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Baire 空間

ナンブ キトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文章ではBaire spaceの基本的性質を紹介する.

1 基本事項

定義 1.

位相空間XがBaireであるとは, Xの稠密可算開集合族{Ui}iı について,その共通部分iUiXの稠密部分集合になっているときにいう.

定義 2.

Xの部分集合Aであるとは, Int(Cl(A))=Øとなることであある.

定義 3.

Xの部分集合A第一類集合であるとは, Xの疎な集合列{Zi} が存在してA=iZiとなることである.

定義 4.

Xの部分集合A第二類集合であるとは,Aが第一類集合でないときにいう.これは,任意の集合列{Zi}に対して, A=iZiならば,あるnが存在して Int(Cl(Zn))Øとなることと同値である.

定義 5.

Xの部分集合Acomeagerであるとは それが第一類集合の補集合であることである. これは稠密開集合の可算族{Ui}iω が存在してAが共通部分iωUiを含んでいると言い換えてもいい.

補題 6.

閉集合もしくは開集合の境界は疎な集合である.

証明.

Aを閉集合とする.Bdry(A)は閉集合であり, Bdry(A)Aとなることに注意せよ. もし開集合Vが存在して,VBdry(A) ならば,VInt(A)であり,これはBdry(A)Int(A)=Ø に反する. よってBdry(A)は疎である. また,開集合Uの境界Bdry(U)については, Bdry(U)=Bdry(XU)なので,上の場合に帰着する. ∎

命題 7.

XがBaire空間であることと,Xの任意の非空な開集合が第二類集合であることは同値である.

証明.

Xは第一類集合となる開集合が存在すると仮定し,XがBaireではないことを証明する. UXの第一類の開集合とする. Uは第一類なので,ある疎な集合の列{Zi} が存在して,U=iZi とかける. さて,Oi=(XBdry(U))(XCl(Zi)) と置くと,XOi=Bdry(U)Cl(Zi)は疎な閉集合なので,Oiは稠密な開集合である. U=iZiなので,(iOi)U=Ø である.Uは開集合なので,特にiOiは稠密ではない. つまりXはBaireではない.

逆にXの任意の非空な開集合が第二類と仮定する. Xの稠密開集合の列Uiを考える. Zi=XUiとすると, Ziは疎な閉集合である. Xの任意の開集合Oをとると,これは第二類なので, 特にOi(ZiO) である.つまり,OiZiØ ということなので,OiUiØである. つまり,iUiは稠密なのでXはBaireである. ∎

命題 8.

Xを Baire 空間とする. このときXの空でない開集合U はそれ自体がBaire 空間である.

証明.

Uの開集合はXの開集合でもあることから従う. ∎

命題 9.

Xを Baire 空間とする. このときXの稠密なGδ集合S はそれ自体がBaire 空間である.

証明.

Sの可算個の稠密開集合{Ui}iω についてViS=Ui となるXの開集合Vi が存在する. このときViXの稠密部分集合である. よって SiωVi=iωUiXの可算個の 稠密Gδ集合の共通部分なのでXがBaire であることからこれはXの中で稠密である. よってiωUiSでも稠密であるからSが Baire空間であることがわかる. ∎

2 被覆とBaire空間

Xの被覆𝒰に対して

D(𝒰)={xX𝒰xにおいて局所有限}

と定義する. 局所有限性の定義から, D(𝒰)は開集合である.

定理 10 ([5]).

Xを位相空間とする. このとき 以下は同値

  1. (1)

    XはBaire

  2. (2)

    Xの点有限被覆 𝒰について D(𝒰)Xにおいて稠密

  3. (3)

    Xの点有限な可算被覆 𝒰について D(𝒰)Xにおいて稠密

証明.

