1 G_δ 集合と F_σ 集合
定義 1.1. Z Z Z を位相空間、A ⊆ Z A\subseteq Z A ⊆ Z とする。Z Z Z の開集合からなる列( U n ) n ≥ 1 (U_n)_{n\geq1} ( U n ) n ≥ 1 が存在して
A = ⋂ n ≥ 1 U n A=\bigcap_{n\geq1}U_n A = n ≥ 1 ⋂ U n が成り立つとき、A A A をZ Z Z の G δ G_\delta G δ 集合 (G-delta set ) という。Z Z Z の閉集合からなる列( F n ) n ≥ 1 (F_n)_{n\geq1} ( F n ) n ≥ 1 が存在して
A = ⋃ n ≥ 1 F n A=\bigcup_{n\geq1}F_n A = n ≥ 1 ⋃ F n が成り立つとき、A A A をZ Z Z の F σ F_\sigma F σ 集合 (F-sigma set ) という。
補題 1.2. Z Z Z を位相空間、A ⊆ Z A\subseteq Z A ⊆ Z とする。A A A がZ Z Z のG δ G_\delta G δ 集合であることと、Z ∖ A Z\setminus A Z ∖ A がZ Z Z のF σ F_\sigma F σ 集合であることとは同値である。
証明. 必要性を示す。Z Z Z の開集合からなる列( U n ) n ≥ 1 (U_n)_{n\geq1} ( U n ) n ≥ 1 がA = ⋂ n ≥ 1 U n A=\bigcap_{n\geq1}U_n A = ⋂ n ≥ 1 U n を満たすとする。各Z ∖ U n Z\setminus U_n Z ∖ U n はZ Z Z の閉集合であり、§E1.2 定理 3.2 (2) によりZ ∖ A = ⋃ n ≥ 1 ( Z ∖ U n ) Z\setminus A=\bigcup_{n\geq1}(Z\setminus U_n) Z ∖ A = ⋃ n ≥ 1 ( Z ∖ U n ) であるから、Z ∖ A Z\setminus A Z ∖ A はZ Z Z のF σ F_\sigma F σ 集合である。
十分性を示す。Z Z Z の閉集合からなる列( F n ) n ≥ 1 (F_n)_{n\geq1} ( F n ) n ≥ 1 がZ ∖ A = ⋃ n ≥ 1 F n Z\setminus A=\bigcup_{n\geq1}F_n Z ∖ A = ⋃ n ≥ 1 F n を満たすとする。各Z ∖ F n Z\setminus F_n Z ∖ F n はZ Z Z の開集合であり、§E1.2 定理 3.2 (1) によりZ ∖ ( Z ∖ A ) = ⋂ n ≥ 1 ( Z ∖ F n ) Z\setminus(Z\setminus A)=\bigcap_{n\geq1}(Z\setminus F_n) Z ∖ ( Z ∖ A ) = ⋂ n ≥ 1 ( Z ∖ F n ) である。A ⊆ Z A\subseteq Z A ⊆ Z であるから、§E1.2 定理 3.2 (3) により左辺はA A A であり、A A A はZ Z Z のG δ G_\delta G δ 集合である。▨
命題 1.3. X X X を正規空間とする。X X X の部分集合が零集合であることと閉G δ G_\delta G δ 集合であることは同値である。
証明. Z ( f ) Z(f) Z ( f ) は§E2.16 命題 4.3 (1) により閉集合であり、Z ( f ) = ⋂ n ∈ N ≥ 1 f − 1 ( ( − 1 / n , 1 / n ) ) Z(f)=\bigcap_{n\in\NN}f^{-1}((-1/n,1/n)) Z ( f ) = ⋂ n ∈ N ≥ 1 f − 1 (( − 1/ n , 1/ n )) であるからG δ G_\delta G δ 集合である。
逆に、F = ⋂ n ∈ N ≥ 1 U n F=\bigcap_{n\in\NN}U_n F = ⋂ n ∈ N ≥ 1 U n を閉G δ G_\delta G δ 集合とし、各U n U_n U n を開集合とする。§E2.18 定理 3.1 により、F F F の上で0 0 0 、X ∖ U n X\setminus U_n X ∖ U n の上で1 1 1 をとる連続写像f n : X → [ 0 , 1 ] f_n\colon X\to[0,1] f n : X → [ 0 , 1 ] が存在する。§E2.16 命題 4.3 (5) により⋂ n ∈ N ≥ 1 Z ( f n ) \bigcap_{n\in\NN}Z(f_n) ⋂ n ∈ N ≥ 1 Z ( f n ) は零集合である。この共通部分はF F F を含み、x ∉ F x\notin F x ∈ / F ならばあるn n n についてx ∉ U n x\notin U_n x ∈ / U n であってf n ( x ) = 1 f_n(x)=1 f n ( x ) = 1 であるからx x x を含まない。ゆえにF = ⋂ n ∈ N ≥ 1 Z ( f n ) F=\bigcap_{n\in\NN}Z(f_n) F = ⋂ n ∈ N ≥ 1 Z ( f n ) である。▨
補題 1.4. 次が成り立つ:
X X X を位相空間とする。( A n ) n ≥ 1 (A_n)_{n\geq1} ( A n ) n ≥ 1 をX X X のG δ G_\delta G δ 集合の列とすると、⋂ n ≥ 1 A n \bigcap_{n\geq1}A_n ⋂ n ≥ 1 A n はX X X のG δ G_\delta G δ 集合である。
