1 無限遠で消える連続関数
定義 1.1. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とする(§E2.24 定義 1.2 、§E2.15 定義 1.2 )。連続写像f : X → C f:X\to\mathbb C f : X → C が無限遠で消える (vanish at infinity ) とは、任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 に対して集合
{ x ∈ X : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } \{x\in X : |f(x)|\geq\varepsilon\} { x ∈ X : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } がX X X のコンパクト部分集合であることをいう。X X X 上の無限遠で消える複素数値連続関数の全体をC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) と書く。
例 1.2. X = R X=\mathbb R X = R は通常の位相について局所コンパクト Hausdorff である(§E2.24 例 5.1 )。関数f ( x ) = 1 / ( 1 + x 2 ) f(x)=1/(1+x^2) f ( x ) = 1/ ( 1 + x 2 ) は連続であり、C 0 ( R ) C_0(\mathbb R) C 0 ( R ) に属する。実際、ε > 1 \varepsilon>1 ε > 1 のとき{ x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } = ∅ \{x:|f(x)|\geq\varepsilon\}=\emptyset { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } = ∅ であり、0 < ε ≤ 1 0<\varepsilon\leq1 0 < ε ≤ 1 のとき
{ x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } = { x : x 2 ≤ 1 − ε ε } = [ − 1 − ε ε , 1 − ε ε ] \{x:|f(x)|\geq\varepsilon\}=\left\{x:x^2\leq\frac{1-\varepsilon}{\varepsilon}\right\}
=\left[-\sqrt{\frac{1-\varepsilon}{\varepsilon}},\sqrt{\frac{1-\varepsilon}{\varepsilon}}\right] { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } = { x : x 2 ≤ ε 1 − ε } = [ − ε 1 − ε , ε 1 − ε ] であり、これは§E2.9 定理 4.3 によりコンパクトである。一方、定数関数1 1 1 はC 0 ( R ) C_0(\mathbb R) C 0 ( R ) に属さない。{ x : ∣ 1 ∣ ≥ 1 / 2 } = R \{x:|1|\geq1/2\}=\mathbb R { x : ∣1∣ ≥ 1/2 } = R はコンパクトでないからである。
例 1.3. X = N X=\mathbb N X = N に離散位相を入れると、X X X は局所コンパクト Hausdorff である(§E2.24 例 5.1 )。離散空間の部分集合がコンパクトであることと有限集合であることは同値であるから、連続写像f : N → C f:\mathbb N\to\mathbb C f : N → C (離散位相のもとでは任意の写像が連続である)に対して、f ∈ C 0 ( N ) f\in C_0(\mathbb N) f ∈ C 0 ( N ) であることと、任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 について{ n : ∣ f ( n ) ∣ ≥ ε } \{n:|f(n)|\geq\varepsilon\} { n : ∣ f ( n ) ∣ ≥ ε } が有限であることは同値である。これは数列( f ( n ) ) n ∈ N (f(n))_{n\in\mathbb N} ( f ( n ) ) n ∈ N が0 0 0 に収束することと同値であるから、C 0 ( N ) C_0(\mathbb N) C 0 ( N ) は§E12.1 例 3.1 で定めた数列空間c 0 c_0 c 0 に一致する。
補題 1.4. 位相空間X X X のコンパクトな部分集合K K K と、A ⊆ K A\subseteq K A ⊆ K を満たすX X X の閉集合A A A に対して、A A A はコンパクトである。
証明. A ⊆ K A\subseteq K A ⊆ K であるからA = A ∩ K A=A\cap K A = A ∩ K である。A A A はX X X の閉集合であるから、§E2.12 命題 4.6 によりA A A はK K K の部分空間位相について閉集合である。K K K はコンパクト空間であるから、§E2.19 命題 4.1 をK K K を周囲の空間として適用すると、A A A はコンパクトである。▨
命題 1.5. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とする。C 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) は各点ごとの和とスカラー倍についてC \mathbb C C 上のベクトル空間であり、
∥ f ∥ ∞ : = sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ \|f\|_\infty:=\sup_{x\in X}|f(x)| ∥ f ∥ ∞ := x ∈ X sup ∣ f ( x ) ∣ はC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) 上のノルムである。ここでX = ∅ X=\emptyset X = ∅ のときは∥ f ∥ ∞ = 0 \|f\|_\infty=0 ∥ f ∥ ∞ = 0 とする。
証明. f ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) とする。K 1 : = { x ∈ X : ∣ f ( x ) ∣ ≥ 1 } K_1:=\{x\in X:|f(x)|\geq1\} K 1 := { x ∈ X : ∣ f ( x ) ∣ ≥ 1 } とおくと、K 1 K_1 K 1 はコンパクトである。K 1 = ∅ K_1=\emptyset K 1 = ∅ のとき、任意のx ∈ X x\in X x ∈ X について∣ f ( x ) ∣ < 1 |f(x)|<1 ∣ f ( x ) ∣ < 1 であるから∥ f ∥ ∞ ≤ 1 < ∞ \|f\|_\infty\leq1<\infty ∥ f ∥ ∞ ≤ 1 < ∞ である。K 1 ≠ ∅ K_1\neq\emptyset K 1 = ∅ のとき、∣ f ∣ : X → R |f|:X\to\mathbb R ∣ f ∣ : X → R は連続であるから、そのK 1 K_1 K 1 への制限は空でないコンパクト空間K 1 K_1 K 1 上の連続な実数値写像であり、§E2.19 定理 4.4 によりK 1 K_1 K 1 上で最大値M M M をとる。K 1 K_1 K 1 の定義からM ≥ 1 M\geq1 M ≥ 1 である。x ∈ K 1 x\in K_1 x ∈ K 1 ならば∣ f ( x ) ∣ ≤ M |f(x)|\leq M ∣ f ( x ) ∣ ≤ M であり、x ∉ K 1 x\notin K_1 x ∈ / K 1 ならば∣ f ( x ) ∣ < 1 ≤ M |f(x)|<1\leq M ∣ f ( x ) ∣ < 1 ≤ M である。したがって任意のx ∈ X x\in X x ∈ X について∣ f ( x ) ∣ ≤ M |f(x)|\leq M ∣ f ( x ) ∣ ≤ M であり、∥ f ∥ ∞ ≤ M < ∞ \|f\|_\infty\leq M<\infty ∥ f ∥ ∞ ≤ M < ∞ である。
