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CW複体のパラコンパクト性のLaTeXML版です。正本はPDF・TeXです。

CW 複体のパラコンパクト性

ナンブ 電波通信 キトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では CW複体のパラコンパクト性 を証明したいところだが, 難しいので,歴史というか文献案内と 簡単に解説できる程度のことについて サクッと 散文的補足を 行う. ブログ記事 [電波通信5]の書きなしと思ってもいいし, 続きと思っても良い.

1 歴史

CW複体の概念自体は1949年のWhiteheadの論文 [15] で与えられたものである.

それでCW複体のパラコンパクト性の話題については, 1951年の Miyazakiの 論文 [7] が一番古い論文だと思う. この論文 [7] では弱位相が入った単体的複体について それがパラコンパクトであることを示している. また論文中において, CW複体がパラコンパクトかどうかわからないという旨の記述があるので,この当時の時点では CW複体のパラコンパクト性はよく知られてなかったことが窺い知れる.

同じく1951年のBourginの論文 論文 [1] でも単体的複体の弱位相はパラコンパクトであることが証明されている.

翌年1952年のDugindjiの論文 [3] でも単体的複体の弱位相がパラコンパクトであるということを証明している.

単体的複体の位相については 1952年の [2] も参照のこと.

翌年1952年のMiyazakiの論文 [8] ではとうとうCW複体のパラコンパクト性が証明されている.

1953–54にかけて発表された Morita(森田紀一)の二つの論文[10] と[11] では一般にパラコンパクト空間列からの弱位相を備えた空間はパラコンパクトであることが証明されており, CW複体のみならず もはや弱位相の一般論に昇華された. 詳しく見ていこう.1953年のMoritaの論文 [10]では次のような弱位相の概念を考えている. 位相空間 X がその閉集合の族 {Aα}α∈I に関するMorita弱位相を備えているとは, 以下の条件を満たすときにいう.

  1. (1)

    この族の任意の部分族の和集合は閉集合である.

  2. (2)

    X の部分集合 U が X の開集合であることと, 任意の α について U∩Aα が Aα の開集合であることは同値である

普通は (2)の条件さえ満たせば弱位相と呼ぶので Moritaは条件(1)の分だけ普通より強いものを考えている.

このセッティングのもとで Moritaは 各 Aα が距離化可能空間であれば Xそれ自体はパラコンパクトハウスドルフであることを示している. 翌年1954年のMoritaの論文 [11] は上の論文 [10] の続きであるが, この中でMoritaは 各 Aα がパラコンパクトハウスドルフであることと X それ自体もパラコンパクトハウスドルフが同値というふうに弱位相とパラコンパクト性の関係を改良して証明した. さらに, 完全正規性,可算パラコンパクト性, 遺伝的パラコンパクトや遺伝的完全正規なども調べられている.

またXが{Aα}からのMoritaの弱位相を備えているときに任意の局所コンパクトハウスドルフ空間W についてX×Wは {Aα×W} からのMorita弱位相を備えていることが [10]で証明されているし (商写像と局所コンパクトハウスドルフの直積が商写像であるというような現象自体は1948年の[14, Lemma 4]でも観察されていた), Morita弱位相では正規性が被覆から全体に伝播することも証明されている. このことと玉野の定理から X がパラコンパクトであることが 示される.

ここで注意だが 玉野の定理とは 完全正則空間 X が完全正則であるための 必要十分条件が, 任意の コンパクトハウスドルフ空間 K との直積空間 X×K が常に 正規であることを主張する定理である. この定理が証明されたのは 1960年であるから,時間の隔たりを考えるに Moritaの論文では使いようがなかったことに さらに注意しよう. 玉野の定理は [電波通信4] でも紹介している.

Moritaの弱位相は次の意味で 閉写像の一般化と見做せる. 空間 X が {Aα}α∈I に関する弱位相を持つことは次の写像から定まる 商位相をXが備えていることと同値である.

p:∐α∈IAα→X

ここで左辺は位相空間の直和である. Moritaの弱位相の条件は 任意の部分集合 J⊂I について p⁢(∐α∈JAα)=⋃α∈JAα が X の閉集合となることを主張している.