X X X を位相空間とする。G 1 ⊂ X G_1\subset X G 1 ⊂ X をX X X のG δ G_\delta G δ 集合、G 2 ⊂ G 1 G_2\subset G_1 G 2 ⊂ G 1 をG 1 G_1 G 1 のG δ G_\delta G δ 集合とすると、G 2 G_2 G 2 はX X X のG δ G_\delta G δ 集合である。
( X n ) n ∈ N ≥ 0 (X_n)_{n\in\N} ( X n ) n ∈ N ≥ 0 を可算個の位相空間の族とする。各n ∈ N ≥ 0 n\in\N n ∈ N ≥ 0 に対し、U n ⊂ X n U_n\subset X_n U n ⊂ X n をX n X_n X n のG δ G_\delta G δ 集合とする。このとき、∏ n ∈ N ≥ 0 U n ⊂ ∏ n ∈ N ≥ 0 X n \prod_{n\in\N}U_n\subset \prod_{n\in\N}X_n ∏ n ∈ N ≥ 0 U n ⊂ ∏ n ∈ N ≥ 0 X n はG δ G_\delta G δ 集合である。
証明.
(1) を示す。各n ≥ 1 n\geq1 n ≥ 1 について、X X X の開集合の列( U n , m ) m ≥ 1 (U_{n,m})_{m\geq1} ( U n , m ) m ≥ 1 でA n = ⋂ m ≥ 1 U n , m A_n=\bigcap_{m\geq1}U_{n,m} A n = ⋂ m ≥ 1 U n , m を満たすものをとると
⋂ n ≥ 1 A n = ⋂ n ≥ 1 ⋂ m ≥ 1 U n , m \bigcap_{n\geq1}A_n=\bigcap_{n\geq1}\bigcap_{m\geq1}U_{n,m} n ≥ 1 ⋂ A n = n ≥ 1 ⋂ m ≥ 1 ⋂ U n , m である。§E1.18 定理 5.2 (2) によりZ ≥ 1 × Z ≥ 1 \Z_{\geq1}\times\Z_{\geq1} Z ≥ 1 × Z ≥ 1 は高々可算であり空でないから、§E1.18 補題 3.6 により全射s : Z ≥ 1 → Z ≥ 1 × Z ≥ 1 s\colon\Z_{\geq1}\to\Z_{\geq1}\times\Z_{\geq1} s : Z ≥ 1 → Z ≥ 1 × Z ≥ 1 が存在する。W j = U n , m W_j=U_{n,m} W j = U n , m (ただし( n , m ) = s ( j ) (n,m)=s(j) ( n , m ) = s ( j ) )とおくと、( W j ) j ≥ 1 (W_j)_{j\geq1} ( W j ) j ≥ 1 はX X X の開集合の列であり、s s s が全射であることから⋂ j ≥ 1 W j \bigcap_{j\geq1}W_j ⋂ j ≥ 1 W j は上の右辺に等しい。▨
補題 1.5. Z Z Z とW W W を位相空間、f : Z → W f\colon Z\to W f : Z → W を閉写像とし、A A A をZ Z Z のF σ F_\sigma F σ 集合とする。このときf ( A ) f(A) f ( A ) はW W W のF σ F_\sigma F σ 集合である。
証明は演習とする(問題 5.1 )。
補題 1.6. K K K をコンパクト Hausdorff 空間、A ⊆ K A\subseteq K A ⊆ K とし、K ∖ A K\setminus A K ∖ A にはK K K からの部分空間位相を入れる。このとき、次は同値である:
A A A はK K K のG δ G_\delta G δ 集合である。
K ∖ A K\setminus A K ∖ A はK K K のF σ F_\sigma F σ 集合である。
K ∖ A K\setminus A K ∖ A は σ-コンパクトである。
証明. (1) ⇔ \Leftrightarrow ⇔ (2) は補題 1.2 より明らかである。また、コンパクト部分空間の閉部分空間はコンパクトであるから、(2) ⇒ \Rightarrow ⇒ (3) が従う。逆に、Hausdorff 空間のコンパクト部分集合は閉なので、(3) ⇒ \Rightarrow ⇒ (2) が従う。▨
2 Čech 完備空間
定義 2.1. X X X を T3½ 空間とする。X X X のコンパクト化c X cX c X が存在して、X X X がc X cX c X のG δ G_\delta G δ 集合であるとき、X X X は Čech 完備 (Čech-complete space ) であるという。
補題 2.2. 次が成り立つ:
コンパクト Hausdorff 空間は Čech 完備である。
Čech 完備空間のG δ G_\delta G δ 部分集合は Čech 完備である。
局所コンパクト Hausdorff 空間は Čech 完備である。
証明. (1) は明らかである。
(2) を示すため、X X X を Čech 完備、Y ⊂ X Y\subset X Y ⊂ X をG δ G_\delta G δ 集合とすると、X X X はあるコンパクト化c X cX c X のG δ G_\delta G δ 集合なので、補題 1.4 (2) よりY Y Y はc X cX c X のG δ G_\delta G δ 集合であり、よってY Y Y はそのコンパクト化cl c X ( Y ) \tpcl[cX]{Y} cl c X ( Y ) のG δ G_\delta G δ 集合である。
