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次元論からの領域不変性定理の証明の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。

次元論からの領域不変性定理の証明

ナンブキトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文書は [2]の続きであるが, 電波通信の記事[2]は独自の定義で次元論をやっているので,この文書では繰り返しをためらうことなく 最初から説明をする.見返してみたら結構ガバガバでびっくりした.

1 前回までのあらすじ1・次元の定義

定義 1.

dimTX=1 であるとはX= と定義する.

定義 2.

位相空間Xの部分集合Sclopenであるとは,S が開かつ閉集合であるときにいう.

定義 3.

Xを可分距離化可能空間とする. このときX0次元であるとは Xが空集合ではなく Xのclopen集合からなる開基 が存在する時にいう. このときdimTX=0と表す.

定義 4.

n0とし, Xを可分距離化可能空間とする. このとき整数dimTXを 以下を満たす最小の整数mで定義する. Xm+1個の部分空間X0,Xm が存在してdimTXi0X=i=0mXi を満たす. この定義のもと,dimTXnとは Xn+1個の部分空間X0,XndimTXi0X=i=0nXi を満たすものが存在することを意味する. また,dimTは位相不変量であることがわかる.

dimTの定義から直ちに次の二つのことがわかる.

補題 5.

Xを可分距離化可能空間とし, SXとする.この時 dimTSdimTX が成り立つ.

補題 6.

Xを可分距離化可能空間とし, A,BXとする.この時 dimTAnかつdimTB0ならば dimTABn+1 が成り立つ.

補題 7.

Xを可分距離化可能空間とする. Xの開基とする. このとき の部分集合 𝒜で開基になりさらにcard(𝒜)0を満たすものが存在する.

証明.

Xは可分距離化可能空間なのでその部分集合も 可分距離化可能である. よってXの任意の部分集合はリンデレフである. Xの可算な開基𝒞を取る. 任意のU𝒞に対して が開基であることと,Uがリンデレフである ことから可算集合𝒜UV𝒜UV=Uとなるものが存在する. そして

𝒜=U𝒞𝒜U

とおけば𝒜が求めるものになっている. ∎

系 8.

Xを可分距離化可能空間とする. このときdimT0であることと, 可算開基であってclopenな集合からなるものが存在することは同値である.

補題 9.

Xを可分距離化可能空間とするこのとき dimTX0であることと 任意のX内の交わらない二つの閉集合G,Hに対して clopen集合Oが存在して GOHO= を満たすことは同値である.

証明.

後半の条件からdimTX0 が導かれるのは明らかなので逆を示す.

dimTX0 なので 各点に可算な近傍形でclopenなものからなるものが存在する. そのようなものをpGについて𝒩p と表すことにする.さらにHが閉集合であることから任意の V𝒩pについてVH= と仮定してもよい(必要なら{S(XH)}S𝒩pと置き換えれば良い). そしてXGも次元が0以下なので clopenな集合からなる開基が存在する. このとき集合族

pG𝒩p

Xの開基になるので補題 7 からこの集合族の部分族で 可算な開基{Ui}i0 が存在する.ここでUiGならば UiH=に注意しよう. そしてV0=U0Vi=Uij=1i1Ui と定義する.すると各Vi は開集合でX=iViとなる. そして

O=ViGVi

とすると

XO=ViG=Vi

なのでOはclopenであり,GOを満たす. さらにViについてViG ならばViH=なので HXO となるからOは求める集合になっている. ∎

命題 10.

Xを空でない可分距離化可能空間とする. もしも可算個の閉集合{Ai}i0dimTAi0X=i0Ai を満たすならば dimTX=0である.

証明.

Xが 補題 9 の条件を満たすことを証明しよう. Xの交わらない二つの閉集合 G, Hを与える. 帰納的にPiQi, Ri, Li を構成する. まず GA0HA0A0 のなかの交わらない閉集合である. A00次元空間なので 補題 9より A0の中のあるclopen集合 P0Q0が存在して

  1. (1)

    GA0P0

  2. (2)

    HA0Q0

  3. (3)

    P0Q0=

  4. (4)

    P0Q0=A0

を満たす.

さてA0は閉集合だからP0Q0Xの閉集合でもあるし, GP0HQ0Xの交わらない閉集合である. ここで Xの正規性111距離化可能空間は常に正規である.を用いて 以下を満たすX二つの開集合R0L0 を得る.

