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ユークリッド空間の可算稠密推移性

ナンブキトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文章ではユークリッド空間の 可算稠密推移性を紹介する. つまり,n次元ユークリッド空間n の可算稠密集合A, B が与えられたときに同相写像f:nn が存在してf(A)=B が成り立つことを証明する.

1 準備:n=1の場合

以下の定理の証明は [1]を参照のこと.

定理 1.

最大値及び最小値を持たない可算で自己稠密な線形順序集合は互いに順序同型である。特に有理数と順序同型である。

補題 2.

A, Bの可算稠密集合とする. このときそして全単射 f:ABは順序を保つ写像とする. このときfは連続写像になる.

証明.

ABの番号付けを A={ai}, B={bi}として さらにf(ai)=bi が成り立つようにする.(Aの番号付けを先に与えて, f(ai)=biによってBの番号付けを定義すれば良い) 任意にϵ>0をとり, 任意にanAを与える. このときf(an)=bnであり, Bの稠密性から bN,bMBが存在して

(1) bnϵ<bN<bn<bM<bn+ϵ

が成り立つ. このときfが順序を保つことから 集合A(aN,aM)anの開近傍 になる. そしてxA(aN,aM) について式 (1)と fが順序を保つことから|f(x)bn|<ϵ となるので,fanで連続である. よってfA上連続である. ∎

補題 3.

Aの稠密可算集合とし, SAは最大元を持たず, u,vAvSu<vを満たす ならばuSを満たすときあるy が存在して S=A(,y)を満たす. このときAS=A[y,) である.

証明.

y=supSとすれば良い. ∎

定理 4.

ABの可算稠密部分集合とする. このとき 順序を保つ写像 f:ABは 同相写像f:f(A)=B を満たすものに拡張される.

証明.

A,Bの稠密可算集合とすると、 これらはと同型である. よって特にABは順序同型なので その順序同型写像をf:ABとする. 適当にA, Bを番号付けして f:ABf(ai)=biと定義したときに順序同型になるようにする. 今からこの写像を全体に拡張することを考えよう. xについて Rx=(,x), Lx=[x,) とする.このときfは順序を保つなので Sx=f(ARx), Tx=(ALx) とおくと Sxu,vu<vかつvSxを満たすならば uSxを満たし,Sxには最大元が存在しないのであるyが存在し Sx=B(,y)となる. 同様にTx=B[y,) となる.そこでこのyを用いてf(x)=yと定義する. ここでもしx=aiならばy=biになることに注意しよう. このf:が連続であることを証明しよう. まず,fが順序を保つことを証明しよう.つまり x<yならばf(x)<f(y)である.これを証明するためにまず x<an<yというanAAの稠密性から存在することに注意しよう. するとbnSf(x)bnSf(y)が成り立つことからわかる. 特にbnTf(x)なので f(x)bn<f(y)なのでfが順序を保つことがわかる. このことから特にfは単射である. 任意にϵ>0xを取る. するとBの稠密性からbNbM が存在して

(2) f(x)ϵ<bN<f(x)<bM<f(x)+ϵ

が成り立つ. 写像fが順序を保つことからaN<x<aM がわかる.つまり(aN,aM)xの開近傍となる.任意のz(aN,aM) を取るとfが順序を保つことと式  (2)から |f(z)f(x)|<ϵ がわかるのでfが連続であることがわかる. さて,f1:ABも同じように拡張を施して 連続写像g:BAを得る. このとき任意のn0 について g(f(an))=anf(g(bn))=bn がわかるのでfgの連続性から 任意のxについて f(g(x))=xg(f(x))=x がわかるのでf, gは互いに逆写像であるから fが同相写像であることがわかる. fの定義からf(A)=Bなので定理が示された. ∎

2 本文:一般の場合

補題 5.

n1として snとする. そしてv=(x1,,xn)n×ni{ 1,,m} およびanに対して Sp(v,i,a){xk}kiaから生成されるn の線形部分空間とする. このとき集合

Ta,i={(x1,,xn)n×nrankSp(v,i,a)=n}

n×nのなかで稠密開集合である.

証明.

v=(x1,,xn)n×n に対して f(v)を行列(x1,,xn) の第i列をaに変えた行列の行列式を表すことにする. するとfn×n次多項式であり,恒等的に0ではない. よってf(v)0となるvは稠密に存在し (多項式に関する一致の定理, [2]を参照のこと), またこのようなv全体は開集合をなす. そしてrankSp(v,i,a)=nf(v)0 は同値なのでこれで証明が終わる. ∎

v=(x1,,xn)GL(n)an に対してprv,i(a)で 基底x1,,xnに関するaの第i成分を表すとする. つまりa=i=1nprv,i(a)xiである.

定理 6.

n>0 とする. Snの可算な部分集合で0Sとする. このとき 基底v=(x1,,xn)n が存在して, 任意のxSについて pri(x)0となるものが存在する.

証明.

