1 閉集合の判定
定義 1.1. 位相空間Xの部分集合Aが k 閉 (k-closed) であるとは、Xの任意のコンパクト部分集合Kに対してA∩KがKの相対位相で閉であることをいう。すべての k 閉集合がXで閉であるとき、Xを コンパクト生成空間 (compactly generated space)、または k 空間 (k-space) という。
補題 1.2. 位相空間Xにおいてxn→xならば、{x}∪{xn:n∈N≥1}はコンパクトである。
証明.K={x}∪{xn:n∈N≥1}の開被覆からxを含む一つの開集合を取る。K内でもxn→xであるから、この開集合は有限個の項を除くすべてのxnを含む。残る有限個の点を覆う被覆要素を加えると、Kの有限部分被覆を得る。▨
命題 1.3. 第一可算空間と局所コンパクト空間はコンパクト生成空間である。
証明. 第一可算空間Xの k 閉集合Aとx∈clX(A)を取る。§E2.13 定理 7.4により、A内の点列でxn→xとなるものが存在する。補題 1.2によりK={x}∪{xn:n∈N≥1}はコンパクトである。A∩KはKで閉であり、K内でもxn→xであるからx∈Aである。したがってAは閉である。
局所コンパクト空間Xの k 閉集合Aとx∈X∖Aを取る。xのコンパクト近傍Kに対して、K∖AはKで開であるから、Xの開集合Vを用いてK∖A=K∩Vと書くことができる。x∈intX(K)∩V⊆X∖AであるからX∖Aは開である。▨
2 k 化と連続性
定義 2.1 (k 化). 位相空間Xの台集合上に、Xのすべてのコンパクト部分集合Kからの包含写像K→Xによる終位相を入れた空間を、Xの k 化 (k-ification) といい、kXと書く。kXの閉集合はXの k 閉集合である。
命題 2.2. 任意の位相空間Xに対して、kXの位相はXの位相より細かい。XとkXのコンパクト部分集合は一致し、各コンパクト部分集合上の相対位相も一致する。さらにk(kX)=kXであり、kXはコンパクト生成空間である。Xがコンパクト生成であることとkX=Xは同値である。
証明.§E2.12 命題 3.9 (2)を包含写像の族へ適用すると、恒等写像ϵX:kX→Xは連続である。Xのコンパクト部分集合Kについて、構造写像K→kXも連続であるから、K上の相対位相はXとkXで一致する。特にKはkXでもコンパクトである。逆にkXのコンパクト部分集合は、連続写像ϵXによる像としてXでもコンパクトである。
コンパクト部分集合と各相対位相が一致するので、k(kX)を定める検査族はkXを定めた検査族と同じであり、k(kX)=kXである。最後の同値は閉集合の記述から従い、kXに適用するとkXのコンパクト生成性を得る。▨
補題 2.3. コンパクト生成性は、任意の位相的直和および商像によって保たれる。
証明.q:X→Yをコンパクト生成空間Xからの商写像とし、A⊆Yを k 閉とする。Xのコンパクト部分集合Kに対して、q(K)はコンパクトであり、
q−1(A)∩K=(q∣K)−1(A∩q(K))はKで閉である。したがってq−1(A)は k 閉、ゆえに閉であり、商性からAも閉である。
コンパクト生成空間の直和X=∐i∈IXiの k 閉集合Aを取る。各成分の包含は連続であるから、Aの各成分での逆像は k 閉、ゆえに閉である。§E2.12 命題 7.2 (1)によりAは閉である。▨
定理 2.4. 位相空間Xについて、次の条件は同値である。
- Xはコンパクト生成空間である。
- Xのすべてのコンパクト部分集合を添字とする自然な全射qK:∐K⊆X, K はコンパクトK⟶X,(K,x)⟼xは商写像である。
- Xは局所コンパクト空間の商像である。
- 任意の位相空間Yと写像f:X→Yに対して、fが連続であることと、Xの任意のコンパクト部分集合Kに対してf∣K:K→Yが連続であることは同値である。