f , g ∈ C 0 ( X ) f,g\in C_0(X) f , g ∈ C 0 ( X ) とする。和f + g f+g f + g がC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) に属することを示す。ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 をとり、K 1 : = { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε / 2 } K_1:=\{x:|f(x)|\geq\varepsilon/2\} K 1 := { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε /2 } 、K 2 : = { x : ∣ g ( x ) ∣ ≥ ε / 2 } K_2:=\{x:|g(x)|\geq\varepsilon/2\} K 2 := { x : ∣ g ( x ) ∣ ≥ ε /2 } とおくと、いずれもコンパクトである。∣ f ( x ) + g ( x ) ∣ ≥ ε |f(x)+g(x)|\geq\varepsilon ∣ f ( x ) + g ( x ) ∣ ≥ ε かつ∣ f ( x ) ∣ < ε / 2 |f(x)|<\varepsilon/2 ∣ f ( x ) ∣ < ε /2 かつ∣ g ( x ) ∣ < ε / 2 |g(x)|<\varepsilon/2 ∣ g ( x ) ∣ < ε /2 を同時に満たすx x x は存在しない。三角不等式によりそのようなx x x では∣ f ( x ) + g ( x ) ∣ < ε |f(x)+g(x)|<\varepsilon ∣ f ( x ) + g ( x ) ∣ < ε となるからである。したがって
{ x : ∣ f ( x ) + g ( x ) ∣ ≥ ε } ⊆ K 1 ∪ K 2 \{x:|f(x)+g(x)|\geq\varepsilon\}\subseteq K_1\cup K_2 { x : ∣ f ( x ) + g ( x ) ∣ ≥ ε } ⊆ K 1 ∪ K 2 である。左辺は連続写像∣ f + g ∣ |f+g| ∣ f + g ∣ による開集合( − ∞ , ε ) (-\infty,\varepsilon) ( − ∞ , ε ) の逆像の補集合であるからX X X の閉集合であり、§E2.19 補題 2.8 によりK 1 ∪ K 2 K_1\cup K_2 K 1 ∪ K 2 はコンパクトである。補題 1.4 により、左辺はコンパクトである。ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 は任意であったからf + g ∈ C 0 ( X ) f+g\in C_0(X) f + g ∈ C 0 ( X ) である。f + g f+g f + g は連続写像の和として連続である。
α ∈ C \alpha\in\mathbb C α ∈ C 、f ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) とする。α = 0 \alpha=0 α = 0 のときα f \alpha f α f は恒等的に0 0 0 であり、任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 について{ x : ∣ 0 ∣ ≥ ε } = ∅ \{x:|0|\geq\varepsilon\}=\emptyset { x : ∣0∣ ≥ ε } = ∅ はコンパクトであるからα f ∈ C 0 ( X ) \alpha f\in C_0(X) α f ∈ C 0 ( X ) である。α ≠ 0 \alpha\neq0 α = 0 のとき、任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 について{ x : ∣ α f ( x ) ∣ ≥ ε } = { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε / ∣ α ∣ } \{x:|\alpha f(x)|\geq\varepsilon\}=\{x:|f(x)|\geq\varepsilon/|\alpha|\} { x : ∣ α f ( x ) ∣ ≥ ε } = { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε /∣ α ∣ } はコンパクトであるからα f ∈ C 0 ( X ) \alpha f\in C_0(X) α f ∈ C 0 ( X ) である。α f \alpha f α f は連続写像のスカラー倍として連続である。恒等的に0 0 0 である関数はC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) に属する。以上によりC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) はC \mathbb C C 上のベクトル空間である。
∥ ⋅ ∥ ∞ \|\cdot\|_\infty ∥ ⋅ ∥ ∞ がノルムであることを示す。f , g ∈ C 0 ( X ) f,g\in C_0(X) f , g ∈ C 0 ( X ) について、上で示した有界性から∥ f ∥ ∞ < ∞ \|f\|_\infty<\infty ∥ f ∥ ∞ < ∞ である。∥ f ∥ ∞ = 0 \|f\|_\infty=0 ∥ f ∥ ∞ = 0 であることと、任意のx ∈ X x\in X x ∈ X についてf ( x ) = 0 f(x)=0 f ( x ) = 0 であることは、各点での絶対値の非負性から同値である。α ∈ C \alpha\in\mathbb C α ∈ C について∥ α f ∥ ∞ = sup x ∣ α f ( x ) ∣ = ∣ α ∣ sup x ∣ f ( x ) ∣ = ∣ α ∣ ∥ f ∥ ∞ \|\alpha f\|_\infty=\sup_x|\alpha f(x)|=|\alpha|\sup_x|f(x)|=|\alpha|\|f\|_\infty ∥ α f ∥ ∞ = sup x ∣ α f ( x ) ∣ = ∣ α ∣ sup x ∣ f ( x ) ∣ = ∣ α ∣∥ f ∥ ∞ である。三角不等式により、任意のx ∈ X x\in X x ∈ X で∣ f ( x ) + g ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) ∣ + ∣ g ( x ) ∣ ≤ ∥ f ∥ ∞ + ∥ g ∥ ∞ |f(x)+g(x)|\leq|f(x)|+|g(x)|\leq\|f\|_\infty+\|g\|_\infty ∣ f ( x ) + g ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) ∣ + ∣ g ( x ) ∣ ≤ ∥ f ∥ ∞ + ∥ g ∥ ∞ であるから、上限をとると∥ f + g ∥ ∞ ≤ ∥ f ∥ ∞ + ∥ g ∥ ∞ \|f+g\|_\infty\leq\|f\|_\infty+\|g\|_\infty ∥ f + g ∥ ∞ ≤ ∥ f ∥ ∞ + ∥ g ∥ ∞ である。したがって∥ ⋅ ∥ ∞ \|\cdot\|_\infty ∥ ⋅ ∥ ∞ はC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) 上のノルムである。▨