  1. (1)

    GP0R0

  2. (2)

    HQ0L0

  3. (3)

    CL(R0)CL(L0)=

一般にPi, Qi Ri, Liを帰納的に 以下を満たすように定義する.

  1. (1)

    PiQiAiのclopen集合

  2. (2)

    CL(Ri1)AiPi

  3. (3)

    CL(Li1)AiQi

  4. (4)

    PiQi=

  5. (5)

    PiQi=Ai

  6. (6)

    Ri, LiXの開集合

  7. (7)

    CL(Ri1)PiRi

  8. (8)

    CL(Li1)QiLi

  9. (9)

    CL(Ri)CL(Li)=

このように構成できることは 各AiがclopenであることとXの正規性からわかる. このとき以下が満たされる

  1. (1)

    AiRiLi

  2. (2)

    CL(Ri1)Ri

  3. (3)

    CL(Li1)Li

そしてR=iRi, L=iLi とするとRLは開集合である. そして X=iAiRL なのでX=RLである. また矛盾を導き出すためにxRLとなるxがもしも存在したとすると xRixLjとなるi,j が存在するがk=max{i,j} とすると xRkLk= となり矛盾する. つまりRL=である. RLは交わらない開集合で定義から GRHL を満たす.そしてRL=X なのでRLは閉集合でもある. このことは補題 9からdimTX=0を意味する. ∎

定義 11.

Xを位相空間とする. Xの部分集合SFσ であるとは SX内の可算個の閉集合の和集合として表される時に いう.

系 12.

可分距離空間が0次元であるような可算個のFσ 集合の和集合で表されるのならば全体空間も0次元である.

定理 13.

n0 とする. Xを可分距離空間とする. このとき Xの可算個のFσ集合{Ai}i0 が存在しdimTAinX=iAiを満たすならば dimTXnである.

証明.

nに関する帰納法で証明する. n=0の時は既に 命題10で 証明されている. n+1より小さい数では定理が成り立つとする. このとき 可算個の閉集合{Ai}i0 が存在しdimTAin+1X=iAiを満たすと仮定してもよい. このときB0=A0, Bi=Aij=0i1Aj と定義する. すると各BiFσ集合でありdimTBin+1 を満たしさらにBiたちは交わらずX=iBi が成り立つ. さてdimTn+1の定義から 各iについてBiの部分集合MiNidimTMindimTNi=0 となる.M=iMiN=iNiと定義する. 各Miは互いに交わらないので Mi=MBiとなる. よって MiMのなかでFσ集合である. よって帰納法の仮定よりdimTMn となる.同様にdimTN=0である. XMNの和集合なので,補題 6から dimTXn+1 が成り立つ. ∎

さて今から dimTnndimT𝕊nn を証明する. ここで, 𝕊nとはn次元球面である.

補題 14.

n0 とする. このとき n0次元である.

証明.

一点集合は閉集合でなおかつ0次元なので 命題 10からわかる. ∎

補題 15.

n0 とする. このとき ()n0次元である.

証明.

x=(x1,,xn)()n をとる.任意にϵ>0をとり, 各i{1,,n}について ηi,κi>0

  1. (1)

    iについて ηi<ϵかつκi<ϵ

  2. (2)

    (x1η1,,xnηn)n

  3. (3)

    (x1+κ1,,xn+κn)n

を満たすようにとる. (2),(3)の条件を満たすηi,κi が存在するのはの中で が稠密だからである. U=i=1n(xiηi,xi+κi) かつ C=i=1n[xiηi,xi+κi] とおく.これらの集合について U()n=C()n なのでU()n()nのclopen集合であり, xの近傍でもある. ϵは任意なので各点xについて()n内の clopenな近傍系が存在することがわかった. よってdimT()n=0 である. ∎

補題 16.

n0とする. このとき dimTnndimT𝕊nn が成り立つ.