[(1)(2)の証明]

Xの任意の非空な開集合 Oについて OD(𝒰)を示せば良い. 任意のnについて,

Fn={xOord(x,𝒰)n}

と定義する. 各Fnは閉集合である事を示そう. xFnをとる. このとき ord(x,𝒰)n+1 なので,n+1個の𝒰 の元U1,,Un+1 が存在してこれらは全てxを含む. P=i=1n+1Uiとすると 任意の yP について ord(y,𝒰)n+1 なので yFnである. つまり PXFnであり xXFn は任意であったから Fn は閉集合になる. さて 𝒰は点有限被覆なので, O=nFnである. Oは開集合であり, XがBaireであることから, あるnについて, Fnは内点を持つ. W=(Fn)としよう. 次を満たす yWをとる. ord(y,𝒰)=max{ord(x,𝒰),xW}. これはFnの定義から可能である.

m=ord(x,𝒰)として, U1,U2,,Um𝒰yを含むとしよう. V=Wi=1mUi と置く. m=ord(y,𝒰)=max{ord(x,𝒰),xW}. なので, V の元は U1,U2,,Um以外の 𝒰の元と交わらない. つまり, yD(𝒰)である. yVOなので, OD(𝒰)である.

[(1)(2)の証明終わり]

[(2)(3)の証明]

自明

[(2)(3)の証明終わり]

[(3)(1)の証明]

対偶を示す. XはBaireではないので, 非空な開集合 Uが存在して, 可算個の疎な集合 Kiを用いて, U=iKi とかける. ここで, KiKi+1と仮定しても良い.

Ui=UCl(Ki) と定義し,

𝒰={X}{Ui}i

と定義する. 𝒰 は点有限な可算開集合族である. ここでもし, U の部分集合であるような開集合 O𝒰 の有限個の元としか交わりを持たないとすると, 十分大きい番号 NOUN=となる. 集合 UN の定義から, OCl(KN)となるが, KN は疎であるからこれは矛盾である. よって D(𝒰)U=. 特に D(𝒰) は稠密ではない.

[(3)(1)の証明終わり]

以上で定理の証明が終わる. ∎

注意.

定理 10[1] からの引用であるが, [1]では Fn={xOord(x,𝒰)=n} として証明をしている. この場合はFnが閉集合になるかどうかいまいち不明なので証明が少々煩雑になると思われる.

3 Banach-Mazur gameとBaire空間

位相空間Xの開集合からなる部分集合族 𝒫π-基底であるとは, 𝒜 でありなおかつ 任意の空ではない開集合 O について V𝒫 が存在してVOとなることである.

定義 11 (Language of Banach-Mazur game).

𝒜Xπ-基底とする. nωに対して

n(𝒜)={(Ai)in𝒜nAi+1Ai}

とする. つまりこの集合というのは 𝒜 の元からなる要素 n 個の減少列全体の集合である. Banach–Mazur game においてはn(𝒜) の元というのは第nターン目の 盤面を表していると考えられる. 特に 0(𝒜)={} である. また,nω+1に対して

<n(𝒜)=ini(𝒜)

と定義する.

そして,nω+1に対して,

𝔖n(𝒜)={fMap(<n(𝒜),𝒜)hnσh(𝒜)f(σ)σ(h1)}

と定義する. つまり 𝔖n(𝒜) の元というのは <n(𝒜) のそれぞれに対して一様に何かしらの 𝒜の 元を選ぶ操作のことである. そしてその選び方というのは σh(𝒜)を拡張するように選ばれる, つまり f(σ)σ(h1) を満たしていなければならない.

集合 𝔖ω(𝒜)の元を 戦略と呼ぶ.

二つの戦略の対(f,g)について,[f,g]iを以下のように定義する. i=0のとき

[f,g]0=f().

とし, i>0のときは以下のようにする. iが奇数のとき

[f,g]i=g([f,g]0,,[f,g]i1)

iが偶数の時

[f,g]i=f([f,g]0,,[f,g]i1)

と定義する.

定義 12 (Banach-Mazur Game).

今から位相的ゲームを定義するが,これは位相空間の 部分集合をプレイヤー αβ が交互に小さくなるように集合をとっていくある種の陣取りゲームである.このとき 一般的にプレイヤー α が勝つとはその集合列の共通部分が空でないことで, プレイヤー βが勝つとは, その共通部分が空のときである.

BM(X,𝒜,α)Xを盤,𝒜を駒とした α先行のBanach-Mazur gameという.

BM(X,𝒜,β)Xを盤,𝒜を駒とした β先行のBanach-Mazur gameという.

「プレイヤー αBM(X,𝒜,α) において必勝戦略を持つ」とは,

f𝔖ω(𝒜)g𝔖ω(𝒜)iω[f,g]i

が成り立つことである.