定理 1.6. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とする。( C 0 ( X ) , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) (C_0(X),\|\cdot\|_\infty) ( C 0 ( X ) , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) は Banach 空間である。
証明. ( f n ) n ≥ 1 (f_n)_{n\geq1} ( f n ) n ≥ 1 をC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) の∥ ⋅ ∥ ∞ \|\cdot\|_\infty ∥ ⋅ ∥ ∞ に関する Cauchy 列とする。各x ∈ X x\in X x ∈ X について∣ f n ( x ) − f m ( x ) ∣ ≤ ∥ f n − f m ∥ ∞ |f_n(x)-f_m(x)|\leq\|f_n-f_m\|_\infty ∣ f n ( x ) − f m ( x ) ∣ ≤ ∥ f n − f m ∥ ∞ であるから( f n ( x ) ) n ≥ 1 (f_n(x))_{n\geq1} ( f n ( x ) ) n ≥ 1 はC \mathbb C C の Cauchy 列であり、極限f ( x ) : = lim n f n ( x ) f(x):=\lim_nf_n(x) f ( x ) := lim n f n ( x ) が存在する。
ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 をとる。Cauchy 性により、あるN N N が存在してn , m ≥ N n,m\geq N n , m ≥ N ならば∥ f n − f m ∥ ∞ < ε / 2 \|f_n-f_m\|_\infty<\varepsilon/2 ∥ f n − f m ∥ ∞ < ε /2 である。n ≥ N n\geq N n ≥ N を固定し、m → ∞ m\to\infty m → ∞ とすると、任意のx ∈ X x\in X x ∈ X について∣ f n ( x ) − f ( x ) ∣ ≤ ε / 2 < ε |f_n(x)-f(x)|\leq\varepsilon/2<\varepsilon ∣ f n ( x ) − f ( x ) ∣ ≤ ε /2 < ε となる。したがってn ≥ N n\geq N n ≥ N ならば∥ f n − f ∥ ∞ ≤ ε / 2 \|f_n-f\|_\infty\leq\varepsilon/2 ∥ f n − f ∥ ∞ ≤ ε /2 であり、( f n ) (f_n) ( f n ) はf f f に一様収束する。
f f f が連続であることを示す。x 0 ∈ X x_0\in X x 0 ∈ X とε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 をとる。上の一様収束から、∥ f − f n ∥ ∞ < ε / 3 \|f-f_n\|_\infty<\varepsilon/3 ∥ f − f n ∥ ∞ < ε /3 を満たすn n n が存在する。f n f_n f n の連続性により、x 0 x_0 x 0 のある近傍V V V が存在して、x ∈ V x\in V x ∈ V ならば∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ < ε / 3 |f_n(x)-f_n(x_0)|<\varepsilon/3 ∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ < ε /3 となる。x ∈ V x\in V x ∈ V のとき
∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ + ∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ + ∣ f n ( x 0 ) − f ( x 0 ) ∣ < ε |f(x)-f(x_0)|
\leq|f(x)-f_n(x)|+|f_n(x)-f_n(x_0)|+|f_n(x_0)-f(x_0)|
<\varepsilon ∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ + ∣ f n ( x ) − f n ( x 0 ) ∣ + ∣ f n ( x 0 ) − f ( x 0 ) ∣ < ε である。したがってf f f はx 0 x_0 x 0 で連続であり、x 0 ∈ X x_0\in X x 0 ∈ X は任意であったからf f f はX X X 上で連続である。
f f f が無限遠で消えることを示す。ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 をとり、∥ f − f n ∥ ∞ < ε / 2 \|f-f_n\|_\infty<\varepsilon/2 ∥ f − f n ∥ ∞ < ε /2 を満たすn n n を固定する。K : = { x ∈ X : ∣ f n ( x ) ∣ ≥ ε / 2 } K:=\{x\in X:|f_n(x)|\geq\varepsilon/2\} K := { x ∈ X : ∣ f n ( x ) ∣ ≥ ε /2 } とおくと、f n ∈ C 0 ( X ) f_n\in C_0(X) f n ∈ C 0 ( X ) よりK K K はコンパクトである。∣ f ( x ) ∣ ≥ ε |f(x)|\geq\varepsilon ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε を満たすx x x に対して
∣ f n ( x ) ∣ ≥ ∣ f ( x ) ∣ − ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ > ε − ε / 2 = ε / 2 |f_n(x)|\geq|f(x)|-|f(x)-f_n(x)|>\varepsilon-\varepsilon/2=\varepsilon/2 ∣ f n ( x ) ∣ ≥ ∣ f ( x ) ∣ − ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ > ε − ε /2 = ε /2 であるからx ∈ K x\in K x ∈ K である。したがって{ x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } ⊆ K \{x:|f(x)|\geq\varepsilon\}\subseteq K { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } ⊆ K である。左辺は連続写像f f f による開集合{ z ∈ C : ∣ z ∣ < ε } \{z\in\mathbb C:|z|<\varepsilon\} { z ∈ C : ∣ z ∣ < ε } の逆像の補集合であるからX X X の閉集合であり、補題 1.4 により{ x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } \{x:|f(x)|\geq\varepsilon\} { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } はコンパクトである。ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 は任意であったからf ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) である。
