族正規と写像の拡張
この文章では, Dowkerの論文 [2]に基づいて族正規のバナッハ空間への写像の拡張を使った特徴付けを証明する.
1 基本的なこと
位相空間 の部分集合族 が疎 であるとは 位相空間の任意の点 についての近傍 であって, の元の高々一個としか交わらないものが存在する時にいう. つまり となるときと言うことである.
疎な集合族に関して以下のことが知られている.
補題 1.
位相空間の 部分集合族 について,これが疎であることと, が互いに素で局所有限である.
証明.
略.位相の練習にちょうど良い. ∎
を無限基数とする. この時 位相空間が -族正規 であるとは, の任意の疎な閉部分集合族 であって となるものについて, 互いに素な開部分集合 族 でとなるもの が存在する時にいう.
また,任意のに対して が-族正規であるときに を単に 族正規 と呼ぶ.
当たり前だが,-族正規空間は 正規空間である. より詳しく以下のことが知られている.
補題 2.
が正規空間であることと が -族正規であることは同値である. よって特に無限基数 について-族正規であるような空間は正規である.
証明.
を疎な閉部分集合族とする. そして関数 をの時に と定義する. この時 が疎であることからはの閉集合上で連続である. よってティーチェの拡張定理から 連続関数 で上ではに一致するものが存在する. ここで とすると は互いに素な開集合の族で となる. ∎
以下の補題は特に断りなく以下で用いるであろう.
補題 3.
を無限基数とし, を-族正規とする. このときの疎な部分集合族 に対して疎な開集合の族 であって となるものが存在する.
証明.
のの族正規性から 互いに素な開集合の族 であって, となるものが存在する. すると開集合 は閉集合 を含むので,ウリゾーンの補題から 連続写像 で上で での外でとなるようなものが存在する. そこで とし,とする. 今から族 が疎であることを示そう. を任意にとる.もしもとなるが存在すれば, はのうちとしか交わりを持たない.もしもそのようながなければ, なのでである.そしてはどんな とも交わりを持たない. 以上から が疎であることがわかる. ∎
擬距離とは,非退化性を満たすとは限らない距離関数のことである. 擬距離空間は異なる2点間の距離が になりうることがあるだけで大まかには距離関数と同じ性質を持つ.位相も距離関数と同じ方法で入れる.
族正規空間の重要な例として,擬距離空間がある. 一般に擬距離空間 とその部分集合について と定義する. これはに関する連続関数になっている.
命題 4.
を擬距離空間とする. このとき は族正規である.
証明.
をの族正規空間とする. そして とするとこれは閉集合で となる. ここで,
とおく.が互いに素な族であることを示そう. を任意にとる.もしも異なる についてかつとなっていたとすると,の定義から まずかつ がわかる. そしての定義から
がわかる. そして 同様に
がわかるがこれらは両立し得ないので,矛盾する. よって は互いに素な族である. ∎
局所有限開被覆に従属する単位の分割が存在することと正規性は同値である.このことはウリゾーンの補題の系であるが,証明は省略する. ちなみにどんな開被覆にも単位の分割が存在するのがパラコンパクト性と同値であり,この見方からすると,パラコンパクト性はある種の分離公理と見做せなくもない.
定理 5.
を位相空間とする. このときが正規空間であることと, 上の任意の局所有限な開被覆に対して それに従属する単位の分割が存在することは同値である.
2 本文
族正規性があると,閉集合上の局所有限被覆をある意味で拡張できることをまずは示そう.
定理 6.
を無限基数とし, を-族正規でをの閉集合とする. そして をの部分集合族で(の中で)局所有限なものとし, とする. このときの局所有限な開被覆 が存在して が任意ので成り立つ.
証明.
