距離化可能定理:破片
1 準備
定理 1.
空間に於いて 以下は同値
| (1) | はパラコンパクト | ||
| (2) | 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) | 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 |
証明.
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がわかる。または明らかであるから以下の論理包含図式が得られる。
以下を証明する。
[の証明]
をの開被覆とするとから局所有限な(閉とも開とも限らない)被覆で細分されるそれを と置く。は局所有限なので各毎にの局所有限性を担保するの近傍が存在する。ここで性の仮定からより強くはの有限個の元としか交わらないとしてもよい。するとはの開被覆なので再びからの局所有限な被覆である細分が存在する。このはの細分なのでの任意の元の閉包はの有限個の元としか交わらない。更に
と置くとこれは局所有限な閉被覆ではの有限個の元としか交わらない。 ここでに対して
と定義するとでありの局所有限性からは開集合である。この時次が成り立つ。について
なぜなら、とするとの定義からでしかありえない。逆は明らか。 対偶を取れば
も成り立つ。よってはの有限個の元としか交わらない。
が局所有限であることを示そう。各点についての局所有限性を担保するの近傍が存在する。はの有限個の元 としか交わらず、が被覆を成すことから
となる。よっての元がと交わればのいづれかと必ず交わっているが、の各々はの有限個の元とし交わらないのでもの有限個の元としか交わらない。よっては局所有限である。最後にがの細分を成していることから毎に
となるを選び、
とすると、明らかにの細分ででが被覆を成してることからも被覆でが局所有限であることからも局所有限である。以上でがパラコンパクトであることが示された。
[の証明終わり]
∎
系 2.
位相空間に、各がの閉集合で部分空間としてパラコンパクトハウスドルフであるような局所有限な被覆が存在するならばもパラコンパクトハウスドルフである。
証明.
位相的な直和空間は各が111パラコンパクトハウスドルフ空がになることを思い出せ。なのでもになる。そして局所有限性から自然な写像
は閉写像になる。空間の閉像はになるのでは空間になり、特にハウスドルフ空間である。次にパラコンパクト性を示そう。
をの開被覆とする。そして各について
と定義するとはの開被覆である。よってにおけるの局所有限な細分であるの被覆が存在する。それをと置こう。そして
と定義する。が被覆であることからはの被覆となり、の細分となる。が局所有限であることを示そう。任意のについての局所有限性を担保するの近傍をとる。更にとするとの局所有限性からはの属する開集合である。はの近傍である。そしては以外のの元以外と交わらないとすると、の定義から任意のについてである。各はの中で局所有限なのでその局所有限性を担保するのにおける近傍が存在する。におけるの近傍が存在してとなる。さて、と置けばこれはの有限個の元としか交わらない。よっては局所有限である。そして先の定理1からはパラコンパクトであることが分かる。(の元は閉だとか開だとかであるとは一般に言えない。) ∎
系 3.
位相空間に、各がの閉集合で部分空間としてパラコンパクトハウスドルフであるような有限な被覆が存在するならばもパラコンパクトハウスドルフである。
2 距離化可能:破片
注意.
このセクション中でしばしば「距離空間の簡単な議論」と言うと思うが、それはを中心とした半径の開球をと書くときに
が成り立つと言うことである。
事実 4 (Bing-長田-Smirnovの距離化可能定理).
空間について以下は同値
| (4) | は距離化可能 | ||
| (5) | は疎な開基を持つ | ||
| (6) | は局所有限な開基を持つ |
定理 5.
ハウスドルフ空間に於いて以下は同値。
| (1) | パラコンパクトでかつ局所距離化可能 | ||
| (2) | 距離化可能 |
証明.
は明らかである。逆を示そう。
まずは空間のである。そして
と定義するとが局所距離化可能であることからは被覆であり、のパラコンパクト性から局所有限開被覆でを細分するものが存在する。特にの任意の元は距離化可能である。毎にの位相と両立する距離を選びとしておく。さて各について
と定義し、をを細分する局所有限開被覆とする。ここでについて
であろ。さて
がの基底になることを見よう。
をの任意の開集合としとする。この時となるは有限個であり、そのようなについてはの開集合であるのでを十分大きく取るととなる任意のについて
が成立する。そしてとなるが存在し、さらにがの細分なのでとなるとが存在する。なのでであるからである。そして距離空間の簡単な議論から
なので結局
が成り立つのではの開基である。そしては局所有限なのでは事実4から距離化可能である。 ∎
補題 6.
位相空間が有限個の距離化可能な閉部分空間の和ならは距離化可能である。
証明.
位相空間が2つの距離化可能な閉部分空間の和であるときに証明すれば他の場合は帰納的に示される。
ではの閉集合で距離化可能であるとする。の位相と両立する距離をそれぞれとする。このときはパラコンパクトハウスドルフなので系3からもパラコンパクトハウスドルフである。
についてとし、について とする。そしてをそれぞれ
となるの開集合とし、についてと置く。さらにについてとし、についてとする。このときはの開集合である。
以上を踏まえて
と定義し、をを細分するの局所有限な開被覆とする。と直和分解されることに注意しよう。このとき
がの開基になることを見よう。
をの任意の開集合とし、を任意に与える。
まずとしよう。はの開集合ではの開集合なので十分大きくを取ればとなる。
さてとなるを取ればとなるが存在する。の定義から
となり、これと 距離空間の簡単な議論からとなる。よってとなるが存在する。
次にのときを十分大きく取ればのとき、任意の
についてが成り立つように出来る。
さて、各毎にとなるを選んでおき、さらに となるも選んでおく。このときがの形をしていることはあり得ないのではもしくはの形をしている。
無限に多くのの元がの形をしているときを考えよう。
このときをさらに十分大きくしてとなるようにする。この時より大きいでとなるものが存在する。すると距離空間の簡単な議論から
となるので結局となる。無限に多くのの元がの形をしているときも同様である。
以上でが開基となる事が分かった。そしてそしては局所有限では空間なので事実4からは距離化可能である。 ∎
定理 7.
位相空間に於いて以下は同値
| (1) | は距離化可能な閉集合からなる局所有限な族の和で書ける。 | ||
| (2) | 距離化可能 |
証明.
は明らかである。逆を示そう。
注意.
この補題はに閉性を仮定しなければ成立しない。例えば非可算濃度の離散空間を1点コンパクト化した空間は無限遠点という1点と離散空間の和であり、それらは距離化可能であるが、1点コンパクト化された空間は明らかに距離化可能で無い。
定理 8.
正規空間に於いて以下は同値。
| (1) | は距離化可能な開集合からなる局所有限な族の和として書ける。 | ||
| (2) | 距離化可能 |
証明.
は明らかである。逆を示そう。
を距離化可能な開集合からなる局所有限な被覆としよう。するとが正規であることからの閉収縮が存在する。つまり、
となる閉集合の族が存在する。
このときは局所有限であり、各は距離化可能であるから先の定理8からは距離化可能であることが分かる。 ∎
定理5から以下の位相多様体の距離化可能性に関する定理は明らかであろう。
系 9.
位相多様体に於いて
| 距離化可能性パラコンパクト性 |
References
- [1] S.Willard,General Topology,Dover Publications,2004,pp174,Problem 23G