1 Δ-システム補題
定義 1.1 (Δ-システム). 集合族( F α ) α ∈ A (F_\alpha)_{\alpha\in A} ( F α ) α ∈ A が集合r r r を根とする Δ-システム (delta-system ) であるとは、すべてのα ∈ A \alpha\in A α ∈ A についてr ⊆ F α r\subseteq F_\alpha r ⊆ F α であり、相異なるα , β ∈ A \alpha,\beta\in A α , β ∈ A についてF α ∩ F β = r F_\alpha\cap F_\beta=r F α ∩ F β = r が成り立つことをいう。
定理 1.2 (Δ-システム補題). λ \lambda λ を非可算正則基数とする。有限集合の添字付き族( F α ) α < λ (F_\alpha)_{\alpha<\lambda} ( F α ) α < λ に対し、濃度λ \lambda λ の集合A ⊆ λ A\subseteq\lambda A ⊆ λ で、( F α ) α ∈ A (F_\alpha)_{\alpha\in A} ( F α ) α ∈ A が Δ-システムとなるものが存在する。
証明. §E1.23 補題 2.5 (2) により、あるn ∈ N ≥ 0 n\in\N n ∈ N ≥ 0 に対して∣ F α ∣ = n |F_\alpha|=n ∣ F α ∣ = n となる添字がλ \lambda λ 個存在する。その添字に制限し、n n n に関する帰納法を用いる。n = 0 n=0 n = 0 ならば根を空集合とすればよい。
n > 0 n>0 n > 0 とする。ある元x x x がλ \lambda λ 個のF α F_\alpha F α に属する場合、その添字だけを取り、F α ∖ { x } F_\alpha\setminus\{x\} F α ∖ { x } に帰納法の仮定を適用する。得られた根にx x x を加えると、もとの集合族の根になる。
そのようなx x x が存在しない場合、互いに交わらない集合をλ \lambda λ 個、超限帰納的に選ぶ。ξ < λ \xi<\lambda ξ < λ の段階まで選んだ集合の合併をT ξ T_\xi T ξ とすると、∣ T ξ ∣ < λ |T_\xi|<\lambda ∣ T ξ ∣ < λ である。各x ∈ T ξ x\in T_\xi x ∈ T ξ を含むF α F_\alpha F α の添字はλ \lambda λ 個未満である。§E1.23 定理 2.4 により、T ξ T_\xi T ξ と交わるF α F_\alpha F α の添字もλ \lambda λ 個未満である。したがって既に選んだ添字とそれらの添字を避け、次の集合を選ぶことができる。得られた族は根が空集合の Δ-システムである。▨
補題 1.3. κ \kappa κ を特異基数とする。有限集合の添字付き族( s α ) α < κ (s_\alpha)_{\alpha<\kappa} ( s α ) α < κ に対し、∣ A ∣ = κ |A|=\kappa ∣ A ∣ = κ となるA ⊆ κ A\subseteq\kappa A ⊆ κ と、∣ B ∣ ≤ cf ( κ ) |B|\leq\operatorname{cf}(\kappa) ∣ B ∣ ≤ cf ( κ ) となる集合B B B で、相異なるα , β ∈ A \alpha,\beta\in A α , β ∈ A について
s α ∩ s β ⊆ B s_\alpha\cap s_\beta\subseteq B s α ∩ s β ⊆ B を満たすものが存在する。
証明. λ = cf ( κ ) \lambda=\operatorname{cf}(\kappa) λ = cf ( κ ) とおく。κ \kappa κ に共終な正則基数の列( θ ξ ) ξ < λ (\theta_\xi)_{\xi<\lambda} ( θ ξ ) ξ < λ を
max ( λ , sup η < ξ θ η ) < θ ξ < κ \max\bigl(\lambda,\sup_{\eta<\xi}\theta_\eta\bigr)<\theta_\xi<\kappa max ( λ , η < ξ sup θ η ) < θ ξ < κ となるように選ぶ。§E1.23 補題 2.6 により特異基数は後続基数でないので、共終列の各項と先行項の上限より大きい後続基数を順に取ればよい。
添字集合から、互いに交わらない濃度θ ξ \theta_\xi θ ξ の集合L ξ L_\xi L ξ を選ぶ。定理 1.2 により、各L ξ L_\xi L ξ を濃度を保って制限し、( s α ) α ∈ L ξ (s_\alpha)_{\alpha\in L_\xi} ( s α ) α ∈ L ξ を根r ξ r_\xi r ξ の Δ-システムとする。B = ⋃ ξ < λ r ξ B=\bigcup_{\xi<\lambda}r_\xi B = ⋃ ξ < λ r ξ とおけば∣ B ∣ ≤ λ |B|\leq\lambda ∣ B ∣ ≤ λ である。
A ξ ⊆ L ξ A_\xi\subseteq L_\xi A ξ ⊆ L ξ を順に選ぶ。先行するA η A_\eta A η を選んだ段階で
T ξ = B ∪ ⋃ η < ξ ⋃ α ∈ A η s α , A ξ = { α ∈ L ξ : ( s α ∖ r ξ ) ∩ T ξ = ∅ } T_\xi=B\cup\bigcup_{\eta<\xi}\bigcup_{\alpha\in A_\eta}s_\alpha,
\qquad
A_\xi=\{\alpha\in L_\xi:(s_\alpha\setminus r_\xi)\cap T_\xi=\emptyset\} T ξ = B ∪ η < ξ ⋃ α ∈ A η ⋃ s α , A ξ = { α ∈ L ξ : ( s α ∖ r ξ ) ∩ T ξ = ∅ } とおく。∣ T ξ ∣ ≤ max ( λ , sup η < ξ θ η ) < θ ξ |T_\xi|\leq\max(\lambda,\sup_{\eta<\xi}\theta_\eta)<\theta_\xi ∣ T ξ ∣ ≤ max ( λ , sup η < ξ θ η ) < θ ξ である。同じ層のs α ∖ r ξ s_\alpha\setminus r_\xi s α ∖ r ξ は互いに交わらないので、T ξ T_\xi T ξ の各元が除去の原因となる添字は高々一つである。したがって∣ L ξ ∖ A ξ ∣ < θ ξ |L_\xi\setminus A_\xi|<\theta_\xi ∣ L ξ ∖ A ξ ∣ < θ ξ 、∣ A ξ ∣ = θ ξ |A_\xi|=\theta_\xi ∣ A ξ ∣ = θ ξ である。
A = ⋃ ξ < λ A ξ A=\bigcup_{\xi<\lambda}A_\xi A = ⋃ ξ < λ A ξ とおくと∣ A ∣ = κ |A|=\kappa ∣ A ∣ = κ である。同じ層の二集合の交差はr ξ ⊆ B r_\xi\subseteq B r ξ ⊆ B に含まれる。異なる層では、後の層の根外の部分は前の層の台を避け、前の層の根外の部分はB B B を避ける。よって交差は両層の根の交差に含まれ、特にB B B に含まれる。▨
例 1.4. 特異基数κ \kappa κ とλ = cf ( κ ) \lambda=\operatorname{cf}(\kappa) λ = cf ( κ ) に対し、sup ξ < λ κ ξ = κ \sup_{\xi<\lambda}\kappa_\xi=\kappa sup ξ < λ κ ξ = κ となる無限基数κ ξ < κ \kappa_\xi<\kappa κ ξ < κ を選ぶ。すべて相異なる記号を用いた二元集合の族
{ { a ξ , b ξ , η } : ξ < λ , η < κ ξ } \bigl\{\{a_\xi,b_{\xi,\eta}\}:\xi<\lambda,\ \eta<\kappa_\xi\bigr\} { { a ξ , b ξ , η } : ξ < λ , η < κ ξ } は濃度κ \kappa κ をもつが、濃度κ \kappa κ の Δ-システムを含まない。
根が空ならば各ξ \xi ξ から高々一集合しか選ぶことができず、選んだ集合は高々λ \lambda λ 個である。根が空でなければ、相異なる二集合の交差は同じ層の{ a ξ } \{a_\xi\} { a ξ } に限られるので、すべての集合が一つの層に属し、その個数は高々κ ξ < κ \kappa_\xi<\kappa κ ξ < κ である。
定理 1.5. κ \kappa κ をcf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 となる基数とする。集合族( D i ) i ∈ I (D_i)_{i\in I} ( D i ) i ∈ I が各i ∈ I i\in I i ∈ I について∣ D i ∣ < cf ( κ ) |D_i|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ D i ∣ < cf ( κ ) を満たすとする。各α < κ \alpha<\kappa α < κ に対し、有限集合s α ⊆ I s_\alpha\subseteq I s α ⊆ I 上の写像p α p_\alpha p α が与えられ、p α ( i ) ∈ D i p_\alpha(i)\in D_i p α ( i ) ∈ D i を満たすならば、∣ A ∣ = κ |A|=\kappa ∣ A ∣ = κ となるA ⊆ κ A\subseteq\kappa A ⊆ κ で、⋃ α ∈ A p α \bigcup_{\alpha\in A}p_\alpha ⋃ α ∈ A p α が写像となるものが存在する。
証明. κ \kappa κ が正則ならば、定理 1.2 により台を根r r r の Δ-システムへ制限する。根上の写像の候補数は∏ i ∈ r ∣ D i ∣ < κ \prod_{i\in r}|D_i|<\kappa ∏ i ∈ r ∣ D i ∣ < κ である。正則性によりκ \kappa κ 個の添字でp α ∣ r p_\alpha|_r p α ∣ r を一定にすることができる。根外の台は互いに交わらないので、選んだ写像は両立する。
κ \kappa κ が特異ならばλ = cf ( κ ) \lambda=\operatorname{cf}(\kappa) λ = cf ( κ ) とおく。補題 1.3 の証明と同じく、max ( λ , sup η < ξ θ η ) < θ ξ < κ \max(\lambda,\sup_{\eta<\xi}\theta_\eta)<\theta_\xi<\kappa max ( λ , sup η < ξ θ η ) < θ ξ < κ を満たす正則基数の共終列を取り、濃度θ ξ \theta_\xi θ ξ の各層の台を根r ξ r_\xi r ξ の Δ-システムにする。各層における根上の写像の候補数は∏ i ∈ r ξ ∣ D i ∣ < λ < θ ξ \prod_{i\in r_\xi}|D_i|<\lambda<\theta_\xi ∏ i ∈ r ξ ∣ D i ∣ < λ < θ ξ なので、層の濃度を保ったままp α ∣ r ξ = q ξ p_\alpha|_{r_\xi}=q_\xi p α ∣ r ξ = q ξ を一定にする。
