AUTOMATIC HTML VERSION

アスコリアルツェラの定理の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。

アスコリ・アルツェラの定理

電波通信
HTML変換日:2026年7月26日

コンパクト性は位相空間の情報が有限開被覆で網羅できるほど小さい(コンパクト)という概念だが、その亜種である点列コンパクト性はどちらかというと位相空間の中の特別な元の存在を保証するために用いられることが多い。 存在を保証したいものに似ている元を可算個作ってやれば、(まあ、運が良ければ)求めるものが得られるというわけである。 そういうわけで位相空間が与えられたときにその部分集合が(点列)コンパクトであるかどうか判定できるととても便利である。 特に写像の空間の部分集合のコンパクト性が判定できれば位相空間の間の特別な写像を構成する鍵になるので、コンパクト性の判定はより重要さを増す。 この方法論は例えばリーマンの写像定理の証明や、微分方程式の解の存在を保証するために使われている。 そういったコンパクト性の判定法のひとつとしてこの文章ではアスコリ・アルツェラの定理を紹介する。 この定理はコンパクト一様収束の位相が入った写像の空間のコンパクト性の判定法と考えることができる。 余談ではあるがチコノフの定理は各点収束の位相におけるコンパクト性判定法と考えることができる。

1 準備

定義 1.

集合A,Bに対して

Map⁡(A,B)

でAからBへの写像全体の集合を表すことにする。

定義 2.

位相空間X、Yに対して

C⁢(X,Y)

でXからYへの連続写像全体の集合を表す。

定義 3 (評価写像).

e:C⁢(X,Y)×X→Yを e⁢(f,a)=f⁢(a)で定義する。またℱ⊂C⁢(X,Y)とA⊂Xについて

e⁢(ℱ,A)={f⁢(a)∣f∈ℱ,a∈A}

という表記をする。

定義 4.

距離空間(M,d)とa∈Mおよびr>0について この文章ではU⁢(a,r)でaを中心とするr-開球を表すことにする。またA⊂Mに対して

U⁢(A,r)=⋃a∈AU⁢(a,r)

と定義する。Aのr-開近傍である。

以下では、XとYは常に距離空間であり、その距離をそれぞれdXとdYと書くことにする。 有界閉集合が常にコンパクトになるような距離空間を固有距離空間と呼ぶ。

定義 5 (同程度連続).

ℱ⊂C⁢(X,Y)が点aで同程度連続であるとは

∀a∈X⁢∀ε>0⁢∃δ>0⁢∀f∈ℱ⁢∀x∈X,dX⁢(x,a)<δ⟹dY⁢(f⁢(x),f⁢(a))<ε

が成り立つことである。各点a∈Xで同程度連続であるときℱはXで同程度連続であるとかいう。

定義 6 (同程度一様連続).

ℱ⊂C⁢(X,Y)が同程度一様連続であるとは

∀ε>0⁢∃δ>0⁢∀f∈ℱ⁢∀x,y∈X,dX⁢(x,y)<δ⟹dY⁢(f⁢(x),f⁢(y))<ε

が成り立つことである。

定義 7 (各点一様有界性).

ℱ⊂C⁢(X,Y)が各点一様有界であるとは任意のa∈Xに対してe⁢(ℱ,a)={f⁢(a)∣f∈ℱ}がYの有界集合であるときに言う。

定義 8 (一様有界性).

ℱ⊂C⁢(X,Y)が一様有界であるとはe⁢(ℱ,X)={f⁢(x)∣f∈ℱ,x∈X}がYの有界集合であるときに言う。

定義 9 (一様全有界性).

ℱ⊂C⁢(X,Y)が一様全有界であるとはe⁢(ℱ,X)={f⁢(a)∣f∈ℱ,x∈X}がYの全有界集合であるときに言う。

定義 10 (広義一様全有界性).

ℱ⊂C⁢(X,Y)が一様全有界であるとはXの任意のコンパクト部分集合Kについて e⁢(ℱ,K)={f⁢(a)∣f∈ℱ,x∈K}がYの全有界集合であるときに言う。

定義 11 (ヘミコンパクト).

位相空間Xは、その可算個のコンパクト部分集合族{Ki}i∈ℕで

X=⋃i∈ℕKi
∀i∈ℕ⁢Ki⊂Int⁢(Ki+1)

を充たすものが存在するときヘミコンパクトと言う。

2 本文

命題 12.

Xがコンパクトであるときℱ⊂C⁢(X,Y)が同程度連続であることと、同程度一様連続であることは同値である。

略証.

Xはコンパクトなのでルベーグ数が存在する。これを使う。 ∎

命題 13.

Xがコンパクトでℱ⊂C⁢(X,Y)が同程度連続であるとき、ℱが各点一様有界であることとℱが一様有界であることは同値である。

証明.

