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点可算被覆と可算コンパクト性の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。

点可算被覆と可算コンパクト性

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

この文書では位相空間に如何なる分離公理も課さない。

定義 1 (星型集合).

集合Xとその部分集合族𝒜、及びxXについて

St(x,𝒜)={A|A𝒜,xA}

𝒜によるxを中心とする星型集合という。

定義 2 (完全集積点).

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。

定理 3.

位相空間Xについて以下は同値である。

  1. (1)

    Xは可算コンパクト

  2. (2)

    Xの可算部分集合Aに完全集積点が存在する。

  3. (3)

    Xの無限部分集合Aについて点aXが存在してaの任意の近傍Nについて

    card(AN)0

    を充たす。

証明.

(2)(3)が同値であることはよくわかる。(1)(2)が同値であることを示そう。対偶を証明する。

[¬(2)¬(1)の証明]

¬(2)より、完全集積点を持たない可算無限集合Aが存在する。完全集積点を持たないので各点xXについてxの近傍Uxが存在してcard(UxA)<0となる。さてAの有限部分集合Sについて

OS={UxUxA=S}

と定義しよう。Aの有限部分集合全体は可算集合であるから、{OS}Sは可算な族であり、Xの開被覆である。しかし構成の仕方からわかるように{OS}Sの有限部分被覆𝒰の和集合𝒰Aについて(𝒰)Aは有限集合である。よってX𝒰。つまり{OS}Sは有限部分被覆を持たないXの可算開被覆である。ゆえにXは可算コンパクトでない。

[¬(2)¬(1)終わり]

[¬(1)¬(2)の証明]

Xは可算コンパクトでないから有限部分被覆を持たない可算開被覆𝒰={Ui}iが存在する。そこで{ai}i

ani=0nUi

でかつnmanamとなるように選ぶ(これはちゃんと実行できる)。そしてA={an}nとするとAは可算無限集合である。これが完全集積点を持たないことを示そう。任意のxXについてxUmとなる𝒰の元をとると、構成の仕方からUmは高々m+1個のAの元としか交わらない。よってxは任意であったからAは完全集積点を持たないXの可算部分集合である。

[¬(1)¬(2)終わり] ∎

定理 4.

可算コンパクト空間Xの点可算な開被覆𝒰は有限部分被覆を持つ。

証明.

𝒰を点可算なXの開被覆としよう。

={MXaMSt(a,𝒰)M={a}}

と定義する。このときは非空でかつ包含関係についてZornian ordered set111Zornの補題の仮定を充たす順序集合のことをZornian ordered setとここでは呼ぶことにする。である。よって極大元が存在する。その一つをMとしよう。Mは有限集合である。もしそうでないとしたならば、可算コンパクト性と定理3からpXが存在しpの任意の近傍とMとの共通部分が無限集合になるが、pU𝒰となるUを取ると、Mの取り方からUMと高々一点でしか交わらないので矛盾する。

さてMの極大性から

X=aMSt(a,𝒰)

となる。つまり𝒱={V𝒰VMØ}Xの被覆である。さらに点可算性から𝒱は高々可算であるのでXの可算コンパクト性から𝒱の有限部分被覆が存在するが、𝒱𝒰であるからそれは𝒰の有限部分被覆でもある。 ∎

定義 5 (メタリンデレフ).

位相空間Xの任意の開被覆に点可算な開細分被覆が存在するとき、Xはメタリンデレフであるという。

系 6.

メタリンデレフかつ可算コンパクトな空間はコンパクトである。

系 7 (Arens-Dugundji).

メタコンパクトかつ可算コンパクトな空間はコンパクトである。

系 8.

ω1はメタリンデレフではない。より詳しく、ω1の有界開集合からなる開被覆は点可算な細分を持たない。

References

  • [1] L.A.Steen and J.A.Seebch, Counterexamples in Topology, Dover Publications Inc New York,1995