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対角的交叉とFodorの補題のLaTeXML版です。正本はPDF・TeXです。

対角的交叉とFodorの補題

ナンブ キトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では対角的交叉の基本的性質とFodorの補題を証明する.

定義 1 (club集合).

κを基数とする. κ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.

定義 2.

n∈ℤ≥1とし, κを基数とする. このときκnの部分集合Aが 対角的に非有界であるとは 任意のα1,α2,…,αn<κについて

A∩∏i=1n[αi,κ)n≠∅.

を満たすときにいう.

命題 3.

n∈ℤ≥1とし, κをω0<cf⁡(κ)を満たす基数とする. そしてAとBをκnの対角的に非有界な閉部分集合とする. このときA∩Bも対角的に非有界な閉集合である.

証明.

A∩Bが閉集合であることはわかるので対角的に非有界であることを示せば良い. 任意にλ∈κを与えると非有界性から [λ,κ)n∩A≠Øである. そこでa⁢(0)∈[λ,κ)n∩Aをとる. a⁢(0)=(a1⁢(0),…,an⁢(0))と成分表示されているとする. 次にBが対角的に非有界であることから (∏i=1n[ai⁢(0),κ))∩B≠Øであるのでここから元 b⁢(0)をとる.一般にa⁢(m)まで構成されたときに

b⁢(m)∈∏i=1n[ai⁢(m),κ)∩B

と定義し,b⁢(m)まで構成されたときに

a⁢(m+1)∈∏i=1n[bi⁢(m),κ)∩A

と定義する. このようにしてA内の点列{a⁢(m)}m∈ℕと B内の点列{b⁢(m)}m∈ℕを得る. そして構成の仕方から 各i∈{1,…,n}について

ai⁢(m)≤bi⁢(m)≤ai⁢(m+1)≤bi⁢(m+1)

なので任意のiについて supm∈ℕai⁢(m)=supm∈ℕbi⁢(m)である. これをμiとおき,μ=(μ1,…,μn)と定義すると μ∈[λ,κ)nであり, またω0<cf⁡(κ)から μi<κである.AとBが閉集合であることから μ∈Aでかつμ∈Bなのでμ∈A∩Bである.よってA∩Bは非有界である. ∎

命題 4.

n∈ℤ≥1とし, κを基数とする. そして{Fα}α<κ はκで添字付けられたκの閉集合族であり, 任意のλ∈κについて

Fλ=⋂α<λFα

を満たすとする. このときκ2の部分集合

⋃α<κ{α}×Fα

はκ2の閉集合である.

証明.

S=⋃α<κ{α}×Fα とする. (x,y)∉Sとするとy∉Fxである.仮定より

y∉⋂α<xFα

なのでα<xが存在してy∉Fαである. よって(β,y]∩Fα=∅ となるβが存在する. このとき{Fα}α<κの単調減少性から 任意のγ∈[α,x] について (β,y]∩Fγ=∅ である. つまり(α,x]×(β,y]∩S=∅ となる.x,yは任意であったのでSが閉集合であることがわかる. ∎

定義 5.

κを基数とし, {Xα}α<κをκの部分集合族とする.このとき

△α<κXα={λ∈κ∣∀α<λ⁢λ∈Xα}

と定義する.この△α<κXαを {Xα}α<κ の対角的交叉と呼ぶ.

定理 6.

κを正則基数とし, {Xα}α<κ をκのclub集合の族とする.このとき △α<κXα はκのclubである.

証明.

任意のλ<κについて

Fλ=⋂α<λXα

と定義する. κが正則であることと各Xαがclubであることから 各Fαもclubである. このとき

S=⋃α<κ{α}×Fα

とするとこれは命題4よりκ2の閉集合であり, さらに各FαがclubであることからSは対角的に非有界である. さて

△κ={(x,x)∣x<κ}

とすると△κは明らかにκの対角的に非有界な閉集合である. ここでπ1:△κ→κ;(x,x)↦x は同相写像であることに注意しよう.

命題3よりS∩△κは対角的に非有界な閉集合であり,

π1⁢(S∩△κ)=△α<κXα

なので△α<κXαがclubであることがわかった.

∎

定義 7 (定常集合).

κを基数とする. κの部分集合Sはκの任意のclub集合と交わりを持つとき、定常集合という.

定理 8 (Fodor’s lemma).

κを正則基数とする. Sをκの定常集合とし,f:S→κは任意のα∈Sについてf⁢(α)<αを充たしているとする.このときあるβ∈f⁢(S)が存在してf−1⁢(β)は定常集合になる.

証明.

背理法による. 各α∈f⁢(S) に対してf−1⁢(α) が定常集合ではないとしよう. このときκのclub集合Xαが存在して Xα∩f−1⁢(α)=∅ となる. α∉f⁢(S)に対してはXα=κと定義することにする. さて定理6より △α<κXα はclubになる.よって β∈△α<κXα∩Sをとることができる. γ=f⁢(β)とおくと仮定よりγ<β である.β∈△α<κXαより β∈Xγであるが, β∈f−1⁢(γ)でもあるので,Xγ の定義に反する.よって定理が成り立つ. ∎

References

  • [1] 寺澤順, 現代集合論の探求, 日本評論社(2013)