証明.

k{0,,n} について Eknnの部分集合で 高々k個の座標が有理数になっている点全体とする. 今からdimTEk=0 を証明する. 今En=nかつE0=()n なので補題 14, 15 からdimTEn=dimTE0=0 がわかる. よってk{1,,n1}について dimTEk=0 を証明する. Z(k){1,,k}の濃度がちょうどk個の 部分集合全体とする. そしてσ={i1,,ik}Z(n,k)v=(v1,vk)n についてA(σ,v)を 任意のj{1,,k}について 第ij座標がvjになるような nの点全体とし, B(σ,v)を 任意のj{1,,k}について 第ij座標がvjになり,それ以外の座標が無理数に属するようなnの点全体の集合とする. このとき Ekの定義から任意のσ={i1,,ik}Z(n,k)v=(v1,vk)k についてEkA(σ,v)=B(σ,v) となる.ゆえにB(σ,v)Ek の閉集合である.さらにB(σ,v)()nkと同相なので 0次元である. さてEkの定義から

Ek=σZ(n,k)vkB(σ,v)

が成り立ち,各B(σ,v)Ekの閉集合かつ0次元でZ(n,k)nk は高々可算集合なので命題 10から dimTEk=0 が従う. さらに明らかにn=k=0nEk なのでdimTnnがわかる. 次に𝕊nについて考えよう. はnの一点コンパクト化であり, 𝕊n=(E0{})k=1nEk である. そして命題 10から dimT(E0{})=0 なので, dimT𝕊nn がわかる. ∎

注意.

一般にdimTn=dimT𝕊n=n が示せるが,証明は面倒である. しかしこの文章で証明を行う.

2 前回までのあらすじ改・大きいのと小さい帰納的次元

定義 17.

Xを位相空間とする. SXとする. このときSの境界集合をXS で表す. xXSであるとは 任意のxの近傍Hについて HSかつ HS を意味する. 一般にXS=CLXSIntXS である.ここでCLX, IntXXにおける閉包と 開核を表す.

補題 18.

Xを位相空間とし, ASXとする.このとき SASXA が成り立つ.

証明.

一般に位相空間TMTについて PMHとなる開集合Oと閉集合C についてTMHP であり,TM=CLT(A)IntT(A) に注意しよう.

さて,O=IntXAC=CLXAとおく. するとOSCSはそれぞれ Sの開集合と閉集合でOSACSを満たす. よって SA(CS)(OS) を満たす. ここで (CS)(OS)=(CO)S=(CLXAIntXA)S=XS となる. これは SAXSを意味する. ∎

補題 19.

Xを位相空間とし,NAXとする. すると NAの開集合であるとき AN=A(CLX(N)N) が成り立つ.

証明.

まず A(N)=CLA(N)IntA(N) である. ここでNAの開集合なので IntAN=Nである. そして CLA(N)=ACLXN なので222この等式は一般に成り立つ すると A(N)=CLA(N)IntA(N)=ACLXNN=A(CLXNN) が成り立つ. ∎

補題 20.

Xを可分距離化可能空間とし, AAXdimTA=0とする. そしてKXの閉集合としXの開集合 UKU を満たしているとする. このときX内の 開集合Wが存在して KWUAXW= が成り立つ.

証明.

まず Xの正規性から開集合 Vであって KVCLX(V)U となるものをとる. そしてL=CLX(V)とおく. ここで dimTA=0より KAの 近傍 NALANUA となるものが存在する. ここで AN=に注意しよう. いま NACLX(NL)について考える. 明らかに

CLX(N)(ACLX(NL))=

であり

CLX(K)(ACLX(NL))
CLX(K)(ACLX(N))
CLX(K)(A(LA))
CLX(K)(A(KA))
=K(A(KA))
=(KA)(KA)
=

であるから CLX(NK)(ACLX(NL))= である. さらに

NCLX(ACLX(NL))
NCLX(ACLX(N))
=NACLX(ACLX(N))
=NACLA(A(ACLX(N)))
=NACLA(ACLA(N))
=NCLA(ACLA(N))
=N((ACLAN)AN)
=N(ACLAN)=

である. また KVであることとXVが閉集合であることから

KCLX(ACLX(NL))
KCLX(ACLX(L))
=KCLX(AL)
KCLX(XL)
KCLX(XV)
K(XV)
V(XV)
=

がわかる. 故に (NK)CLX(ACLX(N))= である. 以上のことからNKACLX(NL) は互いにもう一方の閉包と交わらない. よってXの完全正規性からXの開集合Wが存在して NKWCLX(W)(ACLX(NL))=を満たす. 後半の条件から

ACLXWACLX(NL)

がわかる. ここでCLX(NL)=CLXNCLXL=CLXNLであり,LANなので

ACLXWACLXN

がわかる. 必要ならWVWに置き換えてWVとしてもよい. さて以上と補題 19を踏まえると

AXW =A(CLX(W)(XW))ACLX(N)(XN)
=A(CLX(N)N)=AN=

を得る. ゆえにAXW=がわかる. ∎

定理 21.

n0としXを可分距離化可能空間とする. このとき以下は同値である.

