次元論からの領域不変性定理の証明
1 前回までのあらすじ1・次元の定義
定義 1.
であるとは と定義する.
定義 2.
位相空間の部分集合が clopenであるとは, が開かつ閉集合であるときにいう.
定義 3.
を可分距離化可能空間とする. このときが次元であるとは が空集合ではなく のclopen集合からなる開基 が存在する時にいう. このときと表す.
定義 4.
とし, を可分距離化可能空間とする. このとき整数を 以下を満たす最小の整数で定義する. の個の部分空間 が存在して と を満たす. この定義のもと,とは の個の部分空間 で と を満たすものが存在することを意味する. また,は位相不変量であることがわかる.
の定義から直ちに次の二つのことがわかる.
補題 5.
を可分距離化可能空間とし, とする.この時 が成り立つ.
補題 6.
を可分距離化可能空間とし, とする.この時 かつならば が成り立つ.
補題 7.
を可分距離化可能空間とする. をの開基とする. このとき の部分集合 で開基になりさらにを満たすものが存在する.
証明.
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. よっての任意の部分集合はリンデレフである. の可算な開基を取る. 任意のに対して が開基であることと,がリンデレフである ことから可算集合 でとなるものが存在する. そして
とおけばが求めるものになっている. ∎
系 8.
を可分距離化可能空間とする. このときであることと, 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.
を可分距離化可能空間とするこのとき であることと 任意の内の交わらない二つの閉集合に対して clopen集合が存在して と を満たすことは同値である.
証明.
後半の条件から が導かれるのは明らかなので逆を示す.
今 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. そのようなものをについて と表すことにする.さらにが閉集合であることから任意の について と仮定してもよい(必要ならと置き換えれば良い). そしても次元が以下なので clopenな集合からなる開基が存在する. このとき集合族
は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 が存在する.ここでならば に注意しよう. そしてで と定義する.すると各 は開集合でとなる. そして
とすると
なのではclopenであり,を満たす. さらにについて ならばなので となるからは求める集合になっている. ∎
命題 10.
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 で と を満たすならば である.
証明.
が 補題 9 の条件を満たすことを証明しよう. の交わらない二つの閉集合 , を与える. 帰納的にと, , を構成する. まず と は のなかの交わらない閉集合である. は次元空間なので 補題 9より の中のあるclopen集合 とが存在して
-
(1)
-
(2)
-
(3)
-
(4)
を満たす.
さては閉集合だからと はの閉集合でもあるし, と はの交わらない閉集合である. ここで の正規性111距離化可能空間は常に正規である.を用いて 以下を満たす二つの開集合と を得る.
-
(1)
-
(2)
-
(3)
一般に, , を帰納的に 以下を満たすように定義する.
-
(1)
と はのclopen集合
-
(2)
-
(3)
-
(4)
-
(5)
-
(6)
, はの開集合
-
(7)
-
(8)
-
(9)
このように構成できることは 各がclopenであることとの正規性からわかる. このとき以下が満たされる
-
(1)
-
(2)
-
(3)
そして, とするととは開集合である. そして なのでである. また矛盾を導き出すためにとなるがもしも存在したとすると ととなる が存在するが とすると となり矛盾する. つまりである. とは交わらない開集合で定義から と を満たす.そして なのでとは閉集合でもある. このことは補題 9からを意味する. ∎
定義 11.
を位相空間とする. の部分集合 が であるとは が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.
可分距離空間が次元であるような可算個の 集合の和集合で表されるのならば全体空間も次元である.
定理 13.
とする. を可分距離空間とする. このとき の可算個の集合 が存在しと を満たすならば である.
証明.
さて今から と を証明する. ここで, とは次元球面である.
補題 14.
とする. このとき は次元である.
証明.
一点集合は閉集合でなおかつ次元なので 命題 10からわかる. ∎
補題 15.
とする. このとき は次元である.
証明.
点 をとる.任意にをとり, 各について を
-
(1)
各について かつ
-
(2)
-
(3)
を満たすようにとる. の条件を満たす が存在するのはがの中で が稠密だからである. かつ とおく.これらの集合について なので はのclopen集合であり, の近傍でもある. は任意なので各点について内の clopenな近傍系が存在することがわかった. よって である. ∎
補題 16.
とする. このとき と が成り立つ.
証明.
について をの部分集合で 高々個の座標が有理数になっている点全体とする. 今から を証明する. 今かつ なので補題 14, 15 から がわかる. よってについて を証明する. をの濃度がちょうど個の 部分集合全体とする. そして と についてを 任意のについて 第座標がになるような の点全体とし, を 任意のについて 第座標がになり,それ以外の座標が無理数に属するようなの点全体の集合とする. このとき の定義から任意の と について となる.ゆえには の閉集合である.さらに はと同相なので 次元である. さての定義から
が成り立ち,各はの閉集合かつ次元でと は高々可算集合なので命題 10から が従う. さらに明らかに なのでがわかる. 次にについて考えよう. はの一点コンパクト化であり, である. そして命題 10から なので, がわかる. ∎
注意.
一般に 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.
