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ダガンディーとハウスドルフの拡張定理の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。

拡張定理

ナンブキトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文章ではArens[1]によるDugundjiの拡張定理を証明し、H. Toruńczyk[2]によるDugundjiの拡張定理を用いたHasudorffの拡張定理の証明を紹介する。Dugundjiの拡張定理は距離空間の閉集合から局所凸空間への連続写像は空間全体に拡張できるという定理である。Arensは「きれいな」単位の分割を用いてこの定理を証明しているが、これはWhitneyの拡張定理の証明にに非常に酷似しているのでここでは「きれいな」単位の分割をWhitneyとDugundjiの寄与によるものとして扱う。Dugundji自身は単位の分割ではなく被覆から誘導される脈複体を用いて拡張定理を証明しているがやっていることは結局同じことである。Hausudorffの拡張定理は閉集合上の距離を空間全体に拡張できることを述べたとても強力な定理である。

この文章では「埋め込み」という言葉が出てくるが、連続写像f:XYが埋め込みであるとはコドメインを変更した写像f:Xf(X)が同相写像になることである。「閉埋め込み」は閉写像でかつ埋め込みになっている写像のことである。例えば同相写像g:STについて、gSの閉集合Cに制限した写像g|C:CTは閉埋め込みになっている。

補題 1 (Whitney-Dugundji’s Partition of unity ).

距離空間(X,d)とその閉集合Aに対してXAの局所有限被覆𝒰𝒰によって添え字付けられたX上の非負実数値連続関数の族{sU}U𝒰𝒰によって添え字付けられたAの部分集合族{aU}U𝒰が存在して

(1) {xXsU(x)>0}U
(2) U𝒰sU(x)={1xXA0xA
(3) xXaAsU(x)>0d(a,aU)3d(a,x)

を充たす。

証明.

xXAについてr(x)=d(x,A)4>0とする。 ={B(x,r(x))}xXAXAの開被覆である。さらにXAはパラコンパクトなのでの局所有限な開細分𝒰が存在する。各𝒰についてxUXA

UB(xU,r(xU))

を充たすものとする。さて各U𝒰についてfU:X[0,)fU(x)=d(x,XU)と定義する。さらば、 𝒰の局所有限性から

F(x)=U𝒰fU(x)

X上の連続関数となる。そして

sU(x)={fU(x)/F(x)xXA0xA

と定義すれば、sUX上の非負実連続関数となり、

sU(x)>0xU

及び、

U𝒰sU(x)={1xXA0xA

を充たす。次にaUd(xU,aU)54d(xU,A)を充たすAの元として定義する。

sU(x)>0としよう。するとxUであり、更にUB(xU,r(xU))なので、

d(x,xU)14d(xU,A)

となる。そしてaAについて

d(a,aU)d(a,x)+d(x,xU)+d(xU,aU)d(a,x)+14d(xU,A)+54d(xU,A)=d(a,x)+32d(xU,A)

となり、さらに

d(xU,A)d(xU,a)d(xU,x)+d(x,a)14d(xU,A)+d(x,a)

より、

d(xU,A)43d(x,a)

を得るので

d(a,aU)d(a,x)+32d(xU,A)3d(a,x)

が分かる。 ∎

定理 2 (Dugundjiの拡張定理).

距離空間(X,d)の閉集合Aと局所凸型線形位相空間Lの凸集合C及び連続写像f:ACについて、連続写像F:XCが存在し、

F|A=f

を充たす。

証明.

(X,d)Aに対して先の補題から、XAの局所有限細分𝒰及び{sU}U𝒰{aU}U𝒰が存在する。さて、今F:XC

F(x)={f(x)xAU𝒰sU(x)f(aU)xXA

と定義する。Cが凸集合であることから、FCに値を取る。𝒰が局所有限で{xXsU(x)>0}UなのでFはちゃんと定義されている。また、Cが凸集合であることから、FCに値を取る。そして局所有限性からXA上でFが連続であることは明らかである。A上の任意の点aFが連続であることを示せば証明は終わる。

Lは局所凸線形位相空間なので、そのセミノルムの族から定まる位相である(ミンコフスキーゲージなどの議論を思い出せ)。セミノルムの正のスカラー倍などを考えれば結局、L上連続な任意のセミノルムpについて、あるδが存在し、

d(a,x)<δp(F(a)F(x))<1

が成り立つことを示せばよい。今、L上連続なpについて、fA上連続であったのであるr>0が存在して

d(a,y)<randyAp(f(a)f(y))<1

が成り立つ。δ=13rとせよ、するとd(a,x)<δとなるxXAについてsU(x)>0となるUU1,U2,,Um とすると

F(x)=i=1msUi(x)f(aUi)

となり、先の補題からd(a,aUi)3d(a,x)<rとなり、aUiAなので

p(f(a)f(aUi))<1

となる。よって

p(F(a)F(x)) =p(i=1msUi(x)f(a)i=1msUi(x)f(aUi))=p(i=1msUi(x)(f(a)f(aUi)))
i=1msUi(x)p(f(a)f(aUi))<1

これでFA上で連続であることが分かった。 ∎

注意.