(3) は§E2.24 系 1.10 より局所コンパクト空間はどんなコンパクト化の中でも開、とくにG δ G_\delta G δ なのでこれから明らかである。▨
定理 2.3. X X X を T3½ 空間とする。次の七条件は同値である。
X X X のコンパクト化c X cX c X が存在して、X X X はc X cX c X のG δ G_\delta G δ 集合である。すなわち、X X X は Čech 完備である。
X X X のコンパクト化c X cX c X が存在して、剰余c X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X はc X cX c X のF σ F_\sigma F σ 集合である。
剰余β X ∖ X \beta X\setminus X β X ∖ X はβ X \beta X β X のF σ F_\sigma F σ 集合である。
X X X はβ X \beta X β X のG δ G_\delta G δ 集合である。
X X X の任意のコンパクト化c X cX c X について、X X X はc X cX c X のG δ G_\delta G δ 集合である。
X X X の任意のコンパクト化c X cX c X について、剰余c X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X はc X cX c X のF σ F_\sigma F σ 集合である。
証明. (1) ⇒ \Rightarrow ⇒ (2) を示す。X X X のコンパクト化c X cX c X であってX X X がc X cX c X のG δ G_\delta G δ 集合であるものをとると、補題 1.2 によりc X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X はc X cX c X のF σ F_\sigma F σ 集合である。
(2) ⇒ \Rightarrow ⇒ (3) を示す。X X X のコンパクト化c X cX c X であってc X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X がc X cX c X のF σ F_\sigma F σ 集合であるものをとり、c X cX c X の閉集合からなる列( E n ) n ≥ 1 (E_n)_{n\geq1} ( E n ) n ≥ 1 でc X ∖ X = ⋃ n ≥ 1 E n cX\setminus X=\bigcup_{n\geq1}E_n c X ∖ X = ⋃ n ≥ 1 E n を満たすものをとる。π : β X → c X \pi\colon\beta X\to cX π : β X → c X を§E2.22 系 3.5 の写像とすると、π \pi π は連続であるから、§E2.12 命題 1.6 により各π − 1 ( E n ) \pi^{-1}(E_n) π − 1 ( E n ) はβ X \beta X β X の閉集合である。§E1.2 定理 4.1 (1) により
π − 1 ( c X ∖ X ) = ⋃ n ≥ 1 π − 1 ( E n ) \pi^{-1}(cX\setminus X)=\bigcup_{n\geq1}\pi^{-1}(E_n) π − 1 ( c X ∖ X ) = n ≥ 1 ⋃ π − 1 ( E n ) であり、§E2.22 系 5.3 (1) により左辺はβ X ∖ X \beta X\setminus X β X ∖ X である。ゆえにβ X ∖ X \beta X\setminus X β X ∖ X はβ X \beta X β X のF σ F_\sigma F σ 集合である。
(3) ⇒ \Rightarrow ⇒ (6) を示す。c X cX c X をX X X の任意のコンパクト化とし、π : β X → c X \pi\colon\beta X\to cX π : β X → c X を§E2.22 系 3.5 の完全写像とすると、これは全射閉写像なので、β X ∖ X \beta X\setminus X β X ∖ X がβ X \beta X β X のF σ F_{\sigma} F σ 集合であることと§E2.22 系 5.3 (2) よりπ ( β X ∖ X ) = c X ∖ X \pi(\beta X\setminus X) = cX \setminus X π ( β X ∖ X ) = c X ∖ X もc X cX c X のF σ F_{\sigma} F σ 集合である。
(6) ⇒ \Rightarrow ⇒ (5) を示す。c X cX c X をX X X の任意のコンパクト化とすると、c X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X はc X cX c X のF σ F_\sigma F σ 集合であるから、補題 1.2 によりX X X はc X cX c X のG δ G_\delta G δ 集合である。
