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コンパクト性と閉射影:Kuratowski-Mrówka's Thoerem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。

The Proofs of Kuratowski-Mrówka’s Theorem

一色三良
HTML変換日:2026年7月26日
定理 1.

位相空間Xに対して以下は同値。

(1) X
(2) Yπ:X×YY

この定理の(1)(2)はTube lemma(a.k.aいつものアレ)からすぐに従う。 この文章では(2)(1)の5通りの証明を与える。

また、一色による証明と、Mrówkaによる証明以外の証明には選択公理が用いられていないことにも注意せよ。

1 冬くんの証明

まず最初に冬(fuyu_atsusugi__)君による証明を紹介する。

冬くんによる証明.

Xの開被覆を{Uλ}λΛとする。仮定から射影

π:X×ΛΛ

は閉写像である。 さてここでΛの開集合Vλ

Vλ=(1,1)×Λ{λ}

と定義し、

O=λΛ(Uλ×Vλ)

として、

F=(X×Λ)O

と定義する。もちろんFX×λの閉集合である。 このとき

0π(F)Λ

であり、π(F)は閉集合なので0の基本近傍P=(μMNμ)×ΛMが存在して

Pπ(F)=Ø

を充たす。ここで、MΛの有限部分集合であり、各Nμは開集合であり、Nμとしてもよい。このとき次の主張が成り立つ。

主張.
X=μMUμ
主張の証明.

xXに対し、

Λ(x)={λΛ|xUλ}

とする。このとき

{x}×(λΛ(x)Vλ){x}×(μMNμ)×ΛM

が成り立つ。

さてここで、μMUμXと仮定しよう。そしてyXμMUμとすると、Λ(y)の定義からΛ(y)ΛMが成り立つが、

{y}×(λΛ(y)Vλ){y}×(μMNμ)×ΛM

という式をΛ(y)へと射影すると、Vλの定義から

λΛ(y)((1,1)×Λ(y){λ})Λ(y)

が成り立つが、

(1)λΛ(y)λΛ(y)((1,1)×Λ(y){λ})

なので矛盾する。よって

X=μMUμ

が成り立つ。[主張の証明終]∎

[定理の証明の続き] Mは有限集合なので、Xがコンパクトであることが分かる。 ∎

冬くんはを用いてこの定理を証明したが、以外の空間を用いても証明することが出来る。

[4]による証明.

上の証明で、の代わりにシエルピンスキー空間S={0,1}(開集合系は{Ø,{1},S})という空間)を考え、Vλの代わりに、

prλ1({1})

を使った証明が与えられている。 ∎

2 一色による証明

冬くんは本格的な証明を見せる前にXがリンデレフの場合の証明をみせて、証明のアイデアを伝えてくれた。上の証明でいうとλ=0の場合である。このときの代わりにVλの代わりに(1n,1n)を用いた証明ができる。冬くんはそれを見せてくれたのだが、知っての通り、{0}{1n}nは順序の向きを逆にしてω0+1と順序同型であるが、そのことから、一般の場合も基数を用いて証明できるのではないかと思って一色が考えたのが以下の証明である。([1]参照)

一色による証明.

(2)(1)の対偶を示す。つまりノンコンパクトな空間Xに対してπ:X×YYが閉写像とならないようなYを構成する。

今、Xがノンコンパクトなので有限部分被覆を持たない開被覆𝒞が存在する。さてこの𝒞について基数κ

κ=min{card(𝒰)|𝒰𝒞𝒰X}

と定義する。ここでcard(A)で集合Aの基数を表す。𝒞の取り方からκは無限基数である。 κ

{card(𝒰)|𝒰𝒞𝒰X}

の最小値であるので

κ=card(𝒰)

となるものが存在する。これをκで添字付けて

𝒰={Uα}α<κ

と置く。 さて、

Y=[0,κ]=κ+1

と置き、Yの開集合系{Vα}α<κ

Vα=(α,)=(α,κ]

と 定義する。そしてX×Yの部分集合O

O=α<κUα×Vα

と定義する。定義から

α<κκVα

{Uα}α<κは被覆を成してるので

xX(x,κ)O

が成り立つ。そして Oは明らかにX×Yの開集合であるので

F=(X×Y)O

X×Yの閉集合となり。

xX(x,κ)F

が成り立つ。xX(x,κ)Fなので射影π:X×YYによる像は

κπ(F)

を充たす。このπ(F)について次の主張が成り立つ。

主張.
π(F)=Y{κ}
主張の証明.

