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線形順序位相空間の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。

LOTSの位相の基本

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

うろ覚えで書いたので標準的な用語と異なるかもしれません。

1 定義など

定義 1 (線形順序).

集合X上の二項関係Rが線形順序であるとは

  1. (1)

    ∀a∈X⁢a⁢R⁢a

  2. (2)

    ∀a,b∈X⁢a⁢R⁢b∧b⁢R⁢a⟹a=b

  3. (3)

    ∀a,b,c∈X⁢a⁢R⁢b∧b⁢R⁢c⟹a⁢R⁢c

  4. (4)

    ∀a,b∈X⁢a⁢R⁢b∨b⁢R⁢a

を充たすことを言う。慣例に従い線形順序を≤などと書き表すことにする。また、

a<b⇔a≤b∧a≠b

と定義する。

定義 2 (部分線形順序集合).

線形順序集合(X,≤)の部分集合Sについて≤をSに制限した関係を≤のSのへの制限といい、≤Sと書いてみたりするが、しばしば同じ記号≤を流用してしまう。大体文脈で分かるので問題ないのだが、区別する必要がある場合もある。このとき(S,≤S)を(X.≤)の部分線形順序集合という。

定義 3 (順序稠密性、順序の意味で稠密性).

線形順序集合(X,≤)の部分集合Aが(順序の意味で)稠密であるとはXの任意の二元a,b∈XについてAの元cが存在して

a<c<b

を充たすことを言う。これは順序位相における稠密性と同じことである。

定義 4.

線形順序集合(X,≤)の元aがSの上界であるとは

∀x∈S⁢x≤a

を充たすときに言う。

線形順序集合(X,≤)の元bがSの下界であるとは

∀x∈S⁢b≤x

を充たすときに言う。

定義 5 (sup,inf,max,min).

線形順序集合(X,≤)の元sがSの上界でありかつ

∀y<s⁢∃x∈S⁢y<x≤s

を充たすときsをSの上限といいsupSなどと書き表す。特にsupS∈SのときsupSはSの最大元といいmax⁡Sなどと表す。 双対的にinfSが定義される。

(X,≤)の元tがSの下限であるとはtはSの下界で

∀y>t⁢∃x∈S⁢t≤x<y

が成り立つときに言い、infSなどと書く。infS∈Sのときmin⁡Sだとか書く。

上限と下限は常に存在するわけではないことに注意せよ。

注意.

supSはSの上界の最小値であり、infSはSの下界の最大限である。

定義 6 (順序完備性).

線形順序空間(X,≤)が順序完備であるとは、Xの任意の非空な部分集合SについてinfSとsupSが存在するときに言う。

定義 7 (区間).

線形順序集合(X,≤)とa,b∈Xについて

(1) (a,b)={x∈X∣a<x<b}
(2) (a,b]={x∈X∣a<x≤b}
(3) [a,b)={x∈X∣a≤x<b}
(4) [a,b]={x∈X∣a≤x≤b}

と定義する。それぞれ開区間、半開区間、閉区間という。また

(5) (a,→)={x∈X∣a<x}
(6) (←,a)={x∈X∣x<a}
(7) [a,→)={x∈X∣a≤x}
(8) (←,a]={x∈X∣x≤a}

も無限開区間、無限閉区間などという。

注意.

b≤aのとき、(a,b)=Øに注意せよ。

定義 8.

線形順序集合(X,≤)について(X,≤)の開区間及び無限開区間全体の族は開基の公理を充たす。この開基から生成される位相を(X,≤)の順序位相といい、ここでは𝔒≤と書くことにしよう。何らかの線形順序集合の順序位相と同相になっている位相空間をLOTS(Linearly Ordered TopolTogical Space)(線形順序位相空間)という。

2 性質

命題 9.

LOTSはハウスドルフ空間である。

証明.

線形順序位相空間(X,≤)の二点a,bを任意に与える。このときa<bとしても一般性を失わない。

Case1:(a,b)≠Øのとき;c∈(a,b)をとると、a∈(←,c),b∈(c,→)であるからわかる。

Case2:(a,b)=Øのとき;この状況のもと、(a,→)=[b,→),(←,b)=(←,a]であるからわかる。 ∎

注意.

