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バナッハ・ストーンの定理: おまけのLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

バナッハ・ストーンの定理:おまけ

ナンブ キトラ
HTML変換日:2026年7月26日

別のpdfのおまけとして書いていたが,やたら複雑な議論 をやっていたので,独立した文書として残す.

『この文書では コンパクトハウスドルフ空間K 上の 関数空間C(K) の等長類がKの位相的情報を 持っているということを述べた Banach–Stoneの定理を紹介する. 双対空間の有界閉集合のextreme pointがディラック測度になっていることを使って証明するという方針は聞いていたので,実際にやってみたら自力で証明できたので文書として残しておく.』 ということになっていたが証明が間違っていたので頑張って修正する. コンウェイの関数解析の教科書[8] などを参考にした.

1 準備

定義 1 (extreme point).

局所凸空間Eの凸集合L の点pLextreme point であるとは, 任意のx,yL についてもしもt(0,1)が存在して tx+(1t)y=pならば p=x=yとなるときにいう. 凸集合L のextreme point 全体の集合を ext(L) と書くことにする.

定義 2.

コンパクトハウスドルフ空間 X に対して C(X;) (C(X;)) でその上の実(複素)連続関数の全体を表すとする. ノルムとしてsupノルムを導入すると C(X;)(C(X;)) は実(複素)バナッハ空間になる.

2 測度に関する準備

この節の詳しい解説は [1][2]を参照のこと.

定義 3.

Xを局所コンパクトハウスドルフ空間とする. このときX上の測度μがRMK測度であるとは以下の条件を満たすときにいう

  1. 1.

    μ[0,]に値をとるボレル測度である.

  2. 2.

    Xの任意のコンパクト集合Kについてμ(K)<

  3. 3.

    Xの任意のボレル集合は外部正則である.つまり μ(E)=inf{μ(V)|V𝔒XEV}が成り立つ.ここで𝔒XXの開集合系である.

  4. 4.

    Eが開集合もしくはμ(E)<ならばEは内部正則である.つまり, μ(E)=sup{μ(K)|KCpt(X)KE} が成り立つ.ここでCpt(X)Xのコンパクト集合全体である.

X上のRMK測度全体をM(X)と書くことにする.また, X上の有限RMK測度全体の集合をF(X)と書くことにする. もちろんXがコンパクトハウスドルフ空間のときにはM(X)=F(X)である.

X上の符号付き測度で二つのRMK測度の差で表されるもの全体をS(X)と書くことにする. また,X上の複素測度で,μ,νS(X)を用いて μ+1νの形で表されるもの全体をH(X)と書くことにする.

定義 4.

+-可換モノイド(S,+,0)について, その線形空間化 (K(S),+,0)を次のように定義する. まずS×S上の関係Rを次のように定義する. (a,b)R(c,d)とはa+d=b+cである. するとRS×S上の同値関係となる. そしてK(S)=S×S/R とし,演算を[a,b]+[c,d]=[a+c,b+d]と定義する. この演算についてK(S)は可換群になっている. 単位元は[0,0]であり,[a,b] の逆元 は[b,a]である. また,r[0,)について

r[a,b]=[ra,rb]

と定義し,r<0の場合には

r[a,b]=[|r|b,|r|a]

と定義すると,K(S)は先ほど定義した+とこのスカラー倍について 上の線形空間になる.

注意.

K(S)は加法について見ればSのグロタンディーク群とみなせるが, この文章では+-可換モノイドを上の線形空間にするために スカラー倍という付加的な構造が乗っかっている.

定理 5 (実Riesz-Markov-Kakutani).

Xをコンパクトハウスドルフ空間とする.このとき 線形空間としての同型

C(X;)K(F(X))

が成り立つ.

定理 6 (複素Riesz-Markov-Kakutani).

Xをコンパクトハウスドルフ空間とする.このとき 線形空間としての同型

C(X;)H(X)S(X)×S(X)S(X)

が成り立つ.

定義 7.

