の位相的性質
LOTS、つまり線形順序位相空間は基本的な空間のクラスであり、その位相性質は古くから研究されてきた。 ここではLOTSのなかでも特に基本的で、位相空間にしてはそれなりに特異なふるまいを見せる順序数、特に最小の非可算順序数の位相的性質を紹介してゆく。 なるべくDIYの精神で泥臭くても手に取って形がわかるような証明を心掛けたつもりである。それとあと、図を描いてみることを強く推奨する。
定義 1.
任意の可算順序数についてとなる順序数のうち最小の順序数をと定義する。
は最小の非可算順序数と言っても同じことであるし、としても同じことである。
命題 2.
任意のについて
以下、には順序位相が定義されているものとする。
有界性と非有界性は一般の順序集合についても定義できるのだが、ここで使う分だけ定義することにする。以下で定義される有界性は実は“上に有界”という概念なのだが、整列性からの部分集合は常に下に有界なのでこれだけでよいのである。
定義 3 (有界と非有界).
の部分集合についてあるが存在して
を充たすときは有界であるという。が有界でないとき、つまり任意のについてあるが存在してを充たすときは非有界であるという。有界性の否定なので正確にはとするべきだが命題2を鑑みればで非有界性を特徴づけしてもよい。
命題 4.
という形の集合はの開集合である。さらにについて
はの基本近傍系を成す。
証明.
前半は命題2からであり、そしてとなることからわかる。後半は明らかである。 ∎
命題 5.
はclopenな開基を持つ。
証明.
分かる。 ∎
命題 6.
である。ここでは空間の位相的重み、つまりの開基の最小濃度を表す。
証明.
やってみると結構わかる。 ∎
命題 7.
は第一可算公理を充たす。
証明.
の定義から についてとなるは高々可算なので先の定理と合わせればわかる。 ∎
注意.
一般に順序数のみを元として持つ集合についてが順序数として定義される。
定理 8.
の可算部分集合集合は内にを持つ。
証明.
の可算部分集合についてが順序数として定義されるが、が可算であることからは可算順序数なのでの定義からとなる。 ∎
命題 9.
の有界な集合はの中に上限を持つ。
証明.
をの中の有界集合とするとは可算順序数になるので ∎
命題 10.
はリンデレフでない。特に有界な開集合からなるの開被覆可算部分被覆を持たない。
証明.
有界開集合の可算族を任意に与える。各は有界なので上限がの中に存在する。とすると は可算集合なのでである。よって
なのではを被覆することはありない。 ∎
命題 11.
はコンパクトでない。特に有界な開集合からなるの開被覆有限部分被覆を持たない。
以下の命題も本当は一般の順序数でもっと一般的なことが言えるのだが、ここで使う分だけ証明することにする。
命題 12.
の部分集合について以下は同値である。
-
(1)
は閉集合である。
-
(2)
広義単調増加111任意のについてということである。な内の任意の点列について
証明.
[]
まず線形順序位相空間の一般論としてが成り立つ。は内の点列だと仮定しているし、は閉集合であるからが成り立つ。
[終わり]
[]
を任意に取る。は第一可算であり、また命題4からの基本近傍系としてというものが選べて、更にと仮定してもよい。このときとなる。さてこの基本近傍系を使うとは
と同値である。そこで、整列性からとし、まで定義されたときに
と定義すればは内の広義単調増加な点列で、
を充たすからとなる。今を仮定しているのでとなる。よってが成りたち、つまりは閉集合である。 ∎
定義 13 (club集合).
の非空で非有界な閉集合をclub集合という。“club”とは CLosed UnBounded という意味である。
のclub集合の可算族は交わりを持つという著しい性質を持っている。そのことを証明するために以下の補題を準備しよう。
補題 14.
をのclub集合とするとき、もclub集合になる。
証明.
が閉集合であることは自明である。非有界性だけを示せばよい。
任意にを与えると非有界性からである。そこでと定義する。次にの非有界性からである。そこでとしよう。一般にまで構成されたときに
と定義し、まで構成されたときに
と定義する。このようにして内の広義単調増加な点列と内の広義単調増加な点列を得る。そして構成の仕方から
なのでである。これをと置こう。すると定義からであり、また命題12からでかつなのでである。よっては非有界である。 ∎
この補題を帰納的に用いると次のことが分かる。
系 15.
有限個のclub集合についてもclub集合である。
命題 16.
をclub集合の可算族とするとき、もclub集合になる。
証明.
が閉集合であることは自明である。以下では非有界性を示そう。
次の事実は電波通信のLOTSの記事で紹介されている。
事実 17.
順序数についてはコンパクトである。特にの有界閉集合はコンパクトである。
この事実と命題16を用いて次の非常に重要なの性質を証明しよう。
定理 18.
は可算コンパクトである。
証明.
をの可算被覆としよう。と定義するとは閉集合である。このときあるが存在しては有界集合になる。もしそうでなければ、任意のについてがclub集合になるが、命題16から
になるが、これはがの被覆であることに反する。よってあるが存在しては有界集合になる。の上界の一つをと置くと、
となり、はコンパクト集合なので、には有限部分被覆が存在する。よっては可算コンパクトである。 ∎
別証明.
の閉集合からなる有限交叉な可算族を任意に与え、それをとする。もしの中に有界集合があったなら、それはコンパクト集合でもあるので、有限交叉性からが成り立つ。もしがすべて非有界、つまりすべてclub集合であるならば、命題16からやはりとなる。 ∎
次の事実は電波通信の記事で紹介されているはずである。
事実 19.