  1. (1)

    dimTXnである.

  2. (2)

    Xの任意の閉集合Kと任意の開集合UKUを満たしているならば 開集合Vが存在して KVCLXVU かつdimTXVn1

  3. (3)

    Xの開基{Vi}i0 が存在してdimTXVin1 である.

(1)(2)の証明.

: (1),つまりdimTXn という仮定から Xの部分集合A0,,An が存在して dimTAi0i=0nAi=X を満たす. ここでXXの任意の閉集合Kと任意の開集合UKUを満たしているとしよう. すると 補題 20より, Xの開集合Vが存在して KVCLXVUA0XV= を満たす. するとdimTの定義よりdimTXVn1となる. これで (2)が示された.

[(2)(3)の証明]: Xの可算開基={Bi}i0 をとる. そして

𝒞={(Bi,Bk)Bi,Bk,CL(Bi)Bk}

と定義する. このとき𝒞はたかだか可算集合であることに注意しよう. そして (Bi,Bk)𝒞となるBiBkについて CLX(Bi)Bkに 条件(2)を適応して 開集合Vi,kCLX(Bi)Vi,kCL(Vi,k)Bk そしてdimTXVi,kn1 となるものが存在する. このとき{Vi,k}Xの開基になるので (3)が示された.

[(3)(1)の証明]: 今Xの開基{Vi}i0 が存在してdimTXVin1 を満たすとする. このとき定理 13 よりS=i0XVidimTSn1を満たす. さらにA=XSとおくと, {AVi}i0Aの開基になる. そして補題 18より AViAXVi= なのでdimTA0がわかる. そしてX=SAなので補題 6 よりdimTXnがわかる. ∎

定義 22 (小さい帰納次元).

空間Xの小さい帰納次元を帰納的indXに次のように定義する。

indX=1X=Øとし、n1まで定義されたとして

indXnXの任意の点xxの任意の近傍Uに対してxの近傍Nが存在してind(N)n1かつNUを充たす。

と定義する。ちなみにindX=nとはindXnかつn1<indXである。

伝統的な 小さい帰納次元と大きい帰納次元の定義を紹介する.

定義 23 (小さい帰納次元).

空間Xの小さい帰納次元を帰納的indXに次のように定義する。

indX=1X=Øとし、n1まで定義されたとして

indXnXの任意の点xxの任意の近傍Uに対してxの近傍Nが存在して ind(N)n1かつNUを充たす。

と定義する。ちなみにindX=nとはindXnかつn1<indXである。

定義 24 (大きい帰納次元).

空間Xの大きい帰納次元を帰納的 IndXに次のように定義する。

IndX=1X=とし、n1まで定義されたとして

IndXnXの 閉集合Kと開集合UKUを満たすものについて 開集合Vが存在して KVCLVUそして IndVn1 を満たす.

と定義する。ちなみにIndX=nとはIndXnかつn1<IndXである。

定理21から次のことが従う.

系 25.

可分距離化可能空間Xについて indX=IndX=dimTX

注意.

本来はindを定義したのちに indnならばn+1個の0 次元空間の和集合としてかけることを証明するのだが, この文章では逆にそちらを位相次元の定理にしている.

補題 26.

n0とする. このとき dimTnndimT𝕊nn が成り立つ.

indを使った別証明.

m1とする. m+1𝕊m+1 はともに境界が𝕊m となる開集合からなる開基を持つ. よってdimTm+1dimT𝕊mdimT𝕊m+1dimT𝕊m が成り立つ. 𝕊1 は境界が2点になるような開集合からなる開基を持つから dimT𝕊11 である.もしくはが有理数と無理数という二つの0 次元集合の和であることと𝕊1の一点コンパクト化であることを用いても dimT𝕊11 であることがわかる. よって帰納的に dimTnndimT𝕊nn が成り立つことがわかる. ∎

3 今回のお話

命題 27 (ウリゾーンの補題のちょっと良い版).

Xを距離化可能空間とし, FHをその閉集合とし,FH= と仮定する. このとき 連続写像f:X[0,1]f1({0})=Fかつ f(H){1} となるものが存在する.

証明.