位相空間X上のボレル測度μラドン測度であるとは μについてコンパクト部分集合は常に有限の値を持ち さらに,内部正則性, つまり任意のボレル集合についてその測度はそれに含まれるコンパクト集合の測度の上限に一致するときにいう. リースマルコフ角谷で得られる測度は微妙にラドン測度ではないのだが([1][2]),確率測度などの有限測度に話を限れば,ラドン測度になる.

命題 8.

μを 局所コンパクトハウスドルフ空間上の RMK複素測度とする. このとき全変動|μ| もRMK測度になる.

証明.

せかせかやるとわかる. ∎

命題 9.

μC(K;)とする. このとき μの作用素ノルムは 全変動|μ|の作用素ノルムに等しい.

証明.

ラドンニコディム微分 dμd|μ|はほとんど至るところ 絶対値が1の複素数であった. このことと(下からの)単関数近似および Kが正規であることを用いるとわかる. ∎

3 本文

定義 10.

実でも複素でもバナッハ空間Vの双対空間を Vで表すことにする.

定義 11.

𝔽のどちらかとする. このとき Δ(K)𝔽 を 集合 {wδxw𝔽,|w|=1,xK} と定義する.

命題 12.

𝔽のどちらかとする. Kをコンパクトハウスドルフ空間とする. BC(K;𝔽)0を中心とする半径1の閉球体とする. このとき ext(B)=Δ(K)𝔽 が成り立つ.

証明.

まず Δ(K)𝔽ext(B) を示そう. 任意のwδpΔ(K) をとる. そして μ,νB

wδp=12μ+12ν

を満たしている と仮定する.今からμ=ν=wδpを示したいが, ここでw=1としても良い. つまり

δp=12μ+12ν

と仮定する. ここでK上のボレル測度αα=μμ({p})δp とすると α({p})=0であり, r,lを用いて μ=rδp+α かつ ν=lδpα とかける.ここで r+l=2である. 背理法のために|r|>1と仮定しよう. 測度αおよび全変動|α|もRMK測度なので α({p})=0と外部正則性 からϵ(0,)pの十分小さい開近傍N|α|(N)<ϵかつ |r|ϵ>1となるものが存在する. するとKの正規性そして から 連続写像 f:K[0,1]f(p)=1となり Nの外では0になるものが存在する このときμ(f)|r||α|(f)>|r|ϵ1 となるがこれは|μ(f)|1に反する. よって|r|1である. 同様に|l|1である. このようなr,lr+l=2となるためにはr=1かつl=1でなければならない.つまり μ=δp+α かつ ν=δpα である. さてもしもα がゼロ測度でなければ |α|(A)0 となるボレル集合 Aが存在する. ここでϵ(0,) を任意にとる. 内部正則性から コンパクト集合Lが存在して |α|(L)0かつ pLである. よって再びKの正規性やら外部正則性などを用いて pの十分小さい近傍NLの十分小さい近傍Vが存在して NV=|μ|(N)<ϵかつ|α|(VL)<ϵとできる. そしてKの正規性から f,g:K[0,1]が存在して ff(p)=1Nの外では0 そしてgL 上で1をとり Vの外では0となるようにする. このとき |μ(f+g)| μ(f)=1ϵかつ μ(g)α(L)ϵfgのサポートは交わらないようにできる. さて

c=α(L)¯|α(L)|

とし 以下の計算をする.

|μ(f+cg)|=|Kf+cgdμ|=|{p}f𝑑μ+Lcg𝑑μ+N{p}f𝑑μ+VLg𝑑μ|
|{p}f𝑑μ+Lcg𝑑μ||N{p}f𝑑μ||VL|c||g|d|μ||
|1+cα(L)|2ϵ=1+|α(L)|2ϵ

以上から μ|μ(f+g)|1+|α(L)|2ϵ となりϵの任意性から μ1+1+|α(L)|>1となるが これは μ1に反する. よって αはゼロ測度である. つまり μ=δp=νである. よって wδpext(𝒫r(K)) である.