を位相空間とする. とする. このときの境界集合を で表す. であるとは 任意のの近傍について かつ を意味する. 一般に である.ここで, はにおける閉包と 開核を表す.
補題 18.
を位相空間とし, とする.このとき が成り立つ.
証明.
一般に位相空間とについて となる開集合と閉集合 について であり, に注意しよう.
さて,でとおく. するととはそれぞれ の開集合と閉集合でを満たす. よって を満たす. ここで となる. これは を意味する. ∎
補題 19.
を位相空間とし,とする. すると がの開集合であるとき が成り立つ.
証明.
まず である. ここではの開集合なので である. そして なので222この等式は一般に成り立つ すると が成り立つ. ∎
補題 20.
を可分距離化可能空間とし, を で とする. そしてを の閉集合としの開集合 は を満たしているとする. このとき内の 開集合が存在して と が成り立つ.
証明.
まず の正規性から開集合 であって と となるものをとる. そしてとおく. ここで より の 近傍 で となるものが存在する. ここで に注意しよう. いま とについて考える. 明らかに
であり
であるから である. さらに
である. また であることとが閉集合であることから
がわかる. 故に である. 以上のことからと は互いにもう一方の閉包と交わらない. よっての完全正規性からの開集合が存在して と を満たす. 後半の条件から
がわかる. ここでであり,なので
がわかる. 必要ならをに置き換えてとしてもよい. さて以上と補題 19を踏まえると
を得る. ゆえにがわかる. ∎
定理 21.
とし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)
である.
-
(2)
の任意の閉集合と任意の開集合が を満たしているならば 開集合が存在して かつ
-
(3)
の開基 が存在して である.
の証明.
: (1),つまり という仮定から の部分集合 が存在して と を満たす. ここでの の任意の閉集合と任意の開集合が を満たしているとしよう. すると 補題 20より, の開集合が存在して と と を満たす. するとの定義よりとなる. これで (2)が示された.
定義 22 (小さい帰納次元).
空間の小さい帰納次元を帰納的に次のように定義する。
とし、まで定義されたとして
の任意の点との任意の近傍に対しての近傍が存在してかつを充たす。
と定義する。ちなみにとはかつである。
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).
空間の小さい帰納次元を帰納的に次のように定義する。
とし、まで定義されたとして
の任意の点との任意の近傍に対しての近傍が存在して かつを充たす。
と定義する。ちなみにとはかつである。
定義 24 (大きい帰納次元).
空間の大きい帰納次元を帰納的 に次のように定義する。
とし、まで定義されたとして
の 閉集合と開集合で を満たすものについて 開集合が存在して と そして を満たす.
と定義する。ちなみにとはかつである。
定理21から次のことが従う.
系 25.
可分距離化可能空間について
注意.
本来はを定義したのちに ならば個の 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.
とする. このとき と が成り立つ.
を使った別証明.
とする. と はともに境界が となる開集合からなる開基を持つ. よって と が成り立つ. 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 である.もしくはが有理数と無理数という二つの 次元集合の和であることと がの一点コンパクト化であることを用いても であることがわかる. よって帰納的に と 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).
を距離化可能空間とし, とをその閉集合とし, と仮定する. このとき 連続写像 で かつ となるものが存在する.
証明.
の位相を生成する距離関数を とする. 必要ならと取り替えることによって 最初から と仮定しても良い. さてウリゾーンの補題から 連続写像 であって かつ を満たすものが 存在する. このとき を と定義する. すると の連続性から の位相に関する仮定から もと同じ位相を生成する. このときの取り方から 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). そしてを と定義すると この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 かつ 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 27をと に2回適応して適当にアフィン変換を噛ませて と で, , , となるものを得る. そして を と定義すると, かつ となる. このようなことは一般的には が正規空間で とが ともに閉集合であるときに成り立つ.
定義 28.
を位相空間とし , , をその部分集合とする. と仮定する. このときがとを分離する とは開集合とが存在して , , そして を満たす時にいう. この時必然的には閉集合になることに注意しよう.
命題 29.
を距離空間とし, と, はその閉部分集合で はとを分離しているとする. このとき連続写像 で, , を満たすものが存在する.
証明.
開集合とを で , と を満たすものとする. 命題27 をとにそれぞれ適応して 連続写像 と で, , , を満たすものをとる. さてここで写像を
と定義する. このとき で上ではとが同じ値を取るので 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. このが求める条件を満たすのはとの満たす条件から従う. ∎
定理 30.
とし, を可分距離化可能空間で を満たすものとする. そして 個の閉集合の組み …, は を満たすとする. このとき個の の閉集合, …, が存在して はとを分離し, を満たす.
証明.
なので, , …, が存在して と を満たす. 各について と とに 補題20を適応して の開集合であって と そして を満たす. このとき とおけば は と を分離し である. このとき なので である. ∎
定理 31.
とし, を可分距離化可能空間で を満たすものとする. そして 個の閉集合の組み …, は を満たすとする. このとき各ごとに 連続写像が存在して と そして を満たす.
証明.
定義 32.