Xの位相を生成する距離関数を hとする. 必要ならmin{h,1}と取り替えることによって 最初から h1と仮定しても良い. さてウリゾーンの補題から 連続写像 g:X[0,1] であって g(F){0} かつ g(H){1} を満たすものが 存在する. このとき d:X×X[0,)d(x,y)=max{h(x,y),|g(x)g(y)|} と定義する. すると gの連続性から hの位相に関する仮定から dXと同じ位相を生成する. このときgの取り方から d(F,H)=1になることに注意せよ(一般に交わらない閉集合同志の距離が0になることがある.そういう状況を避けるために上記のような距離の修正をしている). そしてf:X[0,1]f(x)=d(x,F)と定義すると このfは求める条件を全て満たす. ∎

注意.

実際は 距離空間であることを用いると F=f1({0}) かつ H=f1({1}) となる連続写像の存在が示せるが, そこまで強い性質の写像の存在は以下では使わない. どうやって構成するかというと, 命題 27FHに2回適応して適当にアフィン変換を噛ませてg:X[0,1]u:X[1/2,1]F=g1({0}), Hg1({1}), Fu1({1/2}), H=u1({1}) となるものを得る. そして f:X[0,1]f(x)=g(x)u(x) と定義すると, F=f1({0}) かつ H=u1({1}) となる. このようなことは一般的には Xが正規空間で FHが ともにGδ閉集合であるときに成り立つ.

定義 28.

Xを位相空間とし A, B, Cをその部分集合とする. AB=と仮定する. このときCABを分離する とは開集合UVが存在して AU, BV, UV=そして XC=UV を満たす時にいう. この時必然的にCは閉集合になることに注意しよう.

命題 29.

Xを距離空間とし, AB, Lはその閉部分集合で LABを分離しているとする. このとき連続写像 f:X[1,1]f(A){1}, L=f1({0}), f(B){1} を満たすものが存在する.

証明.

開集合UVXL=UVUV=, AUBV を満たすものとする. 命題27ULVLにそれぞれ適応して 連続写像 g:UL[1,0]h:VL[0,1]g(A){1}, L=g1({0}), h(B){1}, L=h1({0}) を満たすものをとる. さてここで写像f:X[1,1]

f(x)={g(x)xULh(x)xVL

と定義する. このとき (UL)(VL)=LL上ではghが同じ値を取るので fが貼り合わさって,ちゃんと定義され, さらに連続写像になることがわかる. このfが求める条件を満たすのはghの満たす条件から従う. ∎

定理 30.

n0とし, Xを可分距離化可能空間で dimTXnを満たすものとする. そして n+1個の閉集合の組み (A0,B0)…, (An,Bn)AiBi= を満たすとする. このときn+1個のX の閉集合L0, …, Ln が存在して LiAiBiを分離し, i=0nLi= を満たす.

証明.

dimTXnなので, R0, …, Rnが存在して dimTRi0X=i=0nRi を満たす. 各iについて AiXBiRiに 補題20を適応して Xの開集合Viであって AiViCLXViXBi そしてRiXVi= を満たす. このとき Li=XVi とおけば LiAiBiを分離し RiLi= である. このとき Rik=0nLkRiLi=なので i=0nLi= である. ∎

定理 31.

n0とし, Xを可分距離化可能空間で dimTXnを満たすものとする. そして n+1個の閉集合の組み (A0,B0)…, (An,Bn)AiBi= を満たすとする. このとき各iごとに 連続写像f:X[1,1]が存在して Aif1({1})Bif1({1}) そして i=0nfi1({0})= を満たす.

証明.

定理 30 より n+1個の閉集合 L0, …, Ln が存在して LiAiBiを分離し, i=0nLi= を満たすものが存在する. そして 命題 29 より 連続写像 fi:X[1,1]であって, Aif1({1})Bif1({1}) および f1({0})=Liを満たすものが存在する. このときLiの性質から i=0nf1({0})= となる. ∎

定義 32.

n0 とする. 位相空間X上の二つの連続写像f0,f1:Xnについて 連続写像H:X×[0,1]nf0f1を結ぶ一様ホモトピーであるとは H(x,0)=f0(x), H(x,1)=f1(x)を満たしそして 任意のϵ(0,)についてあるδ(0,)が存在して s,t[0,1]|st|を満たすならば 任意のxXについて H(x,s)H(x,t)<ϵ が成り立つときにいう. このようなHが存在するときに f0f1一様ホモトピックと呼ぶことにする.

