コンパクト集合の距離化可能性
この文章では対角的なコンパクトハウスドルフ空間は距離付け可能であることを証明する。 また、この文章ではコンパクト性にはハウスドルフ性を仮定せず、それを仮定するようなときにはコンパクトハウスドルフ空間ということにする。
まずはコンパクト空間の基本的な性質を証明を省略したりしつつ述べて行く。
1 事実
事実 1.
ハウスドルフ空間においてコンパクト部分集合は閉集合である。
事実 2.
コンパクト空間の連続像はコンパクトである。
上の二つの事実から次のことがわかる。
命題 3.
コンパクト空間からハウスドルフ空間への連続写像は閉写像である。
これの系として次の便利な基準がある。
系 4.
コンパクト空間からハウスドルフ空間への連続全単射写像は同相写像である。
またこれの特別な場合として次のものがある。
命題 5.
開集合系は集合上にコンパクトな位相を定めるとし、開集合系はにハウスドルフな位相を定めるとし、さらにであるとする。即ちはより細かい位相をに定めているということである。さてこのときとなる。つまり二つの位相は一致する。
事実 6.
コンパクトハウスドルフ空間は正規である。
定理 7 (ウリゾーンの補題).
を正規空間とし、をその互いに素な2つの閉集合とすると連続関数が存在し
つまり互いに素な2つの閉集合は関数で分離できる。
2 証明
定理 8 (集合).
位相空間の部分集合は、可算個の開集合の共通部分としてかけるときにが集合と呼ばれる。
例 9.
開集合は集合である。
例 10.
距離空間の閉集合は常に集合である。実際、閉集合に対して
と定義すれば
と書ける。
例 11.
一般の位相空間において閉集合は集合であるとは限らない。 実際を非可算な離散集合とし、をその一点コンパクト化とする。 このとき点の近傍はこの点を含むの補有限集合111補集合はが有限集合である集合を補有限集合と時として呼ぶ。であるからは可算個の開集合の共通部分で表すことはできない。(が非可算なので)
命題 12.
正規空間の閉集合について、実連続関数が存在し
が成り立つ。
証明.
開集合の列は
を充たすものとし、 を
となる関数とする。このような関数の存在はウリゾーンの補題から保証される。そして
と置くと、これは連続関数でありならばが成り立つ。このことの逆を示そう。 もしならとなるが存在する。このときであるからである。 よってならばである。222対偶 ∎
定義 13.
集合に対し、の部分集合を
と定義する。これをの対角線や対角線集合と呼ぶ。
定義 14.
位相空間の対角線集合がの集合であるときに空間は対角的であるという。
次のtube lemma (a.k.a. いつものやつ) と呼ばれる定理は簡単だが、幅広い応用を持つ。
定理 15 (tube lemma).
を位相空間、をコンパクト位相空間とする。更にとの開集合が
を充たしているとする。このときにおけるの開近傍が存在して
を充たす。
証明.
と置く
と置くと、は開集合族で直積の開集合の定め方から
が成り立つのではの開被覆である。はと同相であるからコンパクトなので
となるの有限部分族が存在する。そして明らかに
である。ここで
と置けばとなり、さらに
が成り立つので証明が終わる。 ∎
tube lemmaのもう一つの応用として、変数の片側がコンパクト空間になっている2変数の実関数に関する次の性質を証明しよう。これはある意味で関数の最大値が連続的に動く事を示している。
系 16 (連続関数のsupの連続依存性).
位相空間とコンパクト空間及び上の実連続関数について
で定義されるは上の実連続関数である。
証明.
の任意の点での連続性を示す。を任意に与える。そしてとし、と置く。はコンパクトなのではコンパクト集合である。そしてをの距離とすると
は連続関数なのでは連続である。さての連続性から
はの開集合で明らかにである。よってtube lemmaからの開近傍が存在して
となる。このとき任意のとについての定義との定義からならば、 なので
| (1) |
が成り立つ。のコンパクト性から各について
となるが存在するので、において, とおけば、のとき
が成り立つので点での連続性がわかる。は任意なので結局は上連続である。 ∎
定理 17.
対角的なコンパクトハウスドルフ空間は距離付け可能である
証明.
はもちろんコンパクトハウスドルフ空間なので特に正規空間である。 よって定理12より連続関数で
を充たすものが存在する。さてを
と定義する。もちろんこれは連続である。 系16から
で定義される関数は連続である。 更にこれが対称律および三角不等式を充たすことは定義から明らかである。 非退化性を示そう。とする。 写像は常に正なので任意のについてである。と置けばは対角線上でなので
となる。の取り方からとなるからである。 よっては上の距離となる。 さての開球
はを用いて
と書ける。が上連続なのでもそれに従って上連続であり、はの開集合であるからはに属する。 の開集合系を、から誘導されるの位相をと書くことにすれば、上のことは
を意味する。距離空間はもちろんハウスドルフ空間なので命題5からがわかる。 よっては距離化可能である。 ∎
3 応用
先の定理を用いて他のコンパクトハウスドルフ空間の距離化可能定理を証明していこう。
定理 18 (ウリゾーンの距離化可能定理333ウリゾーンはまずコンパクトハウスドルフ空間の場合に距離化可能定理を証明して、のちに一般の正規空間へと一般化したようである。).
第二可算なコンパクトハウスドルフ空間は距離化可能である。
証明.
をコンパクトハウスドルフ空間とする。このとき直積空間も第二可算である(考えてみよ)。 さての高々可算な開基をとする。そして
と定義しよう。するとが高々可算であることからも高々可算である。
今からを証明しよう。まず定義から がわかる。
逆を示そう。今となるの任意の点を取る。さてはコンパクトハウスドルフ、特に正則空間であり、 なのでが存在して及び を充たす。このはに属するので
以上からとなる。は高々可算なのでは対角的である。よっては距離化可能である。 ∎
定理 19 (Kattovの距離化可能定理).
コンパクトハウスドルフ空間についてが遺伝的正規ならばは距離化可能である。
証明.
Kattovの補題からがになるので、特には対角的である。 ∎