B = ⋃ ξ < λ r ξ B=\bigcup_{\xi<\lambda}r_\xi B = ⋃ ξ < λ r ξ とおき、各層でB B B と先行層の台を避ける根外の部分だけを残す。補題 1.3 の証明における評価から、各層の濃度は依然としてθ ξ \theta_\xi θ ξ である。既に証明した正則基数の場合を( q ξ ) ξ < λ (q_\xi)_{\xi<\lambda} ( q ξ ) ξ < λ に適用し、λ \lambda λ 個の層でq ξ q_\xi q ξ を両立させる。その層の集合はλ \lambda λ に共終であるから、残した添字の総数はκ \kappa κ である。根上の写像は両立し、根外の台は互いにもB B B にも交わらないので、対応するp α p_\alpha p α の合併は写像である。▨
2 caliber と precaliber
定義 2.1 (caliber と precaliber). X X X を位相空間、κ \kappa κ を無限基数とする。
空でない開集合の任意の添字付き族( U α ) α < κ (U_\alpha)_{\alpha<\kappa} ( U α ) α < κ に対し、∣ A ∣ = κ |A|=\kappa ∣ A ∣ = κ となるA ⊆ κ A\subseteq\kappa A ⊆ κ で⋂ α ∈ A U α ≠ ∅ \bigcap_{\alpha\in A}U_\alpha\ne\emptyset ⋂ α ∈ A U α = ∅ を満たすものが存在するとき、κ \kappa κ をX X X の caliber (caliber ) という。
空でない開集合の任意の添字付き族( U α ) α < κ (U_\alpha)_{\alpha<\kappa} ( U α ) α < κ に対し、∣ A ∣ = κ |A|=\kappa ∣ A ∣ = κ となるA ⊆ κ A\subseteq\kappa A ⊆ κ で、任意の空でない有限集合F ⊆ A F\subseteq A F ⊆ A について⋂ α ∈ F U α ≠ ∅ \bigcap_{\alpha\in F}U_\alpha\ne\emptyset ⋂ α ∈ F U α = ∅ を満たすものが存在するとき、κ \kappa κ をX X X の precaliber (precaliber ) という。
X X X の caliber 全体のクラスをCal ( X ) \operatorname{Cal}(X) Cal ( X ) 、precaliber 全体のクラスをpCal ( X ) \operatorname{pCal}(X) pCal ( X ) と書く。
命題 2.3. 位相空間X X X についてCal ( X ) ⊆ pCal ( X ) \operatorname{Cal}(X)\subseteq\operatorname{pCal}(X) Cal ( X ) ⊆ pCal ( X ) である。また、C \mathcal C C をCal \operatorname{Cal} Cal またはpCal \operatorname{pCal} pCal とすると、無限基数κ ∈ C ( X ) \kappa\in\mathcal C(X) κ ∈ C ( X ) に対してcf ( κ ) ∈ C ( X ) \operatorname{cf}(\kappa)\in\mathcal C(X) cf ( κ ) ∈ C ( X ) である。
証明. 全体の交差が空でなければ、任意の有限部分族の交差も空でない。
λ = cf ( κ ) \lambda=\operatorname{cf}(\kappa) λ = cf ( κ ) とおく。κ = λ \kappa=\lambda κ = λ ならば下降の主張は仮定そのものである。λ < κ \lambda<\kappa λ < κ の場合、κ \kappa κ をλ \lambda λ 個の集合L ξ L_\xi L ξ に分割し、各∣ L ξ ∣ < κ |L_\xi|<\kappa ∣ L ξ ∣ < κ とする。空でない開集合の族( V ξ ) ξ < λ (V_\xi)_{\xi<\lambda} ( V ξ ) ξ < λ を取り、α ∈ L ξ \alpha\in L_\xi α ∈ L ξ に対しU α = V ξ U_\alpha=V_\xi U α = V ξ とおく。仮定により目的の交差性をもつκ \kappa κ 個の添字A A A を選ぶ。A A A が交わる層の集合J J J は濃度λ \lambda λ をもつ。実際、∣ J ∣ < cf ( κ ) |J|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ J ∣ < cf ( κ ) ならば∣ ⋃ ξ ∈ J L ξ ∣ < κ |\bigcup_{\xi\in J}L_\xi|<\kappa ∣ ⋃ ξ ∈ J L ξ ∣ < κ となる。各層から一つずつ添字を取ると、( V ξ ) ξ ∈ J (V_\xi)_{\xi\in J} ( V ξ ) ξ ∈ J は同じ交差性をもつ。▨
定理 2.4. コンパクト Hausdorff 空間K K K について、Cal ( K ) = pCal ( K ) \operatorname{Cal}(K)=\operatorname{pCal}(K) Cal ( K ) = pCal ( K ) が成り立つ。
証明. κ ∈ pCal ( K ) \kappa\in\operatorname{pCal}(K) κ ∈ pCal ( K ) とし、空でない開集合の族( U α ) α < κ (U_\alpha)_{\alpha<\kappa} ( U α ) α < κ を取る。§E2.19 命題 6.10 により、各α \alpha α に対して空でない開集合V α V_\alpha V α でV α ‾ ⊆ U α \tpcl{V_\alpha}\subseteq U_\alpha V α ⊆ U α を満たすものを選ぶことができる。仮定から、∣ A ∣ = κ |A|=\kappa ∣ A ∣ = κ で( V α ) α ∈ A (V_\alpha)_{\alpha\in A} ( V α ) α ∈ A が有限交差性をもつように選ぶ。閉集合族( V α ‾ ) α ∈ A (\tpcl{V_\alpha})_{\alpha\in A} ( V α ) α ∈ A も有限交差性をもつので、コンパクト性と§E2.19 定理 3.2 からその全体の交差は空でない。この交差は⋂ α ∈ A U α \bigcap_{\alpha\in A}U_\alpha ⋂ α ∈ A U α に含まれる。逆の包含は命題 2.3 による。▨
定理 2.5. 離散空間D D D と無限基数κ \kappa κ について、次は同値である。
κ ∈ Cal ( D ) ⟺ κ ∈ pCal ( D ) ⟺ ∣ D ∣ < cf ( κ ) . \kappa\in\operatorname{Cal}(D)
\quad\Longleftrightarrow\quad
\kappa\in\operatorname{pCal}(D)
\quad\Longleftrightarrow\quad
|D|<\operatorname{cf}(\kappa). κ ∈ Cal ( D ) ⟺ κ ∈ pCal ( D ) ⟺ ∣ D ∣ < cf ( κ ) .
証明. ∣ D ∣ < cf ( κ ) |D|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ D ∣ < cf ( κ ) とし、空でない開集合の族( U α ) α < κ (U_\alpha)_{\alpha<\kappa} ( U α ) α < κ を取る。各U α U_\alpha U α からx α x_\alpha x α を選ぶと、共終数による合併の評価から、あるx ∈ D x\in D x ∈ D についてx α = x x_\alpha=x x α = x となる添字がκ \kappa κ 個存在する。その添字に対応する開集合の交差はx x x を含む。D = ∅ D=\emptyset D = ∅ ならば入力する開集合族がなく、同じ結論が成り立つ。
∣ D ∣ ≥ λ = cf ( κ ) |D|\geq\lambda=\operatorname{cf}(\kappa) ∣ D ∣ ≥ λ = cf ( κ ) ならば、相異なる点x ξ x_\xi x ξ をξ < λ \xi<\lambda ξ < λ について選ぶ。κ \kappa κ を各濃度がκ \kappa κ 未満のλ \lambda λ 個の集合L ξ L_\xi L ξ に分割し、α ∈ L ξ \alpha\in L_\xi α ∈ L ξ に対してU α = { x ξ } U_\alpha=\{x_\xi\} U α = { x ξ } とおく。有限交差性をもつ部分族の添字は一つのL ξ L_\xi L ξ に含まれるので、その濃度はκ \kappa κ 未満である。したがってκ ∉ pCal ( D ) \kappa\notin\operatorname{pCal}(D) κ ∈ / pCal ( D ) である。▨
命題 2.6. C \mathcal C C をCal \operatorname{Cal} Cal またはpCal \operatorname{pCal} pCal とし、κ \kappa κ を無限基数とする。
連続写像f : X → Y f:X\to Y f : X → Y の像が稠密ならば、C ( X ) ⊆ C ( Y ) \mathcal C(X)\subseteq\mathcal C(Y) C ( X ) ⊆ C ( Y ) である。
U U U が位相空間X X X の開部分空間ならば、C ( X ) ⊆ C ( U ) \mathcal C(X)\subseteq\mathcal C(U) C ( X ) ⊆ C ( U ) である。
( X i ) i ∈ I (X_i)_{i\in I} ( X i ) i ∈ I が空でない空間の族ならば、任意のJ ⊆ I J\subseteq I J ⊆ I についてC ( ∏ i ∈ I X i ) ⊆ C ( ∏ i ∈ J X i ) \mathcal C(\prod_{i\in I}X_i)\subseteq\mathcal C(\prod_{i\in J}X_i) C ( ∏ i ∈ I X i ) ⊆ C ( ∏ i ∈ J X i ) である。
位相空間X X X が濃度cf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) 未満の稠密部分集合をもつならば、κ ∈ C ( X ) \kappa\in\mathcal C(X) κ ∈ C ( X ) である。特に、有限な稠密部分集合をもつ空間はすべての無限基数を、可分空間は非可算共終数をもつすべての基数を caliber および precaliber にもつ。
証明. (1) を示す。Y Y Y の空でない開集合の族を逆像へ移すと、像の稠密性により各逆像も空でない。X X X で得られた全交差の点、または各有限交差の点をf f f で移せば、Y Y Y の族に必要な交差が得られる。
(2) では、U U U の開集合はX X X でも開集合であるから、同じ族へX X X の条件を適用する。(3) では、部分積への射影が連続全射であるから(1) を適用する。
(4) を示す。稠密集合D ⊆ X D\subseteq X D ⊆ X に離散位相を入れると、包含写像D → X D\to X D → X は連続で像が稠密である。定理 2.5 と(1) から結論が従う。▨
命題 2.7. D D D が位相空間X X X の稠密部分空間ならば、
Cal ( D ) ⊆ Cal ( X ) , pCal ( D ) = pCal ( X ) \operatorname{Cal}(D)\subseteq\operatorname{Cal}(X),
\qquad