(5) ⇒ \Rightarrow ⇒ (4) を示す。§E2.22 系 2.4 によりβ X \beta X β X はX X X のコンパクト化であるから、このコンパクト化へ(5) を適用すると、X X X はβ X \beta X β X のG δ G_\delta G δ 集合である。
(4) ⇒ \Rightarrow ⇒ (1) を示す。§E2.22 系 2.4 によりβ X \beta X β X はX X X のコンパクト化であるから、c X = β X cX=\beta X c X = β X が(1) の求めるコンパクト化を与える。▨
系 2.4. X X X を T3½ 空間とする。このとき次は同値である:
X X X は Čech 完備である。
X X X のあるコンパクト化c X cX c X が存在して、c X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X は σ-コンパクトである。
β X ∖ X \beta X\setminus X β X ∖ X は σ-コンパクトである。
X X X の任意のコンパクト化c X cX c X に対して、c X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X は σ-コンパクトである。
系 2.5. ( X n ) n ∈ N ≥ 0 (X_n)_{n\in \N} ( X n ) n ∈ N ≥ 0 を可算個の Čech 完備空間の族とすると、直積空間∏ n ∈ N ≥ 0 X n \prod_{n\in \N}X_n ∏ n ∈ N ≥ 0 X n は Čech 完備である。
証明. ∏ n ∈ N ≥ 0 X n = ⋂ n ∈ N ≥ 0 ( X n × ∏ m ≠ n β X m ) \prod_{n\in \N}X_n = \bigcap_{n\in \N} \left( X_n \times \prod_{m\neq n}\beta X_m\right) ∏ n ∈ N ≥ 0 X n = ⋂ n ∈ N ≥ 0 ( X n × ∏ m = n β X m ) であり、各X n × ∏ m ≠ n β X m X_n \times \prod_{m\neq n}\beta X_m X n × ∏ m = n β X m はコンパクト Hausdorff 空間∏ n ∈ N ≥ 0 β X n \prod_{n\in \N}\beta X_n ∏ n ∈ N ≥ 0 β X n の中でG δ G_{\delta} G δ であるから、その可算個の共通部分である∏ n ∈ N ≥ 0 X n \prod_{n\in \N}X_n ∏ n ∈ N ≥ 0 X n もG δ G_{\delta} G δ である。よって主張は定理 2.3 よりただちに従う。▨
定理 2.6. X X X とY Y Y を T3½ 空間、f : X → Y f\colon X\to Y f : X → Y を固有閉写像とする。
Y Y Y が Čech 完備ならばX X X は Čech 完備である。
f f f が完全写像であり、X X X が Čech 完備であれば、Y Y Y は Čech 完備である。
証明. (1) は定理 2.3 とF σ F_{\sigma} F σ 集合の逆像がF σ F_{\sigma} F σ であることと§E2.22 定理 5.2 より得られる等式( β f ) − 1 ( β Y ∖ Y ) = β X ∖ X (\beta f)^{-1}(\beta Y\setminus Y) = \beta X\setminus X ( β f ) − 1 ( β Y ∖ Y ) = β X ∖ X からただちに従う。(2) も同じく、定理 2.3 と補題 1.5 と§E2.22 定理 5.2 β f ( β X ∖ X ) = β Y ∖ Y \beta f(\beta X\setminus X) = \beta Y\setminus Y β f ( β X ∖ X ) = β Y ∖ Y からただちに従う。▨
系 2.7. X X X を Čech 完備な位相空間とする。
F ⊆ X F\subseteq X F ⊆ X がX X X の閉集合であり、F F F に部分空間位相を入れるならば、F F F は Čech 完備である。
K K K がコンパクト Hausdorff 空間ならば、積空間X × K X\times K X × K は Čech 完備である。
(2) でK K K にコンパクト性だけでなく Hausdorff 性を課しているのは、Čech 完備性が T3½ 空間についてのみ定められており、X × K X\times K X × K が T3½ 空間であることを言う必要があるからである。
補題 2.2 (1) の逆に相当する結果として以下が成り立つ:
定理 2.8. Y Y Y を T3½ 空間、X ⊆ Y X\subseteq Y X ⊆ Y をY Y Y で稠密な部分集合とし、部分空間位相を入れたX X X は Čech 完備であるとする。このときX X X はY Y Y のG δ G_\delta G δ 集合である。