先の命題からℱは同程度一様連続である。 ε=1に対してℱの同程度一様連続性を担保するδを一つ取る。つまり

∀f∈ℱ⁢∀x,y∈X,dX⁢(x,y)<δ⟹dY⁢(f⁢(x),f⁢(y))<1

を成り立たせるδを一つ取る。Xはコンパクトなのでそのδ-ネット{p1,p2,…,pk}が存在する。さて任意にx∈Xをとるとiが存在してdX⁢(x,pi)<δとなる。よって任意のf∈ℱについてdY⁢(f⁢(x),f⁢(pi))<1となる。つまり

e⁢(ℱ,X)⊂U⁢(e⁢(ℱ,{p1,…,pk}),1)

であり、e⁢(ℱ,{p1,…,pk})は有界集合なのでe⁢(ℱ,X)は有界集合である。 ∎

Xをコンパクト距離空間とする。このときC⁢(X,Y)にsup距離Dが次のように定義できる。

D⁢(f,g)=supx∈XdY⁢(f⁢(x),g⁢(x))

この距離に関する全有界を述べるのがアスコリ・アルツェラの定理である。

定理 14 (アスコリ・アルツェラ).

Xをコンパクトとする。ℱ⊂C⁢(X,Y)が同程度連続かつ一様全有界であることと、ℱがsup距離Dについて全有界であることは同値である。

証明.

まずℱが同程度連続であり、一様全有界と仮定してℱの全有界性を示す。 ε>0を任意に与える。A=e⁢(ℱ,X)は全有界なのでAのε/8-ネット{y1,y2,…,yn}が存在する。Xがコンパクトなのでℱが同程度一様連続であるが、ε/8に対してℱの同程度一様連続性を担保するδ>0を一つ取る。つまり

∀f∈ℱ⁢∀x,y∈X,dX⁢(x,y)<δ⟹dY⁢(f⁢(x),f⁢(y))<ε/8

が成り立たせるδのことである。Xはコンパクトなのでδ-ネット{p1,…,pm}が存在する。ところで 各ϕ∈Map⁡({1,2,…,m},{1,2,…,n})に対して

S⁢(ϕ)={f∈ℱ∣∀i∈{1,2,…,m}⁢f⁢(pi)∈U⁢(yϕ⁢(i),ε/8)}

と定義する。そしてさらに

I={ϕ∈Map⁡({1,2,…,m},{1,2,…,n})∣S⁢(ϕ)≠Ø}

と定義する。IはMap⁡({1,2,…,m},{1,2,…,n})の部分集合なので有限集合である。また、{y1,…,yn}がネットであることからI≠Øがわかる。そこで各ϕ∈Iに対してhϕ∈S⁢(ϕ)となるhϕを選んでおく。 いまからこの{hϕ}ϕ∈Iがε-ネットであることを示そう。任意にf∈ℱを取る。そしてこのfに対してψ∈Map⁡({1,2,…,m},{1,2,…,n})を各i∈{1,2,…,m}について

f⁢(pi)∈U⁢(yψ⁢(i),ε/8)

となるように定義する。このようなψが存在することは{y1,…,yn}がネットであることからわかる。 Iの定義からψ∈Iがわかる。hψとfの距離を評価しよう。任意のx∈XについてdX⁢(x,pi)<δとなるpiを取る。このとき同程度一様連続性やψ及びS⁢(ψ)の定義などから

dY⁢(f⁢(x),hψ⁢(x)) ≤dY⁢(f⁢(x),f⁢(pi))+dY⁢(f⁢(pi),yψ⁢(i))+dY⁢(yψ⁢(i),hψ⁢(pi))+dY⁢(hψ⁢(pi),hψ⁢(x))
≤ε/8+ε/8+ε/8+ε/8=ε/2

よってD⁢(f,hψ)≤ε/2<ε すなわち{hϕ}ϕ∈Iはε-ネットであり、ℱが全有界であることがわかった。

今度は逆を示そう。つまりℱがDについて全有界であるならば、同程度連続かつ一様全有界であることを示す。まず最初に同程度連続であることを示そう。任意に点a∈Xとε>0を与える。ℱの全有界性からε/3-ネット{h1,h2,…,hm}が存在する。δ>0を適当に小さく選んで

∀i∈{1,2,…,m}⁢∀x∈S⁢dX⁢(x,a)<δ⟹dY⁢(hi⁢(x),hi⁢(a))<ε/3

を成り立たせるようにする。このことは各hiの連続性と、{h1,h2,…,hm}が有限集合であることから可能である。さて、任意のx∈XがdX⁢(x,a)<δが成り立つと仮定する。 そして任意のf∈ℱについてD⁢(f,hi)<ε/3となるようなhiを取る。すると

dY⁢(f⁢(x),f⁢(a)) ≤dY⁢(f⁢(x),hi⁢(x))+dY⁢(hi⁢(x),hi⁢(a))+dY⁢(hi⁢(a),f⁢(a))
≤dY⁢(hi⁢(x),hi⁢(a))+2⁢D⁢(f,hi)<ε

よってℱは同程度連続である。

次に一様全有界性を示そう。任意にε>0を与える。そしてℱのε/2-ネット{h1,…,hm}を取る。するとXのコンパクト性から各e⁢(hi,X)=hi⁢(X)はコンパクトであるから

e⁢({h1,…,hm},X)=⋃i=1mhi⁢(X)