以上によりf ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) でありf n → f f_n\to f f n → f は∥ ⋅ ∥ ∞ \|\cdot\|_\infty ∥ ⋅ ∥ ∞ について成り立つ。命題 1.5 と合わせて、( C 0 ( X ) , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) (C_0(X),\|\cdot\|_\infty) ( C 0 ( X ) , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) は Banach 空間である。▨
2 可換 C* 環としての構造
定理 2.1. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とする。各点ごとの積( f g ) ( x ) : = f ( x ) g ( x ) (fg)(x):=f(x)g(x) ( f g ) ( x ) := f ( x ) g ( x ) と対合f ∗ ( x ) : = f ( x ) ‾ f^*(x):=\overline{f(x)} f ∗ ( x ) := f ( x ) について、C 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) は可換 C* 環である。
証明. f , g ∈ C 0 ( X ) f,g\in C_0(X) f , g ∈ C 0 ( X ) とする。∥ g ∥ ∞ = 0 \|g\|_\infty=0 ∥ g ∥ ∞ = 0 のときはg g g が恒等的に0 0 0 であるからf g fg f g も恒等的に0 0 0 でありf g ∈ C 0 ( X ) fg\in C_0(X) f g ∈ C 0 ( X ) である。∥ g ∥ ∞ > 0 \|g\|_\infty>0 ∥ g ∥ ∞ > 0 とする。ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 をとる。∣ f ( x ) g ( x ) ∣ ≥ ε |f(x)g(x)|\geq\varepsilon ∣ f ( x ) g ( x ) ∣ ≥ ε ならば∣ g ( x ) ∣ ≤ ∥ g ∥ ∞ |g(x)|\leq\|g\|_\infty ∣ g ( x ) ∣ ≤ ∥ g ∥ ∞ より∣ f ( x ) ∣ ≥ ε / ∥ g ∥ ∞ |f(x)|\geq\varepsilon/\|g\|_\infty ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε /∥ g ∥ ∞ であるから
{ x : ∣ f ( x ) g ( x ) ∣ ≥ ε } ⊆ { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε / ∥ g ∥ ∞ } \{x:|f(x)g(x)|\geq\varepsilon\}\subseteq\{x:|f(x)|\geq\varepsilon/\|g\|_\infty\} { x : ∣ f ( x ) g ( x ) ∣ ≥ ε } ⊆ { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε /∥ g ∥ ∞ } である。右辺はコンパクトであり、左辺は連続写像f g fg f g による開集合{ z : ∣ z ∣ < ε } \{z:|z|<\varepsilon\} { z : ∣ z ∣ < ε } の逆像の補集合として閉集合であるから、補題 1.4 により左辺はコンパクトである。したがってf g ∈ C 0 ( X ) fg\in C_0(X) f g ∈ C 0 ( X ) である。f g fg f g は連続写像の積として連続である。各点での積がC \mathbb C C の乗法であることから、この積は結合的、分配的、かつ可換である。任意のx ∈ X x\in X x ∈ X について∣ f ( x ) g ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) ∣ ∣ g ( x ) ∣ ≤ ∥ f ∥ ∞ ∥ g ∥ ∞ |f(x)g(x)|=|f(x)||g(x)|\leq\|f\|_\infty\|g\|_\infty ∣ f ( x ) g ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) ∣∣ g ( x ) ∣ ≤ ∥ f ∥ ∞ ∥ g ∥ ∞ であるから、∥ f g ∥ ∞ ≤ ∥ f ∥ ∞ ∥ g ∥ ∞ \|fg\|_\infty\leq\|f\|_\infty\|g\|_\infty ∥ f g ∥ ∞ ≤ ∥ f ∥ ∞ ∥ g ∥ ∞ である。
f ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) に対してf ∗ ( x ) = f ( x ) ‾ f^*(x)=\overline{f(x)} f ∗ ( x ) = f ( x ) は連続であり、∣ f ( x ) ‾ ∣ = ∣ f ( x ) ∣ |\overline{f(x)}|=|f(x)| ∣ f ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) ∣ であるから、任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 について{ x : ∣ f ∗ ( x ) ∣ ≥ ε } = { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } \{x:|f^*(x)|\geq\varepsilon\}=\{x:|f(x)|\geq\varepsilon\} { x : ∣ f ∗ ( x ) ∣ ≥ ε } = { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } はコンパクトである。したがってf ∗ ∈ C 0 ( X ) f^*\in C_0(X) f ∗ ∈ C 0 ( X ) である。α , β ∈ C \alpha,\beta\in\mathbb C α , β ∈ C 、f , g ∈ C 0 ( X ) f,g\in C_0(X) f , g ∈ C 0 ( X ) に対して、各点でα f ( x ) + β g ( x ) ‾ = α ‾ f ( x ) ‾ + β ‾ g ( x ) ‾ \overline{\alpha f(x)+\beta g(x)}=\overline\alpha\,\overline{f(x)}+\overline\beta\,\overline{g(x)} α f ( x ) + β g ( x ) = α f ( x ) + β g ( x ) であるから( α f + β g ) ∗ = α ‾ f ∗ + β ‾ g ∗ (\alpha f+\beta g)^*=\overline\alpha f^*+\overline\beta g^* ( α f + β g ) ∗ = α f ∗ + β g ∗ である。各点でf ( x ) ‾ ‾ = f ( x ) \overline{\overline{f(x)}}=f(x) f ( x ) = f ( x ) であるから( f ∗ ) ∗ = f (f^*)^*=f ( f ∗ ) ∗ = f である。各点でf ( x ) g ( x ) ‾ = f ( x ) ‾ g ( x ) ‾ \overline{f(x)g(x)}=\overline{f(x)}\,\overline{g(x)} f ( x ) g ( x ) = f ( x ) g ( x ) であるから( f g ) ∗ = f ∗ g ∗ (fg)^*=f^*g^* ( f g ) ∗ = f ∗ g ∗ であり、積の可換性からf ∗ g ∗ = g ∗ f ∗ f^*g^*=g^*f^* f ∗ g ∗ = g ∗ f ∗ でもある。任意のx ∈ X x\in X x ∈ X について∣ f ( x ) ‾ ∣ = ∣ f ( x ) ∣ |\overline{f(x)}|=|f(x)| ∣ f ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) ∣ であるから∥ f ∗ ∥ ∞ = ∥ f ∥ ∞ \|f^*\|_\infty=\|f\|_\infty ∥ f ∗ ∥ ∞ = ∥ f ∥ ∞ である。