\operatorname{pCal}(D)=\operatorname{pCal}(X) Cal ( D ) ⊆ Cal ( X ) , pCal ( D ) = pCal ( X ) が成り立つ。
証明. D → X D\to X D → X の包含写像に命題 2.6 (1) を適用すると、caliber と precaliber の両方についてD D D からX X X への包含が得られる。逆にκ ∈ pCal ( X ) \kappa\in\operatorname{pCal}(X) κ ∈ pCal ( X ) とし、D D D の空でない開集合をV α = D ∩ U α V_\alpha=D\cap U_\alpha V α = D ∩ U α と書く。U α U_\alpha U α はX X X の開集合である。X X X の条件によって有限交差性をもつκ \kappa κ 個のU α U_\alpha U α を選ぶ。選んだ族の任意の有限交差は空でない開集合なのでD D D と交わる。したがって対応するV α V_\alpha V α の族も有限交差性をもつ。▨
例 2.8. 可算無限離散空間ω \omega ω では、定理 2.5 により、ℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 は caliber および precaliber であるが、ℵ 0 \aleph_0 ℵ 0 とℵ ω \aleph_\omega ℵ ω はいずれでもない。実際、cf ( ℵ 1 ) = ℵ 1 \operatorname{cf}(\aleph_1)=\aleph_1 cf ( ℵ 1 ) = ℵ 1 、cf ( ℵ 0 ) = cf ( ℵ ω ) = ℵ 0 \operatorname{cf}(\aleph_0)=\operatorname{cf}(\aleph_\omega)=\aleph_0 cf ( ℵ 0 ) = cf ( ℵ ω ) = ℵ 0 である。したがって caliber と precaliber は基数について上向きにも下向きにも単調ではない。
定理 2.9. 無限 Hausdorff 空間X X X は、空でない開集合の可算無限な互いに交わらない族をもつ。したがって
Cal ( X ) ⊆ pCal ( X ) ⊆ { κ : cf ( κ ) > ℵ 0 } \operatorname{Cal}(X)\subseteq\operatorname{pCal}(X)
\subseteq\{\kappa:\operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0\} Cal ( X ) ⊆ pCal ( X ) ⊆ { κ : cf ( κ ) > ℵ 0 } である。さらにX X X が可分ならば、上の二つの包含は等号になる。
証明. 孤立点が無限個あれば、そのうち可算個の一点集合を取る。孤立点が有限個ならば、その有限集合を除いた空間V 0 V_0 V 0 は空でない開集合であり、その中の点x x x を取る。x x x を含む有限な開集合があれば、Hausdorff 空間では一点集合が閉であることから他の有限個の点を除き、{ x } \{x\} { x } が開となる。これはx x x が孤立点でないことに反する。したがってx x x の任意の開近傍は無限である。
x x x の開近傍V n ⊆ V 0 V_n\subseteq V_0 V n ⊆ V 0 を取った段階でy n ∈ V n ∖ { x } y_n\in V_n\setminus\{x\} y n ∈ V n ∖ { x } を選び、Hausdorff 性によってV n V_n V n 内の互いに交わらない開近傍V n + 1 V_{n+1} V n + 1 とW n W_n W n を、それぞれx x x とy n y_n y n に対して選ぶ。V n + 1 ⊆ V n V_{n+1}\subseteq V_n V n + 1 ⊆ V n なので、( W n ) n ∈ N ≥ 0 (W_n)_{n\in\N} ( W n ) n ∈ N ≥ 0 は互いに交わらない。
この族の有限交差性をもつ部分族には高々一添字しかないから、ℵ 0 ∉ pCal ( X ) \aleph_0\notin\operatorname{pCal}(X) ℵ 0 ∈ / pCal ( X ) である。命題 2.3 により、共終数がℵ 0 \aleph_0 ℵ 0 の基数も precaliber でない。可分な場合の逆の包含は命題 2.6 (4) による。▨
定理 2.10. C \mathcal C C をCal \operatorname{Cal} Cal またはpCal \operatorname{pCal} pCal 、κ \kappa κ を無限基数とする。
X = ⋃ j ∈ J X j X=\bigcup_{j\in J}X_j X = ⋃ j ∈ J X j 、∣ J ∣ < cf ( κ ) |J|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ J ∣ < cf ( κ ) とし、各X j X_j X j に部分空間位相を入れる。すべてのj ∈ J j\in J j ∈ J についてκ ∈ C ( X j ) \kappa\in\mathcal C(X_j) κ ∈ C ( X j ) ならば、κ ∈ C ( X ) \kappa\in\mathcal C(X) κ ∈ C ( X ) である。
( X j ) j ∈ J (X_j)_{j\in J} ( X j ) j ∈ J が空でない空間の族ならば、
κ ∈ C ( ∐ j ∈ J X j ) ⟺ ∣ J ∣ < cf ( κ ) かつ ∀ j ∈ J , κ ∈ C ( X j ) . \kappa\in\mathcal C\left(\coprod_{j\in J}X_j\right)
\quad\Longleftrightarrow\quad
|J|<\operatorname{cf}(\kappa)\ \text{かつ}\
\forall j\in J,\ \kappa\in\mathcal C(X_j). κ ∈ C j ∈ J ∐ X j ⟺ ∣ J ∣ < cf ( κ ) かつ ∀ j ∈ J , κ ∈ C ( X j ) .
証明. (1) を示す。X X X の空でない開集合U α U_\alpha U α ごとに、U α ∩ X j ( α ) ≠ ∅ U_\alpha\cap X_{j(\alpha)}\ne\emptyset U α ∩ X j ( α ) = ∅ となるj ( α ) j(\alpha) j ( α ) を選ぶ。∣ J ∣ < cf ( κ ) |J|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ J ∣ < cf ( κ ) により、あるj j j がκ \kappa κ 個の添字に対応する。X j X_j X j の条件をその交差の族へ適用すれば、X X X でも必要な交差性をもつ部分族が得られる。
(2) の十分性は(1) による。必要性について、各成分は開部分空間なので命題 2.6 (2) から各成分の条件が従う。また、各成分をその添字へ送る写像は、位相的直和から離散空間J J J への連続全射である。命題 2.6 (1) と定理 2.5 により∣ J ∣ < cf ( κ ) |J|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ J ∣ < cf ( κ ) である。J = ∅ J=\emptyset J = ∅ の場合は直和が空間として空であり、両辺が成り立つ。▨
補題 2.11. 開集合の族についての条件P \mathsf P P を、「全体の交差が空でない」、「任意の空でない有限部分族の交差が空でない」、「任意の二つの集合が交わる」のいずれか一つとする。位相空間X X X と無限基数ρ ≥ ν \rho\geq\nu ρ ≥ ν について、E P ( X ; ρ , ν ) E_{\mathsf P}(X;\rho,\nu) E P ( X ; ρ , ν ) を、X X X の空でない開集合の任意のρ \rho ρ 個の添字付き族から、条件P \mathsf P P を満たすν \nu ν 個の添字を選ぶことができる、という命題とする。
E P ( X ; ρ , ν ) E_{\mathsf P}(X;\rho,\nu) E P ( X ; ρ , ν ) が成り立ち、無限基数ρ ′ , ν ′ \rho',\nu' ρ ′ , ν ′ がρ ′ ≥ ρ \rho'\geq\rho ρ ′ ≥ ρ 、ν ′ ≤ ν \nu'\leq\nu ν ′ ≤ ν を満たすならばE P ( X ; ρ ′ , ν ′ ) E_{\mathsf P}(X;\rho',\nu') E P ( X ; ρ ′ , ν ′ ) が成り立つ。
κ \kappa κ が特異基数でE P ( X ; κ , κ ) E_{\mathsf P}(X;\kappa,\kappa) E P ( X ; κ , κ ) が成り立つならば、任意の無限基数μ < κ \mu<\kappa μ < κ に対し、μ < ρ < κ \mu<\rho<\kappa μ < ρ < κ となる正則基数ρ \rho ρ でE P ( X ; ρ , μ ) E_{\mathsf P}(X;\rho,\mu) E P ( X ; ρ , μ ) が成り立つものが存在する。
X 0 , … , X n − 1 X_0,\ldots,X_{n-1} X 0 , … , X n − 1 を空でない空間、ν 0 ≤ ⋯ ≤ ν n \nu_0\leq\cdots\leq\nu_n ν 0 ≤ ⋯ ≤ ν n を無限基数とする。各j < n j<n j < n についてE P ( X j ; ν j + 1 , ν j ) E_{\mathsf P}(X_j;\nu_{j+1},\nu_j) E P ( X j ; ν j + 1 , ν j ) が成り立つならば、E P ( ∏ j < n X j ; ν n , ν 0 ) E_{\mathsf P}(\prod_{j<n}X_j;\nu_n,\nu_0) E P ( ∏ j < n X j ; ν n , ν 0 ) が成り立つ。特に各因子でE P ( X j ; κ , κ ) E_{\mathsf P}(X_j;\kappa,\kappa) E P ( X j ; κ , κ ) が成り立てば、有限積でも成り立つ。
証明. 三つの条件はいずれも部分族へ遺伝する。したがって入力からρ \rho ρ 個を取り、出力をν ′ \nu' ν ′ 個へ制限すれば(1) が従う。
(2) を示す。あるμ < κ \mu<\kappa μ < κ に対し、該当する正則基数が存在しないと仮定する。λ = cf ( κ ) \lambda=\operatorname{cf}(\kappa) λ = cf ( κ ) とし、μ \mu μ より大きい正則基数の共終列( ρ ξ ) ξ < λ (\rho_\xi)_{\xi<\lambda} ( ρ ξ ) ξ < λ を取る。各ξ \xi ξ について、条件P \mathsf P P を満たすμ \mu μ 個を選ぶことができないρ ξ \rho_\xi ρ ξ 個の開集合族を選ぶ。これらを添字集合が互いに交わらない族として合併すると総数はκ \kappa κ となる。仮定から条件P \mathsf P P を満たすκ \kappa κ 個の添字を選ぶ。それらが各層にμ \mu μ 個未満しか属さなければ、総数は高々λ ⋅ μ < κ \lambda\cdot\mu<\kappa λ ⋅ μ < κ となる。したがって一つの層に少なくともμ \mu μ 個属し、その部分族は条件P \mathsf P P を満たす。これはその層の選び方に反する。
