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ベールの範疇定理

電波通信 キトラ ナンブ
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では, ベールの範疇定理は コンパクトハウスドルフの場合に 証明すれば 完備距離空間および 局所コンパクトハウスドルフの場合は そこから従うことを紹介する. Čech完備性を用いると 統一的に扱えるのである.

ベール空間の基本的な話は [電波通信1] などを 参照のこと.

1 ベール空間

定義 1.

この文章では 位相空間 Xベール であるとは X の稠密な開集合の 任意の可算族 {Un}n0 について n0X の中で稠密になる時にいうことにする.

定理 2.

任意の空ではないコンパクトハウスドルフ空間 X はベール空間である.

証明.

Xの稠密開集合の可算族 {Ui}i0 を任意に与える. 空間Xがベールであることを証明するには i0UiX の中で稠密であることを示せば良い. 空間Xの空でない開集合O を与える. 今からi0UiOが 交わりを持つことを証明する. 帰納的に以下の条件を満たす可算族 {Pi}i0 を構成する.

  1. (1)

    任意の i0 について Pi は 空でない 開集合 である.

  2. (2)

    任意の i0 について CL(Pi+1)Pi を満たす.

  3. (3)

    任意のi について CL(Pi)OUi を満たす.

まずP0 は 適当に P0=OU0 とか定義すれば良い. Piまで定義されたときPi+1 を以下のように定義する. 今 Ui+1 は稠密なので PiUi+1 は空でない開集合である. 適当に点 pPiUi+1 をとって 空間X の正則性を用いると 開集合Pi+1 であって pPi+1 でありなおかつ CL(Pi+1)PiUi+1 を満たすものが取れる. このとき 明らかに CL(Pi+1)Pi であり なおかつPiO なので CL(Pi+1)OPi である.

さて以上を踏まえて族 {CL(Pi)}i0 を考えるとこれはnested なので特に 有限交差性を持つ. よって Xのコンパクト性から i0CL(Pi) は空でなない. さてこのとき

i0CL(Pi)(Oi0Ui)

なので Oi0Ui は空ではない. よって Oの任意性から i0UiXの中で稠密であることがわかった. ∎

補題 3.

Xをベール空間とする. このとき Xの稠密な Gδ集合はベール空間になる.

証明.

SXの任意の稠密な Gδ集合はベール空間とする. Sの稠密な開集合の可算族 {Ui}i0 を任意にとる. 今からi0UiSの稠密部分集合であることを示す. まずSの相対位相の定義から Xの開集合族 {Vi}i0 が存在して ViS=Ui となる. このとき SXの中で稠密であることと SVi=UiSの稠密部分集合であることから ViXの稠密部分集合になる. ここで SXの稠密部分集合であり Gδ 集合なので

Si0Vi(=i0Ui)

X の稠密な開集合の可算族の共通部分として 表すことができる. よって X がベール空間であることから Si0ViXの稠密部分集合である. この集合はSの部分集合でもあるので 特にSの中でも稠密になる. よって i0UiS の中 で稠密である. 以上で S がベール空間であることがわかる. ∎

2 Čech完備空間

定義 4.

X を位相空間とする. このとき Xコンパクト化 とは コンパクトハウスドルフ空間 K であって 位相的埋め込み f:XK であって f(X)Kの中で稠密である ようなものが存在するものをいう. この定義から XKの 部分空間とみなせるので 以下では Xのコンパクト化を考える時には Xはそのコンパクト化の 部分集合と考えることにする.

注意.

コンパクト化は一意的では全くなく, 一般にはたくさん存在する(コンパクト化が一個しかないやつもある, ω1とか). また, コンパクト化の定義から Xがコンパクト化を持つならば Xは完全正則であることがわかる. 逆に Xが完全正則ならば X にはストーンチェックコンパクト化が存在するので コンパクト化をもつ.

定義 5.

位相空間 Xについて その開被覆の可算族 𝐔={𝒰n}n0完備列 であるとは, Xの任意のフィルター 𝔉 について もしも任意のn0 に対して 𝒰n𝔉 であるならば, F𝔉CLX(F) が成り立つ ときにいう.

定理 6.

X を完全正則空間とする. このとき以下の条件は同値である.

  1. (1)

    X はその任意のコンパクト化の中で Gδ集合になっている.

  2. (2)

    X はある コンパクト化の中で Gδ 集合になっている.

  3. (3)

    X は完備列を持つ.

(1) (2)の証明.