証明. X ⊆ Y X\subseteq Y X ⊆ Y もY ⊆ β Y Y\subseteq \beta Y Y ⊆ β Y も稠密であるから、X X X はβ Y \beta Y β Y で稠密である。よってβ Y \beta Y β Y はX X X のあるコンパクト化である。X X X は Čech 完備なので、定理 2.3 (5) をコンパクト化X ⊆ β Y X\subseteq\beta Y X ⊆ β Y へ適用すると、β Y \beta Y β Y の開集合からなる列( W n ) n ≥ 1 (W_n)_{n\geq1} ( W n ) n ≥ 1 でX = ⋂ n ≥ 1 W n X=\bigcap_{n\geq1}W_n X = ⋂ n ≥ 1 W n を満たすものが存在する。このときX = ⋂ n ≥ 1 ( W n ∩ Y ) X = \bigcap_{n\geq1}(W_n\cap Y) X = ⋂ n ≥ 1 ( W n ∩ Y ) であるから、X X X はY Y Y のG δ G_\delta G δ 集合である。▨
3 完備距離空間の Čech 性
定理 3.1. ( X , d ) (X, d) ( X , d ) を完備距離空間、X ⊆ Y X\subseteq Y X ⊆ Y をX X X を稠密部分空間として含む Hausdorff 空間とする。このとき、X X X はY Y Y のG δ G_\delta G δ 集合である。
証明. n ∈ N ≥ 0 n\in \N n ∈ N ≥ 0 とする。各x ∈ X x\in X x ∈ X に対してV n ( x ) : = Y ∖ cl Y ( X ∖ B X ( x , 2 − n ) ) V_n(x):=Y\setminus \tpcl[Y]{X\setminus B_X(x, 2^{-n})} V n ( x ) := Y ∖ cl Y ( X ∖ B X ( x , 2 − n ) ) と置き、
U n : = ⋃ x ∈ X V n ( x ) U_n := \bigcup_{x\in X} V_n(x) U n := x ∈ X ⋃ V n ( x ) と定義する。任意のn ∈ N ≥ 0 n\in \N n ∈ N ≥ 0 とx ∈ X x\in X x ∈ X に対してB X ( x , 2 − n ) ⊆ V n ( x ) B_X(x, 2^{-n})\subseteq V_n(x) B X ( x , 2 − n ) ⊆ V n ( x ) が成り立つので、X ⊆ ⋂ n ∈ N ≥ 0 U n X\subseteq \bigcap_{n\in \N} U_n X ⊆ ⋂ n ∈ N ≥ 0 U n である。
y ∈ ⋂ n ∈ N ≥ 0 U n y\in\bigcap_{n\in \N} U_n y ∈ ⋂ n ∈ N ≥ 0 U n を任意にとる。このとき、任意のn ∈ N ≥ 0 n\in\N n ∈ N ≥ 0 に対してあるa n ∈ X a_n\in X a n ∈ X が存在してy ∈ V n ( a n ) y\in V_n(a_n) y ∈ V n ( a n ) が成り立つ。W n : = ⋂ k ≤ n V k ( a k ) W_n := \bigcap_{k\leq n}V_k(a_k) W n := ⋂ k ≤ n V k ( a k ) とおけば、これはy ∈ W n y\in W_n y ∈ W n となるY Y Y の開集合であり、X ⊆ Y X\subseteq Y X ⊆ Y は稠密なので
∅ ≠ X ∩ W n ⊆ X ∩ V n ( a n ) = B X ( a n , 2 − n ) . \emptyset \neq X\cap W_n \subseteq X\cap V_n(a_n) = B_X(a_n,2^{-n}). ∅ = X ∩ W n ⊆ X ∩ V n ( a n ) = B X ( a n , 2 − n ) . 従って、F n : = cl X ( X ∩ W n ) F_n:=\tpcl[X]{X\cap W_n} F n := cl X ( X ∩ W n ) とおけば、§E2.5 補題 2.3 より、F n F_n F n はdiam X ( F n ) ≤ 2 1 − n → 0 \operatorname{diam}_X(F_n) \leq 2^{1-n}\to 0 diam X ( F n ) ≤ 2 1 − n → 0 (n → ∞ n\to \infty n → ∞ ) を満たすX X X の閉部分集合の減少列となるので、( X , d ) (X, d) ( X , d ) の完備性と§E2.5 定理 2.5 より点x ∞ ∈ ⋂ n ∈ N ≥ 0 F n x_\infty\in \bigcap_{n\in \N}F_n x ∞ ∈ ⋂ n ∈ N ≥ 0 F n がとれる。
y = x ∞ y=x_\infty y = x ∞ を示せば良い。y ≠ x ∞ y\neq x_\infty y = x ∞ と仮定すると、Y Y Y は Hausdorff なので、開集合
x ∞ ∈ W x , y ∈ W y , W x ∩ W y = ∅ x_\infty\in W_x, \qquad y\in W_y, \qquad W_x\cap W_y = \emptyset x ∞ ∈ W x , y ∈ W y , W x ∩ W y = ∅ が取れる。すると、X ∩ W x X\cap W_x X ∩ W x はx ∞ x_\infty x ∞ を含むX X X の開集合なので、あるε > 0 \ep > 0 ε > 0 が存在してB X ( x ∞ , ε ) ⊆ W x ∩ X B_X(x_\infty, \ep)\subseteq W_x\cap X B X ( x ∞ , ε ) ⊆ W x ∩ X が成り立つ。さらにx ∞ ∈ ⋂ n ∈ N ≥ 0 F n x_\infty \in \bigcap_{n\in\N}F_n x ∞ ∈ ⋂ n ∈ N ≥ 0 F n なので、diam X ( F n ) → 0 \operatorname{diam}_X(F_n)\to 0 diam X ( F n ) → 0 (n → ∞ n\to \infty n → ∞ ) であることから、あるn ∈ N ≥ 0 n\in \N n ∈ N ≥ 0 が存在して