「プレイヤー αBM(X,𝒜,β) において必勝戦略を持つ」とは,

g𝔖ω(𝒜)f𝔖ω(𝒜)iω[f,g]i

が成り立つことである.

「プレイヤー βBM(X,𝒜,α) において必勝戦略を持つ」とは,

g𝔖ω(𝒜)f𝔖ω(𝒜)iω[f,g]i=

が成り立つことである.

「プレイヤー βBM(X,𝒜,β) において必勝戦略を持つ」とは,

f𝔖ω(𝒜)g𝔖ω(𝒜)iω[f,g]i=

が成り立つことである.

必勝戦略を持つというのはとても強い条件である. というのも, 何かしらの戦略, あるいはアルゴリズムといってもいいが, それに従ってさえいれば相手がどのように行動しようとも絶対勝てるという ある意味で一様な戦略が存在するという事を意味する.

プレイヤー α が必勝戦略を持たないとは, プレイヤー βαの戦略のそれぞれに対応した 勝利戦略を取れるということであるともいえる.逆もしかり.

定義 13 (Banach-Mazur* Game).

位相空間Xπ基底𝒜 について

Mon(𝒜)={fMap(𝒜,𝒜)A𝒜f(A)A}

と定義する. このときfMon(𝒜) に対して戦略 J(f)𝔖ω(𝒜) を第nターン盤面σn(𝒜) に対して J(f)(σ)=f(σ(n1)) と定義する. このJ(f)fから誘導される自然な 戦略である.

このとき 対(f,g)(Mon(𝒜))2について, [f,g]i[J(f),J(g)]iとして定義する. つまりfJ(f)を自然に同一視して定義するということである.

Banach–Mazur gameにおいて 戦略の取り方をMon(𝒜) の元から誘導されるものだけに限定したゲームを Banach–Mazur* gameと呼ぶことにしよう.

BM(X,𝒜,α)Xを盤, 𝒜を駒とした α先行のBanach-Mazur* gameという.

BM(X,𝒜,β)Xを盤,𝒜を駒とした β先行のBanach-Mazur* gameという.

BMBMの違いは, BMが第n手においてそれ以前の全ての情報を使うことができるのに対して, BMは相手の直前のn1手の情報しか参照できない ところである.

「プレイヤー αBM(X,𝒜,α) において必勝戦略を持つ」とは,

fMon(𝒜)gMon(𝒜)iω[f,g]i

が成り立つことである.

「プレイヤー αBM(X,𝒜,β) において必勝戦略を持つ」とは,

gMon(𝒜)fMon(𝒜)iω[f,g]i

が成り立つことである.

「プレイヤー βBM(X,𝒜,α) において必勝戦略を持つ」とは,

gMon(𝒜)fMon(𝒜)iω[f,g]i=

が成り立つことである.

「プレイヤー βBM(X,𝒜,β) において必勝戦略を持つ」とは,

fMon(𝒜)gMon(𝒜)iω[f,g]i=

が成り立つことである.

プレイヤー α が必勝戦略を持たないとは, プレイヤー β αの戦略それぞれ に対応した勝利戦略を持つともいえる.逆もしかり.

定義 14.

Xを位相空間とし 𝒜は そのπ-基底とする.そして f𝔖ω(𝒜)nω を とる. このとき列 σn(𝒜)f-適合的であるとは τf,σ

τf,σ(0)=f()

と定義し, i{0,,n}について

τf,σ(2i+1)=σ(i)

かつ

τf,σ(2i)=f(τf,σ(0),,τf,σ(2i1))

と定義したとき, τf,σ2n+1(𝒜) となるときにいう. f適合的な列全体を ACfn(𝒜) と書くことにする.

次の補題が基本的である.

補題 15.

Xを位相空間とし 𝒜は そのπ-基底とする. そして f𝔖ω(𝒜)を任意にとる. 以下のような族{i}iωが存在する.

  1. (1)

    iACfi(𝒜) の部分集合である.

  2. (2)

    iの任意の異なる二元σγ について σ(i)γ(i) は互いに交わらない.

  3. (3)

    iω と任意のσi+1 についてγi が存在して σ|i=γとなる.

