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正規空間その0:単位の分割[未完成]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。

単位の分割

一色三良(concious77)
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では正規空間の様々な特徴付けを紹介する。ここでは正規空間とはT1を仮定しない意味で用いる。

定義 1 (細分).

𝔄,𝔅集合Xの部分集合の族とする。このとき𝔄𝔅の細分であるとは

B𝔅A𝔄AB

となることである。

定義 2 (点有限族).

集合Xの部分集合の族𝔄が点有限であるとはXの任意の点xに対してxAとなるA𝔄が有限個しかないことである。

定義 3 (局所有限族).

位相空間Xに於いてXの部分集合の族𝔄が局所有限であるとはXの各点xについてxの近傍Nが存在して

NAA𝔄

を充たすことである。

定義 4 (開収縮).

位相空間Xの開被覆𝒰に対して{VU|U𝒰}が開収縮であるとは{VU|U𝒰}Xの開被覆であって、任意のU𝒰について

CL(VU)U

を充たすこと。

定義 5 (閉収縮).

位相空間Xの開被覆𝒰に対して{FU|U𝒰}が閉収縮であるとは{FU|U𝒰}Xの閉被覆であって、任意のU𝒰について

FUU

を充たすこと。

定義 6 (Weak supportとSupport).

関数fX[0,1]弱台wspp(f)

wspp(f)={xX|f(x)>0}

と定義する。

関数fX[0,1]supp(f)

supp(f)=CL(supp(f))=CL({xX|f(x)>0})

以下様々な種類の単位の分割を定義する。

定義 7 (弱い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する弱い単位の分割であるとは{wsppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1

を充たすこと

定義 8 (強い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する強い単位の分割であるとは{suppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1

を充たすこと

定義 9 (点有限な弱い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する弱い単位の分割であるとは{wsppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1
{wsppfi}iIは点有限

を充たすこと

定義 10 (点有限な弱い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属す強い単位の分割であるとは{suppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1
{suppfi}iIは点有限

を充たすこと

定義 11 (局所有限な弱い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する局所有限な弱い単位の分割であるとは{wsppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1
{wsppfi}iIが局所有限

を充たすこと

定義 12 (局所有限な強い単位の分割).

位相空間X上の実数値連続関数の族{fi}iIXの開被覆𝒰に従属する局所有限な強い単位の分割であるとは{suppfi}iI𝒰の細分であり

iIfi=1
{suppfi}iIが局所有限

を充たすこと

補題 13.

{fλ}λΛが弱い単位の分割とすると、任意のxX及び任意のε>0に対してΛの有限集合Aが存在して

λAfλ(x)>1ε

が成り立つ。このときx{fb>ε}ならばbAが成り立つ。

補題 14.

{fλ}λΛが弱い単位の分割とし、 任意のδ>0について

Vaδ={fa>δ}

と定義すると{Vλδ}λΛXで局所有限である。

証明.

pXδについて先の補題の有限集合Aを取り

N={λAfλ>1δ}

を考えるとNVaδØならば先の補題からaAなのでNは族の有限個の元としか交わらない。 ∎

補題 15.

弱い単位の分割{fλ}λΛについて

F=supλΛfλ

は連続である。

証明.

pXを与える。このときあるaΛについてfa(p)>0なので適当にfa(p)>δとなるδ>0を取ると {Vλδ}λΛは先の補題から局所有限である。その局所有限性を担保する点pにおける近傍をNとし、有限集合A

NVλδØλA

となるものとする。このときN上で

F=maxaAfa

なのでFN上で連続である。よってFXで連続である。 ∎

補題 16.

位相空間Xとその開被覆𝒰について以下は同値

(1) 𝒰に従属する弱い単位の分割が存在する
(2) 𝒰に従属する局所有限な弱い単位の分割が存在する
証明.

{fλ}λΛ 先と同様に

F=supλΛfλ

と置く。 そして

gλ=max{fλ12F, 0}

と定義する。このとき{wspp(gλ)}λΛXの被覆となる。これが局所有限であることを示そう。pXを与えるとF(p)>0なので

12F(p)>ε

となるε>0が存在する。そして有限集合A

λAfλ(p)>1ε

を充たすものとする。さて

N={λAfλ>1ε}{12F>ε}

と定義する。するとNは開集合でpNである。ところで

Nwspp(gλ)Ø

とする。xNwspp(gλ)を取るとgλ(x)>0なのでfλ(x)>12F(x)>εとなる。よってfλ(x)>εなのでλAとなるからNwspp(gλ)Øとなるλは有限個しかない。よって{wspp(gλ)}λΛは局所有限である。よって

G=λΛgλ

が定義でき、これは連続である。さて

hλ=gλG

と置けば wspp(hλ)=wspp(gλ)wspp(fλ)なので確かに{hλ}λΛ𝒰に従属する局所有限な弱い単位の分割となる。 ∎

事実 17.

位相空間Xについて以下は同値である。

(1) 正規性
(2) 点有限開被覆に開収縮が存在する
(3) 局所有限開被覆に開収縮が存在する
(4) 有限開被覆に開収縮が存在する
(5) 点有限開被覆に閉収縮が存在する
(6) 局所有限開被覆に閉収縮が存在する
(7) 有限開被覆に閉収縮が存在する

以下の命題は命題16と事実17から明らかであろう。

定理 18 (局所有限被覆と単位の分割).

位相空間Xについて以下は同値である。

(1) 正規性
(2) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する弱い単位の分割が存在する
(3) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する強い単位の分割が存在する
(4) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する点有限な弱い単位の分割が存在する
(5) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する点有限な強い単位の分割が存在する
(6) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な弱い単位の分割が存在する
(7) 任意の局所有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な強い単位の分割が存在する
定理 19 (有限被覆と単位の分割).

位相空間Xについて以下は同値である。

(1) 正規性
(2) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する弱い単位の分割が存在する
(3) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する強い単位の分割が存在する
(4) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する点有限な弱い単位の分割が存在する
(5) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する点有限な強い単位の分割が存在する
(6) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な弱い単位の分割が存在する
(7) 任意の有限開被覆に対してそれに従属する局所有限な強い単位の分割が存在する

References

  • [1] 森田紀一,位相空間論,岩波全書331,岩波書店,1981
  • [2] J.Dydak, Partitions of unity, Topology Proceedings 27 (2003) pp125-171
  • [3] J. Derwent, A note on numerable covers, Proc. Amer. Math. Soc., 19 (5)(1958), 1130–1132.