次にμext(B)をとろう. まずB1をかける操作で閉じているので 0はextreme pointではない. よって μは特にゼロ測度ではない. 故に|μ|のサポートは空でない閉集合である. ここで,μのサポートとは, |μ|の零集合となる開集合全ての和集合の補集合である. 点p|μ|のサポートから取ろう. 今から|μ|のサポートが {p}であることを証明する. 背理法のために pを含まないボレル集合 Sであって |μ(S)|0となるものが存在すると仮定しよう. ここで内部正則性からSは コンパクトとしても良い. すると 外部正則性とpS,そしてKの正規性から pの十分小さい開近傍VNcl(V)N|μ|(KN)0 となるものが存在する. よって再びKの正規性から f:K[0,1]であって cl(V)で1をとりNの外で0になるものが存在する. ここで

c=Kfd|μ|

とおく. このとき c|μ|=μ1 である. また Vは開集合で|μ|のサポートと交わっているので |μ|(V)>0となる. よって c|μ|(cl(V))>0 である. さらに

1c=K(1f)d|μ||μ|(KN)>0

が成り立つので c(0,1)である. そして α(B)=Bf𝑑μ かつ β(B)=B(1f)fμ とすると αcβ1cBに属しさらに

μ=c(αc)+(1c)(β1c)

となるので μ はextreme pointにならない. これは矛盾である. よって |μ|の測度正な集合は {p}と交わりを必ずもつ. この状況で測度μwδp の形をしており, extreme pointであるという仮定から |w|=1でなければならないので μΔ(K)𝔽 が成り立つ. ∎

注意.

実はボレル測度のサポートの補集合となる開集合が零集合になるかどうかは集合論的に決定不可能な問題を含んでいる. 上の議論はそんなことを用いてないので問題ない.

定理 13.

KLをコンパクトハウスドルフ空間とする. そして f:C(K;)C(L;)を 等長全単射写像とする. このとき 同相写像h:LKaC(L;)|a(x)|=1となるものおよび bC(L;)が存在して f(s)(y)=a(y)s(h(y))+b(y) となる. 特に C(K)C(L) が等長同型ならば KL は同相である.

証明.

まずMazur–Ulamの定理(定理14)から fはアフィン写像となる. よって以下ではfは線型写像としても良い. fは等長なので 等長写像f:C(L;)C(K;) を誘導する. 今BKBL でそれぞれ C(K;)C(L;)0を中心とする単位閉球体を表すとする. f(0)=0なので f(BL)=BKとなる. さらにfの線形性から f(ext(BL))=ext(Bk) となる. よって 任意の pLについて f(δp)=a(p)δh(p) となるa(p)U(1)={q|q|=1} と写像h:LKが存在する. 今からa:Lh:LK が連続であることを証明しよう.

本題に入る前に τL:LC(K;)wτK:KC(L;)w をディラック測度で埋め込む写像とする. この時コンパクトハウスドルフ空間が完全正則であることから これらの写像は位相的埋め込みになっていることに注意しよう.

まず最初にfは汎弱位相の間の同相写像 f:C(K;)wC(L;)w でもあることに注意しよう. このことと τL:LC(K;)wが位相的埋め込みであることから 1を噛ませて a(y)=f(τL(y))(1)となる. w位相でfは連続なので f(τL(y))(1)も連続である. 故にa(y)の 連続性がわかる.

hの連続性を考えよう.上の議論でa(y)が連続であることがわかったので a(y)1f(τL(y))も連続である. これは集合Δ(K)に属するので h(y)=τK1(a(y)1f(τL(y))) も連続である. 次にhの単射性を考察しよう. x,yLについて h(y)=h(x)と仮定しよう. このとき

τK1(a(y)1f(τL(y)))=τK1(a(x)1f(τL(x)))

となる.よって

a(y)1f(τL(y))=a(x)1f(τL(x))

となる.さらにfは線形なので

f(a(y)1τL(y))=f(a(x)1τL(x))

となりf は単射なので

a(y)1τL(y)=a(x)1τL(y)

となる. ここでもしもxyならば Lは完全正則なので特に 異なる2点x,yLに対して |u(x)|<|u(y)|となるuC(L;) が存在する. このuから上の式を用いて

a(y)1u(y)=a(x)1u(x)

となるがこれは |u(x)|<|u(y)| に矛盾するので x=yでなければならない. よってhは単射である. 次に全射性を考えよう. 任意のkKを任意にとる. このときf(δp)=a(p)δh(p)だからδkについて f(wδy)=δkとなる yLが存在する. このとき f(δy)=w1δk なのでhの定義から k=h(y)となる. よってhは全射である. hはコンパクトハウスドルフ空間同士の間の連続写像であるから特に同相である.