以上と定理 1.6 により、C 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) は対合を備えた複素 Banach 環である。任意のx ∈ X x\in X x ∈ X について∣ f ∗ ( x ) f ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) ‾ f ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) ∣ 2 |f^*(x)f(x)|=|\overline{f(x)}f(x)|=|f(x)|^2 ∣ f ∗ ( x ) f ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) f ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) ∣ 2 である。t ↦ t 2 t\mapsto t^2 t ↦ t 2 は[ 0 , ∞ ) [0,\infty) [ 0 , ∞ ) 上で単調増加であるから
∥ f ∗ f ∥ ∞ = sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ 2 = ( sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ ) 2 = ∥ f ∥ ∞ 2 \|f^*f\|_\infty=\sup_{x\in X}|f(x)|^2=\left(\sup_{x\in X}|f(x)|\right)^2=\|f\|_\infty^2 ∥ f ∗ f ∥ ∞ = x ∈ X sup ∣ f ( x ) ∣ 2 = ( x ∈ X sup ∣ f ( x ) ∣ ) 2 = ∥ f ∥ ∞ 2 である。したがって§E12.15 定義 1.2 によりC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) は C* 環であり、積の可換性から可換 C* 環である。▨
3 台がコンパクトな関数
定義 3.1. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とし、f : X → C f:X\to\mathbb C f : X → C を連続写像とする。f f f の台 (support ) を
supp f : = { x ∈ X : f ( x ) ≠ 0 } ‾ \operatorname{supp}f:=\overline{\{x\in X:f(x)\neq0\}} supp f := { x ∈ X : f ( x ) = 0 } と定める。台がコンパクトな連続関数の全体をC c ( X ) C_c(X) C c ( X ) と書く。
命題 3.2. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とする。C c ( X ) ⊆ C 0 ( X ) C_c(X)\subseteq C_0(X) C c ( X ) ⊆ C 0 ( X ) である。
証明. f ∈ C c ( X ) f\in C_c(X) f ∈ C c ( X ) とし、K : = supp f K:=\operatorname{supp}f K := supp f とおく。x ∉ K x\notin K x ∈ / K とすると、K K K は{ y : f ( y ) ≠ 0 } \{y:f(y)\neq0\} { y : f ( y ) = 0 } の閉包であるから、x x x には{ y : f ( y ) ≠ 0 } \{y:f(y)\neq0\} { y : f ( y ) = 0 } と交わらない開近傍があり、とくにf ( x ) = 0 f(x)=0 f ( x ) = 0 である。したがって、任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 について
{ x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } ⊆ K \{x:|f(x)|\geq\varepsilon\}\subseteq K { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } ⊆ K である。左辺は連続写像f f f による開集合{ z : ∣ z ∣ < ε } \{z:|z|<\varepsilon\} { z : ∣ z ∣ < ε } の逆像の補集合であるから閉集合であり、補題 1.4 によりコンパクトである。したがってf ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) である。▨
補題 3.3. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とし、K ⊆ X K\subseteq X K ⊆ X をコンパクト部分集合、W ⊆ X W\subseteq X W ⊆ X をK ⊆ W K\subseteq W K ⊆ W を満たす開部分集合とする。このとき、連続写像g : X → [ 0 , 1 ] g:X\to[0,1] g : X → [ 0 , 1 ] であって、すべてのx ∈ K x\in K x ∈ K についてg ( x ) = 1 g(x)=1 g ( x ) = 1 、すべてのx ∈ X ∖ W x\in X\setminus W x ∈ X ∖ W についてg ( x ) = 0 g(x)=0 g ( x ) = 0 を満たし、supp g \operatorname{supp}g supp g (定義 3.1 )がコンパクトであるものが存在する。g g g を複素数値の写像とみなすとg ∈ C c ( X ) g\in C_c(X) g ∈ C c ( X ) であり、とくにg ∈ C 0 ( X ) g\in C_0(X) g ∈ C 0 ( X ) である。
証明. 各x ∈ K x\in K x ∈ K に対して、§E2.24 定理 1.6 をx x x と開集合W W W に適用すると、開集合V x V_x V x であってx ∈ V x ⊆ V x ‾ ⊆ W x\in V_x\subseteq\overline{V_x}\subseteq W x ∈ V x ⊆ V x ⊆ W を満たしV x ‾ \overline{V_x} V x がコンパクトであるものが存在する。族{ V x } x ∈ K \{V_x\}_{x\in K} { V x } x ∈ K はX X X の開集合からなりK K K を覆うから、§E2.19 命題 2.6 (2) により、有限個の点x 1 , … , x n ∈ K x_1,\ldots,x_n\in K x 1 , … , x n ∈ K (n ∈ Z ≥ 0 n\in\mathbb Z_{\geq0} n ∈ Z ≥ 0 )が存在してK ⊆ V x 1 ∪ ⋯ ∪ V x n K\subseteq V_{x_1}\cup\cdots\cup V_{x_n} K ⊆ V x 1 ∪ ⋯ ∪ V x n となる。U : = V x 1 ∪ ⋯ ∪ V x n U:=V_{x_1}\cup\cdots\cup V_{x_n} U := V x 1 ∪ ⋯ ∪ V x n とおく。U U U は開集合でありK ⊆ U ⊆ W K\subseteq U\subseteq W K ⊆ U ⊆ W である。