  4. (4)

    iωについて

    Ui={f(τf,σ)σi}

    と定義する.このとき Ui+1Uiの中で稠密である.

証明.

帰納的に構成する. 0 は条件(1)と(2)を満たすような 包含関係について極大な族とする. iωを固定し iがすでに構成されているとする. このときi+1 を構成しよう. i+1 は条件(1)–(3)を満たすもののうち, 包含関係について 極大なものとする. これはZornの補題から存在が示される. 条件(4)を確かめよう. もしも Ui+1Ui の中で稠密ではないとすると ある空ではない開集合Oが存在して OUiOUi+1= を満たす. Uiの定義と 𝒜π-基底であることからOを小さく取り直して あるσACfi(𝒜) が存在してOf(τf,σ) かつ O𝒜 を満たすと仮定しても良い. そしてγγ=(σ(0),,σ(i),O) とするとγACfi+1(𝒜) でありi+1{γ}i+1 を真部分集合として含み, (1)–(3)をすべて満たす. これはi+1 の極大性に矛盾するので Ui+1Uiの中で稠密である. ∎

定理 16.

Xを位相空間とし, Xπ-基底を一つ固定し 𝒜とする. このとき以下は同値である.

  1. (1)

    XはBaire空間である.

  2. (2)

    βBM(X,𝒜,β) において必勝戦略を持たない.

  3. (3)

    βBM(X,𝒜,β) において必勝戦略を持たない.

証明.

各々頑張って証明する.

[(1)(2)]

プレイヤー β が必勝戦略を 持たないことを示すために f𝔖ω(𝒜) を任意にとる. これはβの戦略を任意に与えるということである. 各iωについて Ui補題15 に述べられているものとする. すると補題15から UiU0 の中で稠密であることがわかる. XがBaireなので U0もBaireになり, iωUiU0のなかで稠密である ことがわかる. 適当に xiωUiをとる. すると各 iω について σiACfi(𝒜) が存在して xf(τf,σ) である. ここでUi の定義と補題15 の条件(3)から 任意のkiについて σi(k)=σi+1(k) となる. よってこれらから無限列 Σ(0),,Σ(i), が決定される. この無限列をΣとかこう. g𝔖ω(𝒜) を以下のように定義する. σn(𝒜)τf,Σ|iの形をしているならば

g(σ)=Σ(i+1)

と定義し,その他の場合には

g(σ)=σ(n1)

と定義するとgは ちゃんと <ω(𝒜) から 𝒜 への写像になっている. この時, [f,g]i を並べた無限列は について,

[f,g]2i+1=Σ(i)

であるから

xiω[f,g]i

である. つまり プレイヤー β は必勝戦略を持たない.

[(1)(2)の証明終わり]

[(2)(3)]

対偶を示そう. つまりβBM(X,𝒜,β) で必勝戦略を持つならば BM(X,𝒜,β) でも必勝戦略を持つことを示す.

βBM(X,𝒜,β) で必勝戦略になるfMon(𝒜)を持つとする. このときfから J(f)𝔖ω(𝒜) が自然に誘導される. 任意の g𝔖ω(𝒜) について, hMon(𝒜) を次のように定義する. G𝒜G=[J(f),g]2iの形をしている時には

h(G)=[J(f),g]2i+1

その他の場合にはh(G)=Gと定義する. すると,任意のiωについて [J(f),g]i=[f,h]i である. 条件(3)の否定から,

iω[f,h]iØ

であるが,これは

iω[J(f),g]iØ

と同値なので, J(f)BM(X,𝒜,β) における βの必勝戦略になる.

[(2)(3)の証明終わり]

[(3)(1)]

対偶を示そう. XがBaireでないとする. このとき, XがBaireでないことから存在が保証される第一類集合である開集合 U𝒜をとる. 今からβの戦略f𝔖ω(𝒜) を定義する. f()=Uと定義する. Uは疎集合 Ziを使って U=iωZi と表されているとする. 任意の σn(𝒜)について G=σ(n1)とおいて f(σ)𝒜f(σ)GCl(inZi) となるようにとる. ここで各Zi は疎であるためGCl(inZi)に注意しよう. すると, fはプレイヤー βの必勝戦略になる.