当たり前

[(1) (2)の証明終わり]

[(2)(3)の証明]

KXのコンパクト化で XK の中で Gδ 集合になっているものとしよう. 今から X の完備列を構成する. 空間XKGδ 集合なので ある Kの開集合の可算列 {On} が存在して K=n0On となる. ここで各n0xX について Ux,nKの開集合であって xUx,nであり CLK(Ux,n)On となるものとする. そして 各 n0 について 𝒰n={Ux,nX}xX と定義すると これはXの被覆になっている. 今から 𝐔={𝒰n}n0 が完備列であることを証明しよう. 任意にX上のフィルター 𝔉 を取り, 任意のn0 について 𝒰n𝔉 と仮定する. このとき 𝔊={CLK(F)F𝔉} を考えるとこれは 𝔊上のフィルター基底になっており, 特に有限交差性を持つので F𝔉CLK(F) である. さて, 𝒰n𝔉 なのであるUxn,n𝒰n が存在して Uxn,n𝔉 となる. 特に

F𝔉CLK(F)n0CLK(Uxn,n)

である. ここで CLK(Uxn,n)Onなので

F𝔉CLK(F)n0CLK(Uxn,n)n0On=X

である. よって

F𝔉CLK(F)=F𝔉CLX(F)

であり, この交わりは空ではないので 𝐔 が完備列であることがわかった.

[(2)(3)の証明終わり]

[(3)(1)の証明]

Xの任意のコンパクト化を Kとする. 今から XKの中で Gδ であることを示す. 空間 X の完備列を 𝐔={𝒰n}n0 とし 𝒰n={Ui,n}iIn と表示しよう. そして各 n0iIn について Vi,nX=Ui,n となるような Kの開集合 Vi,nをとる. ここで

On=iInVi,n

と定義する. すると Xn0On は定義からすぐに従う. 今から Xn0On を示す. 点 xn0On を任意にとる. そして 𝔑xK における 近傍系とする. さらに 𝔉={NXN𝔑} と定義する. 空間 XK の中で稠密なので 𝔑 が開集合を基底とするフィルターとなることから 𝔉Xの上の フィルター基底となる. 任意に n0 を与える. このとき xOnであるから ある iInが存在sて xVi,n となる. つまり Vi,nxの近傍になっている. このとき Vi,n𝔉 の定義から Ui,n=Vi,nX𝔉 となる. つまり 𝒰n𝔉 である. ここで 𝐔 が完備列であること を用いると F𝔉CLX(F) である. さてここでKが正則であることと の定義及びXK の中で稠密であることから

F𝔉CLK(F)={x}

である.一般にCLX(F)CLK(F) であることから

F𝔉CLX(F)F𝔉CLK(F)={x}

であり F𝔉CLX(F) であることから

F𝔉CLX(F)={x}

でなければならない. 集合 F𝔉CLX(F)X の部分集合なので xX が従う. 以上から X=n0On なので XKGδ 集合である.

[(3)(1)の証明終わり]

以上で証明が終わった. ∎

定義 7.

完全正則空間 Xチェック完備 (Čech完備, Čech complete) であるとは 定理6 の三つの条件のうちどれかひとつ (結果として全て)を満たすときに いう. 一般的には Xのストーンチェックコンパクト化 βX の中で Gδ であると定義する場合が多いような気がする. Čechというのは数学者の名前である.

定理 8.

チェック完備な完全正則空間は ベールである.

証明.

定理 2 と 補題 3, そして 定理 6 からわかる. ∎

定理 9.

完備距離化可能空間 X はチェック完備である.

証明.

空間X 上の距離関数 d であって 完備であり なおかつ Xと同じ位相を誘導するものを固定する. このとき 各 n0 について 𝒰n を (dに関して) 直径が2n以下の 開集合全体とする. このとき 𝐔={𝒰n}n0 が完備列になるのは, 完備距離空間の区間縮小法からわかる. ∎

定理 10.

局所コンパクトハウスドルフ空間 X はチェック完備である.

証明.

𝒰0Xの 相対コンパクトな開集合全体とし n1のとき 𝒰n はなんでもいい. 𝒰n=𝒰0 でもいいし 𝒰n={X} でもいい. とにかくこのとき 𝐔={𝒰n}n0 が完備列であることを示そう. フィルター 𝔉𝔉𝒰0 とすると ある O𝒰0 が存在して O𝔉 である. ここで フィルター基底 𝔊={CLX(FO)F𝔉} を考えると 𝔊 は コンパクト集合 CLX(O)上の の有限交差性を持つ集合族になる. よって

𝔊

となる. さて 定義から

𝔊F𝔉CLX(F)

なので 特に F𝔉CLX(F) がわかる. つまり 𝐔 は完備列である. ∎

注意.

実際はより強く, 局所コンパクトハウスドルフ空間 Xは そのコンパクト化K の中で 開集合になることがわかる. 実際点 xX に対して X の中での相対コンパクトな開近傍 Vを取り, UUX=V となるような Kの近傍とする. このとき CLX(V) はコンパクトで Kはハウスドルフであるから CLX(V)=CLK(V) が成り立つ. XK の中で稠密であるから, 特に UV の中で稠密である. つまり CLK(U)=CLK(V) である. よって CLK(V)=CLX(V)X であるからさらに UCLK(U)X が成り立つ. ゆえに U=Vである. つまり 任意のxXK の中で X の 内点になっている ので XK の 中で開集合である. 参考文献 [電波通信2] も参照のこと.