(3) を示す。各開集合を空でない基本開集合∏ j < n U α , j \prod_{j<n}U_{\alpha,j} ∏ j < n U α , j に縮める。最後の座標から順に、ν j + 1 \nu_{j+1} ν j + 1 個の添字をν j \nu_j ν j 個へ制限し、j j j 座標で条件P \mathsf P P が成り立つようにする。既に成立した座標の条件は、部分族へ制限しても保存される。最後のν 0 \nu_0 ν 0 個について、全交差を考える場合は各座標の全交差の点を選ぶ。有限交差を考える場合は、指定した有限個について各座標で交差の点を選ぶ。二集合の交差を考える場合も、その二つについて各座標で交差の点を選ぶ。選んだ点の組が積における必要な交差に属する。n = 0 n=0 n = 0 では空積が一点空間なので結論が成り立つ。▨
補題 2.12. κ \kappa κ をcf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 となる基数、X X X を空でない位相空間とする。開集合の族に対する条件P \mathsf P P を、「全体の交差が空でない」、「任意の空でない有限部分族の交差が空でない」、「任意の二つの集合が交わる」のいずれか一つとする。X X X の空でない開集合の任意のκ \kappa κ 個の添字付き族から、条件P \mathsf P P を満たすκ \kappa κ 個を選ぶことができるならば、任意の集合I I I に対するX I X^I X I でも同じことが成り立つ。
証明. X I X^I X I の空でない開集合の族を、有限台s α ⊆ I s_\alpha\subseteq I s α ⊆ I をもつ基本開集合
U α = ⋂ i ∈ s α pr i − 1 ( U α , i ) ( α < κ ) U_\alpha=\bigcap_{i\in s_\alpha}\pr_i^{-1}(U_{\alpha,i})
\qquad(\alpha<\kappa) U α = i ∈ s α ⋂ pr i − 1 ( U α , i ) ( α < κ ) に縮める。κ \kappa κ が正則ならば、定理 1.2 により台を根r r r の Δ-システムへ制限する。補題 2.11 (3) を有限積X r X^r X r に適用し、( pr r ( U α ) ) (\pr_r(U_\alpha)) ( pr r ( U α )) が条件P \mathsf P P を満たすκ \kappa κ 個の添字を選ぶ。§E2.14 補題 1.4 により、全交差、各有限交差、各二集合の交差は根への制限で判定されるので、必要な結論が得られる。
κ \kappa κ が特異の場合、λ = cf ( κ ) > ℵ 0 \lambda=\operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 λ = cf ( κ ) > ℵ 0 とおく。補題 2.11 (2) を繰り返し適用し、κ \kappa κ に共終な正則基数の列( θ ξ ) ξ < λ (\theta_\xi)_{\xi<\lambda} ( θ ξ ) ξ < λ を、
max ( λ , sup η < ξ θ η ) < θ ξ < κ , E P ( X ; θ ξ + 1 , θ ξ ) \max\bigl(\lambda,\sup_{\eta<\xi}\theta_\eta\bigr)<\theta_\xi<\kappa,
\qquad E_{\mathsf P}(X;\theta_{\xi+1},\theta_\xi) max ( λ , η < ξ sup θ η ) < θ ξ < κ , E P ( X ; θ ξ + 1 , θ ξ ) が成り立つように選ぶ。ここでE P E_{\mathsf P} E P は補題 2.11 の命題である。具体的には、固定した共終列の第ξ \xi ξ 項と先行項の上限とλ \lambda λ を上回る無限基数μ < κ \mu<\kappa μ < κ を取り、そのμ \mu μ に対して同補題を適用する。後続段階では前のθ ξ \theta_\xi θ ξ がμ \mu μ 以下であるから、補題 2.11 (1) によって表示した基数対の条件が得られる。
添字を、互いに交わらない濃度θ ξ \theta_\xi θ ξ の層L ξ L_\xi L ξ に分ける。各層に定理 1.2 を適用し、濃度を保って台を根r ξ r_\xi r ξ の Δ-システムにする。λ \lambda λ の非可算正則性から、∣ r ξ ∣ = m |r_\xi|=m ∣ r ξ ∣ = m となる一定の有限数m m m をもつ層をλ \lambda λ 個選ぶ。さらに( r ξ ) (r_\xi) ( r ξ ) に同補題を適用し、濃度λ \lambda λ の集合J ⊆ λ J\subseteq\lambda J ⊆ λ と有限集合r r r で
r ξ ∩ r η = r ( ξ , η ∈ J , ξ ≠ η ) r_\xi\cap r_\eta=r\qquad(\xi,\eta\in J,\ \xi\ne\eta) r ξ ∩ r η = r ( ξ , η ∈ J , ξ = η ) を満たすものを得る。
B = ⋃ ξ ∈ J r ξ B=\bigcup_{\xi\in J}r_\xi B = ⋃ ξ ∈ J r ξ とする。各層から、根外の台がB B B または先行層で残した台と交わる添字を除く。補題 1.3 の証明の評価と同じく、除去数はθ ξ \theta_\xi θ ξ 未満である。残した層を再びL ξ L_\xi L ξ と書く。このとき、同じ層の二つの台の交差はr ξ r_\xi r ξ であり、異なる層の二つの台の交差はr r r である。実際、後の層の根外の部分は先行層の台を避け、すべての根外の部分はB B B を避けている。
η < λ \eta<\lambda η < λ ごとに、β η ∈ J \beta_\eta\in J β η ∈ J を狭義増加に、かつβ η ≥ η + m \beta_\eta\geq\eta+m β η ≥ η + m となるように選ぶ。J J J はλ \lambda λ に共終であり、η + m < λ \eta+m<\lambda η + m < λ なので、この選択が成立する。有限積に対する基数対の条件をm m m 回適用すると、X r β η X^{r_{\beta_\eta}} X r β η において、θ η + m \theta_{\eta+m} θ η + m 個から条件P \mathsf P P を満たすθ η \theta_\eta θ η 個を選ぶことができる。∣ L β η ∣ = θ β η ≥ θ η + m |L_{\beta_\eta}|=\theta_{\beta_\eta}\geq\theta_{\eta+m} ∣ L β η ∣ = θ β η ≥ θ η + m であるから、
H η ⊆ L β η , ∣ H η ∣ = θ η H_\eta\subseteq L_{\beta_\eta},\qquad |H_\eta|=\theta_\eta H η ⊆ L β η , ∣ H η ∣ = θ η を、( pr r β η ( U α ) ) α ∈ H η (\pr_{r_{\beta_\eta}}(U_\alpha))_{\alpha\in H_\eta} ( pr r β η ( U α ) ) α ∈ H η が条件P \mathsf P P を満たすように選ぶことができる。m = 0 m=0 m = 0 の場合も、根上の積は一点空間なので同じ選択が成立する。
H = ⋃ η < λ H η H=\bigcup_{\eta<\lambda}H_\eta H = ⋃ η < λ H η とおけば∣ H ∣ = κ |H|=\kappa ∣ H ∣ = κ である。有限積X r X^r X r は補題 2.11 (3) によりκ \kappa κ 個から条件P \mathsf P P を満たすκ \kappa κ 個を選ぶ性質をもつ。したがってA ⊆ H A\subseteq H A ⊆ H を、∣ A ∣ = κ |A|=\kappa ∣ A ∣ = κ かつ( pr r ( U α ) ) α ∈ A (\pr_r(U_\alpha))_{\alpha\in A} ( pr r ( U α ) ) α ∈ A が条件P \mathsf P P を満たすように選ぶ。
全交差の場合はF = A F=A F = A 、有限交差の場合は任意の空でない有限集合F ⊆ A F\subseteq A F ⊆ A 、二集合の場合は任意の二元集合F ⊆ A F\subseteq A F ⊆ A を取る。共通根上で
x r ∈ ⋂ α ∈ F pr r ( U α ) x_r\in\bigcap_{\alpha\in F}\pr_r(U_\alpha) x r ∈ α ∈ F ⋂ pr r ( U α ) を選ぶ。F ∩ H η ≠ ∅ F\cap H_\eta\ne\emptyset F ∩ H η = ∅ となる各η \eta η について、層の選択から
x η ∈ ⋂ α ∈ F ∩ H η pr r β η ( U α ) x_\eta\in\bigcap_{\alpha\in F\cap H_\eta}\pr_{r_{\beta_\eta}}(U_\alpha) x η ∈ α ∈ F ∩ H η ⋂ pr r β η ( U α ) を選ぶことができる。二集合の場合、一層に属する添字が一つだけならば、該当する射影が空でないことを用いる。
r r r 上でx r x_r x r を、r β η ∖ r r_{\beta_\eta}\setminus r r β η ∖ r 上でx η x_\eta x η の値を用いる。残るs α ∖ r β η s_\alpha\setminus r_{\beta_\eta} s α ∖ r β η 上ではU α , i U_{\alpha,i} U α , i から任意の点を選ぶ。これらの定義域は互いに交わらない。未指定の座標にはX X X の固定点を入れる。このように定めたx ∈ X I x\in X^I x ∈ X I は、各α ∈ F \alpha\in F α ∈ F のすべての座標条件を満たすので、x ∈ ⋂ α ∈ F U α x\in\bigcap_{\alpha\in F}U_\alpha x ∈ ⋂ α ∈ F U α である。よって( U α ) α ∈ A (U_\alpha)_{\alpha\in A} ( U α ) α ∈ A は条件P \mathsf P P を満たす。▨
定理 2.13. C \mathcal C C をCal \operatorname{Cal} Cal またはpCal \operatorname{pCal} pCal 、κ \kappa κ を無限基数とする。( X i ) i ∈ I (X_i)_{i\in I} ( X i ) i ∈ I を空でない位相空間の族とし、P J = ∏ i ∈ J X i P_J=\prod_{i\in J}X_i P J = ∏ i ∈ J X i 、P = P I P=P_I P = P I とおく。
κ \kappa κ が非可算正則基数である場合、または∣ I ∣ < cf ( κ ) |I|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ I ∣ < cf ( κ ) である場合には、
κ ∈ C ( P ) ⟺ ∀ i ∈ I , κ ∈ C ( X i ) . \kappa\in\mathcal C(P)\quad\Longleftrightarrow\quad
\forall i\in I,\ \kappa\in\mathcal C(X_i). κ ∈ C ( P ) ⟺ ∀ i ∈ I , κ ∈ C ( X i ) .