定義 33.

n1とする. このとき 𝐃n={xnx1} とし 𝐒n1={xnx=1} と定義する.ここでノルムは通常の内積から誘導されるノルムとする.つまり 𝐃nn次元閉球体で 𝐒n1はその境界であるn1次元球面である.

定義 34.

n1とし, i{1,,n} とする. このとき 𝐈n=[1,1]n と定義し 𝐈+n,i={x𝐈nxi=1}𝐈+n,i={x𝐈nxi=1} と定義する. さらに 𝐈n𝐈nの境界集合 とする. このとき 𝐈n=i=1n𝐈+n,i𝐈n,i であることに注意しよう. また 𝐈n𝐃nに同相であり, 𝐈n𝐒n1 に同相であることにも注意しよう.

命題 35.

n0 としXT1正規空間とし Aをその閉集合とする. このとき二つの写像 f0:A𝐒nf1:A𝐒n が一様ホモトピックであるとする. このときf0Xへの拡張 g0:X𝐒n を持つならば f1も拡張 g1:X𝐒n を持つ.

証明.

連続写像H:A×[0,1]n+1f0f1を結ぶ一様ホモトピーとする. このとき一様ホモトピーの定義から 適切に[0,1]の有限点列r0,rmをとれば 任意のxXi{0,,m1}について H(x,ri)H(x,ri+1)<1 が成り立つ. よってf0f1が一様ホモトピックであるという仮定の代わりに f0(x)f1(x)<1を満たすという仮定の元で 定理を証明すれば上記のH(x,ri)を使って帰納的に 定理を証明することができる.以下ではf0(x)f1(x)<1の仮定の元f1の拡張を構築する.

まずティーチェの拡張定理を使って f1の拡張となる連続関数 g:Xn+1 を得る. そして

V={xXg0(x)g(x)<1}

と定義するとVは開集合である. ここでA上で f0(x)f1(x)<1となるという仮定から AVである. さてウリゾーンの補題から 連続写像ϕ:X[0,1]A上で1を常にとりXV上で 恒等的に0となるものが存在する. ここでh:X×[0,1]n+1

h(x,t)=(1t)g0(x)+tg(x)

と定義するとこれは連続写像になる. 今からh(x,ϕ(x))が任意のxX についてノンゼロであることを証明しよう.

まずxVについてはg0の値域は 𝐒nなので 任意のt[0,1]について 以下の計算を得る.

h(x,t) g0(x)g0(x)h(x,t)
=g0(x)tg0(x)tg(x)
=g0(x)tg0(x)g(x)
g0(x)1g0(x)g(x)
>g0(x)1
=0

つまり h(x,t)0 である. 特にh(x,ϕ(x))0である.

次にxVの時はϕ(x)0の値を取り続けることから 恒等的にh(x,ϕ(x))=g0(x) である.特にh(x,ϕ(x))0 である. 以上から任意のxXh(x,ϕ(x))0となることがわかった. そこでg1:X𝐒n

g1(x)=h(x,ϕ(x))h(x,ϕ(x))

と定義すれば xA上では確かにf1と一致する. これで証明が終わる. ∎

定理 36.

n0とする. そしてXを可分距離化可能空間で dimTXnを満たしているとする. このとき任意の閉集合A上の 任意の連続関数 f:A𝐒nX上への拡張となる連続関数 g:X𝐒n を持つ.

証明.

位相的には同じなので 𝐒n𝐈n+1 を同一視する. よってff:A𝐈n+1である. そしてf=(f1,,fn+1) とし

Ki={xAfi(x)=1}
Li={xAfi(x)=1}

とすると KiLiXの閉集合でなおかつKiLi= を満たしさらに

A=i=1n+1(KiLi)

となる. ここで 定理 31 から各iについて 連続写像ui:X[1,1] が存在して Kiui1({1}), Liui1({1}) を満たしさらに i=1n+1ui1({0})= となるものが存在する. ここで

u:X[1,1]n+1

u=(u1,,un) と定義する. ここで A=i=1n+1(KiLi)uiの性質からxAのとき u(x)𝐈n+1 への写像になる.ここで v=u|A:A𝐈n+1とおく. そしてH:[0,1]n+1

H(x,t)=(1t)v(x)+tf(x)

と定義する. このHが一様ホモトピーとなることを見よう. 任意のs,t[0,1]に対して

H(x,s)H(x,t)=|st|v(x)f(x)

となる.vfの値域はともに𝐈n+1であるから適切な実数M>0が存在して 任意のxAについてv(x)f(x)<M であるからHvfを結ぶ一様ホモトピーである.