X ∩ W n ⊆ F n ⊆ B X ( x ∞ , ε ) ⊆ X ∩ W x ⊆ W x X\cap W_n \subseteq F_n\subseteq B_X(x_\infty, \ep)\subseteq X\cap W_x \subseteq W_x X ∩ W n ⊆ F n ⊆ B X ( x ∞ , ε ) ⊆ X ∩ W x ⊆ W x が成り立つ。一方、W n ∩ W y W_n\cap W_y W n ∩ W y はy y y を含む開集合なので、X ⊆ Y X\subseteq Y X ⊆ Y が稠密であることから、
∅ ≠ X ∩ W n ∩ W y ⊆ W x ∩ W y = ∅ \emptyset \neq X\cap W_n\cap W_y\subseteq W_x\cap W_y = \emptyset ∅ = X ∩ W n ∩ W y ⊆ W x ∩ W y = ∅ となり、矛盾である。よってy = x ∞ y=x_\infty y = x ∞ でなければならない。▨
系 3.2 (Alexandrov の定理). ( Z , d ) (Z,d) ( Z , d ) を完備な距離空間、A ⊆ Z A\subseteq Z A ⊆ Z とし、A A A にはd d d の制限距離d A d_A d A を入れる。( A , d A ) (A,d_A) ( A , d A ) が完備距離化可能であることと、A A A がZ Z Z のG δ G_\delta G δ 集合であることとは同値である。
系 3.3. ( X , d ) (X,d) ( X , d ) を距離空間とし、X X X にはd d d が定める位相を入れる。このとき、( X , d ) (X,d) ( X , d ) が完備距離化可能であることと、X X X が Čech 完備であることとは同値である。
証明. 必要性を示す。距離空間は T3½ である。定理 3.1 よりX X X は任意のコンパクト化c X cX c X の中でG δ G_\delta G δ 集合である。ゆえに定義 2.1 によりX X X は Čech 完備である。
十分性を示す。( X ^ , d ^ , ι ) (\widehat X,\widehat d,\iota) ( X , d , ι ) を( X , d ) (X, d) ( X , d ) の完備化とする。X ⊆ X ^ X\subseteq \widehat X X ⊆ X は稠密で、X ^ \widehat X X は距離空間なので T3½ であり、さらにX X X は Čech 完備なので、定理 2.8 より、X X X はX ^ \widehat X X のG δ G_\delta G δ 部分集合である。よって§E2.10 定理 6.2 よりX X X は完備距離化可能である。▨
例 3.4. R \mathbb R R に通常の距離d d d を入れ、R ∖ Q \mathbb R\setminus\mathbb Q R ∖ Q にはd d d の制限距離を入れる。このときR ∖ Q \mathbb R\setminus\mathbb Q R ∖ Q は Čech 完備であるが、制限距離について完備でなく、局所コンパクトでもない。すなわち系 3.3 と補題 2.2 (3) が与える二つの十分条件は、いずれも Čech 完備であるための必要条件ではない。
証明. §E2.10 例 6.6 により、制限距離を入れたR ∖ Q \mathbb R\setminus\mathbb Q R ∖ Q は完備距離化可能であり、かつ制限距離そのものについて完備でない。ゆえに系 3.3 によりR ∖ Q \mathbb R\setminus\mathbb Q R ∖ Q は Čech 完備である。
U U U をR \mathbb R R の空でない開集合とし、x ∈ U x\in U x ∈ U をとると、§E2.2 定義 1.1 によりB ( x , ε ) = ( x − ε , x + ε ) ⊆ U B(x,\varepsilon)=(x-\varepsilon,x+\varepsilon)\subseteq U B ( x , ε ) = ( x − ε , x + ε ) ⊆ U を満たす実数ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 が存在する。§D1.4 補題 2.3 によりx < r < x + ε x<r<x+\varepsilon x < r < x + ε を満たす無理数r r r が存在し、§D1.4 系 2.2 の有理数の稠密性によりx < q < x + ε x<q<x+\varepsilon x < q < x + ε を満たす有理数q q q が存在する。r r r とq q q はともにB ( x , ε ) ⊆ U B(x,\varepsilon)\subseteq U B ( x , ε ) ⊆ U に属するから、§E2.11 命題 2.9 (2) によりR ∖ Q \mathbb R\setminus\mathbb Q R ∖ Q とQ \mathbb Q Q はいずれもR \mathbb R R で稠密である。