特に、この同値は任意の無限基数について有限直積で成立する。
κ \kappa κ が特異基数ならば、
κ ∈ C ( P ) ⟺ ∀ J ⊆ I , ( ∣ J ∣ ≤ cf ( κ ) ⟹ κ ∈ C ( P J ) ) . \kappa\in\mathcal C(P)\quad\Longleftrightarrow\quad
\forall J\subseteq I,\quad
\bigl(|J|\leq\operatorname{cf}(\kappa)\Longrightarrow\kappa\in\mathcal C(P_J)\bigr). κ ∈ C ( P ) ⟺ ∀ J ⊆ I , ( ∣ J ∣ ≤ cf ( κ ) ⟹ κ ∈ C ( P J ) ) .
cf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 であり、族( X i ) i ∈ I (X_i)_{i\in I} ( X i ) i ∈ I に現れる同相型の個数がcf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) 未満ならば、
κ ∈ C ( P ) ⟺ ∀ i ∈ I , κ ∈ C ( X i ) . \kappa\in\mathcal C(P)\quad\Longleftrightarrow\quad
\forall i\in I,\ \kappa\in\mathcal C(X_i). κ ∈ C ( P ) ⟺ ∀ i ∈ I , κ ∈ C ( X i ) .
特に、空でない空間X X X と空でない集合A A A に対し、cf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 ならばκ ∈ C ( X A ) \kappa\in\mathcal C(X^A) κ ∈ C ( X A ) とκ ∈ C ( X ) \kappa\in\mathcal C(X) κ ∈ C ( X ) は同値である。
cf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 であり、各X i X_i X i が濃度cf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) 未満の稠密部分集合をもつならば、κ ∈ C ( P ) \kappa\in\mathcal C(P) κ ∈ C ( P ) である。特に、無限基数μ \mu μ に対し、各因子が濃度μ \mu μ 以下の稠密部分集合をもつならば、μ + ∈ C ( P ) \mu^+\in\mathcal C(P) μ + ∈ C ( P ) である。
証明. 必要性はいずれも命題 2.6 (3) による。十分性の証明では、空でない開集合の族を、有限台s α s_\alpha s α をもつ基本開集合U α U_\alpha U α に縮める。
(1) を示す。有限積の場合は補題 2.11 (3) による。I I I が無限で∣ I ∣ < cf ( κ ) |I|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ I ∣ < cf ( κ ) ならば、§E1.22 補題 6.3 により、有限台の候補数は∣ [ I ] < ω ∣ = ∣ I ∣ < cf ( κ ) |[I]^{<\omega}|=|I|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ [ I ] < ω ∣ = ∣ I ∣ < cf ( κ ) である。したがってある有限集合s s s に対し、s α = s s_\alpha=s s α = s となる添字がκ \kappa κ 個存在する。有限積P s P_s P s の条件と§E2.14 補題 1.4 によって結論が従う。
κ \kappa κ が非可算正則で因子数に制限がない場合、定理 1.2 によりκ \kappa κ 個の台を根r r r の Δ-システムにする。有限積P r P_r P r の条件によって必要な交差性をもつκ \kappa κ 個の射影を選ぶ。根外の台が互いに交わらないことと§E2.14 補題 1.4 により、もとの基本開集合も同じ交差性をもつ。
(2) を示す。補題 1.3 によってκ \kappa κ 個の添字と∣ B ∣ ≤ cf ( κ ) |B|\leq\operatorname{cf}(\kappa) ∣ B ∣ ≤ cf ( κ ) となる座標集合B B B を取り、B B B の外で台を互いに交わらなくする。仮定をP B P_B P B に適用して、( pr B ( U α ) ) (\pr_B(U_\alpha)) ( pr B ( U α )) から必要な交差性をもつκ \kappa κ 個を選ぶ。§E2.14 補題 1.4 により、全交差または各有限交差をB B B 上で判定することができる。
(3) を示す。同相型ごとに添字を分け、代表空間をY t Y_t Y t 、その同相型に属する添字集合をI t I_t I t とする。積は∏ t Y t I t \prod_tY_t^{I_t} ∏ t Y t I t と同相である。補題 2.12 によって各Y t I t Y_t^{I_t} Y t I t がκ \kappa κ を caliber または precaliber にもつ。同相型の個数が共終数未満なので、(1) によりそれらの積も同じ性質をもつ。任意冪の同値も、この補題と座標射影から従う。
(4) を示す。各X i X_i X i の稠密部分集合D i D_i D i を∣ D i ∣ < cf ( κ ) |D_i|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ D i ∣ < cf ( κ ) となるように選ぶ。基本開集合の各指定座標についてp α ( i ) ∈ D i ∩ U α , i p_\alpha(i)\in D_i\cap U_{\alpha,i} p α ( i ) ∈ D i ∩ U α , i を選ぶ。定理 1.5 により、κ \kappa κ 個のp α p_\alpha p α の合併が写像となるように添字を選ぶ。その合併をP P P の一点へ延長すれば、選んだ基本開集合すべてに属する点が得られる。したがって caliber の結論が成立し、precaliber の結論も従う。§E1.23 補題 2.6 により後続基数μ + \mu^+ μ + は非可算正則であり、μ < cf ( μ + ) = μ + \mu<\operatorname{cf}(\mu^+)=\mu^+ μ < cf ( μ + ) = μ + なので、最後の主張も得られる。▨
系 2.14. 空でない可分空間の任意の直積と、その連続像は、非可算共終数をもつすべての基数を caliber および precaliber にもつ。そのような空間Y Y Y が無限 Hausdorff ならば、
Cal ( Y ) = pCal ( Y ) = { κ : cf ( κ ) > ℵ 0 } \operatorname{Cal}(Y)=\operatorname{pCal}(Y)
=\{\kappa:\operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0\} Cal ( Y ) = pCal ( Y ) = { κ : cf ( κ ) > ℵ 0 } である。
系 2.15. ( D i ) i ∈ I (D_i)_{i\in I} ( D i ) i ∈ I を空でない離散空間の族、P = ∏ i ∈ I D i P=\prod_{i\in I}D_i P = ∏ i ∈ I D i とする。P P P が有限ならばすべての無限基数がP P P の caliber および precaliber である。P P P が無限ならば、無限基数κ \kappa κ について
κ ∈ Cal ( P ) ⟺ κ ∈ pCal ( P ) ⟺ cf ( κ ) > ℵ 0 かつ ∀ i ∈ I , ∣ D i ∣ < cf ( κ ) \kappa\in\operatorname{Cal}(P)
\quad\Longleftrightarrow\quad
\kappa\in\operatorname{pCal}(P)
\quad\Longleftrightarrow\quad
\operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0\ \text{かつ}\
\forall i\in I,\ |D_i|<\operatorname{cf}(\kappa) κ ∈ Cal ( P ) ⟺ κ ∈ pCal ( P ) ⟺ cf ( κ ) > ℵ 0 かつ ∀ i ∈ I , ∣ D i ∣ < cf ( κ ) が成り立つ。
証明. P P P が有限ならば、P P P 自身を有限な稠密部分集合として命題 2.6 (4) を適用する。P P P が無限ならば、離散空間の積は Hausdorff であるから定理 2.9 により非可算共終数が必要である。各因子への射影と定理 2.5 により、各∣ D i ∣ < cf ( κ ) |D_i|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ D i ∣ < cf ( κ ) も必要である。逆にこれらの条件が成立すれば、各D i D_i D i 自身を稠密集合として定理 2.13 (4) を適用する。▨
系 2.16. D D D を無限離散空間、I I I を空でない集合とする。無限基数κ \kappa κ について
κ ∈ Cal ( D I ) ⟺ κ ∈ pCal ( D I ) ⟺ ∣ D ∣ < cf ( κ ) \kappa\in\operatorname{Cal}(D^I)
\quad\Longleftrightarrow\quad
\kappa\in\operatorname{pCal}(D^I)
\quad\Longleftrightarrow\quad
|D|<\operatorname{cf}(\kappa) κ ∈ Cal ( D I ) ⟺ κ ∈ pCal ( D I ) ⟺ ∣ D ∣ < cf ( κ ) が成り立つ。特に、任意の無限基数μ \mu μ について、濃度μ \mu μ の離散空間の任意の冪はμ + \mu^+ μ + を caliber および precaliber にもつ。
証明. D I D^I D I は無限である。∣ D ∣ |D| ∣ D ∣ は無限基数なので、∣ D ∣ < cf ( κ ) |D|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ D ∣ < cf ( κ ) ならば共終数は非可算である。したがって系 2.15 の条件は表示した不等式に一致する。κ = μ + \kappa=\mu^+ κ = μ + の場合は後続基数の正則性による。空冪は一点空間なので、最後の主張ではI = ∅ I=\emptyset I = ∅ も許す。▨
系 2.17. n ≥ 2 n\geq2 n ≥ 2 を有限離散空間とし、I I I を任意の集合とする。cf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 となるすべての基数κ \kappa κ はn I n^I n I の caliber および precaliber である。I I I が無限ならば、逆にこれらの性質をもつ無限基数は非可算共終数をもつものに限られる。I I I が有限ならば、すべての無限基数がn I n^I n I の caliber および precaliber である。特にこれらの結論はn = 2 , 3 n=2,3 n = 2 , 3 に適用される。
有限離散空間n n n が空または一点であっても、有限なI I I に対するn I n^I n I はすべての無限基数を caliber および precaliber にもつ。任意の位相空間の空冪も同様である。
証明. n ≥ 2 n\geq2 n ≥ 2 でI I I が無限ならばn I n^I n I は無限である。各因子の濃度は有限なので、系 2.15 の条件は共終数の非可算性に一致する。I I I が有限ならば積は有限であり、命題 2.6 (4) を適用する。空間が空の場合も、空でない開集合族が存在しないので結論が成立する。空冪は一点空間である。▨
例 2.18. 二点離散空間2 2 2 はℵ 0 \aleph_0 ℵ 0 を caliber および precaliber にもつが、2 ω 2^\omega 2 ω はいずれももたない。これは系 2.17 の有限な添字集合の場合と無限な添字集合の場合を比較すれば従う。したがって任意冪への保存における共終数の非可算性を外すことはできない。