可算コンパクト空間の点可算な開被覆は有限部分被覆を持つ。特にメタリンデレフで可算コンパクトである空間はコンパクトである。
系 20.
はメタリンデレフでない。より詳しく、の有界開集合からなる
次の定理は普通はフォドアの補題を利用して証明すると思うのだが、ここではそれを使わずに証明しよう。
定理 21.
連続関数に対し、が存在し、は上で定数となる。
証明.
可算コンパクト集合の連続像は可算コンパクトであるからは可算コンパクトである。さらに距離空間においては可算コンパクト性とコンパクト性は同値なのではの有界閉集合になる。としよう。を二等分して二つの閉区間を作り、それをとしよう。つまり
である。今はclub集合なのでとのうちいづれかはclub集合になっているので、それをと定義しよう。そしてを二等分して二つの閉区間を作り、そのによる逆像がclub集合になっているものをとする。この構成を帰納的に繰り返し
| (1) | |||
| (2) | |||
| (3) | |||
| (4) |
を充たすの有界閉区間の可算族を得る。この条件からとなるが存在する。そして
となるから、命題16からはclub集合であることが分かる。さて、
と定義するとはの閉集合でなのでは有界である。もしそうでないとしたら、とはともにclub集合となり、交わりを持つことになり、となって矛盾する。
各ごとにのにおける上界の一つをとし、
とするともちろんであり、ならば任意のについてなので
となる。つまりならばである。これで定理は示された。 ∎
注意.
の値域をの代わりに距離空間で置き換えても定理21は成り立つ。
系 22.
はではない。
証明.
と定義する。するとはの閉集合であるが、定理21からゼロ集合にはならない。が非有界で、なおかつだからである。 ∎
命題 23.
はハウスドルフである。
証明.
当たり前 ∎
命題 24.
はである。
証明.
を二つの交わらないの閉集合とする。このとき補題14からとがともに非有界となることはない。を有界とし、 と仮定しよう。このときなのではclopenであり、である。はコンパクトハウスドルフだから特に正規であり、とはの開集合で分離できる。そしての開集合はの開集合でもあるので、と置けばこれはの開集合であり
を充たす。これで証明は終わる。 ∎
注意.
実はLOTSの一般論を使えば、任意のLOTSは単調正規なのでが正規なのは当たり前である。しかし後のの直積空間の正規性の証明と定理24の証明はアナロジカルなのでわざわざ証明を載せた。単調正規空間は遺伝的正規空間なのではでもある。単調正規性について詳しくは
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
以降のセクションではの有限もしくは可算個数直積空間がどのような性質を充たすのかを見ていく。
命題 25.
は可算コンパクトである。よって任意のについては可算コンパクトである。
証明.
の点列を任意に与える。これらの成分をという風に表示しよう。すると はの中の可算集合だからである。よって
となる。はコンパクト空間なのでもコンパクトである。よっては内に集積点を持つが、この集積点はから見ても集積点なので、結局は内に集積点をもつ。つまりは集積コンパクトである。空間において集積コンパクトと可算コンパクトは同値なのでが可算コンパクトであることが分かる。
後半は、可算コンパクト性が閉集合に遺伝的であることと、がに閉集合として埋め込めるということからすぐにわかる。 ∎
さて積空間の正規性の証明のために次のDowkerによる事実を用いる。
事実 26.
可算パラコンパクト空間とコンパクト距離空間との直積は空間である。
定理 27.
は正規である。
証明.
定理24の証明と同様のことをする。 補助的に、次のような語を用いる。の閉集合は任意のについて
を充たすときは「対角的に非有界」と呼ぶことにする。 このとき補題14と同様にしての二つの「対角的に非有界」な閉集合は交わりを持つことがわかる。よっての二つの交わらない閉集合を任意に与えたとき、二つのうちいづれかは「対角的に非有界」ではない。を「対角的に非有界」ではないとし、を
を充たすものとする。さては次のように直和分解できる。
などを鑑みれば、それぞれの直和因子がclopenであることが分かる。更には可算コンパクトで、はコンパクトな距離付け可能空間であるから事実26からは正規である。はそもそも距離付け可能なので正規である。よって、定理24と同様の議論でを開集合で分離することが出来る。 ∎
同様にしてが正規であることが分かる。も正規なのだが、面倒なので省略する。詳しくは[児玉・永見]を参照せよ。
以下の定常集合とフォドアの補題について詳しくは[1]などを参照せよ。
定義 28 (定常集合).
の部分集合はの任意のclub集合と交わりを持つとき、定常集合という。
以下のフォドアの補題の証明は省く。
事実 29 (フォドアの補題).
をの定常集合とし、は任意のについてを充たしているとする。このときあるが存在しては定常集合になる。
命題 30.
及びはではない。
証明.
の部分空間で正規ではないものを構成すれば十分である。
ここでである。このように定義するとはともにの閉集合であり、である。ここでを含む任意のの開集合を取る。はの基本近傍系を成すので各ごとにを選んで
とできる。ここでは定常集合(というかclub集合)なのでフォドアの補題からあるがあってが定常集合になる。定常集合は特に非有界集合でもあるので点列を取って
とできる。としよう。であるからである。もちろんこのときであるからより詳しくということがわかる。 はの近傍系を成す。ところでなので
であるが、
でなおかつ
でもあるので任意のについて
であるからはの基本近傍系なのでである。つまりなのでとは開集合で分離できない。よっては正規空間ではない。 ∎
References
- [1] 寺澤順, 現代集合論の探求, 日本評論社(2013)