実は一般にLOTSは単調正規という結構強めの分離公理を充たす。どのくらいの強さかというと、単調正規ならば遺伝的族正規であるくらいの強さである。詳しくは
R.W.Heath, D.J.Lutzer and P.L.zenor, Monotonically Normal spaces, Trans.Amer.Math.Soc.178(1973), p481-493 を参照のこと

命題 10.

LOTS(X,≤)の閉集合Aに下限が存在するならば、infA∈A。上限についても同様。

証明.

下限の定義から、infAはAの触点になるのでわかる。 ∎

定理 11.

(X,≤)が順序完備であることと、(X,𝔒≤)がコンパクトであることは同値である。

証明.

[順序完備⟹コンパクト]

𝒰をXの任意の開被覆としよう。Xには最小値と最大値が存在するのでa=min⁡X,b=max⁡Sしよう。そして

S={x∈X∣[a,x]⁢は⁢𝒰⁢の有限部分族で被覆される}

とおく。a∈SなのでS≠Øである。また、x∈S⟹[a,x]⊂Sにも注意しよう。s=supSと置く。まずはs∈Sを示そう。[a,s)⊂Sとなることはすぐにわかる。s∈UとなるU∈𝒰を一つとる。そしてA=[a,s]∖Uは閉集合であるからt=supA∈Aでs∉Aよりt<sが分かる。そしてt∈Sなので[a,t]は有限個の𝒰の元V1,V2,…⁢Vnで被覆されるので結局[a,s]は𝒰の有限個の元V1,V2,…⁢Vn,Uで被覆されるからs∈Sとなる。

今、[a,s]を被覆する𝒰の有限個の元をU1,U2,…,Umとし、B=[s,b]∖⋃i=1mUiと定義する。Bは閉集合でs∉Bである。もしB=Øならばp=infB∈Bが存在するからpを含む𝒰の元Oを選べばU1,U2,…⁢Um,Oは[a,p]を被覆するのでp∈Sだが他方s<pとなのでs=supSに反する。よってB=Øつまりs=max⁡XなのでXは𝒰の有限個の元で被覆される。

[コンパクト⟹順序完備] SをXの非空な部分集合とする。このときXの閉集合族

{CL⁢(S)}∪{[a,→)∣a∈S}

はXの有限交叉族であるのでXのコンパクト性から

CL⁢(S)∩⋂a∈S[a,→)≠Ø

となる。この集合から元sをとると、sは⋂a∈S[a,→)の元であることからSの上界になり、CL⁢(S)に属していることから任意のy<sについて

S∩(y,→)≠Ø

だが、sはSの上界なのでこれは

S∩(y,s]≠Ø

ということであり、これはs=supSということと同値である。よってsupSが存在する。infSが存在することも同様である。 ∎

系 12.

順序数αについて[0,α]=α+1はコンパクトである。

3 部分集合について

(X,≤)の部分集合Sには、≤Sから誘導される順序位相𝔄⁢(S)と、LOTS(X,≤)の部分空間としての位相ℬ⁢(S)の二種類が考えられるが、一般にこの二つは一致しない。ただし、ℬの位相は𝒜より細かいことはよくわかる。つまり𝒜⁢(S)⊂ℬ⁢(S)。これは、≤Sによる開区間を(a,b)Sと書き、Xにおける開区間を(a,b)Xと書いたときに、a,b∈Sについて

(a,b)S=(a,b)X∩S

が成り立つことからわかる。 これら二つが一致する簡単な十分条件を二つ紹介しよう。

命題 13.

SがXの稠密な部分集合のとき、𝔄⁢(S)=𝔅⁢(S)

証明.

稠密性から任意のa,b∈Xについて

(a,b)X∩S=⋃s,t∈(a,b)X∩S(s,t)S

となるのでわかる。 ∎

命題 14.

SがXのコンパクト集合であるとき、𝔄⁢(S)=𝔅⁢(S)

証明.

(S,𝔅⁢(S))がコンパクトで(S,𝔄⁢(S))はハウスドルフでかつ𝔄⁢(S)⊂𝔅⁢(S)から𝔄⁢(S)=𝔅⁢(S)が分かる。 ∎

命題 15.

SがXの区間であるとき、𝔄⁢(S)=𝔅⁢(S)

証明.

わかる。 ∎