もコンパクトである。 よってこの集合のε/2-ネット{y1,y2,…,yn}が存在する。いまから{y1,y2,…,yn}がe⁢(ℱ,X)のε-ネットであることを示そう。任意にf∈ℱとa∈Xを与える。 そしてD⁢(f,hi)<ε/2となるhiを取り、さらにdY⁢(hi⁢(a),yj)<ε/2となるyjを取る。このとき

dY⁢(f⁢(a),yi)≤dY⁢(f⁢(a),hi⁢(a))+dY⁢(hi⁢(a),yj)≤D⁢(f,hi)+dY⁢(hi⁢(a),yj)<ε

となるので{y1,y2,…,yn}はe⁢(ℱ,X)のε-ネットである。 ∎

Yに固有性を仮定すると次のように言い換えることもできる。

系 15.

Xをコンパクトとし、Yを固有距離空間とする。このときℱ⊂C⁢(X,Y)が同程度連続かつ各点一様有界であることと、ℱがsup距離Dで全有界であることは同値である。

一般的によく見るのは次の形のアスコリ・アルツェラだと思う。

定理 16.

Xをコンパクトとし、Yを固有距離空間とする。このときℱ⊂C⁢(X,Y)が同程度連続かつ一様有界であることと、ℱがsup距離Dで全有界であることは同値である。

Xがコンパクトじゃない場合にもある程度条件を課せばアスコリ・アルツェラ型の定理が成り立つ。それを述べるために広義一様収束のための距離を用意しよう。Xをσコンパクトとする。Xの可算で増大なコンパクト部分集合族{Ki}で、Xを被覆するものについて、 f,g∈C⁢(X,Y)に対し、

Di⁢(f,g)=supx∈KidY⁢(f⁢(x),g⁢(x))

と定義し、さらに

E⁢(f,g)=supi∈ℕ{12i⁢Di⁢(f,g)1+Di⁢(f,g)}

と定義する。EはC⁢(X,Y)上の距離となり、Eについて収束することと、広義一様収束することは同値になる。

定理 17.

Xをσコンパクトとする。このときℱ⊂C⁢(X,Y)が同程度連続で、広義一様全有界であるならばℱはEについて全有界である。さらにXがヘミコンパクトならば、逆も成り立つ。

証明.

まずℱが同程度連続で、広義一様全有界であると仮定して全有界性を調べよう。 ε>0を任意に与える。Nを十分大きくとってN<iならば2−i<ε/2となるようにとる。 そして

𝒢={f|KN∣f∈ℱ}

と定義すると𝒢⊂C⁢(KN,Y)であり、また同程度連続で、一様全有界であることもわかる。よって先のアスコリ・アルツェラの定理から𝒢はDNについて全有界である。 そこで𝒢のε/2-ネット{h1,h2,…,hm}を取る。 j≤NならばDj⁢(f,g)≤DN⁢(f,g)であるから

Dj⁢(f,g)1+Dj⁢(f,g)≤DN⁢(f,g)1+DN⁢(f,g)

がわかる。任意にf∈ℱを与え、DN⁢(f,hi)<ε/2となるhiを取るとj≤Nとなるjについて

12j⁢Dj⁢(f,hi)1+Dj⁢(f,hi)≤12j⁢DN⁢(f,hi)1+DN⁢(f,hi)≤12j⁢DN⁢(f,hi)<ε/2

さらにN<jならばNの取り方から

12j⁢Dj⁢(f,hi)1+Dj⁢(f,hi)<ε/2

となるのでE⁢(f,hi)<εである。よって{h1,h2,…,hm}はℱのEにおけるε-ネットである。つまりℱはEについて全有界である。

次はXにヘミコンパクト性を課して逆を示そう。a∈Xについてa∈Int⁢(Ki)となるiが存在する。 Eの定義とℱがEについて全有界であることから

𝒢={f|Ki∣f∈ℱ}

はDiについて全有界である。よって先のアスコリ・アルツェラの定理から𝒢はa∈XにおいてKi上で同程度連続である。ところでx∈Int⁢(Ki)なので結局ℱがa∈XでX上同程度連続であることがわかる。またXのコンパクト集合Kを与え、K⊂KjとなるKjを取るとやはりEの定義とℱがEについて全有界であることから

𝒢={f|Kj∣f∈ℱ}

はDjについて全有界である。よって先のアスコリ・アルツェラの定理から𝒢はKj上一様全有界である。ゆえにK上でも𝒢は一様全有界である。つまりℱは広義一様全有界である。 ∎

この定義域がノンコンパクトな場合のアスコリ・アルツェラの定理もYが固有で広義各点一様有界な場合に特殊化できるが面倒なので述べない。 またアスコリ・アルツェラ型の定理は一様空間の範疇まで一般化できるが、面倒なのでここでは述べない。

References

  • [1] ケリー著児玉之宏訳, 位相空間論, 吉岡書店1968