GL(n)n×n の稠密開集合であることに注意しよう. そして

T=GL(n)aAi=1nTa,i

と定義する. すると各Ta,iは稠密開集合なので ベールの範疇定理からTnの稠密集合となる. よって(x1,,xn)Sをとれば求める基底になる.なぜならばもしもそうでないとするとあるiaSについて prv,i(a)=0となるが,これは{xk}ki が張る線型空間にaが属していることを意味し, それはrankSp(v,i,a)<nを導く.これはvTa,i に反するので定理が従う. ∎

以下では prv,i(x)を単にxi(x)iなどと書いたりする.

定義 7.

(x1,x2)n×n一般の位置にあるとは、任意のi{1,,n}について

(x1)i(x2)i0

を満たすことである。集合Anが一般の位置にあるとは、任意の組(x,y)A×Aが一般の位置にある時に言う。

定義 8.

一般の位置にある二つの組(x1,x2),(y1,y2)n×n共鳴的に場所取りしているとは、 任意のi{1,,n}について、 (x1)i(x2)i(y1)i(y2)iが同じ符号を持つ時に言う。

定義 9.

番号付された二つの高々可算な、有限の場合には同じ濃度を持つ集合A={ai},B={bi}n共鳴的に位置取り しているとは、 任意の組(i,j)2について、(ai,aj)(bi,bj)が共鳴的に位置取りしている時に言う。

補題 10.

Anの可算部分集合とする。この時、nの基底(v1,v2,,vn)で、これによる座標系においてAが一般の位置になるものが存在する。

証明.

S={xyx,yA}{0} に対して 定理6を適応すれば 定理は従う. ∎

命題 11.

A,Bnの可算な稠密集合で、それぞれ一般の位置にあるとする。 この時A,Bが共鳴的に位置取りするように番号付けできる。

証明.

帰納的に{ci}=A, {di}=Bという列を以下のように作っていく. まず、c1=a1, d1=b1, d2=b2と定義する。 次にi(c1,ai)(d1,d2)が共鳴的に位置取りするような最小の自然数とする。そして、c2=aiと定義する。Aが稠密であることから、このようなiは存在する。 一般に偶数番までcidiが構成されたとしよう。つまり、 c1,c2,,c2jd1,d2,,d2jが構成されたとしよう。 この時c2j+1d2j+1を以下のように構成する。 自然数sを、c1,c2,,c2jに属さないaiの番号の一番小さいものとする。この時c2j+1=asと定義する。 次に自然数tc1,c2,,c2j,c2j+1d1,d2,,d2j,dtが共鳴的に位置取りする番号の一番小さいものとする。そしてd2j+1=btと定義する。

さらにc2j+2d2j+2を以下のように構成する。 自然数pd1,d2,,d2j+1に含まれないbpの一番小さい番号とする。そしてd2j+2=dqと定義する。 次に、自然数qc1,c2,,c2j+1,aqd1,d2,,d2j+1,d2j+2が共鳴的に位置取りしているようになるaqのうち最小の番号とする。そしてc2j+2=aqと定義する。

以上の帰納的構成は、A,Bが共に稠密であることから可能である。 ∎

定理 12.

A,Bnの可算稠密集合とする。 この時、同相写像f:nnが存在して、

f(A)=B

を充たす。

証明.

適当に基底と番号を取り替えて、A={ai}, B={bi}は共鳴的に位置取りしており,ABは共に一般の位置にあるとしても良い. 一般にai=(ai,1,ai,n), 一般にbi=(bi,1,bi,n) と表すことにする.ABが一般の一になるように座標をとっているので ijならば任意のk{1,,n} について ai,kaj,kかつbi,kbj,k となる. 今 k{1,,n} に対して Ak=πk(A), Bk=πk(B) とする.ここでπkk番目の座標の射影である. するとAkBkの可算稠密部分集合でさらに共鳴的に番号付けされていることからfk(ai,k)=bi,k で定義するとfkは順序を保つ同型写像になる.(もしABが一般の位置になければ潰れる番号もあるので,このようにfを定義しても順序同型にならないし,そもそもfが定義できなかったりする.) ここで定理 4より, fkは同相写像fk:fk(Ak)=Bk になるものに拡張できる. いま f:nnf(x)=(f1(x1),,fn(xn)) と定義しよう. このときai=(ai,1,ai,n) について f(ai)=(f1(ai,1),,fn(ai,n))=(bi,1,bi,n) なのでf(A)=Bである. g(x)=(f1(x1),,f1(xn)) とすればgfの逆写像になる. よってfは同相写像である. ∎

References

  • [1] はてなブログ「電波通信」の記事「有理数の順序集合としての特徴付け」
    https://concious4410.hatenablog.com/entry/2017/05/07/013312
    
  • [2] はてなブログ「電波通信」の 記事「多項式に関する一致の定理」
    https://concious4410.hatenablog.com/entry/2022/03/12/160928
    
  • [3] W. Hurewicz and H. Wallman, Dimension theory, Princeton University Press. 1948.