しかし一般には p は 閉写像とは限らない. 例えば ℝ∞=lim→⁡ℝn を考えるとこれは {ℝn}n∈ℤ≥1 から誘導される Moritaの弱位相を持つが, 各 n∈ℤ≥1 について Sn=[2−n,1−2−n]⊂ℝ⊂ℝn を考えると ∐n∈ℤ≥1Sn は ∐nℝnのなかの閉集合であるが その像は (0,1)⊂ℝ⊂ℝ∞と なり閉集合ではない. 無限次元の射影空間や球面でも同様なので, たとえ Xnがコンパクトというすごい綺麗な空間でも このMoritaの弱位相の空間へ都合のいい空間から閉写像 が伸びることはあまり期待できそうにない.

ただし, {Aα}が 局所有限な 閉集合の族であれば上の商写像 pは閉写像になっており, 単純化された状況においては閉写像が現れるという 意味でMoritaの弱位相は閉写像による商位相の一般化と見做せる.

1957年の Michael の定理 [5] によればパラコンパクト空間の閉写像による像はパラコンパクトである. Michaelの論文 以前にある意味で閉写像によるパラコンパクト性の保存のような現象を発見したのは大変興味深いと思う. ちなみに以上の論文はほとんど全てオープンアクセスだったと思うのでご家庭のインターネットでご覧できると思う.

2 散文的補足

2.1 Morita弱位相の正規性

Morita弱位相が正規性を反映するという議論を紹介する.

定理 1.

位相空間Xは閉集合族 {Ai}i∈I から誘導される Morita弱位相を備えているとする. このときもしも各Ai が正規ハウスドルフならば Xもそうである.

証明.

Xは{Ai}i∈Iから誘導される弱位相を備えているので,特にT1,つまり一点が閉集合であることがわかる. 今からは X上でTietze–Urysohnの補題が成立することを示して Xの正規性を証明する (正規性とTietze–Urysohnの補題の同値性についてはブログ記事[電波通信1]でも紹介している). つまりXの閉集合Fとその上の連続関数 h:F→[0,1]を任意に与えたときに 連続関数H:X→[0,1]であって H|F=hとなるものを構成する. 今Iは基数κと等しいとしても良い. 超限帰納法を使って以下のような連続関数 の族hα:⋃β<αAβ∪F→[0,1]を構成する:

  1. 1.

    各 hα は連続である.

  2. 2.

    α<βのとき hβはhαの 拡張となっている.

今γ≤κを与えて α<γとなるα については上のようなhα は構成できているとしよう. もしもγが極限順序数のときは hγ:⋃β<γAβ∪F→[0,1]を ⋃β<αAβ上では hαとして定義するとうまく貼り合わされて hγはwell-definedとなる. このような写像の連続性はXが{Ai} からの弱位相を備えていることから従う. もしもγが後続順序数,つまり γ=α+1と書かれるときには 以下のようにする. 連続写像 hα:⋃β<αAβ∪F→[0,1] はすでに構成されているわけだから,これをうまく使う. Morita弱位相の(1) から ⋃β<αAβ∪Fは Xの 閉集合である.よって Aγ∩(⋃β<αAβ∪F) はAγの閉集合である. Aγの正規性を用いて hα|Aγ∩(⋃β<αAβ∪F) をAγ全体に拡張しそれをgγ とする. このとき hγ:⋃β<γAβ∪F→[0,1] をAα上ではgγ としそれ以外ではhαとすると うまく貼り合わされて連続写像となる.

以上からκまでhαを構成できて, H=hκとすると それはhの拡張となっている. 以上でXの正規性がわかった. ∎

この定理と玉野の定理,そして コンパクト空間との直積で Morita弱位相が崩れないという話から パラコンパクト性が伝播するという話も従う. 上の議論ではゼロ集合を保存できるように拡大できるので, 完全正規性(T6)も伝播されることも従う (ゼロ集合と完全正規性の話は ブログ記事[電波通信2]でも紹介した).

ちなみにMorita弱位相を備えた空間の開集合もMorita弱位相を 備えているので,遺伝的正規性(T5)や遺伝的パラコンパクト性も伝播することがわかる (開集合と遺伝的正規の話は ブログ記事[電波通信2]でも紹介した).

ちなみにある種の写像を拡張するという性質とパラコンパクト性が同値なので,上の写像を拡張する議論でパラコンパクト性 が証明できたりする.Michaelの連続選択子の理論である. Michaelの論文 [6]などを参照のこと. ブログ記事 [トポいろ]にもその方向性の議論による CW複体のパラコンパクト性の証明が載っている. ウェブページ [Minazumi] にもこの方針での証明が紹介されている.