ここでvX上へ拡張できることを見よう. 関数vuの制限であった. そして i=1n+1ui1({0})=であるからuの像には0を含んでいないので,0から u(x)へ直線を伸ばして𝐈n+1との交点を w(x)と定義するとこれはA上ではvに一致する 連続関数w:X𝐈n+1である. よってvXへの拡張w:X𝐈n+1 を持つ. よって一様ホモトピーHの存在から 命題35 より fは拡張 g:X𝐒n を持つ. ∎

注意.

実はこれらの性質は正規空間上での被覆次元の特徴づけになっているのだが,ここではその話は省略する.長いので. 被覆次元の話も省略する.もしかしたらこの文章の続きを書く可能性がなくもない.

4 領域不変性定理

以下の定理により ユークリッド空間内のコンパクト部分集合Kの境界点は Kの位相的言明のみで特徴付できることがわかる. これが領域不変性定理の肝である.

定理 37.

n1 とし Kn のコンパクト部分集合とする. このときpnK となるための必要十分条件は pK内の任意の近傍 Nについて pK内の開近傍U であってUNを満たしかつ 任意の連続写像 f:KU𝐒n1 は連続な拡張g:K𝐒n1 を持つようなものが存在することである.

証明.

まず最初にpKを仮定して定理の条件を導く. Npの任意の近傍とする. そしてBpを中心とする十分小さい半径を持つ開球で KBN を満たすものとする. このときU=KB が条件を満たすことを見よう. ここでL=BとするとL𝐒n1 と同相である. 今ここで任意の連続写像 f:KU𝐒n1 を考える. ここでKUKの閉集合である. 特にnの閉集合でもある. ここで dimTLn1 なので dimT(KL)n1 である. ここでLKKU に注意して 定理 36 から連続写像 f|LK:LK𝐒n1 の拡張である連続写像 u:L𝐒n1 を得る. さてLKUの共通部分はLK で,この上ではufは同じ値を取るので写像が貼り合わさって連続写像 h:(KU)L𝐒n1 を得る. そしてpK の境界なので Bの点であってKに属さないものqを取ることができる. 任意の点xKについて qからxKへ伸ばした直線と Lとの交点をb(x)とする. このときb:XL は連続写像である. そしてg:X𝐒n1

g(x)={h(b(x))xU(LK)f(x)xKU

と定義すると これら二つの関数h(b(x))f(x)LK上で値が一致するのでちゃんと張り合って連続関数になる. このgはちゃんとfの拡張になっている.

逆にpKが 定理の条件を満たすとしよう. 背理法のためにpKK の内点であるとする. ここでpを中心とする十分小さい半径を持つ 開球BCLBKとなるものを考える. すると定理の仮定よりpの開近傍UUB で任意の連続関数f:KU𝐒n1K上に拡張するものが存在する. ここで写像 f:KU𝐒n1 を以下のように定義する. 点pからxKUへと直線を伸ばし Bとの交点をf(x)とする. これは連続写像でB𝐒n1 と同相なので ちゃんと連続写像 f:KU𝐒n1 を得る.このとき fB上で恒等写像になることに注意しよう. すると定理の条件より 連続写像g:K𝐒n1 が存在する. さてCLBKであった. このときg|CLB:CLBB を考えると g|CLBCLBから B へのレトラクトになる. これはNo retract theorem に矛盾するので pKは境界点でなければならない. ∎

注意.

上記の定理において非自明な部分は 球面への写像を拡張する 定理 36 と No retract Theorem である. さらに 定理 36X=𝐒n1 に対するものだけを用いているし, 𝐒n1を南と北の半球に分ければ, 結局利用しているのは n1次元円盤𝐃n1 (あるいはn1次元立方体) に対する定理 36 のみである. なので,No retract Theorem は楽に証明する方法は特にないが(せいぜい積分の変数変換を使う方法など),円盤に対する定理 36は 簡単に証明できる可能性があり, 領域不変性定理もある程度楽になる可能性がある.

いよいよ領域不変性定理を証明する.

定理 38 (領域不変性定理).

n1 とし Un の開集合とする. そして f:Un を連続単射とする. このときf(U)nの開集合である.