例 2.19. 集合I I I に対して、§E2.14 系 5.3 と§E2.14 系 5.6 より、2 I 2^I 2 I が可分であることと∣ I ∣ ≤ 2 ℵ 0 |I|\leq2^{\aleph_0} ∣ I ∣ ≤ 2 ℵ 0 は同値である。
一方、∣ I ∣ > 2 ℵ 0 |I|>2^{\aleph_0} ∣ I ∣ > 2 ℵ 0 の場合でも、系 2.17 により2 I 2^I 2 I は非可算共終数をもつすべての基数を caliber および precaliber にもつ。
例 2.20. 閉順序数区間K = [ 0 , ω 1 ] K=[0,\omega_1] K = [ 0 , ω 1 ] に順序位相を入れる。各点収束位相をもつ連続関数空間C p ( K ) = C p ( K , R ) C_p(K)=C_p(K,\R) C p ( K ) = C p ( K , R ) はℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 を precaliber にもつが、caliber にもたない。
§E2.19 定理 7.2 と順序位相の Hausdorff 性によりK K K はコンパクト Hausdorff である。§E2.19 系 6.12 によりK K K は Tychonoff であり、§E2.30 系 1.6 によりC p ( K ) C_p(K) C p ( K ) はR K \R^K R K の稠密部分空間である。系 2.14 によってℵ 1 ∈ pCal ( R K ) \aleph_1\in\operatorname{pCal}(\R^K) ℵ 1 ∈ pCal ( R K ) であるから、命題 2.7 によってℵ 1 ∈ pCal ( C p ( K ) ) \aleph_1\in\operatorname{pCal}(C_p(K)) ℵ 1 ∈ pCal ( C p ( K )) が従う。
α < ω 1 \alpha<\omega_1 α < ω 1 ごとに
U α = { f ∈ C p ( K ) : f ( α ) < 0 , f ( ω 1 ) > 1 } U_\alpha=\{f\in C_p(K):f(\alpha)<0,\ f(\omega_1)>1\} U α = { f ∈ C p ( K ) : f ( α ) < 0 , f ( ω 1 ) > 1 } とおく。これは各点収束位相において開集合であり、§E2.30 補題 1.5 により空でない。任意のf ∈ C p ( K ) f\in C_p(K) f ∈ C p ( K ) について、連続性から各n ∈ N ≥ 1 n\in\NN n ∈ N ≥ 1 に対しβ n < ω 1 \beta_n<\omega_1 β n < ω 1 を選び、β n < t ≤ ω 1 \beta_n<t\leq\omega_1 β n < t ≤ ω 1 ならば∣ f ( t ) − f ( ω 1 ) ∣ < 1 / n |f(t)-f(\omega_1)|<1/n ∣ f ( t ) − f ( ω 1 ) ∣ < 1/ n とすることができる。§E1.23 定理 2.9 によりβ = sup n β n < ω 1 \beta=\sup_n\beta_n<\omega_1 β = sup n β n < ω 1 なので、β < t ≤ ω 1 \beta<t\leq\omega_1 β < t ≤ ω 1 ではf ( t ) = f ( ω 1 ) f(t)=f(\omega_1) f ( t ) = f ( ω 1 ) である。
したがってf ( ω 1 ) > 1 f(\omega_1)>1 f ( ω 1 ) > 1 ならば、f ∈ U α f\in U_\alpha f ∈ U α となるα \alpha α はβ \beta β 以下に限られる。f ( ω 1 ) ≤ 1 f(\omega_1)\leq1 f ( ω 1 ) ≤ 1 ならばそのようなα \alpha α は存在しない。いずれにせよ一つの関数が属するU α U_\alpha U α の添字は高々可算なので、非可算個のU α U_\alpha U α の交差は空である。
3 鎖条件と Knaster 条件
定義 3.1 (鎖条件). 位相空間X X X と無限基数κ \kappa κ に対し、空でない開集合の添字付き族( U α ) α < κ (U_\alpha)_{\alpha<\kappa} ( U α ) α < κ で、相異なる添字の開集合が互いに交わらないものが存在しないとき、X X X は κ \kappa κ -鎖条件 (kappa-chain condition ) をもつという。ℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 -鎖条件を 可算鎖条件 (countable chain condition ) 、または ccc という。
命題 3.2. 位相空間X X X と無限基数κ \kappa κ について、κ ∈ pCal ( X ) \kappa\in\operatorname{pCal}(X) κ ∈ pCal ( X ) ならば、X X X はcf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) -鎖条件をもち、したがってκ \kappa κ -鎖条件をもつ。
証明. 命題 2.3 によりλ = cf ( κ ) \lambda=\operatorname{cf}(\kappa) λ = cf ( κ ) も precaliber である。空でない開集合がλ \lambda λ 個互いに交わらなければ、その族の有限交差性をもつ部分族には高々一つの添字しかない。これはλ \lambda λ が precaliber であることに反する。また、κ \kappa κ 個の互いに交わらない族があれば、そのうちλ \lambda λ 個を選ぶことができるので、κ \kappa κ -鎖条件も従う。▨
命題 3.3. κ , λ \kappa,\lambda κ , λ を無限基数とする。
κ ≤ λ \kappa\leq\lambda κ ≤ λ ならば、κ \kappa κ -鎖条件はλ \lambda λ -鎖条件を導く。
濃度κ \kappa κ 未満の稠密部分集合をもつ空間はκ \kappa κ -鎖条件をもつ。
κ \kappa κ -鎖条件は、像が稠密な連続写像によって保存され、開部分空間へ遺伝する。
D D D がX X X の稠密部分空間ならば、D D D とX X X がκ \kappa κ -鎖条件をもつことは同値である。
空でない因子の直積がκ \kappa κ -鎖条件をもつならば、そのすべての部分積もκ \kappa κ -鎖条件をもつ。
証明. (1) では、λ \lambda λ 個の互いに交わらない開集合からκ \kappa κ 個を取ればよい。
(2) を示す。空でない開集合の互いに交わらない族に対し、各開集合と稠密集合D D D との交差から一点を選ぶ。選んだ点はすべて異なるので、添字集合はD D D に単射する。∣ D ∣ < κ |D|<\kappa ∣ D ∣ < κ ならば添字の個数もκ \kappa κ 未満である。
(3) を示す。像が稠密な連続写像について、像の空でない開集合の互いに交わらない族を逆像へ移すと、逆像も空でない開集合の互いに交わらない族となる。開部分空間の開集合は全空間でも開なので、同じ族を用いて遺伝性が従う。
(4) を示す。D D D からX X X への方向は包含写像に(3) を適用する。逆にD D D の空でない開集合V α = D ∩ U α V_\alpha=D\cap U_\alpha V α = D ∩ U α が互いに交わらないとする。U α U_\alpha U α をX X X の開集合として選ぶ。異なる二つのU α U_\alpha U α が交われば、その交差は空でない開集合なのでD D D と交わり、対応する二つのV α V_\alpha V α が交わる。したがってU α U_\alpha U α も互いに交わらない。
(5) は、部分積への射影が連続全射であることと(3) から従う。▨
命題 3.4. κ \kappa κ を無限基数とする。
離散空間D D D がκ \kappa κ -鎖条件をもつことと、∣ D ∣ < κ |D|<\kappa ∣ D ∣ < κ は同値である。
可分空間は ccc である。
証明. (1) について、∣ D ∣ ≥ κ |D|\geq\kappa ∣ D ∣ ≥ κ ならばκ \kappa κ 個の相異なる点の一点集合が互いに交わらない開集合族となる。∣ D ∣ < κ |D|<\kappa ∣ D ∣ < κ ならば、D D D 自身を稠密集合として命題 3.3 (2) を適用する。
(2) では、可算稠密集合の濃度がℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 未満であることと、同じ命題を用いる。▨
定理 3.5. X X X を距離化可能空間とする。
非可算正則基数λ \lambda λ に対し、X X X がλ \lambda λ -鎖条件をもつことと、濃度λ \lambda λ 未満の稠密部分集合をもつことは同値である。
任意の無限基数κ \kappa κ に対し、
κ ∈ Cal ( X ) ⟺ κ ∈ pCal ( X ) ⟺ X は濃度 cf ( κ ) 未満の稠密部分集合をもつ \kappa\in\operatorname{Cal}(X)
\quad\Longleftrightarrow\quad
\kappa\in\operatorname{pCal}(X)
\quad\Longleftrightarrow\quad
X\text{ は濃度 }\operatorname{cf}(\kappa)\text{ 未満の稠密部分集合をもつ} κ ∈ Cal ( X ) ⟺ κ ∈ pCal ( X ) ⟺ X は濃度 cf ( κ ) 未満の稠密部分集合をもつ
が成り立つ。
特にCal ( X ) = pCal ( X ) \operatorname{Cal}(X)=\operatorname{pCal}(X) Cal ( X ) = pCal ( X ) である。
証明. X X X の位相を定める距離d d d を取る。(1) の十分性は命題 3.3 (2) による。必要性について、各n ∈ N ≥ 1 n\in\NN n ∈ N ≥ 1 に対し、相異なる二点の距離が1 / n 1/n 1/ n 以上である極大な集合A n ⊆ X A_n\subseteq X A n ⊆ X を取る。包含で順序づけたこのような集合族では、鎖の合併も同じ距離の条件を満たすので Zorn の補題を適用することができる。
開球( B ( a , 1 / ( 3 n ) ) ) a ∈ A n (B(a,1/(3n)))_{a\in A_n} ( B ( a , 1/ ( 3 n )) ) a ∈ A n は互いに交わらない。実際、共通点があれば二つの中心の距離は2 / ( 3 n ) < 1 / n 2/(3n)<1/n 2/ ( 3 n ) < 1/ n となる。λ \lambda λ -鎖条件から∣ A n ∣ < λ |A_n|<\lambda ∣ A n ∣ < λ である。λ \lambda λ の非可算正則性によりD = ⋃ n ∈ N ≥ 1 A n D=\bigcup_{n\in\NN}A_n D = ⋃ n ∈ N ≥ 1 A n の濃度もλ \lambda λ 未満である。極大性から、各x ∈ X x\in X x ∈ X とn n n に対しd ( x , a ) < 1 / n d(x,a)<1/n d ( x , a ) < 1/ n となるa ∈ A n a\in A_n a ∈ A n が存在する。したがってD D D は稠密である。
(2) を示す。小さい稠密部分集合から caliber への含意は命題 2.6 (4) 、caliber から precaliber への含意は定義による。κ ∈ pCal ( X ) \kappa\in\operatorname{pCal}(X) κ ∈ pCal ( X ) と仮定し、λ = cf ( κ ) \lambda=\operatorname{cf}(\kappa) λ = cf ( κ ) とする。λ > ℵ 0 \lambda>\aleph_0 λ > ℵ 0 ならば、命題 3.2 によりX X X はλ \lambda λ -鎖条件をもち、(1) によって濃度λ \lambda λ 未満の稠密部分集合をもつ。λ = ℵ 0 \lambda=\aleph_0 λ = ℵ 0 ならば、定理 2.9 によりX X X は有限である。したがってX X X 自身が濃度λ \lambda λ 未満の稠密部分集合となる。▨