2.2 Adjunction space

定義 2 (Adjunction space).

{Hi}i∈I を位相空間の族とし, AiをHiの閉集合とする. さらにYを位相空間とし, gi:Ai→Y を連続写像とする. このとき直和空間 W=Y⊔∐i∈IHi を考えてこの上の同値関係∼ をx∈Aiとy∈Yについては x∼yをgi⁢(x)=y でx∈Aiとy∈Ajについては gi⁢(x)=gj⁢(x) と定義し,上記以外については自明な同値関係になっているとする. このとき商空間Z=W/∼ を{Hi}をgiでYに貼り合わせた adjunction spaceという. このとき商写像を p:W→Z と書くことにする.

1962年の Tsudaの 論文 [13] では次の二つの補題が証明されている. 証明は省略する.

補題 3.

記号は 定義 2 と同じとする. このときさらに各 gi:Ai→Y を 閉写像であると 仮定する. このときgi~:Hi→Z をHi⊂Wと考えたときに gi~=p|Hi 定義する. さらに g~:Y→Z をY⊂Wと考えたときに g~=p|Y とする. このとき各gi~ とg~は閉写像であり, さらにg~は位相的埋め込みである.

補題 4.

補題 3と同じ記号を使う. このとき族{gi~⁢(Hi)∪g~⁢(Y)∣i∈I} はZの閉被覆であり, さらにZの位相はこの族に関するMorita弱位相と一致する.

注意.

空間Zの位相は族 {g~⁢(Y)}∪{gi~⁢(Hi)∣i∈I} から誘導される通常の意味での弱位相と同じである. Morita弱位相の(1)の条件を満たすようにするためにgi~⁢(Hi)∪g~⁢(Y)のようにしていると思われる. 一般に{gi~⁢(Hi)∣i∈I}の部分族の和はZの閉集合とは限らないのだ.

CW複体のn次スケルトンXnは n−1次スケルトンXn−1からn次元cell Dnを貼り合わせるadjunction spaceとして得ることができる.このことは [4, Theorem 2.4, p.47]を参照のこと.

∐i∈In𝕊n−1→∐i∈In𝔻n↓↓Xn−1→Xn

ここで𝕊n−1 はコンパクト距離空間なのでその上の連続写像は常に 閉写像である. さら 𝔻nはコンパクト距離化可能空間である. コンパクト距離化可能空間の ハウスドルフ空間への連続像が再び コンパクト距離化可能ということ (この定理は[電波通信3]でも紹介している)から Xnのなかの𝔻nの像は コンパクト距離化可能空間である. よってXn−1 がパラコンパクトならば 上での議論からXnがパラコンパクトであることがわかる. CW複体はX−1⊂X0⊂⋯⊂Xn⊂… から誘導される通常の意味での弱位相を備えている. このことは [4, Theorem 2.4, p.47]を参照のこと. 一般に可算でなおかつ包含について増大な閉集合の族による 弱位相はMorita弱位相になる.なぜならその部分族の和は有限和か無限和しかないが,有限和は当たり前だが閉集合であり, 無限和については,このXnの族が 増大という条件から全体空間に一致するので (1)は満たされる.

よって以上のことからX−1がパラコンパクトであれば 全体空間のCW複体はパラコンパクトである.

以上の議論はX−1が空である必要は全くないので, 相対CW複体でも同じ議論が成立する.

2.3 弱位相が簡単な場合

空間X が可算個の閉集合の包含列 X0⊂X1⊂…⁢Xn⊂… からの弱位相を持ち,なおかつ各 Xnが σコンパクトで パラコンパクトハウスドルフのとき Xがパラコンパクトであることの簡単な証明を紹介する. このような状況はファイバー束の理論を勉強するにあたって結構多いと思うので便利だと思う.

位相空間の被覆{Ui}i∈Iが 星型有限 であるとは任意のi∈Iについて |{a∈I∣Ui∩Ua≠∅}|<∞を満たすときに いう. つまり被覆それ自体が 局所有限性を担保してくれるような被覆ということである 位相空間が 強パラコンパクト とはその任意の開被覆について, 開集合からなる星型有限な細分 が存在するときにいう. 星型有限であれば局所有限なので, 強パラコンパクトならば もちろんパラコンパクトである.