Dugundjiの拡張方法はより強く、次のような写像が存在するということも含意している。

Φ:C(A,C)C(X,C)

Φ(f)|A=f

f1,f2,fnC(A,C)及びci0,i=1nci=1を充たすとき

Φ(i=1mcifi)=i=1mciΦ(fi)

これは拡張がfに依存しない単位の分割によって行われているからである。

定理 3.

距離空間(X,d)はノルム空間Eに閉集合として等長に埋め込める。さらに(X,d)が完備であるときは、バナッハ空間Fに閉集合として等長に埋め込める。

証明.
Y={AXAは有限集合}

とする。すなわちYXの有限部分集合全体である。 そしてZ=Cb(Y,)とし、supノルムを与えると、これはノルム空間になっている。 さてXの一点pを固定し各xXについてfx:YSYつまりXの有限集合Sについて

fx(S)=d(x,S)d(p,S)

という値を対応させる写像と定義する。 そして、g:XZg(x)=fxとする。これが等長埋め込みになっていることを示そう。

まず

|fx(S)fy(S)|=|d(x,S)d(y,S)|d(x,y)

がわかり

|fx({x})fy({x})|=|d(x,{x})d(p,{x})d(y,{x})+d(p,{x})|=d(x,y)

となるのでg(x)g(y)=fxfy=d(x,y)となりgが等長的であることがわかる。そしていま、

E=span(g(X))

とする。つまりEg(X)の元で代数的に生成されたZの部分線形空間である。 EZなので、ZのノルムをEに制限することによってEは自然にノルム空間とみなすことができる。 もちろんこのときg:XEは等長的である。

いまから g(X)Eの中で閉であることを示そう。即ちg(X)内の点列{yi}aEに収束するならば、ag(X)であることを示す。{yi}g(X)内の点列とすると、X内の点列{xi}を用いてyi=g(xn)と書くことができる。 yiaE(i+)としよう。このときEの定義から

a=i=1mcig(ai)

となるようなciaig(X)が存在する。S={a1,a2,am,p}と置くと、a(S)=0なので、 yn(S)0であるつまり、

yn(S)=g(xn)(S)=fxn(S)=d(xn,{a1,a2,am,p})0(n)

なので{xn}の部分列でSのいずれかの元に収束するものがとれる。それを{xϕ(n)}とし、xϕ(n)bSとしよう。 するとgはもちろん連続なのでg(xϕ(n))g(b)となるが、そもそもg(xn)aであったのでa=g(b)でなければならない。 これはつまり、ag(X)ということなので、g(X)Eの中で閉集合である。

定理の後半について述べよう。先までの議論から距離空間(X,d)をノルム空間Eに等長に埋めるが、これはつまりEの完備化Fにも等長に埋め込めるということである。(包含写像EFが等長的だからである。)距離空間の完備な部分空間は閉集合なのでXはバナッハ空間Fの閉集合となることがわかる。 よって(X,d)はバナッハ空間に等長に閉集合として埋め込める。 ∎

注意.

一般に距離空間はバナッハ空間に閉集合として埋め込むことは出来ない。完備距離付け不可能な距離空間が存在するからである。(完備距離付け不可能な距離空間の例を一つ上げてみよ。)

以下の定理は図を描けば自明に思える類の定理のである。

補題 4.

二つのノルム空間E,Fとその閉部分空間KE,LF及び同相写像f:KLが与えられているとする。このときK×{0}E×F,{0}×LE×Fとして、fから自然に同相写像g:K×{0}{0}×Lが誘導される。このときgの拡張となっているような同相写像h:E×FE×Fが存在する。

証明.

