトハウスドルフである事を示そう。パラコンパクトハウスドルフ空間はT4なのでその閉像であるYもT4であり、特にT3である。Yの任意の開被覆についてクッション細分被覆が存在することを言おう。Yの任意の開被覆{Uα}α∈Aを与える。この時{f−1⁢(Uα)}α∈AはXの開被覆であるので先の定理からこの被覆のクッション細分被覆{Eα}α∈Aが存在するさて任意のB⊂Aについて

C⁢LX⁢(⋃b∈BEb)⊂⋃b∈Bf−1⁢(Ub)

が成り立つ。333閉写像f;X→Yについてf⁢(C⁢LX⁢(M))=C⁢LY⁢f⁢(M)となることに注意しよう。よってfで写すと

f⁢(C⁢LX⁢(⋃b∈BEb))=C⁢LY⁢(⋃b∈Bf⁢(Eb))⊂⋃b∈BUb

が成り立つ。故に{f⁢(Eα)}α∈Aは{Uα}α∈Aのクッション細分被覆になる。よって先の定理からYはパラコンパクトである。 ∎

定理 7.

T3空間に於いて以下は同値

(1) Xはパラコンパクト
(2) Xの任意の開被覆にはσ閉包保存な開細分被覆が存在する
(3) Xの任意の開被覆にはσクッション細分開被覆が存在する
証明.

T3を用いれば(2)⟹(3)がわかるので

(1)⟹(2)⟹(3)

は明らかであろう。よって(3)⟹(1)を示せば良い。任意の開被覆にクッション細分開被覆が存在する事を示す。

𝒰を任意の被覆としそのσクッション細分開被覆を

𝒜=⋃i∈ℕℬi⁢(各ℬiはクッション細分)

と書こう。そしてOi=⋃ℬiとし、Aiを帰納的に

A1=B1,An=Bn∖(⋃i=1n−1Bi)

と置くとBiが開集合であることから{Ai}i∈ℕは局所有限であり、Xの被覆である。そして

𝒞={Ai∩B|B∈ℬi,i∈ℕ}

とする。𝒞がクッション細分被覆であることを見よう。まずXを被覆することについては各x∈Xについてx∈Biとなる最小のiを選べば、x∈Aiであり、更にあるB∈ℬiについてx∈Bであるからx∈Ai∩Bとなるので確かに被覆であることがわかる。

𝒞がクッション細分であることを見よう。𝒞i={Ai∩B|B∈ℬi}と置けば

(hogehoge) 𝒞=⋃i∈ℕ𝒞i

であり、任意のℐ⊂𝒞について、分解(hogehoge)に応じてℐ=⋃i∈ℕℐiと分解すると

C⁢L⁢(⋃C∈ℐC)=C⁢L⁢(⋃i∈ℕ⋃C∈ℐiC)

であり、{Ai}i∈ℕの局所有限生に由来して{⋃C∈ℐ1C,⋃C∈ℐ2C,⋯,⋃C∈ℐnC,⋯}は局所有限であるから

C⁢L⁢(⋃i∈ℕ⋃C∈ℐiC)=⋃i∈ℕC⁢L⁢(⋃C∈ℐiC)⊂⋃i∈ℕ⋃C∈ℐiUC=⋃C∈IUC

なので結局

C⁢L⁢(⋃C∈ℐC)⊂⋃C∈IUC

となり𝒞がクッション細分であることがわかる。 ∎

事実 8 (shrinkage lemma).

正規空間Xの任意の局所有限開被覆𝒰についてXの閉被覆{FU|U∈𝒰}が存在して

FU⊂U

を充たす。もちろんこのとき{FU|U∈𝒰}は局所有限である。

定義 9 (星型集合).

集合Xとその部分集合族𝒜、及びS⊂Xについて

S⁢t⁢(S,𝒜)=⋃{A|A∈𝒜,S∩A≠Ø}

を𝒜によるSを中心とする星型集合という。

定義 10 (星型細分、Δ細分).