補題 5.

Xを位相空間とし, {Ui}i∈ℤ≥0 をその開被覆とする. また,別の開被覆 {Hi}i∈ℤ≥0と 整数 M と 整数列 Niが存在して以下を満たすとする.

  1. (1)

    i,j∈ℤ≥0が |i−j|≥Mを満たすならば Hi∩Hj=∅である.

  2. (2)

    任意のi∈ℤ≥0について Hi⊂⋃i=0NiUi である.

このとき 集合族 {Hi∩Ua∣i∈ℤ≥0,a∈{0,…,Ni}} は {Ui}i∈ℤ≥0 の 星型有限な 細分であるような 開集合からなる Xの被覆である.

証明.

𝒞={Ui}i∈ℤ≥0 で ℛ={Hi∩Ua∣i∈ℤ≥0,a∈{0,…,Ni}} とおく. このとき ℛ が 𝒞 の細分であることは定義から直ちに従う. また開被覆であることもすぐわかる.

次は ℛ がXの被覆であることを示そう. 点 x∈Xを任意にとる. このとき{Hi}i∈ℤ≥0 が被覆という仮定から x∈Hiとなるi∈ℤ≥0 が存在する. そして 条件 (2) からあるa∈{0,…,Ni} が存在して x∈Ua となる. つまりx∈Hi∩Ua である.よって ℛ が被覆であることがわかった. 最後にℛ の星型有限性を示そう. 任意にHi∩Uaをとる. ここでi∈ℤ≥0で a∈{0,…,Ni}である. このとき条件 (1) から Hj∩Ub が Hi∩Ua と交わりを持つならば |i−j|<M でなければならない. よってℛ の定義から 交わりを持つような添字 (j,b) は j∈(i−M,i+M)∩ℤ≥0 と b∈{0,…,Ni+M} を満たす. 二つの集合(i−M,i+M)∩ℤ≥0={i−M+1,…,i,…,i+M−1} と {0,…,Ni+M} は有限集合なので ℛ の星型有限性がわかった. ∎

以下は Moritaの 論文 [9, Theorem 3] の結果である.

定理 6.

位相空間Xはリンデレフでなおかつ正規ハウスドルフであるとする. このとき X は強パラコンパクトである.

証明.

Xの任意の開被覆 {Ga}a∈A に対して星型有限な細分が存在することを示せば良い. 各a∈A と各点 x∈Ga についてウリゾーンの補題を用いて 連続関数 fx,a:X→[0,1] で fx,a⁢(x)=1で X∖Ga では 0 になるようなものが存在する. ここで 被覆 {fx,a−1⁢((0,1])}x∈X,a∈A は {Ga} の細分となっている. よって {fx,a−1⁢((0,1])}x∈X,a∈A に星型有限な細分が存在することを示せばよい. 今Xはリンデレフなので 適当にこの開被覆から可算無限な部分族をとって Xの開被覆となるようにできる. それを {Ui}i∈ℤ≥0 と書くことにしよう. このとき定義からして各 i について fi:X→[0,1] が存在して Ui=fi−1⁢((0,1]) となることに 注意しよう.

今から 補題 5 を用いて {Ui}i∈ℤ≥0 に星型有限な細分が存在することを示す. 各i∈ℤ≥0 とa∈ℤ≥0について G⁢(i,a)を

G⁢(i,a)=fi−1⁢((2−a,1])

と定義すると,任意のiとaについて

CL⁢(G⁢(i,a))⊂G⁢(i,a+1)

であり,

G⁢(i,a)⊂Ui

であることに注意しよう. また

Ui=⋃a∈ℤ≥0G⁢(i,a)

に注意すると 族 {G⁢(i,a)}i,a∈ℤ≥0 はXの開被覆になっていることに注意しよう. さて,各n∈ℤ≥0 について

Sn=⋃k=0nG⁢(k,n)

と定義すると Snは開集合であり,以下を満たす.

  1. (1)

    任意のnについて

    ⋃n∈ℤ≥0Sn=X
  2. (2)

    m<nならば

    CL⁢(Sm)⊂Sn
  3. (3)

    任意のnについて

    Sn⊂⋃k=0nUk

そこで今から族 {Hn}n∈ℤ≥0 を以下のように定義する.

