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族正規と写像の拡張

ナンブ キトラ
HTML変換日:2026年7月26日

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X の部分集合族𝒜 であるとは 位相空間Xの任意の点p についてpの近傍 Nであって, 𝒜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card({A𝒜AN})1 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Xの 部分集合族𝒜 について,これが疎であることと, {cl(A)A𝒜} 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. ∎

𝔪 を無限基数とする. この時 位相空間X𝔪-族正規 であるとは, Xの任意の疎な閉部分集合族𝒜 であってcard(𝒜)𝔪 となるものについて, 互いに素な開部分集合 族{UAA𝒜}AUAとなるもの が存在する時にいう.

また,任意の𝔪に対して X𝔪-族正規であるときに Xを単に 族正規 と呼ぶ.

当たり前だが,𝔪-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.

Xが正規空間であることと X0-族正規であることは同値である. よって特に無限基数𝔪 について𝔪-族正規であるような空間は正規である.

証明.

{Ai}i0 を疎な閉部分集合族とする. そして関数f:i0AixAiの時にf(x)=i と定義する. この時𝒜 が疎であることからfXの閉集合i0Ai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F:Xi0Ai上ではfに一致するものが存在する. ここで Ui=F1(i1/2,i+1/2) とすると{Uii0} は互いに素な開集合の族でAiUi 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.

𝐦を無限基数とし, X𝐦-族正規とする. このときXの疎な部分集合族{Ai}iI に対して疎な開集合の族{Ui}iI であってAUA となるものが存在する.

証明.

X𝐦の族正規性から 互いに素な開集合の族{Oi}iI であって,AiOi となるものが存在する. すると開集合iIOi は閉集合iIAi を含むので,ウリゾーンの補題から 連続写像f:X[0,1]iIAi上で0iIOiの外で1となるようなものが存在する. そこでUi=Oif1([0,1/2)) とし,W=f1((1/2,1])とする. 今から族{Ui}iI が疎であることを示そう.xX を任意にとる.もしもxOiとなるiが存在すれば, Oi{Ui}iIのうちUiとしか交わりを持たない.もしもそのようなiがなければ, f(x)=1なのでxWである.そしてWはどんな Uiとも交わりを持たない. 以上から{Ui}iI 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0 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(X,d) とその部分集合Sについて d(x,S)=infsSd(x,s)と定義する. これはxに関する連続関数になっている.

命題 4.

(X,d) を擬距離空間とする. このとき(X,d) は族正規である.

証明.

{Ai}iIXの族正規空間とする. そして Si=kI,kiAk とするとこれは閉集合でAiSi= となる. ここで,

Ui={xX|d(x,Ai)d(x,Ai)+d(x,Si)<14}

とおく.{Ui}iIが互いに素な族であることを示そう. xXを任意にとる.もしも異なるi,kI についてxUiかつxUkとなっていたとすると,Uiの定義から まずxAiかつxAk がわかる. そしてUiの定義から

3<d(x,Si)d(x,Ai)d(x,Ak)d(x,Ai)

がわかる. そして 同様に

3<d(x,Sk)d(x,Ak)d(x,Ai)d(x,Ak)

がわかるがこれらは両立し得ないので,矛盾する. よって {Ui}iI 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.

Xを位相空間とする. このときXが正規空間であることと, X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.

証明.

[3, Corollary 11.9][1]を参照のこと. ∎

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.

𝔪 を無限基数とし,X𝔪-族正規でAXの閉集合とする. そして{Uα}αIAの部分集合族で(Aの中で)局所有限なものとし, card(I)𝔪とする. このときXの局所有限な開被覆 {Vα}αI が存在して AVαUα が任意のαIで成り立つ.

証明.

添字集合Iは整列されているとして良い. 今Aは正規空間なので, Fσ開集合の被覆 {Wα}αI が存在して WαUα を任意のαで満たす. ここで,{Wα}αI も局所有限であることに注意しよう. そしてCαを超限帰納的に

Cα=Wα(Aβ<αWβ)

と定める. すると,WαFσ集合であり, Aβ<αWβは閉集合なので,それらの共通部分であるCα も(Aの)Fσ集合である. よって,可算個の閉集合Cα,r(r0) を使って

Cα=r0Cα,r

と表すことができる. さて,CαWαと, Cαの定義から,{Cα}αI は互いに素な集合族である.さらに

αICα=αIWα=A

となることがわかる. さて,{Wα}αI は冒頭で注意した通り局所有限である. そして

Cα,rCαWα

なので, rを固定したとき {Cα,r}αI は互いに素な(X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card(I)𝔪 からX𝔪-族正規性を使って, 疎な開集合の族{Gα,r}αI が存在して

Cα,rGα,r

が成り立つ. ここで,ウリゾーンの補題より, 各Gα,rFσ開集合としても良い. さらに,各Cα,r

Cα,rGα,r(X(AUα))

となることに注意しておこう. ここで

G=αI,r0Gα,r

とするとこれは開集合で

A=αIr0Cα,rG

を満たす. 故に,ウリゾーンの補題から Fσ開集合 Gωが存在して

XGGωXA

を満たす. ここで,適当にGα,rを選んで,Gωをわ集合する.例えば,α0=minIとして Gα0,0を新たにGα0,0Hとする. このとき,再びウリゾーンの補題を用いて Fσ開集合の族{Lα,r}αI,r0

αI,r0Lα,r=X

かつ

Cα,rLα,rX(AUα)

を満たすものが取れ,さらに, 各r0 について {Lα,r}αI は局所有限である. ここで各r0 に対して

Lr=r0Lα,r

と定義すると,{Lα,r}αI,r0 の局所有限性から 各LrFσ開集合になる.