R ∖ Q \mathbb R\setminus\mathbb Q R ∖ Q が局所コンパクトであると仮定する。§E2.12 命題 4.8 により制限距離が定めるR ∖ Q \mathbb R\setminus\mathbb Q R ∖ Q の位相はR \mathbb R R からの部分空間位相であり、§E2.15 定理 3.2 によりR \mathbb R R は Hausdorff であるから、§E2.24 命題 4.1 によりR ∖ Q \mathbb R\setminus\mathbb Q R ∖ Q はR \mathbb R R の開集合である。したがってQ \mathbb Q Q はR \mathbb R R の閉集合であり、§E2.11 命題 2.5 (2) によりcl R ( Q ) = Q \tpcl[\mathbb R]{\mathbb Q}=\mathbb Q cl R ( Q ) = Q である。一方、Q \mathbb Q Q の稠密性と§E2.11 定義 2.7 によりcl R ( Q ) = R \tpcl[\mathbb R]{\mathbb Q}=\mathbb R cl R ( Q ) = R であるからQ = R \mathbb Q=\mathbb R Q = R となる。しかし§D1.4 補題 2.3 により0 < r 0 < 1 0<r_0<1 0 < r 0 < 1 を満たす無理数r 0 r_0 r 0 が存在し、r 0 ∉ Q r_0\notin\mathbb Q r 0 ∈ / Q である。この二つは両立しない。ゆえにR ∖ Q \mathbb R\setminus\mathbb Q R ∖ Q は局所コンパクトでない。▨
4 コンパクト化の剰余とσ-コンパクト性
剰余それ自身の位相的性質を調べるには、剰余のコンパクト化を用意しなければならない。X X X のコンパクト化c X cX c X のなかでのX X X の内部がコンパクト近傍をもつ点の全体に一致することから、剰余のコンパクト化としてc X cX c X からその全体を除いたものをとることができる。
補題 4.1. X X X を T3½ 空間、c X cX c X をX X X のコンパクト化とする。このとき、cl c X ( c X ∖ X ) = c X ∖ X l c \tpcl[cX]{cX\setminus X} = cX\setminus X_{\mathrm{lc}} cl c X ( c X ∖ X ) = c X ∖ X lc が成り立つ。特に、cl c X ( c X ∖ X ) ∖ ( c X ∖ X ) = X ∖ X l c \tpcl[cX]{cX\setminus X} \setminus (cX\setminus X) = X\setminus X_{\mathrm{lc}} cl c X ( c X ∖ X ) ∖ ( c X ∖ X ) = X ∖ X lc である。
証明. §E2.24 補題 1.9 によりint c X ( X ) = X l c \tpint[cX]{X}=X_{\mathrm{lc}} int c X ( X ) = X lc であり、§E2.11 命題 2.5 (3) によりc X ∖ int c X ( X ) = cl c X ( c X ∖ X ) cX\setminus\tpint[cX]{X}=\tpcl[cX]{cX\setminus X} c X ∖ int c X ( X ) = cl c X ( c X ∖ X ) であるから、cl c X ( c X ∖ X ) = c X ∖ X l c \tpcl[cX]{cX\setminus X} = cX\setminus X_{\mathrm{lc}} cl c X ( c X ∖ X ) = c X ∖ X lc である。▨
剰余の側が Čech 完備であるかどうかは、X X X 自身のσ-コンパクト性ではなく、X X X からコンパクト近傍をもつ点を除いた部分のσ-コンパクト性によって決まる。
定理 4.2. X X X を T3½ 空間、c X cX c X をX X X のコンパクト化とし、X ∖ X l c X\setminus X_{\mathrm{lc}} X ∖ X lc にはX X X からの、剰余c X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X にはc X cX c X からの部分空間位相を入れる。次の二条件は同値である。
X ∖ X l c X\setminus X_{\mathrm{lc}} X ∖ X lc はσ-コンパクトである。
剰余c X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X は Čech 完備である。