系 11 (ベールの範疇定理).

完備距離化可能空間 と 局所コンパクトハウスドルフ空間 は ベール空間である.

証明.

定理 8 と 定理910 から 従う. 本当は完全正則空間には コンパクト化が少なくとも一つ存在するという議論が必要だが 省略する.ストーンチェックコンパクト化などがある. ∎

3 おまけ

以下の定理を 完備列を用いて証明する.

定理 12.

チェック完備な 完全正則空間 はベール空間である.

証明.

Xの完備列を 𝐔={𝒰n}n0 とし 𝒰n={Ui}iIn と表すことにする. そして Xの稠密な開集合の可算族 を {Gn}n0 とする. さらに Xの空ではない開集合O を任意に与える. このとき帰納的に Pnを 以下のように定義する. n=0のときは適当に Ui0,0G0O となる Ui0,0𝒰0 をとって Xの正規性を使って CL(P0)Ui0,0G0O となる開集合P0 とする. nまでPnが定義されたとき Pn+1 は適当に Uin+1,n+1Gn+1Pn となる Uin+1,n+1𝒰n+1 をとる.このような Uin+1,n+1が取れるのは 𝒰n+1が開被覆であり Gn+1の稠密性から Gn+1Pn となるからである. そして X の正則性を使って 適当に CL(Pn+1)Uin+1,n+1Gn+1Pn となる開集合として選ぶ. このとき{Pn}n0は有限交差族であり, これから生成されるフィルターは 任意のnについて 𝒰n𝔉 となる. よって 𝐔 が完備列であることから F𝔉CL(F) である. つまりこの交わりから 点p をとると pPnなので pO でなおかつ pGn でもある. よって OnGn は交わりをもつ. つまり nGnX の中で稠密である. このことから X がベール空間であることが従う. ∎

チェック完備性が完全写像で保たれることも証明しておこう.

定理 13.

X, Y を完全正則写像とし, f:XY を完全写像とする. このとき X がチェック完備ならば Y もそうである.

証明.

この文書では写像f の小像を f? とかく. つまり AX について f?(A)=Yf(XA) である.

Xの完備列を 𝐔={𝒰n}n0 とし, 𝒰n={Ui,n}iIn と表示しよう. このとき 𝒪n という記号で 𝒰n の有限部分族の和集合からなる族とする. つまり 𝒪n の元 O𝒰n の有限個の元U1,Um を用いて O=i=1mUi と表すことができる. 次に各 n0 について 𝒱n={f?(O)O𝒪n} と定義する. このとき fが完全写像であることと 𝒪n の定義から 各 𝒱nYの 開被覆になっている.

今から 𝐕={𝒰n}n0Yの 完備列になっていることを示そう. 𝔉Yのフィルターであって 各 n0 について 𝒱n𝔉 となるものとする. このとき 𝔊={f1(F)F𝔉} と定義すると 𝔊Xの上のフィルターであり, 𝒪n𝔊 を満たす. ここでさらに𝔄𝔊𝔄 を満たすような極大フィルターとする. このとき𝔄 が極大であることと 𝒪n の定義から 𝒰n𝔄 となる(この部分がこの証明のポイントである,𝒰nの元の小像全体は 被覆とは限らないがfによる点の逆像がコンパクトであることを用いると 𝒰nの元の有限和集合の族𝒪nの元の小像全体𝒱nYの被覆になることがわかる, ここで有限和集合をとっているが極大フィルターをとることで埋め合わせをしている,一般に極大フィルター𝔄について AB𝔄 ならばABの少なくとも一つは 𝔄に属するのである).

よって𝐔 が完備列であることから

A𝔄CLX(A)

である. ここで 𝔊𝔄 なので

A𝔄CLX(A)G𝔊CLX(G)

が成り立つ. 特に

G𝔊CLX(G)

である. ここでfは連続写像なので任意のAX について f(CLX(A))CLY(f(A)) が成り立つ. よって 𝔊 の定義から

f(G𝔊CLX(G))G𝔊CLY(f(G))=F𝔉CLY(F)

なので, G𝔊CLX(G) から F𝔉CLY(F) となる. これで 𝐕 が完備列であることがわかった. ∎

参考文献

参考にしたウェブページ

  • [数物レジュメ] 湯地 智紀, 数物セミナー春の大談話会 in 京大 のレジュメ 「Lindelöf空間の深淵」
    http://physmathseminar.web.fc2.com/
    discourse/2016/spring/kyoto-sp_abst/abst_yuji.pdf
    
  • [電波通信1] はてなブログ電波通信の記事 「Baire 空間の話」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2023/07/12/213338
  • [電波通信2] はてなブログ電波通信の記事 「ハウスドルフ空間の中で稠密な局所コンパクト部分集合が開集合であること」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2016/06/12/175658

一般の参考文献