さて,今からLr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rについて 閉集合の族{Fr,n}n0 と開集合の族{Or,n}n0 が存在して

Lr=n0Fr,n=n0Fr,n

Fr,nOr,nFr,n+1

を満たす. そして各r0について

Vr=Lr(Xs<rFs,r)

と定義すると {Vr}r0 は局所有限な被覆になる. というのも,被覆であることはxについてxLrとなる最小のrをとればxVrとなることがわかるし, 局所有限性はxについてxOr,n+rとなるr, n をとれば(取れる),n+r<NとなるN0についてVNFr,N=なので VNOr,n+r=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

VrLr

に注意せよ.

さて,

Vα,r=Lα,rVr

と定義し

Vα=r0Vα,r

と定義する. 今からこの{Vα}αI 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. xX を任意にとる.このとき {Vr}r0 が被覆なのでxVr となるr0が存在する. そしてxVrLrであり, Lrの定義からxLα,rとなるαが存在する.よってxVα,rであり, 特にxVα,r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.xXを任意にとる. {Vr0}の局所有限性から xの近傍N0m0r(1),r(m)0 が存在してN0Vr(1),Vr(m)としか交わらない.ここで各i{1,,m} について{Lα,r(i)}αI の局所有限性からxの近傍Niが存在して, Ni{Lα,r(i)}αIの有限個の元としか交わらない. さて,N=N0N1Nmとすると これはxの近傍であり,前述のことから, N{Lα,r(i)}αI,i{1,,m}の有限個の元としか交わらない. よって,N{Vα,r}αI,r0 の有限個の元としか交わらないので,結局 N{Vα}αIの有限個の元としか交わらない.つまり,{Vα}αI は局所有限である.

次にAVαUα を証明しよう. ここで

Vαr0Lα,rX(AUα)

である. よってxAVα をとると xX(AUα)かつxA である.つまりx(AUα)かつ xAなので xUα となる.よって

AVαUα

が成り立つ. これで証明が終わる. ∎

位相空間X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min{card(A)AXの稠密部分集合}のことである. 無限基数𝐦について,この稠密度が𝔪かそれ以下のとき,空間 Xの稠密度は𝐦 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.

𝔪 を無限基数とする. このときX𝔪-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Bで稠密度が𝔪であるもの,Xの任意の閉集合Aとその上の任意の 連続関数f:ABに対して連続関数 F:XBであってF|A=f となるものが存在する.

証明.

Bのノルムから誘導される距離をρ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 {gn:XB}n0を構成する.

  1. 1.

    任意のn0に対して

    ρ(gn(x),gn+1(x))<2n+2

    が成り立つ.

  2. 2.

    任意のxAについて

    ρ(gn(x),f(x))<2n

    が成り立つ.

以上のような列が構成されれば,極限F(x)=limngn(x)が存在して,それが連続であってF|A=fを満たすことは, B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g0を構成する. バナッハ空間 B は距離関数なので, 特にパラコンパクトである. よって ρ に関して半径 1/2 の開球からなる被覆の局所有限細分が存在する. それを {Uα}αI とする. ここで B は稠密度が 𝔪 なので, 添字集合I の濃度は 𝔪としても良い. そして {f1(Uα)}αIf の連続性から A の局所有限な開集合の被覆である. すると 定理 6から Xの局所有限な開被覆 {Vα}αI が存在して

VαAf1(Uα)

を満たす. さて, X の正規性から, {Vα}αI に従属する単位の分割 {uα}が存在する. pαUα を選んで, g0:XB

g0(x)=αIpαuα(x)

と定義する. {uα}αI 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. xXを任意にとる. すると, uα(x)>0となる αI についてf(x),pαUαなので, f(x)pα<1であることを用いて

ρ(f(x),g0(x)) =αIf(x)uα(x)αIpαuα(x)uα(x)>0f(x)pαuα(x)
<uα(x)>01uα(x)=αIuα(x)=1

よって2の評価は成り立つ.

さて,gnまで構成できたとして, gn+1を構成しよう. Bのパラコンパクト性から, 局所有限なBの開被覆で各々の元の直径が <2n3になるものが存在する. それを{Uα}αI とする. 定理 6{f1(Uα)}αIに適応して 局所有限被覆 {Rα}αIRαf1(Uα)となるものを得る. そして{Rαgn1(Uβ)}(α,β)I×I を考えるとこれはXの局所有限な開被覆になっている. J=I×Iと置くことにする. この被覆を {Wγ}γJ と書くことにする, そしてこれに従属する単位の分割を {vγ}γJとする. さて今からgn+1を定義したい. WγA=の時は, 適当にzγWγを選んで qγ=gn(zγ) とする. WA の時はzγWγ を選んで qγ=f(zγ)とする. そして gn+1:XB

gn+1(x)=γJqγvγ(x)

と定義する.これは連続写像である.