集合Xの部分集合族𝒜についてℬが𝒜の星型細分であるとは集合族
{S⁢t⁢(B,ℬ)|B∈ℬ}が𝒜の細分となることである。

また、集合Xの部分集合族𝒜についてℬが𝒜のΔ細分であるとは集合族{S⁢t⁢(x,ℬ)|x∈X}が𝒜の細分となることである。

定理 11 (本来のStoneの定理).
444Stoneの定理と言うと距離空間のパラコンパクト性のことであるが、それが証明されたA.H.Stoneの論文[5]ではfull normalityとパラコンパクト性が同値であると言う形でそれが示されていた。おまけで示すように距離空間はfully normalなのである。

以下は同値である。555今までT3であるという仮定を置いていたが、この命題の場合それは必要ない。勝手にT3になってくれる。

(1) Xはパラコンパクトハウスドルフ
(2) XはT1でXの任意の開被覆には開被覆であるΔ細分が存在する(この条件をFully normalという)
(3) XはT1でXの任意の開被覆には開被覆である星型細分が存在する
証明.

地道に示す。

[(1)⟹(2)の証明]

XがT1なのは明白である。Full normalityを示そう。局所有限開被覆にΔ開細分被覆が存在することを言えば良い。𝒰を任意の局所有限開被覆としよう。事実8から存在が保証される閉被覆を{FU|U∈𝒰}とし、各点X∈Xについて𝒰の局所有限性を担保する近傍をV⁢(x)と、選択しておく。次に各点x∈Xについて

A⁢(x)={U∈𝒰|V⁢(x)∩U≠Ø},B⁢(x)={U∈𝒰|x∈U},C⁢(x)={U∈A⁢(x)|x∉FU}

と置くと、FU⊂UからA⁢(x)=B⁢(x)∪C⁢(x)である。さて

W⁢(x)=V⁢(x)∩⋂S∈B⁢(x)S∩⋂T∈C⁢(x)(X∖FT)

と定義すると、局所有限性から開集合であり、x∈W⁢(x)なので𝒲={W⁢(x)}x∈Xは開被覆となっている。𝒲が𝒰のΔ細分となることを見よう。まず任意にy∈Xを与えると{FU|U∈𝒰}が被覆なのでy∈FUとなるU∈𝒰が存在する。このときU∈B⁢(y)なので

W⁢(y)⊂U

である。さて𝒲が𝒰の細分であることを示すには、うえのUについて

y∈W⁢(x)⟹W⁢(x)⊂U

がわかれば良い。実際y∈W⁢(x)ならばW⁢(x)∩U≠ØなのでU∈A⁢(x)であるが、W⁢(x)∩FU≠ØでもあるのでU∉C⁢(x)となるからU∈B⁢(x)である。よって定義から明らかにW⁢(x)⊂Uなので証明が完結した。

[(1)⟹(2)の証明終わり]

[(2)⟹(3)の証明]

𝒰の開被覆であるΔ細分を𝒜として、更に𝒜の開被覆であるΔ細分をℬとする。このときℬが𝒰の星型細分であることを示そう。

V∈ℬについてx∈Vを適当に選ぶ。ところでB∈ℬでかつV∩B≠Øならばℬが𝒜のΔ細分であることから、あるA∈𝒜が存在してV∪B⊂Aとなる。このときx∈Aであるので結局

S⁢t⁢(V,ℬ)⊂S⁢t⁢(x,𝒜)

である。この事と𝒜は𝒰のΔ細分である事からℬは𝒰の星型細分である。

[(2)⟹(3)の証明終わり]

[(3)⟹(1)の証明]

step0:Xは正規である。

E,FをXの交わらない2つの閉集合とする。このとき{X∖E,X∖F}はXの開被覆であるので(3)からこの被覆の、星型細分開被覆𝒱が存在する。さて

P=S⁢t⁢(E,𝒱),Q=S⁢t⁢(F,𝒱)

と置くとこの2つは開集合でE⊂P,F⊂Qである。ここでもしP∩Q≠ØとするとあるA,B∈𝒱が存在してA∩E≠Ø,B∩F≠ØでA∩B≠Øとなるが、同時にS⁢t⁢(A,𝒱)∩E≠Ø,S⁢t⁢(B,𝒱)∩F≠Øとなってしまい、𝒱が{X∖E,X∖F}の星型細分であることに反する。よって