任意のsC(K;)について f(δy)=a(y)δh(y) であるから sを噛ませると δy(f(s))=a(y)s(h(y)) つまり f(s)(y)=a(y)s(h(y)) となる.

4 Mazur–Ulamの定理

定理 14.

XYをバナッハ空間とする. このとき 等長同型f:XY はアフィン写像である.

証明.

省略:[6][7]を参照のこと. 気が向いたら追加する可能性がなくもない. ∎

5 間違っていた方の証明の風味を残した節

定義 15.

コンパクトハウスドルフ空間 K について 𝒫r(K)K上のラドン測度であって 確率測度になっているもの全体を表すことにする. また Δ(K)K上のディラック測度全体を表すことにする.

命題 16 (リース・マルコフ・角谷の定理の応用).

Kをコンパクトハウスドルフ空間とする. そしてSC(K) の部分集合であってμ(1)=1(ここで左辺の1K上の定数関数である)かつ任意のfC(K)についてf0ならば μ(f)0となるもの全体とする. すると S𝒫r(K)と自然に同一視できる. この同一視のもと 𝒫r(K)C(K)の閉有界凸集合である.

証明.

前半の証明というか,どのように同一視するかの説明である. μS にリース・マルコフ・角谷の定理([1])を適応して K上のラドン測度μを得る(ものぐさで同じ記号で書くことにする).これが確率測度であることは μ(1)=1から従う. 逆にμ𝒫r(K) についてμ(f)=Kf𝑑μを対応させる(ものぐさで同じ記号で書く)とμSとなる. 次に𝒫r(K)C(K) の閉有界凸集合であることを示そう. まず凸集合であることは確率測度の線型結合が確率測度であるから大丈夫.有界性は|μ(f)||f|𝑑μf からμ1になるからわかる. 閉集合であることを示そう. S𝒫r(K)を同一視しているのでSが閉集合であることを示せば良い. これはSの条件が極限で保たれることから従う. ∎

命題 17.

Kをコンパクトハウスドルフ空間とする. このときext(𝒫r(K))=Δ(K) が成り立つ.

証明.

まずΔ(K)ext(𝒫r(K)) を示そう. 任意のδpΔ(K) をとる. ここでμ,ν𝒫r(K)について t(0,1)が存在して δp=tμ+(1t)ν としよう. このときU=K{p} について測度をとると 0=tμ(U)+(1t)ν(U) となる. つまりμ(U)=ν(U)=0 がわかるので μ=ν=δp である.よって δpext(𝒫r(K)) である.

逆の包含関係を示そう. μ𝒫r(K) をとる. 背理法のために Kのボレル集合A,BAB=かつ AB=Kであるものが存在して 0<μ(A)かつ0<μ(B) となると仮定する. このとき α=1μ(A)(ιA)μ|A かつ β=1μ(B)(ιB)μ|B とするとμαかつμβ

μ=μ(A)α+(1μ(A))β

である.ここでμ(A)+μ(B)=1に注意せよ. 以上から μはextreme pointではない.これは矛盾である.

よって以下の主張が成り立つ.

  1. (Cl)

    任意の Kのボレル集合A,BAB=かつ AB=Kを満たすならば μ(A)=0μ(B)=0 を満たす.