βκを任意に与える。

card({Uα}α<β)=card([0,β))<κ

なのでκの定義より{Uα}α<β+1Xの被覆でない。そこでxXα<βUαを取る。このとき

(x,β)α<βUα×Vα

βαならβVα=(α,κ]なので

(x,β)βα<κUα×Vα

となる。よって

(x,β)O

が成り立ちつまり

(x,β)F

だから

βπ(F)

となる。β<κは任意でκπ(F)だったので

π(F)=Y{κ}

[主張の証明終]∎

[定理の証明の続き]κは無限基数なので極限数である。つまりY=[0,κ]の中でκは集積点となっており、特に{κ}は開集合ではない。よってπ(F)=Y{κ}は閉集合ではない。つまり 射影π:X×YYは閉写像でない。 ∎

3 Mrówkaによる証明

Mrówkaが[8]で与えたオリジナルの証明を紹介する前に少し準備をする。

定義 2 (完全集積点).
111この完全集積点という言葉は、complete accumulation point の訳語である。[2]では完備集積点と訳されているが、ここでは[6]に倣って完全集積点とした。

位相空間Xの部分集合Aについて、xXAの完全集積点であるとは、xの任意の開近傍Uについて

card(A)=card(UA)

となること。

以下の事実の証明は[2]もしくは[6]を参照のこと

事実 3.

位相空間Xがコンパクトであることと、Xの任意の無限部分集合が完全集積点を持つことは同値である。

Mrówkaによる証明.

(2)(1)の対偶を示す。つまりノンコンパクトな空間Xに対してπ:X×YYが閉写像とならないようなYを構成する。

Xをノンコンパクトとすると、事実3から完全集積点を持たない無限部分集合Zが存在する。card(Z)=κとし,Z={yα}α<κと添え字付けられているとしよう。ただし、個の添え字付けは単射であるとする。そしてX×[0,κ]の部分空間A

A={(yα,α)}α<κ

と定義する。AX×[0,κ]における閉包Tが任意のxXについて(x,κ)という形の元を含んでいないことを示そう。

xZの完全集積点ではないからxの開近傍Uが存在して

card(UZ)<card(Z)=κ

を充たす。よって、

B={ακ|yαUZ}

を考えるとBκであり、κが基数であることからα<κならばcard(α)<κであることと、card(UZ)<κから

supB=β<κ

がわかる。このとき、β<α<κならばyαUである。。このとき、

U×(β,κ]

(x,κ)の開近傍であり、Aと交わらない。よって、任意のxXについて(x,κ)Tであるから、

π(T)=[0,κ)

であり、{κ}は開集合ではありえないので結局πは閉写像ではない、 ∎

4 ブルバキによる証明

ブルバキによる定理の証明は簡潔で無駄がなく、一番綺麗な証明といえるだろう。

以下の事実の証明は電波通信の「フィルターとコンパクト性」の記事を参照のこと

事実 4 (コンパクト性とフィルター).

以下は同値

Xはコンパクト
X上の任意の真フィルター𝔉についてF𝔉CL(F)Ø
ブルバキによる証明.

事実4を用いて(2)(1)を直接証明する。

𝔉X上の任意の真フィルターとする。 ωXには属していない点として、Y=X{ω}xXの近傍を{x}ωの近傍系を {ω}M(M𝔉)として位相を定めることが出来る。このときXYYの中で稠密であることに注意しよう。 さて、

Δ={(x,x)|xX}

とし、F=CLX×Y(Δ)と定義する。

Xπ(F)であり、 XYYの中で稠密で、πが閉写像であることからωπ(F)がわかる。よって あるxXが存在して(x,ω)Fとなる。

FΔの閉包であるから、このことを言い換えると、 xの任意の近傍Vと任意のM𝔉について

(V×M)ΔØ

が成り立っている。これはつまり、

VMØ

ということであるので

xM𝔉CLX(F)

であるから先の事実4からXはコンパクトであることが分かる。 ∎

References

  • [1] 冬(fuyu_atsusugi__)くんとのPrivate Comunication, 2015, 10月
  • [2] 壱大整域のAlexandroff-Urysohn-コンパクトのpage, http://alg-d.com/math/ac/auc.html , 2016年7月閲覧
  • [3] 電波通信の「フィルターとコンパクト性」,http://blog.hatena.ne.jp/concious4410/concious4410.hatenablog.com/ edit?entry=6653458415125359892, 2016年7月閲覧
  • [4] 斉藤毅, 集合と位相, 大学数学の入門, 東京大学出版会, 2009
  • [5] ブルバキ、数学原論、位相1
  • [6] ポントリャーギン著、柴岡泰光・杉浦光夫・宮崎功 共役, 連続群論 上, 岩波書店,第28版, 2009,
  • [7] Kuratowski, Evaluation de la classe borélienne ou projective d’un ensemble de points á l’aide des symboles logiques, Fund.Math, vol 17, 1931,pp249-272
  • [8] S. Mrówka, Compactness and product spaces, Colloq.Math. Vol 7, No.1, 1949, pp19-22