P∩Q=Ø

であり、Xが正規だとわかる。

step1:Xの任意の開被覆にはクッション細分が存在する。

𝒰をXの任意の開被覆とし𝒱をその星型細分開被覆とする。星型細分なので、写像f⁢𝒱→𝒰が存在してV∈𝒱に対して

S⁢t⁢(V,𝒱)⊂UV

を充たす。666こういう選択関数が存在するということである。ここでf⁢(V)=UVと書いた。さて、このとき次が成立する。任意の𝒜⊂𝒱について

(brabra) C⁢L⁢(⋃V∈𝒜V)⊂⋃V∈𝒜UV

つまり𝒱はクッション細分である。

理由を説明しよう。x∈C⁢L⁢(⋃V∈𝒜V)を任意に与えるとx∈WとなるW∈𝒱について777𝒱は被覆なのでこういうWはちゃんと存在する

W∩(⋃V∈𝒜V)≠Ø

となるつまりあるA∈𝒜が存在してW∩A≠Øとなる。さてこの時

x∈W⊂S⁢t⁢(A,𝒱)⊂UA

なので確かに(brabra)は成り立つ。

以上からXはT3空間であり、任意の開被覆にクッション細分が存在するのでXはパラコンパクトハウスドルフである。

[(3)⟹(1)の証明終わり]

∎

§おまけ:本来ではないStoneの定理の別証明

前回までで距離空間のパラコンパクト性は証明されているが、定理11を用いた別証明が出来る。距離空間のFull normalityを証明すれば良いのである。

定理 12 (Tukey).

距離空間はFully normal

証明.

dをXの距離とし、 B⁢(c,r)でcを中心としたr開球を表す。 まずは次の簡単な事実を思い出そう。

(⋆):a∈B⁢(c,r)⟹B⁢(c,r)⊂B⁢(a,2⁢r)

さて𝒰を任意の開被覆とする。各点x∈Xに対して関数e⁢(x)∈ℝと𝒰も元Uxを

0<e⁢(x)<1,B⁢(x,6⁢e⁢(x))⊂Ux

を充たすように定める。このようなe⁢(x)とUxは確かに存在する。さてこのとき

ℬ={B⁢(x,e⁢(x))}x∈X

が𝒰のΔ細分であることを示そう。まず各点a∈Xに対して

Ha={x|a∈B⁢(x,e⁢(x))}

と置こう。次にb∈Haを

e⁢(b)>23⁢supx∈Hae⁢(x)

を充たすように取る。このとき(⋆)を用いて任意のx∈Haについて

B⁢(x,e⁢(x))⊂B⁢(a,2⁢e⁢(x))

がわかり、e⁢(b)>23⁢e⁢(x)なので

B⁢(a,2⁢e⁢(x))⊂B⁢(a,3⁢e⁢(b))

がわかり結局

B⁢(x,e⁢(x))⊂B⁢(a,3⁢e⁢(b))

がわかる。b∈Haなのでa∈B⁢(b,e⁢(b))であるからb∈B⁢(a,e⁢(b))であり、特にb∈B⁢(a,3⁢e⁢(b))なので再び(⋆)を用いて

B⁢(a,3⁢e⁢(b))⊂B⁢(b,6⁢e⁢(b))⊂Ub

であるから結局任意のx∈Haについて

B⁢(x,e⁢(x))⊂Ub

である。よって

S⁢t⁢(a,ℬ)=⋃x∈HaB⁢(x,e⁢(x))⊂Ub

なのでℬは𝒰のΔ細分開被覆となるので距離空間はFully normalである。

∎

References

  • [1] 森田紀一,位相空間論,岩波全書331,岩波書店1981
  • [2] E.Michael,Another note on paracompact spaces ,Proc.Amer.J,Math. ,8(1957) 822-828
  • [3] E.Michael,Yet another note on paracompact spaces ,Proc.Amer.Math.Soc.,10(1959) 309-314
  • [4] A.R.Pears,DIMENSION THEORY OF GENERAL SPACES,Cambridge Univ.Press,1975
  • [5] A.H.Stone,Paracompactness and product spaces,Bull,Amer.Math Soc. 54(1948),977-982
  • [6] J.W.Tukey,Convergence and uniformity in topology,Annals of Mathematics Studies, no.2,Princeton,1940