証明.

任意のpUについて f(p)f(U)の内点であることを証明すれば良い. pの十分小さい近傍NCLNがコンパクトで CLNUであるものをとる. このときf|CLNを考えると fはコンパクト集合からハウスドルフ空間への 連続単射なので位相的埋め込みになる. 定理37より 点pが境界点かどうかはCLNの内在的な位相的条件で特徴づけられる.つまりpCLNの内点であるから f(p)f(CLN)の内点になる. よって特にf(p)f(U)の内点である. ∎

系 39.

MNを同じ次元の境界つき多様体とし f:MNを同相写像とする. このときfMNに移す.

証明.

もしもfpMNN に移すと,f1を考えることによって局所的には ユークリッド空間の内点がpに写っていることになるが, pは上半平面の境界点なので領域不変性定理に矛盾する. ∎

5 ユークリッド空間の次元

電波通信 [3]で 以下のことを証明した.

定理 40.

n1について以下は同値であり, また,(1)もしくは (2)は成り立つことがよく知られているので, 以下のすべての主張は正しい.

  1. (1)

    (No retraction theorem) レトラクション r:𝐃n𝐒n1 は存在しない.

  2. (2)

    (Brouwer’s fixed point theorem) 任意の連続写像 f:𝐃n𝐃n は不動点を持つ.

  3. (3)

    i{1,,n}を添字とする 閉集合Ci𝐈n の族が𝐈+n,i𝐈n,i を分離するならば i=1nCi を成り立つ.

  4. (4)

    (the Poincaré-Miranda theorem) i{1,,n}を添字とする連続写像の族 fi:𝐈nfi(𝐈+n,i)[0,)fi(𝐈n,i)(,0] を満たすならば, ある点p𝐈n が存在して fi(p)=0が成り立つ. つまり共通零点が存在する.

この定理 40(3),もしくは(4)と 定理30 の対偶 あるいは 定理 31 の対偶 を使うと以下の定理を得る.

定理 41.

n1 とする. このとき 𝐃nnの次元はちょうどnである.

系 42.

n,m1とする. もしもmn が同相ならばm=n である.

系 43.

n,k0とする. nの部分集合 A1,AkdimTAi0n=i=1kAi が成り立っているとする. このときn+1kである.

定理 40 定理3842はなんだか 同値っぽい感じがする. もちろん正しい命題はすべて同値になるのだが,もうちょっと深い意味で同値のような感じがする. 実際[6]では,この同値っぽさを逆数学の上で論じている.逆数学に詳しくないので私は深くは解説できないのだ.

ところで次元論を仲介しない領域不変性定理の証明は テレンス・タオ[9]がブログで証明しているようだ. この証明に対して伝統的な証明はなんなんだと興味を持ったのがこの文書を書くきっかけになった.

References

  • [1] 電波通信 「不動点定理」 https://concious4410.hatenablog.com/entry/2017/08/27/182714
  • [2] 電波通信, 「次元論ショートコース:0次元から始める位相次元」, https://concious4410.hatenablog.com/entry/2022/03/12/161532
  • [3] 電波通信, 「不動点定理と同値な命題」, https://concious4410.hatenablog.com/entry/2026/04/05/181441
  • [4] M. G. Charalambous, Dimension theory. A selection of theorems and counterexamples Springer/Atlantis Press (2019).
  • [5] W. Hurewicz and H. Wallman,Dimension Theory,Princeton Univ. Press,1948
  • [6] T. Kihara, The Brouwer invariance theorems in reverse mathematics, Forum of Mathematics, Sigma, vol.8, 2020, doi: 10.1017/fms.2020.52.
  • [7] C. Kuratowski, Une Méthode de Prolongement des Ensembles Relativement Fermés ou Ouverts, Colloq. Math. 1 (1948), 273-278, doi:10.4064/cm-1-4-273-278.
  • [8] W. Kulpa, The Poiancré–Miranda Theorem, Amer. Math. Monthly 104, No. 6, 545–550 (1997) doi: 10.2307/2975081
  • [9] T. Tao, Brouwer’s fixed point and invariance of domain theorems, and Hilbert’s fifth problem, https://terrytao.wordpress.com/2011/06/13/brouwers-fixed-point-and-invariance-of-domain-theorems-and-hilberts-fifth-problem/
  • [10] A. R. Pears, Dimension theory of general spaces, Cambridge University Press 1975.