添字集合は整列されているとして良い. 今は正規空間なので, 開集合の被覆 が存在して を任意ので満たす. ここで, も局所有限であることに注意しよう. そしてを超限帰納的に
と定める. すると,は集合であり, は閉集合なので,それらの共通部分である も(の)集合である. よって,可算個の閉集合 を使って
と表すことができる. さて,と, の定義から, は互いに素な集合族である.さらに
となることがわかる. さて, は冒頭で注意した通り局所有限である. そして
なので, を固定したとき は互いに素な(の)閉集合の局所有限族である.つまり,疎な族となる.ここで からの-族正規性を使って, 疎な開集合の族 が存在して
が成り立つ. ここで,ウリゾーンの補題より, 各 は開集合としても良い. さらに,各 は
となることに注意しておこう. ここで
とするとこれは開集合で
を満たす. 故に,ウリゾーンの補題から 開集合 が存在して
を満たす. ここで,適当にを選んで,をわ集合する.例えば,として を新たにとする. このとき,再びウリゾーンの補題を用いて 開集合の族で
かつ
を満たすものが取れ,さらに, 各 について は局所有限である. ここで各 に対して
と定義すると, の局所有限性から 各は開集合になる.
さて,今からを局所有限な開被覆で細分しよう. ウリゾーンの補題から各について 閉集合の族 と開集合の族 が存在して
と
を満たす. そして各について
と定義すると は局所有限な被覆になる. というのも,被覆であることはについてとなる最小のをとればとなることがわかるし, 局所有限性はについてとなる, をとれば(取れる),となるについてなので がわかるからである. (実は同じような状況において,星型有限な細分が取れるというのが森田紀一の初期の結果である.)
ここで
に注意せよ.
さて,
と定義し
と定義する. 今からこの が求める族になっていることを証明しよう. まず,これが被覆になっていることを示す. を任意にとる.このとき が被覆なので となるが存在する. そしてであり, の定義からとなるが存在する.よってであり, 特にである.これで被覆であることがわかった.
次に局所有限性を証明しよう.を任意にとる. の局所有限性から の近傍とと が存在してはとしか交わらない.ここで各 について の局所有限性からの近傍が存在して, はの有限個の元としか交わらない. さて,とすると これはの近傍であり,前述のことから, はの有限個の元としか交わらない. よって,は の有限個の元としか交わらないので,結局 は の有限個の元としか交わらない.つまり, は局所有限である.
次に を証明しよう. ここで
である. よって をとると かつ である.つまりかつ なので となる.よって
が成り立つ. これで証明が終わる. ∎
位相空間の稠密度とは,稠密部分集合の最小濃度のことである.つまりのことである. 無限基数について,この稠密度がかそれ以下のとき,空間 の稠密度は であるということにする.
次が示したい定理である. 論文[2] においてDowkerは被覆から定まる複体(脈体?)を用いてこの定理を証明したが,現代的には単位の分割を使ったほうが良いだろうと思ったのがこの文書を書くきっかけになった.
定理 7.
を無限基数とする. このときが-族正規であることと以下の性質は同値である: 任意のバナッハ空間で稠密度がであるもの,の任意の閉集合とその上の任意の 連続関数に対して連続関数 であって となるものが存在する.
証明.
のノルムから誘導される距離をと書くことにする. 今から帰納的に以下のような連続写像の列 を構成する.
-
1.
任意のに対して
が成り立つ.
-
2.
任意のについて
が成り立つ.
以上のような列が構成されれば,極限が存在して,それが連続であってを満たすことは, がバナッハ空間,つまり完備であることからすぐにわかる.
早速構成しよう. まずを構成する. バナッハ空間 は距離関数なので, 特にパラコンパクトである. よって に関して半径 の開球からなる被覆の局所有限細分が存在する. それを とする. ここで は稠密度が なので, 添字集合 の濃度は としても良い. そして は の連続性から の局所有限な開集合の被覆である. すると 定理 6から の局所有限な開被覆 が存在して
を満たす. さて, の正規性から, に従属する単位の分割 が存在する. を選んで, を
と定義する. の局所有限性からこれは連続である. 今2番の条件を確認しよう. を任意にとる. すると, となる についてなので, であることを用いて
よって2の評価は成り立つ.