ここで 𝒩Kのコンパクト集合で μについて正の測度をもつものとする. 𝒩の有限個の元K1,,Km について背理法のために i=1mKi= と仮定する. このとき i=1mKKi=K なので,あるjについて KKjは正の測度をもつ. これは主張(Cl)に矛盾するので i=1mKi である. つまり 𝒩は有限交差性をもつので L=HNH である. ここでもしLが測度ゼロなら μがラドン測度であることから 測度正のコンパクト集合を含むので 矛盾する. よって μ(L)>0である. ここで点pLをとる.もしも{p}が測度ゼロならば μがラドン測度であることを用いて A{p}=μ(A)>0となるコンパクト集合A がとってこれるが,A𝒩pAは矛盾するので {p}は測度正になる. よってL={p} がわかる. さらに先ほどの主張(Cl)からK{p}は測度ゼロになるので μ=δp である. これでμΔ(K) がわかるので ext(𝒫r(K))=Δ(K) となる. ∎

命題 18.

Kext(𝒫r(K)) は同相である. ここで 𝒫r(K) にはw位相を入れて考えている.

証明.

Kが完全正則空間であることから従う. ∎

以下の定理でf(1)=1をつけずに証明をしていたのが前のバージョンのこの文書の間違いであった.

定理 19 (廉価版Banach–Stoneの定理).

KLはコンパクトハウスドルフ空間とする. このとき線形等長同型写像 f:C(K)C(L) が存在し,f(1)=1(ここで定数関数としての1である) を満たすならば KL は同相である.

証明.

定理のf線形等長同型 f:C(K)C(L) が誘導される. さらに線形な同型写像 f:C(K)wC(L)w が誘導される. ここでff(1)=1を満たすので 𝒫r(K)𝒫r(L) に移す.さらにfは線形なので ext(𝒫r(K))ext(𝒫r(L)) に移す. よって KL が同相であることが従う. ∎

注意.

実は一般にバナッハ空間の間の等長同型はアフィンであることがわかる(Mazur–Ulamの定理([6][7]))ので, 定理19fが線形という仮定は不要である. さらにFullのBanach–Stoneの定理は等長写像の具体的な形まで決定するものなので,定理19 は廉価版でしかない. ところで上の定理19にはコンパクト性を用いていないように見えるし,命題18では完全正則性しか使っていない.よって一般に完全正則空間Xに対してその有界な実連続関数Cb(X)でも同様のことが成り立ちそうに見える.しかし実は命題 17でコンパクト性を用いており,さらにコンパクト性がなければ成り立たないのである. 実際一般に完全正則空間Xについて Cb(X)C(βX)と等長同型になるので, Cb(X)Cb(Y)が同型であるだけだと βXβYが同相であることしかわからないのである.ところで実はXYが第一可算な完全正則空間だと βXβYが同相であることからXY が同相になることが導出できるので([5, p.273], [3, 21.5系, 116ページ]), 一応定理19をノンコンパクトな場合に拡張することはできる. 特にXY が距離化可能空間の時に Cb(X)Cb(Y) が等長同型であるならば XY は同相である.

References

  • [1] はてなブログ電波通信, 「リース・マルコフ・角谷の表現定理の証明(入射角16.225°の測度論入門2)」, https://concious4410.hatenablog.com/entry/2015/10/28/213025
  • [2] はてなブログ電波通信, 「Riesz-Markov-Kakutaniの表現定理II」, https://concious4410.hatenablog.com/entry/2020/02/02/213341
  • [3] 児玉之行,永見啓応, 位相空間論 ,岩波書店, 1974
  • [4] 宮島静雄, 関数解析, 横浜図書, 2005.
  • [5] L. Gillman and M. Jerison, Rings of continuous functions. Reprint of the 1960 original published by Van Nostrand Company. Mineola, NY: Dover Publications.
  • [6] B. Nica, The Mazur-Ulam theorem, Expo. Math. 30, No. 4, 397–398 (2012; Zbl 1267.46023) doi: 10.1016/j.exmath.2012.08.010
  • [7] J. Väisälä, A proof of the Mazur-Ulam theorem, Am. Math. Mon. 110, No. 7, 633–635, doi: 10.2307/3647749
  • [8] J. B. Conway, A course in functional analysis, 2nd ed. 1990, GTM 96, Springer-Verlag.