n ≥ 1 n\geq1 n ≥ 1 のとき、§E2.2 公式 3.3 を繰り返し適用するとU ‾ = V x 1 ‾ ∪ ⋯ ∪ V x n ‾ \overline U=\overline{V_{x_1}}\cup\cdots\cup\overline{V_{x_n}} U = V x 1 ∪ ⋯ ∪ V x n であり、§E2.19 補題 2.8 によりこれはコンパクトである。n = 0 n=0 n = 0 のときU = ∅ U=\emptyset U = ∅ でありU ‾ = ∅ \overline U=\emptyset U = ∅ もコンパクトである。いずれの場合もU ‾ \overline U U はコンパクトである。
§E2.24 定理 2.3 をX X X 、コンパクト部分集合K K K 、開部分集合U U U に適用すると、連続写像g : X → [ 0 , 1 ] g:X\to[0,1] g : X → [ 0 , 1 ] であって、すべてのx ∈ K x\in K x ∈ K についてg ( x ) = 1 g(x)=1 g ( x ) = 1 、すべてのx ∈ X ∖ U x\in X\setminus U x ∈ X ∖ U についてg ( x ) = 0 g(x)=0 g ( x ) = 0 を満たすものが存在する。U ⊆ W U\subseteq W U ⊆ W であるからX ∖ W ⊆ X ∖ U X\setminus W\subseteq X\setminus U X ∖ W ⊆ X ∖ U であり、すべてのx ∈ X ∖ W x\in X\setminus W x ∈ X ∖ W についてg ( x ) = 0 g(x)=0 g ( x ) = 0 である。
g ( x ) ≠ 0 g(x)\neq0 g ( x ) = 0 ならばx ∈ U x\in U x ∈ U であるから{ x ∈ X : g ( x ) ≠ 0 } ⊆ U \{x\in X:g(x)\neq0\}\subseteq U { x ∈ X : g ( x ) = 0 } ⊆ U であり、定義 3.1 によりsupp g ⊆ U ‾ \operatorname{supp}g\subseteq\overline U supp g ⊆ U である。supp g \operatorname{supp}g supp g は閉包として閉集合でありU ‾ \overline U U はコンパクトであるから、補題 1.4 によりsupp g \operatorname{supp}g supp g はコンパクトである。したがってg ∈ C c ( X ) g\in C_c(X) g ∈ C c ( X ) であり、命題 3.2 によりg ∈ C 0 ( X ) g\in C_0(X) g ∈ C 0 ( X ) である。▨
定理 3.4. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とする。C c ( X ) C_c(X) C c ( X ) は( C 0 ( X ) , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) (C_0(X),\|\cdot\|_\infty) ( C 0 ( X ) , ∥ ⋅ ∥ ∞ ) で稠密である。
証明. f ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) 、ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 とする。K : = { x ∈ X : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } K:=\{x\in X:|f(x)|\geq\varepsilon\} K := { x ∈ X : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } とおくと、K K K はコンパクトである。補題 3.3 をX X X 、コンパクト部分集合K K K 、開部分集合W = X W=X W = X に適用すると、連続写像φ : X → [ 0 , 1 ] \varphi:X\to[0,1] φ : X → [ 0 , 1 ] であって、すべてのx ∈ K x\in K x ∈ K についてφ ( x ) = 1 \varphi(x)=1 φ ( x ) = 1 を満たし、supp φ \operatorname{supp}\varphi supp φ がコンパクトであるものが存在する。
g : = φ f g:=\varphi f g := φ f とおく。g g g は連続写像の積として連続である。g ( x ) ≠ 0 g(x)\neq0 g ( x ) = 0 ならばφ ( x ) ≠ 0 \varphi(x)\neq0 φ ( x ) = 0 であるから{ x : g ( x ) ≠ 0 } ⊆ { x : φ ( x ) ≠ 0 } \{x:g(x)\neq0\}\subseteq\{x:\varphi(x)\neq0\} { x : g ( x ) = 0 } ⊆ { x : φ ( x ) = 0 } であり、§E2.2 公式 3.3 の単調性によりsupp g ⊆ supp φ \operatorname{supp}g\subseteq\operatorname{supp}\varphi supp g ⊆ supp φ である。supp g \operatorname{supp}g supp g は閉包として閉集合でありsupp φ \operatorname{supp}\varphi supp φ はコンパクトであるから、補題 1.4 によりsupp g \operatorname{supp}g supp g はコンパクトである。したがってg ∈ C c ( X ) g\in C_c(X) g ∈ C c ( X ) である。
∥ f − g ∥ ∞ ≤ ε \|f-g\|_\infty\leq\varepsilon ∥ f − g ∥ ∞ ≤ ε を示す。x ∈ K x\in K x ∈ K のときφ ( x ) = 1 \varphi(x)=1 φ ( x ) = 1 であるからf ( x ) − g ( x ) = f ( x ) − φ ( x ) f ( x ) = 0 f(x)-g(x)=f(x)-\varphi(x)f(x)=0 f ( x ) − g ( x ) = f ( x ) − φ ( x ) f ( x ) = 0 である。x ∉ K x\notin K x ∈ / K のとき∣ f ( x ) ∣ < ε |f(x)|<\varepsilon ∣ f ( x ) ∣ < ε であり、φ ( x ) ∈ [ 0 , 1 ] \varphi(x)\in[0,1] φ ( x ) ∈ [ 0 , 1 ] より∣ 1 − φ ( x ) ∣ ≤ 1 |1-\varphi(x)|\leq1 ∣1 − φ ( x ) ∣ ≤ 1 であるから
∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) ∣ ∣ 1 − φ ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) ∣ < ε |f(x)-g(x)|=|f(x)|\,|1-\varphi(x)|\leq|f(x)|<\varepsilon ∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ = ∣ f ( x ) ∣ ∣1 − φ ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) ∣ < ε である。いずれの場合も∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ ≤ ε |f(x)-g(x)|\leq\varepsilon ∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ ≤ ε であるから、∥ f − g ∥ ∞ ≤ ε \|f-g\|_\infty\leq\varepsilon ∥ f − g ∥ ∞ ≤ ε である。g ∈ C c ( X ) g\in C_c(X) g ∈ C c ( X ) でありε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 は任意であったから、C c ( X ) C_c(X) C c ( X ) はC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) で稠密である。▨