(x,0)K×{0}についてg(x,0)=(0,f(x))であり、(0,y){0}×Lについてg1(0,y)=(f1(y),0)であることに注意しよう。

定理2を用いてf:KLFを拡張して写像α:EFを得る。そしてS:E×FE×FS(x,y)=(x,y+α(x)) と定義すると、P(x,y)=(x,yα(x))で定義される写像P:E×FE×FSの逆写像になっているので、Sは同相写像である。

一方、f1:LKEに定理2を用いて拡張β:FEを得て、T:E×FE×FT(x,y)=(x+β(y),y)で定義する。このときQ(x,y)=(xβ(y),y)で定義されるQ:E×FE×FTの逆写像になっているのでTは同相である。

いまここでh=T1S=QS:E×FE×Fと定義するとこれは同相写像で、(x,0)K×{0}についてS(x,0)=(x,α(x))=(x,f(x))なので

h(x,0)=Q(x,f(x))=(xβ(f(x)),f(x))=(xf1(f(x)),f(x))=(0,f(x))=g(x,0)

となり、確かにhgの拡張になっている。 ∎

注意.

次の定理に入る前に一つ注意をしておく。二つのノルム空間(E,E),(F,F)に対する直積空間E×Fのノルムのことである。この文章では一応E×Fのノルムを

(x,y)E×F=xE2+yF2

で定義するが、以下の証明を見ればわかるようにE×Fの位相と両立していて(x,0)E×F=xE,(0,y)E×F=yF を充たしさえすればなんでもよい。例えば上の定義の代わりに(x,y)E×FxE+yFや、max{xE,yF}と定義しても以下の証明には全く影響はない。

定理 5 (Hausdorff’s Metric Extension theorem0).

Xを距離付け可能空間でAをその閉部分集合とし、AにはAの位相と両立する距離ρが与えられているとする。このときXの位相と両立するX上の距離で、A上でρと一致するものが存在する。

証明.

Xの距離を何か適当にdと置く。定理3から等長埋め込みi:(X,d)(E,E)i(X)Eの閉集合であるものが存在する。同様に(A,ρ)についても等長埋め込みj:(A,ρ)(F,F)が存在し、j(A)Fの閉集合となる。

さてiが閉埋め込みであることと、AXの閉集合であることからi(A)Eの閉集合であり、ijは埋め込みであるからi(A)j(A)は自然に同相である。つまりji1が同相写像を与える。この同相写像をf:i(A)j(A)として補題4を用いて g:i(A)×{0}{0}×j(A);(i(a),0)(0,j(a))の拡張となる同相写像h:E×FE×Fを得る。

さてk:EE×{0}k(x)=(x,0)で与えられる自然な閉埋め込みだとして

H=hki:XE×F

を考えるとこれは埋め込みになっているので(実際には閉埋め込みであるが、閉であることは次の定理の証明でしか用いない)X上の距離関数e

e(x,y)=H(x)H(y)E×F

で定義すると、このeXの位相と両立する。またaAについてH(a)=(0,j(a))j:(A,ρ)(F,F)が等長であることからa(0,j(a))で定義される写像も等長なので、eA上でρと一致する。 ∎

定理 6 (Hausdorff’s Metric Extension theorem1).

Xを完備距離付け可能空間でAをその閉部分集合とし、AにはAの位相と両立する距離ρが与えられているとし、更に(A,ρ)は完備であるとする。このときXの位相と両立するX上の完備な距離で、A上でρと一致するものが存在する。

証明.

Xか完備距離付け可能ならば先の定理の証明でEはバナッハ空間として選べる。Fも同様にバナッハ空間を指定できる。このときE×Fは完備距離空間でHは閉埋め込みであることからH(X)E×Fの閉集合であるからE×Fから誘導される距離で完備になる。 ∎

系 7.

距離付け可能空間Xが、その位相と両立する任意の距離で完備になるならば、Xはコンパクト空間である。

証明.

対偶を証明する。Xがノンコンパクトな距離空間であるときに集積点を持たない可算集合A={aii}が存在する。このAXの閉集合である。さてA上の距離を

ρ(ai,aj)=|2i2j|

とする。するとこのρAの位相と両立する。この事はA{2ii}がともに可算離散位相であり同相であるということに他ならない。さて定理5からρの拡張となるXの位相と両立するX上の距離dが存在するが、この距離において{ai}iはコーシー列を成すが、Aが集積点を持たないことから{ai}iは収束点を持たない。よって(X,d)は完備ではない。 ∎

References

  • [1] R.Arens, Extension of functions on fully normal spaces, Paciffic J. Math.2(1952),p11-22
  • [2] H. Toruńczyk, A simple Proof of Hausdorff’s Theorem on extending metrics, Fund.Math.77(1972-1973),p191-193