H0=S0
H1=S1

として n≥2 のとき Hn を

Hn=Sn+1∖CL⁢(Sn−1)

と定義する. もちろん Hn は開集合である. ここで族 {Hn}n∈ℤ≥0 が被覆であることを証明する. 任意の x∈X に対して x∈CL⁢(Sn) となる最小の nをとる. ここで n=0,1 の時は x∈H0∪H1 となることがわかるので (というか実は H0=∅ なので n=0 の場合は発生しない), 我々は n≥2 と仮定してもよい. さてn の 最小性から x∉CL⁢(Sn−1) であり, また x∈CL⁢(Sn)⊂Sn+1 なので x∈Sn+1∖CL⁢(Sn−1)=Hn がわかる. 結局 {Hn}n∈ℤ≥0 は被覆であることがわかる.

さて Hn⊂Snから次のことがわかる.

  1. (1)

    2≤|m−n|ならば Hn∩Hm=∅ である.

  2. (2)

    任意のnについて

    Hn⊂⋃k=0nUk

よって{Hi}i∈ℤ≥0 は補題 5 の条件を満たすので, 被覆 {Ui}i∈ℤ≥0 に星型有限な細分が存在することがわかった. ∎

注意.

上の証明は, 「多様体の基礎」 などに載っている σコンパクトな 局所コンパクトハウスドルフ空間が パラコンパクトであるという証明の 一般化になっている. また,コゼロ被覆で細分するといいことがあるという 「児玉・永見」に流れる考えの 実践になっている. また,上のHn の構成はドーナツを思い浮かべると良いだろう.

定理 7.

Xは閉集合の包含列 X0⊂X1⊂⋯⊂Xn⊂… から誘導される (普通の意味の) 弱位相を備えているとする. さらに各Xnはσコンパクトで 正規であるとする. このときXはパラコンパクトである. 実は強パラコンパクトということもわかる.

証明.

定理 1 と同様にXの正規ハウスドルフ性が従う. 各Xnが σコンパクトなので 空間 X 自体も σコンパクト であることがわかる. 特に X はリンデレフである. よって リンデレフ正規空間が パラコンパクトであることを示せば良い. それは 定理 6 で既にに示されている. 強パラコンパクトもわかる. ∎

注意.

一般に Xは閉集合の包含列 X0⊂X1⊂⋯⊂Xn⊂… から誘導される (普通の意味の) 弱位相を備えているとするときに 各Xn がリンデレフ正則ならば Xそれ自体もリンデレフ正則であることが従う. 証明の方針としては, まず正則リンデレフならば正規なので Xの正規性がわかる. そして正規空間においては リンデレフ性 と任意の開被覆に閉集合からなる可算な被覆 が存在することが同値なので (パラコンパクト性と閉収縮を用いる) 包含列が可算であることなどを使うとわかる. なので 定理 7 のσコンパクトの仮定は リンデレフでも良い. しかしながらそもそもMorita弱位相の話があるので, こんな細々としたバリアントを考える必要はないのだけれども.

参考文献

参考にしたウェブページ

  • [トポいろ] トポロジーいろいろの記事「パラコンパクトPDF」
    https://yamyamtopo.wordpress.com/2015/12/19/
    %e3%83%91%e3%83%a9%e3%82%b3%e3%83%b3%e3%83%91%e3%82%af
    %e3%83%88%e6%80%a7-pdf/
    
  • [Minazumi] みなずみ氏のウェブページの数学ノート 位相幾何学命題2.4.33, 2024年1月12日閲覧, https://minazumi.com/math/note/tgy/ch02sec04.html
  • [電波通信1] はてなブログ電波通信の記事 「等高線と連続関数:ウリゾーンの補題とティーチェの拡張定理:正規空間その(-1)(修正あり)」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2016/01/31/205017
  • [電波通信2] はてなブログ電波通信の記事 「遺伝的正規とか完全正規」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2015/12/21/170256
  • [電波通信3] はてなブログ電波通信の記事 「閉写像云々とか固有写像とか」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2015/11/06/205115
  • [電波通信4] はてなブログ電波通信の記事 「パラコンパクト性など:アドベントカレンダー2015」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2015/12/11/205721
  • [電波通信5] はてなブログ電波通信の記事 「未完成(接着、帰納極限、CW複体)」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2015/12/23/211121

一般の参考文献