4 コンパクトな場合
命題 4.1. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とする。
X X X がコンパクトならばC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) はX X X 上のすべての連続関数の空間C ( X ) C(X) C ( X ) に一致し、定数関数1 1 1 がC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) の単位元である。このときC 0 ( X ) = C ( X ) C_0(X)=C(X) C 0 ( X ) = C ( X ) は可換 C* 環であり、とくに可換 Banach 環である。X ≠ ∅ X\neq\emptyset X = ∅ ならば∥ 1 ∥ ∞ = 1 \|1\|_\infty=1 ∥1 ∥ ∞ = 1 であるから、C ( X ) C(X) C ( X ) は単位的可換 C* 環かつ単位的可換 Banach 環である。ただしX = ∅ X=\emptyset X = ∅ のときはC 0 ( ∅ ) = { 0 } C_0(\emptyset)=\{0\} C 0 ( ∅ ) = { 0 } であってこの単位元は0 0 0 に等しく、∥ 0 ∥ ∞ = 0 ≠ 1 \|0\|_\infty=0\neq1 ∥0 ∥ ∞ = 0 = 1 であるから、C 0 ( ∅ ) C_0(\emptyset) C 0 ( ∅ ) は単位的ではない。
X X X がコンパクトでないならばC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) は単位元をもたない。
証明. (1) を示す。X X X がコンパクトであるとする。f ∈ C ( X ) f\in C(X) f ∈ C ( X ) とすると、任意のε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 について{ x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } \{x:|f(x)|\geq\varepsilon\} { x : ∣ f ( x ) ∣ ≥ ε } は連続写像f f f による開集合{ z : ∣ z ∣ < ε } \{z:|z|<\varepsilon\} { z : ∣ z ∣ < ε } の逆像の補集合としてX X X の閉集合であり、X X X 自身がコンパクトであるから§E2.19 命題 4.1 によりコンパクトである。したがってf ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) である。C 0 ( X ) ⊆ C ( X ) C_0(X)\subseteq C(X) C 0 ( X ) ⊆ C ( X ) は定義から成り立つのでC 0 ( X ) = C ( X ) C_0(X)=C(X) C 0 ( X ) = C ( X ) である。定数関数1 1 1 は連続であるから1 ∈ C 0 ( X ) = C ( X ) 1\in C_0(X)=C(X) 1 ∈ C 0 ( X ) = C ( X ) であり、任意のf ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) について各点で1 ⋅ f ( x ) = f ( x ) = f ( x ) ⋅ 1 1\cdot f(x)=f(x)=f(x)\cdot1 1 ⋅ f ( x ) = f ( x ) = f ( x ) ⋅ 1 であるから、1 1 1 は単位元である。定理 2.1 によりC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) は可換 C* 環であり、したがって可換 Banach 環である。X ≠ ∅ X\neq\emptyset X = ∅ のとき、定数関数1 1 1 について∥ 1 ∥ ∞ = sup x ∈ X ∣ 1 ∣ = 1 \|1\|_\infty=\sup_{x\in X}|1|=1 ∥1 ∥ ∞ = sup x ∈ X ∣1∣ = 1 であるから、C 0 ( X ) = C ( X ) C_0(X)=C(X) C 0 ( X ) = C ( X ) は単位的可換 C* 環かつ単位的可換 Banach 環である。X = ∅ X=\emptyset X = ∅ のときC 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) の元は空写像だけであるからC 0 ( ∅ ) = { 0 } C_0(\emptyset)=\{0\} C 0 ( ∅ ) = { 0 } であり、定数関数1 1 1 はこの空写像、すなわち0 0 0 に等しい。∥ 0 ∥ ∞ = 0 \|0\|_\infty=0 ∥0 ∥ ∞ = 0 であって単位的であるために必要な∥ 1 ∥ = 1 \|1\|=1 ∥1∥ = 1 を満たさないから、C 0 ( ∅ ) C_0(\emptyset) C 0 ( ∅ ) は単位的ではない。
(2) を示す。X X X がコンパクトでないとする。§E2.19 定義 2.1 により、X = ∅ X=\emptyset X = ∅ ならば空の部分族が有限部分被覆となってX X X はコンパクトになるので、X ≠ ∅ X\neq\emptyset X = ∅ である。e ∈ C 0 ( X ) e\in C_0(X) e ∈ C 0 ( X ) が単位元であると仮定する。x 0 ∈ X x_0\in X x 0 ∈ X をとる。{ x 0 } \{x_0\} { x 0 } はコンパクトであるから、補題 3.3 をX X X 、コンパクト部分集合{ x 0 } \{x_0\} { x 0 } 、開部分集合W = X W=X W = X に適用すると、φ ∈ C 0 ( X ) \varphi\in C_0(X) φ ∈ C 0 ( X ) であってφ ( x 0 ) = 1 \varphi(x_0)=1 φ ( x 0 ) = 1 を満たすものが存在する。
e e e が単位元であることからe ( x 0 ) φ ( x 0 ) = φ ( x 0 ) e(x_0)\varphi(x_0)=\varphi(x_0) e ( x 0 ) φ ( x 0 ) = φ ( x 0 ) であり、φ ( x 0 ) = 1 ≠ 0 \varphi(x_0)=1\neq0 φ ( x 0 ) = 1 = 0 であるからe ( x 0 ) = 1 e(x_0)=1 e ( x 0 ) = 1 である。x 0 ∈ X x_0\in X x 0 ∈ X は任意であったから、e e e はX X X 上の定数関数1 1 1 に一致する。しかしX X X はコンパクトでないから{ x : ∣ e ( x ) ∣ ≥ 1 } = X \{x:|e(x)|\geq1\}=X { x : ∣ e ( x ) ∣ ≥ 1 } = X はコンパクトでなく、e ∈ C 0 ( X ) e\in C_0(X) e ∈ C 0 ( X ) に反する。したがって単位元をもつe ∈ C 0 ( X ) e\in C_0(X) e ∈ C 0 ( X ) は存在しない。▨