系 3.6. 距離化可能空間X X X について、次の六条件は同値である。
X X X は ccc である。
ℵ 1 ∈ Cal ( X ) \aleph_1\in\operatorname{Cal}(X) ℵ 1 ∈ Cal ( X ) である。
ℵ 1 ∈ pCal ( X ) \aleph_1\in\operatorname{pCal}(X) ℵ 1 ∈ pCal ( X ) である。
X X X は可分である。
X X X は第二可算である。
X X X は Lindelöf である。
証明. 定理 3.5 にλ = κ = ℵ 1 \lambda=\kappa=\aleph_1 λ = κ = ℵ 1 を代入すると、鎖条件、caliber、precaliber の三条件はいずれも可分性に一致する。可分性・第二可算性・Lindelöf 性の同値は§E2.21 定理 4.2 による。▨
定理 3.7. κ \kappa κ を非可算基数、( X i ) i ∈ I (X_i)_{i\in I} ( X i ) i ∈ I を空でない位相空間の族とする。
κ \kappa κ が正則ならば、全直積がκ \kappa κ -鎖条件をもつことと、すべての有限部分積がκ \kappa κ -鎖条件をもつことは同値である。
κ \kappa κ が特異ならば、全直積がκ \kappa κ -鎖条件をもつことと、高々cf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) 個の因子からなるすべての部分積がκ \kappa κ -鎖条件をもつことは同値である。
証明. 必要性は命題 3.3 (5) による。十分性について、全直積に空でない開集合のκ \kappa κ 個の互いに交わらない族があると仮定し、各開集合を有限台の基本開集合U α U_\alpha U α に縮める。
(1) では、定理 1.2 によりκ \kappa κ 個の台を有限な根r r r の Δ-システムにする。§E2.14 補題 1.4 により、相異なる添字について根への射影も互いに交わらない。これは有限部分積のκ \kappa κ -鎖条件に反する。
(2) では、補題 1.3 によりκ \kappa κ 個の台の交差を∣ B ∣ ≤ cf ( κ ) |B|\leq\operatorname{cf}(\kappa) ∣ B ∣ ≤ cf ( κ ) となる座標集合B B B に集中させる。同じ交差判定により、B B B 上の部分積にκ \kappa κ 個の互いに交わらない空でない開集合が得られ、仮定に反する。▨
系 3.8. 空でない距離化可能空間の族( X i ) i ∈ I (X_i)_{i\in I} ( X i ) i ∈ I について、全直積が ccc であること、各因子が ccc であること、各因子が可分であることは同値である。
証明. 全直積から各因子への必要性は射影による。各因子の ccc と可分性の同値は系 3.6 による。各因子が可分ならば、系 2.14 によって全直積はℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 を precaliber にもち、命題 3.2 によって ccc である。▨
補題 3.9. κ \kappa κ を無限基数、L L L を GO 空間とする。L L L がκ \kappa κ -鎖条件を満たせば、L L L の各点は濃度κ \kappa κ 未満の近傍基をもつ。特に、L L L が可算鎖条件を満たせば、L L L は第一可算である。
証明. x ∈ L x\in L x ∈ L とし、L − : = { y ∈ L ∣ y < x } L_-:=\{y\in L\mid y<x\} L − := { y ∈ L ∣ y < x } とおく。L − L_- L − は濃度κ \kappa κ 未満の共終部分集合をもつ。実際、そのような部分集合が存在しないと仮定する。各α < κ \alpha<\kappa α < κ において、それまでに選んだ点はκ \kappa κ 個未満であり、L − L_- L − に共終でない。したがって超限帰納的に
a α < b α < c α < x , c β < a α ( β < α ) a_\alpha<b_\alpha<c_\alpha<x,
\qquad c_\beta<a_\alpha\quad(\beta<\alpha) a α < b α < c α < x , c β < a α ( β < α ) を満たす点を選ぶことができる。開区間( a α , c α ) (a_\alpha,c_\alpha) ( a α , c α ) はb α b_\alpha b α を含み、これらのκ \kappa κ 個の開集合は互いに交わらない。これはκ \kappa κ -鎖条件に反する。よってL − L_- L − の共終部分集合A A A で∣ A ∣ < κ |A|<\kappa ∣ A ∣ < κ となるものが存在する。順序を反転した議論により、L + : = { y ∈ L ∣ x < y } L_+:=\{y\in L\mid x<y\} L + := { y ∈ L ∣ x < y } にも濃度κ \kappa κ 未満の共始部分集合B B B が存在する。片側が空の場合は、対応するA A A またはB B B を空集合とする。
x x x を含む開半直線( a , ∞ ) (a,\infty) ( a , ∞ ) ( a ∈ A ) (a\in A) ( a ∈ A ) と( − ∞ , b ) (-\infty,b) ( − ∞ , b ) ( b ∈ B ) (b\in B) ( b ∈ B ) をとる。さらに[ x , ∞ ) [x,\infty) [ x , ∞ ) と( − ∞ , x ] (-\infty,x] ( − ∞ , x ] のうちL L L で開であるものを加え、得られた族の有限共通部分をとる。この族は濃度κ \kappa κ 未満であり、x x x の近傍基である。実際、x x x の凸な開近傍V V V をとる。V V V がy < x y<x y < x を含むならば、y ≤ a < x y\leq a<x y ≤ a < x となるa ∈ A a\in A a ∈ A を選ぶ。V V V がx x x より小さい点を含まないならば、[ x , ∞ ) = V ∪ ( x , ∞ ) [x,\infty)=V\cup(x,\infty) [ x , ∞ ) = V ∪ ( x , ∞ ) は開である。右側についても同様に半直線を選び、左右の半直線の共通部分をとると、V V V の凸性によりx x x を含みV V V に含まれる開近傍が得られる。
GO 空間では凸な開近傍が近傍基をなすので、結論が従う。κ = ℵ 1 \kappa=\aleph_1 κ = ℵ 1 の場合、濃度κ \kappa κ 未満の族は高々可算である。▨
直積が ccc を満たすための条件を導入しよう。
定義 3.10 (Knaster 条件). 位相空間X X X と無限基数κ \kappa κ に対し、空でない開集合の任意の添字付き族( U α ) α < κ (U_\alpha)_{\alpha<\kappa} ( U α ) α < κ から、∣ A ∣ = κ |A|=\kappa ∣ A ∣ = κ となるA ⊆ κ A\subseteq\kappa A ⊆ κ で、相異なるα , β ∈ A \alpha,\beta\in A α , β ∈ A についてU α ∩ U β ≠ ∅ U_\alpha\cap U_\beta\ne\emptyset U α ∩ U β = ∅ を満たすものを選ぶことができるとき、X X X は κ \kappa κ -Knaster 条件 (kappa-Knaster property ) をもつという。この条件は、κ \kappa κ がX X X の weak precaliber (weak precaliber ) であることとも呼ばれる。
定理 3.11. κ \kappa κ を無限基数とする。X X X がκ \kappa κ -Knaster 条件をもち、Y Y Y がκ \kappa κ -鎖条件をもつならば、X × Y X\times Y X × Y はκ \kappa κ -鎖条件をもつ。さらにκ \kappa κ が非可算正則基数ならば、空でない因子の族のうち一因子がκ \kappa κ -鎖条件をもち、残りのすべての因子がκ \kappa κ -Knaster 条件をもつ場合、その全直積はκ \kappa κ -鎖条件をもつ。
証明. X × Y X\times Y X × Y の空でない開集合がκ \kappa κ 個与えられたとし、それぞれを空でない長方形U α × V α U_\alpha\times V_\alpha U α × V α に縮める。X X X の条件によって、κ \kappa κ 個のU α U_\alpha U α を二つずつ交わるように選ぶ。対応するV α V_\alpha V α の族には、Y Y Y の鎖条件により交わる二つの添字がある。その二つの長方形は両座標で交わるので、積でも交わる。
任意積の場合、鎖条件をもつ因子の座標をi 0 i_0 i 0 とする。κ \kappa κ 個の空でない基本開集合の台を、定理 1.2 によって有限な根r r r の Δ-システムへ制限する。r ∖ { i 0 } r\setminus\{i_0\} r ∖ { i 0 } の各座標について順に Knaster 条件を適用し、κ \kappa κ 個の添字を残して、その座標の開集合を二つずつ交わるようにする。先に得られた交差性は部分族でも保存される。
i 0 ∈ r i_0\in r i 0 ∈ r ならば、その座標の鎖条件により、残った添字から交わる二つを選ぶ。i 0 ∉ r i_0\notin r i 0 ∈ / r ならば、残った相異なる任意の二添字を選ぶ。いずれの場合も根上の射影は交わるので、§E2.14 補題 1.4 によって基本開集合自体が交わる。したがって互いに交わらないκ \kappa κ 個の開集合族は存在しない。▨
例 3.12. 2 ω 1 2^{\omega_1} 2 ω 1 は系 2.17 によりℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 を caliber にもち、命題 3.2 により ccc である。一方、0 0 0 をすべての座標で値0 0 0 をとる点とし、
F = { 0 } ∪ { e α : α < ω 1 } , e α ( β ) = { 1 β = α , 0 β ≠ α F=\{0\}\cup\{e_\alpha:\alpha<\omega_1\},
\qquad
e_\alpha(\beta)=
\begin{cases}1&\beta=\alpha,\\0&\beta\ne\alpha\end{cases} F = { 0 } ∪ { e α : α < ω 1 } , e α ( β ) = { 1 0 β = α , β = α とおくと、F F F は閉部分空間であるが ccc でない。
F F F の外の点は少なくとも二つの座標で値1 1 1 をとる。その二座標で値1 1 1 を指定する基本開集合はF F F を避けるので、F F F の補集合は開である。他方、{ x ∈ F : x ( α ) = 1 } = { e α } \{x\in F:x(\alpha)=1\}=\{e_\alpha\} { x ∈ F : x ( α ) = 1 } = { e α } はF F F の開集合である。これらの一点集合はℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 個互いに交わらないので、F F F は ccc でなく、命題 3.2 によりℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 を precaliber にも caliber にももたない。
定理 3.13. X X X を空でない Tychonoff 空間、κ \kappa κ を無限基数とする。次は同値である。
κ ∈ pCal ( C p ( X ) ) ⟺ C p ( X ) は κ -Knaster 条件をもつ ⟺ cf ( κ ) > ℵ 0 . \kappa\in\operatorname{pCal}(C_p(X))
\quad\Longleftrightarrow\quad
C_p(X)\text{ は }\kappa\text{-Knaster 条件をもつ}
