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実数の閉部分群のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

実直線の閉部分群の分類

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文書では集合Aの集積点全体をAdで表し、Aの孤立点全体をAsで表す。CL(A)=AsAdが成り立つことは位相空間論の初歩であろう。

この文書では実数の部分集合しか出てこないので集積点、孤立点の定義をその限られた状況下で改めて述べておくと便利であろう。

Aについて、xAの集積点であるとは、任意のε>0に対してあるaAが存在してa(xε,x+ε)かつaxを充たすことである。

またxAの孤立点であるとはあるε>0が存在して(xε,x+ε)A={x}を充たすこと。

定義から明らかにAsAとなることに注意せよ。

また以下の文章ではB(a,ε)={x||ax|<ε}=(aε,a+ε)である。

補題 1.

実数δ>0についてAδ={nδ|n}と定義する。このとき0<δ<εとなるεと任意のxに対して

B(x,ε)AδØ

が成立する。

証明.

まず

=n[nδ,(n+1)δ]

が成り立つことに注意しよう(なぜ成り立つか?)。このときx[kδ,(k+1)δ]となるkが存在する。そしてこのとき

0xkδ(k+1)δkδ=δ<ε

なのでkδB(x,ε)である。kδAδなので

B(x,ε)AδØ

がわかる。 ∎

補題 2.

の部分群GについてGdØならば0Gdである。

証明.

aGdとすると任意のε>0に対してs,tGが存在してstかつ|as|<ε2,|at|<ε2 を充たす。

するとGが加法群であることからstGでありst0及び|(st)0|=|st|<εとなる。ε>0は任意であったので0Gの集積点であることが分かる。 ∎

命題 3.

の部分群GについてGdØならばGで稠密である。

証明.

先の補題2より0Gdであるから任意のε>0に対してδ0かつ|δ0|<εとなるδGが存在する。Gの部分加法群なので適当に符合を変えてδ>0としてもよい。すると0<δ<εである。

さて補題1からAδ={nδ|n}とすると任意のxに対して

B(x,ε)AδØ

であるが、Gが加法群であることからAδGとなり、結局

B(x,ε)GØ

が成立し、ε>0xは任意であったからGで稠密であることが分かる。 ∎

命題 4.

の部分群GについてGd=Øならば、あるhを用いてG=hと書ける。

証明.

CL(G)=GsGdであるが、今Gd=Øであり、GsGなのでCL(G)=Gとなる。つまりGの閉部分群となる。

Gの点はすべて孤立点なので十分小さいε>0をとれば

B(0,ε)G={0}

である。

case1:[ε,)G=Øのとき; このときG={0}=0である。(なぜか?)

case 2;[ε,)GØのとき; このとき実数の公理から

h:=inf[ε,)G

が存在するが、Gが閉であることからhGとなる。以下G=hとなることを示そう。

xGとし、x0とする。適当に符合を変えてx>0としても一般性を失わない。B(0,ε)G={0}なので

x[ε,)G

である。つまりhxである。ここでnhnxとなる最大の整数とする。(このような整数は確かに存在する。なぜか?)するとxhn0であり

xhnG

である。もしここでxhn0ならばxhn[ε,)Gである。よってhxhnつまりh(n+1)xとなるが、これはnの最大性に反する。従ってxhn=0つまりx=hnである。xGは任意であったので結局G=hが示された。 ∎

定理 5.

の閉部分群は

,h(h>0), 0

の形のものしかない。

証明.

Gの閉部分群とする。

case1:GdØのとき; 命題3よりGの稠密集合となるが、Gは閉なのでG=である。

case2:Gd=Øのとき; 命題4からGhを用いてG=hと書ける。h=0の場合がG={0}であり、それ以外の場合にはG=h(h>0)と書けることは明らかである。 ∎

系 6 (クロネッカーの稠密性定理).

無理数dについて集合{n+md|n,m}で稠密である

証明.

G={n+md|n,m}と置くとGの部分群である。もしGが稠密でないとしたら命題3の対偶からGd=Øなので命題4からG=h(h>0)と書ける。1Gなのでha=1となるaが存在するのでhは有理数である。しかしdGであり、hb=dとなるbが存在するのでhは無理数になる。これは矛盾であるからGの稠密集合である。 ∎