さて,まで構成できたとして, を構成しよう. のパラコンパクト性から, 局所有限なの開被覆で各々の元の直径が になるものが存在する. それを とする. 定理 6 をに適応して 局所有限被覆 で となるものを得る. そして を考えるとこれはの局所有限な開被覆になっている. と置くことにする. この被覆を と書くことにする, そしてこれに従属する単位の分割を とする. さて今からを定義したい. の時は, 適当にを選んで とする. の時は を選んで とする. そして を
と定義する.これは連続写像である.
3 応用
を無限基数とする.このとき 位相空間の部分集合が-embeddedであるとは,上の稠密度がである連続擬距離に対して 上の稠密度がである連続擬距離が存在して となることである.
族正規性を-embeddedが特徴づけることを証明しよう.
その前に擬距離空間上の有界連続関数の空間の稠密度を計算しよう.
定理 8 (Stone-Weierstrassの定理).
をコンパクトハウスドルフ空間とし をの部分環とし,さらに定数関数を含むとする. このとき任意の異なる2点 に対してが存在して となるならばはの中で稠密である.
証明.
略.この定理の名前で検索すると証明が出てくる. ∎
命題 9.
を無限基数とし を稠密度が であるような擬距離空間とする. そしてを上の実有界連続関数の集合に supノルムを入れたバナッハ空間とする. このときの稠密度はである.
証明.
とが同型になることを利用しよう. ここではのストーンチェックコンパクト化である. の稠密度が であることから の稠密度も である.そして濃度が となるの稠密部分集合をとして, 異なる2点に対して をとなるものを選ぶ. そしてを の部分環でとたちで生成されるものとする. するとの稠密性と先のStone-Weierstrassの定理から は稠密である. ところでの任意の元はに対して係数の多変数多項式が存在してはに生成元を代入したものに等しい.このの係数を十分よく近似する有理数に変えたものをとし,の時と同じ生成元を代入したものを とすると,とは十分に近い. つまり,と同じ生成元から生成される係数の の部分環は の中で稠密である. の濃度は高々であるから の稠密度が であることがわかる. ∎
以下の定理を証明して文書を終わろう. この定理自体は [3, Theorem 15.6]である.
定理 10.
を位相空間とし,を無限基数とする. このときが-族正規であることと の任意の閉集合が-embeddedであることは同値である.
証明.
まず最初にを-族正規と仮定しよう. そして閉集合とその上の稠密度がである連続擬距離を考える.は空でないとしても良い. 今からこれを上に拡張しよう. まず を上の実有界連続関数全体のなす集合とし, supノルムを入れる.するとはバナッハ空間であり, 稠密度はになる. そしてを固定し をとする.は引数が入るところである.するとこれは という意味で等長になっており特に連続である.擬距離だと点が潰れたりするのでは単射にならない.さて,が-族正規であることから定理7 より 連続写像であって となるものが存在する. このを用いて上の擬距離を と定義すれば これはを満たすので, が-embedded であることがわかる.
次に 閉集合 が-embedded であると仮定しよう. そして をの疎な閉集合の族とする. ここで閉集合を と定義し 上の擬距離を
と定義する. すると,は連続であり, の稠密度は,特に である. よって上の 擬距離であって 稠密度が で となるものが存在する. そして 命題 4から は-族正規なので, を分離する の開集合が存在する. は連続なので,そのような開集合は特に 自体でも開集合になり, 結局が-族正規 であることがわかった. ∎
-embedded-nessの詳しい話は [3]などを参照のこと.
References
- [1] はてなブログ電波通信, 「正規性の特徴付け」, https://concious4410.hatenablog.com/entry/2015/12/21/170610
- [2] C. H. Dowker, On a theorem of Hanner, Ark. Mat. 2, 307–313 (1952), doi: 10.1007/BF02591500.
- [3] R. A. Alo and H. L. Shapiro, Normal topological spaces, Reprint of the 1974 hardback ed. Cambridge: Cambridge University Press (2009).