\quad\Longleftrightarrow\quad
\operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0. κ ∈ pCal ( C p ( X )) ⟺ C p ( X ) は κ -Knaster 条件をもつ ⟺ cf ( κ ) > ℵ 0 . 特にC p ( X ) C_p(X) C p ( X ) は ccc である。
証明. cf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 とする。§E2.30 系 1.6 によりC p ( X ) C_p(X) C p ( X ) はR X \R^X R X の稠密部分空間であり、系 2.14 と命題 2.7 によってκ ∈ pCal ( C p ( X ) ) \kappa\in\operatorname{pCal}(C_p(X)) κ ∈ pCal ( C p ( X )) である。有限交差性をもつ族では任意の二集合が交わるので、precaliber の条件は Knaster 条件を導く。
cf ( κ ) = ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)=\aleph_0 cf ( κ ) = ℵ 0 とする。X ≠ ∅ X\ne\emptyset X = ∅ なので、相異なる定数関数によりC p ( X ) C_p(X) C p ( X ) は無限である。また、R X \R^X R X の部分空間であるから Hausdorff である。定理 2.9 により、空でない開集合の互いに交わらない可算族( W n ) n ∈ N ≥ 0 (W_n)_{n\in\N} ( W n ) n ∈ N ≥ 0 が存在する。κ \kappa κ を可算個の集合L n L_n L n に分割し、各∣ L n ∣ < κ |L_n|<\kappa ∣ L n ∣ < κ とする。α ∈ L n \alpha\in L_n α ∈ L n ならばU α = W n U_\alpha=W_n U α = W n と定める。二つずつ交わる部分族の添字は一つの層L n L_n L n にしか属さないので、その濃度はκ \kappa κ 未満である。したがってκ \kappa κ -Knaster 条件は成立しない。
κ = ℵ 1 \kappa=\aleph_1 κ = ℵ 1 の場合には precaliber の条件が成立するので、命題 3.2 によって ccc が従う。▨
4 演習
問題 4.1. 位相空間X X X と無限基数κ \kappa κ について、
caliber κ ⟹ precaliber κ ⟹ κ -Knaster 条件 ⟹ κ -鎖条件 \text{caliber }\kappa
\quad\Longrightarrow\quad
\text{precaliber }\kappa
\quad\Longrightarrow\quad
\kappa\text{-Knaster 条件}
\quad\Longrightarrow\quad
\kappa\text{-鎖条件} caliber κ ⟹ precaliber κ ⟹ κ -Knaster 条件 ⟹ κ - 鎖条件 が成り立つことを示せ。
解答. 全体の交差が空でなければ、その点が任意の有限部分族の交差にも属する。有限交差性があれば、特に二つの集合の交差は空でない。最後に、κ \kappa κ 個の互いに交わらない空でない開集合族があれば、二つずつ交わる部分族の添字は高々一つである。これは Knaster 条件に反する。以上で三つの含意が得られる。▨
問題 4.2. 無限基数κ \kappa κ に対する Knaster 条件について、次を示せ。
像が稠密な連続写像によって保存され、開部分空間へ遺伝する。
空間とその稠密部分空間との間で同値になる。
κ \kappa κ について成り立てばcf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) についても成り立つ。
解答. (1) を示す。像が稠密な連続写像f : X → Y f:X\to Y f : X → Y とY Y Y の空でない開集合U α U_\alpha U α を取る。逆像f − 1 ( U α ) f^{-1}(U_\alpha) f − 1 ( U α ) は空でない開集合であるから、X X X の Knaster 条件により二つずつ交わるκ \kappa κ 個を選ぶことができる。各二集合の交差の点をf f f で移せば、対応するU α U_\alpha U α も二つずつ交わる。開部分空間では、その開集合が全空間でも開であることから同じ条件が従う。
(2) を示す。D D D がX X X で稠密ならば、D D D からX X X への方向は包含写像による。逆にD D D の空でない開集合をV α = D ∩ U α V_\alpha=D\cap U_\alpha V α = D ∩ U α と書き、X X X の Knaster 条件によってU α U_\alpha U α をκ \kappa κ 個、二つずつ交わるように選ぶ。各二集合の交差は空でない開集合なのでD D D と交わる。したがって対応するV α V_\alpha V α も二つずつ交わる。
(3) を示す。λ = cf ( κ ) \lambda=\operatorname{cf}(\kappa) λ = cf ( κ ) とおき、λ < κ \lambda<\kappa λ < κ の場合を考える。κ \kappa κ を各濃度がκ \kappa κ 未満の層L ξ L_\xi L ξ にξ < λ \xi<\lambda ξ < λ で分割する。λ \lambda λ 個の空でない開集合V ξ V_\xi V ξ を、α ∈ L ξ \alpha\in L_\xi α ∈ L ξ に対してU α = V ξ U_\alpha=V_\xi U α = V ξ として繰り返す。二つずつ交わるκ \kappa κ 個の添字を選ぶと、その添字が交わる層はλ \lambda λ 個でなければならない。実際、λ \lambda λ 個未満の層の合併の濃度はκ \kappa κ 未満である。交わる各層から一つずつ添字を取れば、λ \lambda λ 個のV ξ V_\xi V ξ が二つずつ交わる。λ = κ \lambda=\kappa λ = κ の場合は仮定そのものである。▨
問題 4.3. ( X i ) i ∈ I (X_i)_{i\in I} ( X i ) i ∈ I を空でない位相空間の族、κ \kappa κ を無限基数とする。次を示せ。
κ \kappa κ が非可算正則基数である場合、または∣ I ∣ < cf ( κ ) |I|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ I ∣ < cf ( κ ) である場合には、全直積がκ \kappa κ -Knaster 条件をもつことと、各因子がκ \kappa κ -Knaster 条件をもつことは同値である。特に任意の無限基数について有限直積でこの同値が成立する。
κ \kappa κ が特異基数ならば、全直積がκ \kappa κ -Knaster 条件をもつことと、高々cf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) 個の因子からなるすべての部分積がκ \kappa κ -Knaster 条件をもつことは同値である。
cf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 であり、族に現れる同相型の個数がcf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) 未満ならば、全直積がκ \kappa κ -Knaster 条件をもつことと、各因子がκ \kappa κ -Knaster 条件をもつことは同値である。特に、空でない空間X X X と空でない集合A A A に対し、cf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 ならばX A X^A X A とX X X のκ \kappa κ -Knaster 条件は同値である。
解答. 必要性は部分積への連続全射と問題 4.2 (1) による。十分性では、空でない開集合の族を有限台の基本開集合U α U_\alpha U α に縮める。
(1) を示す。補題 2.11 (3) の条件P \mathsf P P として「任意の二つの集合が交わる」を取り、すべての基数をκ \kappa κ とすれば有限積での主張が得られる。I I I が無限で∣ I ∣ < cf ( κ ) |I|<\operatorname{cf}(\kappa) ∣ I ∣ < cf ( κ ) の場合は、有限台の候補数が∣ I ∣ |I| ∣ I ∣ なので、κ \kappa κ 個の台を同じ有限集合s s s にそろえる。その有限部分積で Knaster 条件を適用すれば、対応する基本開集合も二つずつ交わる。
非可算正則基数について因子数が任意の場合は、定理 1.2 によりκ \kappa κ 個の台を根r r r の Δ-システムにする。有限積での結果をr r r 上の積に適用すると、射影が二つずつ交わるκ \kappa κ 個の添字が得られる。§E2.14 補題 1.4 を各二添字に適用すると、基本開集合自身も二つずつ交わる。
(2) を示す。補題 1.3 によりκ \kappa κ 個の台の交差を、濃度がcf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) 以下の座標集合B B B に集中させる。仮定からB B B 上の部分積はκ \kappa κ -Knaster 条件をもつ。したがって射影が二つずつ交わるκ \kappa κ 個の添字を選ぶことができる。各二添字に§E2.14 補題 1.4 を適用すれば結論が従う。この議論には共終数の非可算性を用いていない。
(3) を示す。補題 2.12 の条件P \mathsf P P を「任意の二つの集合が交わる」とすれば、任意冪への十分性が得られる。その証明では、基数対の選択補題はこの条件にも適用され、各層の根で選んだ族と全層共通の根で選んだ族が二つずつ交わる。最後に二添字を固定したとき、同じ層の二添字には層の根での交差を、異なる層の二添字には共通根での交差を用い、根外の座標を補って交差の点を得る。したがって有限交差性を仮定する必要はない。
同相型ごとに因子をまとめると全積は代表空間の冪の積と同相になる。各冪はκ \kappa κ -Knaster 条件をもち、その因子数はcf ( κ ) \operatorname{cf}(\kappa) cf ( κ ) 未満である。(1) によってそれらの積もκ \kappa κ -Knaster 条件をもつ。▨
問題 4.4. X X X を空でない Tychonoff 空間とする。X X X が高々可算である場合、または離散である場合には、無限基数κ \kappa κ について
κ ∈ Cal ( C p ( X ) ) ⟺ cf ( κ ) > ℵ 0 \kappa\in\operatorname{Cal}(C_p(X))
\quad\Longleftrightarrow\quad
\operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 κ ∈ Cal ( C p ( X )) ⟺ cf ( κ ) > ℵ 0 が成り立つことを示せ。
解答. X X X が高々可算ならば、R X \R^X R X は可算個の有理端点の区間から有限座標を指定して得られる可算開基をもつ。したがって部分空間C p ( X ) C_p(X) C p ( X ) も第二可算である。可算開基の空でない各元から一点を取ると可算稠密集合が得られるので、C p ( X ) C_p(X) C p ( X ) は可分である。命題 2.6 (4) により非可算共終数をもつすべての基数は caliber である。
X X X が離散ならば、任意の写像X → R X\to\R X → R が連続なので、各点収束位相に関してC p ( X ) = R X C_p(X)=\R^X C p ( X ) = R X である。系 2.14 により、やはり非可算共終数をもつすべての基数は caliber である。
いずれの場合も、X ≠ ∅ X\ne\emptyset X = ∅ なので定数関数によりC p ( X ) C_p(X) C p ( X ) は無限であり、R X \R^X R X の部分空間であるから Hausdorff である。定理 2.9 により、可算共終数をもつ基数は caliber でない。▨