証明. R = c X ∖ X R=cX\setminus X R = c X ∖ X とおく。cl c X ( c X ∖ X ) \tpcl[cX]{cX\setminus X} cl c X ( c X ∖ X ) はc X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X のコンパクト化であり、補題 4.1 によりcl c X ( c X ∖ X ) ∖ ( c X ∖ X ) = X ∖ X l c \tpcl[cX]{cX\setminus X}\setminus (cX\setminus X) = X\setminus X_{\mathrm{lc}} cl c X ( c X ∖ X ) ∖ ( c X ∖ X ) = X ∖ X lc である。よって主張は系 2.4 (1) ⇔ \Leftrightarrow ⇔ (2) をc X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X へ適用することによりただちに従う。▨
系 4.3. X X X をσ-コンパクトな T3½ 空間、c X cX c X をX X X のコンパクト化とする。このとき剰余c X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X は Čech 完備である。
証明. §E2.24 命題 1.4 (1) によりX l c X_{\mathrm{lc}} X lc はX X X の開集合であるから、X ∖ X l c X\setminus X_{\mathrm{lc}} X ∖ X lc はX X X の閉集合である。X X X はσ-コンパクトであるから、§E2.25 系 2.2 (1) により部分空間X ∖ X l c X\setminus X_{\mathrm{lc}} X ∖ X lc はσ-コンパクトである。ゆえに定理 4.2 により剰余c X ∖ X cX\setminus X c X ∖ X は Čech 完備である。▨
例 4.4. D D D を非可算集合とし、D D D には離散位相を入れる。D D D の一点コンパクト化α D \alpha D α D の剰余α D ∖ D \alpha D\setminus D α D ∖ D は Čech 完備であるが、D D D はσ-コンパクトでない。すなわち系 4.3 の逆は成り立たない。
5 演習
解答. 定義 1.1 により、Z Z Z の閉集合からなる列( F n ) n ≥ 1 (F_n)_{n\geq1} ( F n ) n ≥ 1 でA = ⋃ n ≥ 1 F n A=\bigcup_{n\geq1}F_n A = ⋃ n ≥ 1 F n を満たすものが存在する。§E1.2 定理 4.2 により
f ( A ) = ⋃ n ≥ 1 f ( F n ) f(A)=\bigcup_{n\geq1}f(F_n) f ( A ) = n ≥ 1 ⋃ f ( F n ) であり、f f f は閉写像であるから各f ( F n ) f(F_n) f ( F n ) はW W W の閉集合である。ゆえにf ( A ) f(A) f ( A ) はW W W のF σ F_\sigma F σ 集合である。▨
解答. 定義 2.1 により、X X X のコンパクト化c X cX c X とc X cX c X の開集合からなる列( U n ) n ≥ 1 (U_n)_{n\geq1} ( U n ) n ≥ 1 でX = ⋂ n ≥ 1 U n X=\bigcap_{n\geq1}U_n X = ⋂ n ≥ 1 U n を満たすものをとる。E = cl c X ( F ) E=\tpcl[cX]{F} E = cl c X ( F ) とおく。§E2.22 定義 1.1 によりc X cX c X はコンパクト Hausdorff 空間であり、§E2.12 系 4.5 によりF F F がc X cX c X から受ける部分空間位相はX X X から受けるものに一致するから、§E2.22 補題 1.4 (2) によりE E E はF F F のコンパクト化であり、§E2.22 命題 1.3 によりF F F は T3½ 空間である。
F F F はX X X の閉集合であるから、§E2.12 命題 4.6 によりF = C ∩ X F=C\cap X F = C ∩ X を満たすc X cX c X の閉集合C C C が存在する。F ⊆ C F\subseteq C F ⊆ C でありC C C は閉集合であるから、§E2.11 命題 2.5 (1) によりE = cl c X ( F ) ⊆ C E=\tpcl[cX]{F}\subseteq C E = cl c X ( F ) ⊆ C であり、E ∩ X ⊆ C ∩ X = F E\cap X\subseteq C\cap X=F E ∩ X ⊆ C ∩ X = F である。逆にF ⊆ E F\subseteq E F ⊆ E かつF ⊆ X F\subseteq X F ⊆ X であるからF ⊆ E ∩ X F\subseteq E\cap X F ⊆ E ∩ X であり、E ∩ X = F E\cap X=F E ∩ X = F が成り立つ。したがって
F = E ∩ X = E ∩ ⋂ n ≥ 1 U n = ⋂ n ≥ 1 ( E ∩ U n ) F=E\cap X=E\cap\bigcap_{n\geq1}U_n=\bigcap_{n\geq1}(E\cap U_n) F = E ∩ X = E ∩ n ≥ 1 ⋂ U n = n ≥ 1 ⋂ ( E ∩ U n ) であり、§E2.12 定義 4.1 により各E ∩ U n E\cap U_n E ∩ U n はE E E の開集合である。ゆえにF F F はE E E のG δ G_\delta G δ 集合であり、定義 2.1 によりF F F は Čech 完備である。▨