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距離化可能定理:破片

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

1 準備

定理 1.

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
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)は明らかであるから以下の論理包含図式が得られる。

(1)(2)(3)

以下(3)(1)を証明する。

[(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]

系 2.

位相空間Xに、各AX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X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Y=AAは各AT4111パラコンパクトハウスドルフ空がT4になることを思い出せ。なのでYT4になる。そして局所有限性から自然な写像

i:AAX

は閉写像になる。T4空間の閉像はT4になるのでXT4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。

𝒰Xの開被覆とする。そして各Aについて

𝒰A={UA}U𝒰

と定義すると𝒰AAの開被覆である。よってAにおける𝒰Aの局所有限な細分であるAの被覆が存在する。それをAと置こう。そして

={SAA}=AA

と定義する。が被覆であることからXの被覆となり、𝒰の細分となる。が局所有限であることを示そう。任意のpXについての局所有限性を担保するpの近傍Nをとる。更にO=pF,F(XF)とするとの局所有限性からOpの属する開集合である。V=NOpの近傍である。そしてVA1,A2,As以外のの元以外と交わらないとすると、Oの定義から任意のi=1,2,,sについてpAiである。各𝒰AiAiの中で局所有限なのでその局所有限性を担保するpAiにおける近傍Biが存在する。Xにおけるpの近傍Uiが存在してUiAi=Biとなる。さて、W=Vi=1sUi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X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。) ∎

先の系2の仮定における「局所有限」の部分を「有限」にした命題も成り立つ。系2の特別な場合に過ぎないが、一応別に述べておく。

系 3.

位相空間Xに、各AX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X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aを中心とした半径rの開球をB(a,r)と書くときに

pB(x,r)B(x,r)B(p,2r)

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).

T3空間Xについて以下は同値

(4) Xは距離化可能
(5) Xσ疎な開基を持つ
(6) Xσ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.

(2)(1)は明らかである。逆を示そう。

まずXT3空間のである。そして

𝒰={V|Vは開集合で距離化可能}

と定義するとXが局所距離化可能であることから𝒰は被覆であり、Xのパラコンパクト性から局所有限開被覆𝒱𝒰を細分するものが存在する。特に𝒱の任意の元は距離化可能である。V毎にVの位相と両立する距離を選びdVとしておく。さて各nについて

𝒜n={B(x,2n;dV)|xV𝒱}

と定義し、n𝒜nを細分する局所有限開被覆とする。ここでxVについて

B(x,r;dV)={yV|d(x,y)<r}

であろ。さて

=nn

Xの基底になることを見よう。

UXの任意の開集合としpUとする。この時pVとなるV𝒱は有限個であり、そのようなVについてUVVの開集合であるのでnを十分大きく取るとpVとなる任意のV𝒱について

B(p,2n;dV)VU

が成立する。そしてpGとなるGn+1が存在し、さらにn+1𝒜n+1の細分なのでGB(y,2n1;dW)となるyXW𝒜n+1が存在する。B(y,2n1;dW)WなのでpWであるからB(p,2n;dW)WUである。そして距離空間の簡単な議論から

B(y,2n1;dW)B(p,2n;dW)WU

なので結局

pGU

が成り立つのでXの開基である。そしてσ局所有限なのでXは事実4から距離化可能である。 ∎

補題 6.

位相空間Xが有限個の距離化可能な閉部分空間の和ならXは距離化可能である。

証明.

位相空間X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。

X=ABA,BXの閉集合で距離化可能であるとする。A,Bの位相と両立する距離をそれぞれd,eとする。このときA,Bはパラコンパクトハウスドルフなので系3からXもパラコンパクトハウスドルフである。

aAについてP(a,r)={xA|d(a,x)<r}とし、bBについて Q(b,r)={yB|e(b,y)<r}とする。そしてC(a,r),D(b,r)をそれぞれ

C(a,r)A=P(a,r),D(a,r)B=Q(b,r)

となるXの開集合とし、p Bdry(A) Bdry(B)についてO(p,r)=C(p,r)D(p,r)と置く。さらにa Int(A)についてU(a,r)=C(a,r) Int(A)とし、b Int(B)についてV(b,r)=D(a,r) Int(B)とする。このときO(x,r),U(a,r),V(b,r)Xの開集合である。

以上を踏まえて

𝒰n={O(p,2n)|p Bdry(A) Bdry(B)}{U(a,2n)|a Int(A)}{V(b,2n)|b Int(B)}

と定義し、𝒱n𝒰nを細分するXの局所有限な開被覆とする。X= Int(A) Int(B)( Bdry(A) Bdry(B))と直和分解されることに注意しよう。このとき

𝒱=n𝒱n

Xの開基になることを見よう。

WXの任意の開集合とし、xWを任意に与える。

まずx Bdry(A) Bdry(B)としよう。WAAの開集合でWBBの開集合なので十分大きくnを取ればxP(x,2n)W,xQ(x,2n)Wとなる。

さてxGとなるG𝒱n+1を取ればGO(y,2n1)となるy Bdry(A) Bdry(B)が存在する。O(y,2n1)の定義から

O(y,2n1)P(y,2n1)Q(y,2n1)

となり、これと 距離空間の簡単な議論からO(y,2n1)P(x,2n)Q(x,2n)Wとなる。よってxGWとなるG𝒱が存在する。

次にx Bdry(A) Bdry(B)のときNを十分大きく取ればnNのとき、任意の
p Bdry(A) Bdry(B)についてxO(p,2n)が成り立つように出来る。

さて、各nN毎にxGnとなるGn𝒱nを選んでおき、さらに GnEnとなるEn𝒰nも選んでおく。このときEnO(p,2n)(p Bdry(A) Bdry(B))の形をしていることはあり得ないのでEnU(a,2n)もしくはV(b,2n)の形をしている。

無限に多くの{En}nNの元がU(a,2n)の形をしているときを考えよう。

このときNをさらに十分大きくしてU(x,2N)=P(x,2N)Wとなるようにする。この時Nより大きいnxGnEn=U(a,2n)=P(a,2n)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

xU(a,2n)=P(a,2n)U(x,2N)=P(x,2N)W

となるので結局xGnWとなる。無限に多くの{En}nNの元がV(a,2n)の形をしているときも同様である。

以上で𝒱が開基となる事が分かった。そしてそして𝒱σ局所有限でXT3空間なので事実4からXは距離化可能である。 ∎

定理 7.

位相空間Xに於いて以下は同値

(1) X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.

(2)(1)は明らかである。逆を示そう。

を距離化可能な閉集合からなる局所有限被覆としよう。の任意の元はパラコンパクトハウスドルフなので系2からXはパラコンパクトハウスドルフである。また任意のpXについてp近の傍Nが存在しての高々有限個の元としか交わらない。するとNは距離化可能な閉集合の有限個の和に含まれるので補題6からNは距離化可能である。つまりXは局所距離化可能である。よって定理5からXは距離化可能であることが分かる。 ∎

注意.

この補題はA,B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Xに於いて以下は同値。

(1) X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.

(2)(1)は明らかである。逆を示そう。

𝒰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Xが正規であることから𝒰の閉収縮{FU}U𝒰が存在する。つまり、

FUU

となる閉集合の族{FU}U𝒰が存在する。

このとき{FU}U𝒰は局所有限であり、各FUは距離化可能であるから先の定理8からX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M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