AUTOMATIC HTML VERSION

単位閉区間が可算個の非空なる閉集合族の直和で描けないことの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。

単位閉区間が非空な可算個の閉集合の直和で書けないこと。

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では単位閉区間が非空な閉集合からなる可算族の直和で書けないことを証明する。このことは連続体、つまり、連結ハウスドルフ空間に対するシェルピンスキーの定理の特別な場合である。

定理 1.

I=[0,1]は非空な開集合からなる可算族の直和で書けない。

証明.

背理法による。{An}nを非空な閉集合の可算族とし、更に互いに交わらないとして、I=nAnとなっているとする。 ここで

O=nInt(An)

とすると、これは開集合であり、{An}が互いに交わらないことから

F=IO=n(AnIntAn)=nBdry(An)

は閉集合になる。ここで、

nIntF(BdryAn)=Ø

をこれから示そう。ここでIntFFにおける内核を表す。このことを示すには、任意のaBdryAnに対して

ε>0j(jn)((aε,a+ε)BdryAjØ)

を示せば良い。 aAnの境界点で、{An}nは互いに素なIの被覆を成しているので、

ε>0j(jn)((aε,a+ε)AjØ)

が成り立つ。 y(aε,a+ε)Ajを取ろう。更にy<aと仮定する111このように仮定しても一般性を失わないのは以下の証明を見ればわかる。yBdryAjならば、何もすることはない。 yBdryAj、つまりyIntAjとしよう。このとき

[y,δ)Aj

を充たすδ全体のsupηとしよう。つまり

η=sup{δ|[y,δ)Aj}

としよう。もちろん

[y,η)Aj

も成り立つ。{An}nは互いに素であり、y<aと仮定しているので

y<η<a

でなければならない。そして

aε<y<η<a

なので

η(aε,a+ε)

である。また、ηの最大性からηBdryAjなので、結局

(aε,a+ε)BdryAjØ

である。 よって以上からF=nBdry(An)において各BdryAnは内点を持たないことがわかった。 しかし、これはBaireの範疇定理に反する。222Fは完備距離空間の閉集合なので完備距離空間であるから範疇定理が成り立つはずである。

上の定理から直ちに次のことが分かる。

系 2.

可算なT1空閑は弧状連結ではない。

これに対して、連結ハウスドルフ可算空間は存在する。