とする. 位相空間上の二つの連続写像について 連続写像 がとを結ぶ一様ホモトピーであるとは , を満たしそして 任意のについてあるが存在して がを満たすならば 任意のについて が成り立つときにいう. このようなが存在するときに とは 一様ホモトピックと呼ぶことにする.
定義 33.
とする. このとき とし 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 は次元閉球体で はその境界である次元球面である.
定義 34.
とし, とする. このとき と定義し で と定義する. さらに をの境界集合 とする. このとき であることに注意しよう. また はに同相であり, は に同相であることにも注意しよう.
命題 35.
としを 正規空間とし をその閉集合とする. このとき二つの写像 と が一様ホモトピックであるとする. このときがへの拡張 を持つならば も拡張 を持つ.
証明.
連続写像 をと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 適切にの有限点列をとれば 任意のとについて が成り立つ. よってとが一様ホモトピックであるという仮定の代わりに を満たすという仮定の元で 定理を証明すれば上記のを使って帰納的に 定理を証明することができる.以下ではの仮定の元の拡張を構築する.
まずティーチェの拡張定理を使って の拡張となる連続関数 を得る. そして
と定義するとは開集合である. ここで上で となるという仮定から である. さてウリゾーンの補題から 連続写像 で 上でを常にとり上で 恒等的にとなるものが存在する. ここで を
と定義するとこれは連続写像になる. 今からが任意の についてノンゼロであることを証明しよう.
まずについてはの値域は なので 任意のについて 以下の計算を得る.
つまり である. 特にである.
次にの時はがの値を取り続けることから 恒等的に である.特に である. 以上から任意の でとなることがわかった. そこで を
と定義すれば 上では確かにと一致する. これで証明が終わる. ∎
定理 36.
とする. そしてを可分距離化可能空間で を満たしているとする. このとき任意の閉集合上の 任意の連続関数 は 上への拡張となる連続関数 を持つ.
証明.
位相的には同じなので と を同一視する. よってはである. そして とし
とすると と はの閉集合でなおかつ を満たしさらに
となる. ここで 定理 31 から各について 連続写像 が存在して , を満たしさらに となるものが存在する. ここで
を と定義する. ここで と の性質からのとき は への写像になる.ここで とおく. そして を
と定義する. このが一様ホモトピーとなることを見よう. 任意のに対して
となる.との値域はともにであるから適切な実数が存在して 任意のについて であるからはとを結ぶ一様ホモトピーである.
ここでが上へ拡張できることを見よう. 関数はの制限であった. そして であるからの像にはを含んでいないので,から へ直線を伸ばしてとの交点を と定義するとこれは上ではに一致する 連続関数である. よってはへの拡張 を持つ. よって一様ホモトピーの存在から 命題35 より は拡張 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の境界点は 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.
とし を のコンパクト部分集合とする. このとき となるための必要十分条件は の内の任意の近傍 について の内の開近傍 であってを満たしかつ 任意の連続写像 は連続な拡張 を持つようなものが存在することである.
証明.
まず最初にを仮定して定理の条件を導く. をの任意の近傍とする. そしてをを中心とする十分小さい半径を持つ開球で を満たすものとする. このとき が条件を満たすことを見よう. ここでとするとは と同相である. 今ここで任意の連続写像 を考える. ここでは の閉集合である. 特にの閉集合でもある. ここで なので である. ここで に注意して 定理 36 から連続写像 の拡張である連続写像 を得る. さてとの共通部分は で,この上ではとは同じ値を取るので写像が貼り合わさって連続写像 を得る. そしてが の境界なので の点であってに属さないものを取ることができる. 任意の点について からへ伸ばした直線と との交点をとする. このとき は連続写像である. そしてを
と定義すると これら二つの関数とは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. このはちゃんとの拡張になっている.
逆にが 定理の条件を満たすとしよう. 背理法のためには の内点であるとする. ここでを中心とする十分小さい半径を持つ 開球でとなるものを考える. すると定理の仮定よりの開近傍で で任意の連続関数が上に拡張するものが存在する. ここで写像 を以下のように定義する. 点からへと直線を伸ばし との交点をとする. これは連続写像では と同相なので ちゃんと連続写像 を得る.このとき は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 が存在する. さてであった. このとき を考えると はから へのレトラクトになる. これはNo retract theorem に矛盾するので は境界点でなければならない. ∎
注意.
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).
とし は の開集合とする. そして を連続単射とする. このとき はの開集合である.
証明.
任意のについて がの内点であることを証明すれば良い. の十分小さい近傍でがコンパクトで であるものをとる. このときを考えると 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 点が境界点かどうかはの内在的な位相的条件で特徴づけられる.つまりはの内点であるから はの内点になる. よって特にはの内点である. ∎
系 39.
とを同じ次元の境界つき多様体とし を同相写像とする. このときはをに移す.
証明.
もしもがを に移すと,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に写っていることになるが, 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.
定理 41.
とする. このとき と の次元はちょうどである.
系 42.
とする. もしもと が同相ならば である.
系 43.
とする. の部分集合 は と が成り立っているとする. このときである.
定理 40 定理38 系 42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.