[(3)(1)の証明終わり]

以上で証明が終わる. ∎

定理 17.

位相空間Xについて以下は同値である.

  1. (1)

    XはBaire空間である.

  2. (2)

    Xのあるπ-基底𝒜についてβBM(X,𝒜,β)において絶対勝利戦略を持たない.

  3. (3)

    Xのあるπ-基底𝒜についてβBM(X,𝒜,β)において絶対勝利戦略を持たない.

証明.

定理 16において 𝒜 としてXの空でない開集合全体を取ればわかる. ∎

定理 18.

位相空間Xについて以下は同値である.

  1. (1)

    XはBaire空間である.

  2. (2)

    Xのあるπ-基底𝒜についてβBM(X,𝒜,β)において絶対勝利戦略を持たない.

  3. (3)

    Xのあるπ-基底𝒜についてβBM(X,𝒜,β)において絶対勝利戦略を持たない.

  4. (4)

    Xの任意のπ-基底𝒜についてβBM(X,𝒜,β)において絶対勝利戦略を持たない.

  5. (5)

    Xの任意のπ-基底𝒜についてβBM(X,𝒜,β)において絶対勝利戦略を持たない.

証明.

上の定理 1617から従う. ∎

4

例 19 ([10][11]).

[0,1]上の実連続関数の全体にsupノルムを入れた空間 C[0,1]は Baire空間になり,また C[0,1]内の至る所微分不可能な 連続関数全体はC[0,1]内のcomeager 集合になっている.このことから至るところ微分不可能な 連続関数の存在が従う.

例 20.

実数の中のリウビル数全体の集合は稠密Gδ集合であることが知られている ([6]). このことから超越数全体が実数の中でcomeagerになっていることがわかる.

また,正規数全体の集合は第一類集合になっていることが知られている([9]). ルベーグ測度に関してほとんど全ての実数は 正規数であることが知られているので, この集合は零集合と第一類集合は似ているが,同じではないということの例になっている.

References

  • [1] Dan Ma topology blog, “A Characterization of Baire spaces”
    https://dantopology.wordpress.com/
    2012/08/16/a-characterization-of-baire-spaces/
    
  • [2] Dan Ma topology blog, “The Banach–Mazur Game”
    https://dantopology.wordpress.com/
    2012/06/08/the-banach-mazur-game/
    
  • [3] R. C. Haworth and R. A. Mccoy, Baire spaces, Warsawa, Panstwowe Wydawnictwo Naukowe, 1977.
  • [4] Anastasios Styliano, A typical number is extremely non-normal, Unif. Distrib. Theory, 17 (1) (2022), 77-88, DOI: 10.2478/udt-2022-0001
  • [5] R. A. Mccoy, A Baire space extension, Proc Amer. Math. Soc. 33 (1) (1972), 199–202.
  • [6] J. C. Oxtoby, Measure and category, 1980, GTM 2, Springer.
  • [7] J. C. Oxtoby, The Banach–Mazur game and Banach category theorem, Contributions to the theory of games, vol 3. Ann. Math. Stud. 39 (1957), 143–163.
  • [8] S. H. Jones, Application of the Baire category theorem, Real Analysis Change, 23 (1997/8), 363–394.
  • [9] T. Salat, A remark on normal numbers, Rev. Roumaine Math. Pures Appl. 11 (1966), 53–56.
  • [10] S. Banach Über die Baire’sche kategoriw gewisser funktionenmengen, Stud. Math, 3 (1931), 128–132.
  • [11] S. Mazurkiewicz, Sur les fonctions non derivables, Stud. Math. 3 (1931), 92–94.
  • [12] A. M. Bruckner and K. M. Garg, The level structure of a residual set of continuous functions, Trans. Amer. Math. Soc. 232 (1977), 307–321.
  • [13] T. C. O’Neil, A local version of the projection theorem and other results in geometric measure theory, 1994, Thesis (Ph.D.)-University of London, University College London (United Kingdom).
  • [14] C. Chen and E. Rossi, Locally rich compact sets, Illinois J. Math. 58 (2014), no. 3, 779-806.
  • [15] H. Kato, Higher-dimensional Bruckner-Garg type theorem, Topology Appl. 154 (2007), no. 8, 1690-1702.