今から条件1を満たすことを確認しよう.

ρ(gn+1(x),gn(x))=γJ(qγgn(x))vγ(x)γJ(qγgn(x))vγ(x)
=WγAqγgn(x)vγ(x)+WγA=qγgn(x)vγ(x)
=WγAf(zγ)gn(x)vγ(x)+WγA=gn(zγ)gn(x)vγ(x)
WγA(f(zγ)gn(zγ)+gn(zγ)gn(x))vγ(x)
+WγA=gn(zγ)gn(x)vγ(x)

を得る. ここで, 帰納法の仮定からgnは条件2nについて満たすので

f(zγ)gn(zγ)<2n

である. そして

zγ,xWγ=Rαgn1(Uβ)

なので, gn(zγ)gn(x)<22n3 となる. よって

WγA(f(zγ)gn(zγ)+gn(zγ)gn(x))vγ(x)+WγA=gn(zγ)gn(x)vγ(x)
2n+2n2+2n2=2n+2n1<2n+1=2(n+1)+2

よって条件 1n+1 に対して成り立つ.

次に 2番の条件を確認する. xAとすると, xWγとなるWγAWγとなり, zγ,xWγRα なので,

ρ(gn+1(x),f(x))=γJ(qγf(x))vγ(x)=γJ(f(zγ)f(x))vγ(x)
γJf(zγ)f(x)vγ(x)<22n3γJvγ(x)=2n2<2(n+1)

という評価を得る. よって条件2n+1に対して成り立つ. 以上で証明が終わる. ∎

3 応用

γを無限基数とする.このとき 位相空間Xの部分集合SPγ-embeddedであるとは,S上の稠密度がγである連続擬距離dに対して X上の稠密度がγである連続擬距離eが存在してe|S×S=d となることである.

族正規性をPγ-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).

Xをコンパクトハウスドルフ空間とし AC(A,)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x,yX に対してfAが存在してf(x)f(y) となるならばAC(X,)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.

𝐦 を無限基数とし (X,d) を稠密度が𝐦 であるような擬距離空間とする. そしてBX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Bの稠密度は𝐦である.

証明.

BC(βX,)が同型になることを利用しよう. ここでβXXのストーンチェックコンパクト化である. Xの稠密度が𝐦 であることから βXの稠密度も𝐦 である.そして濃度が𝐦 となるβXの稠密部分集合をHとして, 異なる2点x,yHに対して fx,yfx,y(x)fx,y(y)となるものを選ぶ. そしてAC(βX,) の部分環で1fx,yたちで生成されるものとする. するとHの稠密性と先のStone-Weierstrassの定理から Aは稠密である. ところでAの任意の元aはに対して係数の多変数多項式gが存在してagに生成元を代入したものに等しい.このgの係数を十分よく近似する有理数に変えたものをuとし,aの時と同じ生成元を代入したものをb とすると,abは十分に近い. つまり,Aと同じ生成元から生成される係数の C(βX,)の部分環QC(βX,) の中で稠密である. Qの濃度は高々𝐦であるから C(βX,) の稠密度が𝐦 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.

Xを位相空間とし,𝐦を無限基数とする. このときX𝐦-族正規であることと Xの任意の閉集合がP𝐦-embeddedであることは同値である.

証明.

まず最初にX𝐦-族正規と仮定しよう. そして閉集合Aとその上の稠密度が𝐦である連続擬距離dを考える.Aは空でないとしても良い. 今からこれをX上に拡張しよう. まず B(A,d)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Bはバナッハ空間であり, 稠密度は𝐦になる. そしてpAを固定しf:ABf(x)=d(x,)d(p,)とする.は引数が入るところである.するとこれは d(x,y)=f(x)f(y)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fは単射にならない.さて,X𝐦-族正規であることから定理7 より 連続写像F:XBであって F|A=fとなるものが存在する. このFを用いてX上の擬距離ee(x,y)=F(x)F(y)と定義すれば これはe|A×A=dを満たすので, AP𝐦-embedded であることがわかる.

次に 閉集合 AP𝐦-embedded であると仮定しよう. そして {Lα}α<λ(λ𝐦)Xの疎な閉集合の族とする. ここで閉集合AA=α<λLαと定義し A上の擬距離を

d(x,y)={0xLαyLβαβ1x,yLα

と定義する. すると,dは連続であり, (A,d)の稠密度はλ,特に 𝐦 である. よってX上の 擬距離eであって 稠密度が𝐦e|A×A=d となるものが存在する. そして 命題 4から (X,e)𝐦-族正規なので, {Lα}α<λ を分離する(X,e) の開集合が存在する. eは連続なので,そのような開集合は特に X自体でも開集合になり, 結局X𝐦-族正規 であることがわかった. ∎

Pγ-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).