例 4.2. X = [ 0 , 1 ] X=[0,1] X = [ 0 , 1 ] は Euclid 距離が定める通常の位相について、§E2.9 定理 4.3 によりコンパクトであり、§E2.15 定理 3.2 により Hausdorff である。命題 4.1 によりC 0 ( [ 0 , 1 ] ) = C [ 0 , 1 ] C_0([0,1])=C[0,1] C 0 ([ 0 , 1 ]) = C [ 0 , 1 ] であり、定数関数1 1 1 が単位元である。C [ 0 , 1 ] C[0,1] C [ 0 , 1 ] が一様ノルムについて完備であることは§E12.1 定理 3.2 で既に証明されており、定理 1.6 はこの結果を局所コンパクトだが非コンパクトな場合へ拡張したものにあたる。
5 演習
問題 5.1. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とし、f ∈ C 0 ( X ) f\in C_0(X) f ∈ C 0 ( X ) を恒等的に0 0 0 でない関数とする。あるx 0 ∈ X x_0\in X x 0 ∈ X が存在して∣ f ( x 0 ) ∣ = ∥ f ∥ ∞ |f(x_0)|=\|f\|_\infty ∣ f ( x 0 ) ∣ = ∥ f ∥ ∞ となることを証明せよ。
解答. M : = ∥ f ∥ ∞ M:=\|f\|_\infty M := ∥ f ∥ ∞ とおくと、f f f が恒等的に0 0 0 でないことと命題 1.5 のノルムの正定値性からM > 0 M>0 M > 0 である。K : = { x ∈ X : ∣ f ( x ) ∣ ≥ M / 2 } K:=\{x\in X:|f(x)|\geq M/2\} K := { x ∈ X : ∣ f ( x ) ∣ ≥ M /2 } とおくと、K K K はコンパクトであり、M / 2 < M = sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ M/2<M=\sup_{x\in X}|f(x)| M /2 < M = sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ から∣ f ( x ) ∣ > M / 2 |f(x)|>M/2 ∣ f ( x ) ∣ > M /2 を満たすx ∈ X x\in X x ∈ X が存在するのでK ≠ ∅ K\neq\emptyset K = ∅ である。
∣ f ∣ : X → R |f|:X\to\mathbb R ∣ f ∣ : X → R は連続であるから、そのK K K への制限は空でないコンパクト空間K K K 上の連続な実数値写像である。§E2.19 定理 4.4 により、あるx 0 ∈ K x_0\in K x 0 ∈ K が存在して、任意のx ∈ K x\in K x ∈ K について∣ f ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ |f(x)|\leq|f(x_0)| ∣ f ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ となる。
x 0 ∈ K x_0\in K x 0 ∈ K であるから∣ f ( x 0 ) ∣ ≥ M / 2 |f(x_0)|\geq M/2 ∣ f ( x 0 ) ∣ ≥ M /2 である。したがってx ∉ K x\notin K x ∈ / K ならば∣ f ( x ) ∣ < M / 2 ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ |f(x)|<M/2\leq|f(x_0)| ∣ f ( x ) ∣ < M /2 ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ であり、x ∈ K x\in K x ∈ K ならば∣ f ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ |f(x)|\leq|f(x_0)| ∣ f ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ である。任意のx ∈ X x\in X x ∈ X について∣ f ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ |f(x)|\leq|f(x_0)| ∣ f ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ であるから、上限をとるとM = ∥ f ∥ ∞ ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ M=\|f\|_\infty\leq|f(x_0)| M = ∥ f ∥ ∞ ≤ ∣ f ( x 0 ) ∣ である。M M M の定義から∣ f ( x 0 ) ∣ ≤ M |f(x_0)|\leq M ∣ f ( x 0 ) ∣ ≤ M でもあるから∣ f ( x 0 ) ∣ = M |f(x_0)|=M ∣ f ( x 0 ) ∣ = M である。▨
問題 5.2. X X X を局所コンパクト Hausdorff 空間とする。f , g ∈ C c ( X ) f,g\in C_c(X) f , g ∈ C c ( X ) ならばf g ∈ C c ( X ) fg\in C_c(X) f g ∈ C c ( X ) かつf ∗ ∈ C c ( X ) f^*\in C_c(X) f ∗ ∈ C c ( X ) であることを証明せよ。
解答. { x : f ( x ) g ( x ) ≠ 0 } ⊆ { x : f ( x ) ≠ 0 } ∩ { x : g ( x ) ≠ 0 } \{x:f(x)g(x)\neq0\}\subseteq\{x:f(x)\neq0\}\cap\{x:g(x)\neq0\} { x : f ( x ) g ( x ) = 0 } ⊆ { x : f ( x ) = 0 } ∩ { x : g ( x ) = 0 } であるから、両辺の閉包をとると
supp ( f g ) ⊆ supp f ∩ supp g ⊆ supp f \operatorname{supp}(fg)\subseteq\operatorname{supp}f\cap\operatorname{supp}g\subseteq\operatorname{supp}f supp ( f g ) ⊆ supp f ∩ supp g ⊆ supp f である。supp ( f g ) \operatorname{supp}(fg) supp ( f g ) は閉集合でありsupp f \operatorname{supp}f supp f はコンパクトであるから、補題 1.4 によりsupp ( f g ) \operatorname{supp}(fg) supp ( f g ) はコンパクトである。したがってf g ∈ C c ( X ) fg\in C_c(X) f g ∈ C c ( X ) である。
任意のx ∈ X x\in X x ∈ X についてf ∗ ( x ) = f ( x ) ‾ ≠ 0 f^*(x)=\overline{f(x)}\neq0 f ∗ ( x ) = f ( x ) = 0 であることとf ( x ) ≠ 0 f(x)\neq0 f ( x ) = 0 であることは同値であるから、{ x : f ∗ ( x ) ≠ 0 } = { x : f ( x ) ≠ 0 } \{x:f^*(x)\neq0\}=\{x:f(x)\neq0\} { x : f ∗ ( x ) = 0 } = { x : f ( x ) = 0 } であり、supp f ∗ = supp f \operatorname{supp}f^*=\operatorname{supp}f supp f ∗ = supp f である。とくにsupp f ∗ \operatorname{supp}f^* supp f ∗ はコンパクトであり、f ∗ ∈ C c ( X ) f^*\in C_c(X) f ∗ ∈ C c ( X ) である。▨