Xが Hausdorff ならば、これらは「Xが局所コンパクト Hausdorff 空間の商像である」という条件とも同値である。
証明.§E2.12 命題 7.2 (1)により、qK−1(A)が閉であることはAが k 閉であることと同値である。一点集合がコンパクトであることからqKは全射であり、§E2.12 命題 7.2 (3)により連続である。したがって(1)と(2)は同値である。
qKの始域では各成分が開なコンパクト近傍であるから、始域は局所コンパクトである。Xが Hausdorff ならば各成分も Hausdorff であり、異なる成分は開集合で分離されるから、始域も Hausdorff である。これにより(2)から(3)と Hausdorff 版を得る。逆方向は命題 1.3と補題 2.3から従う。
kXの終位相の普遍性§E2.12 定理 3.10により、kX→Yの連続性は各Kへの制限で判定される。X=kXならば(4)が成り立つ。逆にこの判定を恒等集合写像X→kXに適用する。各K→kXは構造写像として連続であるからX→kXは連続となり、命題 2.2によりX=kXである。▨
系 2.5. コンパクト生成空間Tから位相空間Xへの任意の連続写像f:T→Xは、連続写像f:T→kXと恒等写像ϵX:kX→Xにより、一意にf=ϵX∘fと分解される。
証明.Tのコンパクト部分集合Aを取る。f(A)はXのコンパクト部分集合であり、A→f(A)→kXは連続である。定理 2.4 (4)により、fと同じ集合写像であるf:T→kXは連続である。ϵXは恒等集合写像であるから、因子化は一意である。▨
3 部分空間と積
命題 3.1.Xをコンパクト生成空間とする。
- Xの閉部分空間はコンパクト生成である。
- Xが Hausdorff ならば、Xの開部分空間もコンパクト生成である。
証明.F⊆Xを閉集合とし、A⊆FをFで k 閉とする。Xのコンパクト部分集合Kに対して、F∩Kはコンパクトであり、A∩K=A∩(F∩K)はF∩Kで閉、したがってKで閉である。Xのコンパクト生成性によりAはXで閉であり、Fでも閉である。
Xを Hausdorff、U⊆Xを開集合とし、A⊆UをUで k 閉とする。Xのコンパクト部分集合Kに対して、K∩Uはコンパクト Hausdorff 空間Kの開部分空間であり、§E2.24 系 1.8により局所コンパクトである。A∩KはK∩Uで k 閉であるから、命題 1.3によりK∩Uで閉である。したがって(U∖A)∩KはKで開である。Xのコンパクト生成性によりU∖AはXで開となり、AはUで閉である。▨
定理 3.2.Xをコンパクト生成空間、Lを局所コンパクト Hausdorff 空間とする。このときX×Lはコンパクト生成空間である。
証明.定理 2.4 (2)の商写像qK:∐K→Xをとる。局所コンパクト Hausdorff 空間Lは§E2.24 定理 1.6により正則であるから、§E2.37 定理 5.2 (2)によりqK×idLは商写像である。始域は各K×Lを開成分とする位相的直和である。実際、各成分の部分空間位相は積位相であり、開成分による被覆の開集合は成分ごとに判定される。各K×Lは§E2.24 系 1.13 (2)により局所コンパクトであるから、その直和も局所コンパクトである。定理 2.4 (3)によりX×Lはコンパクト生成である。▨
4 コンパクト閉包の反復
定義 4.1. 位相空間Xの部分集合Aに対して
kclX(A)=K⊆X, K はコンパクト⋃clK(A∩K)をAの コンパクト閉包 (compact closure) という。その反復を
kclX0(A)=A,kclXα+1(A)=kclX(kclXα(A)),kclXλ(A)=α<λ⋃kclXα(A)と定める。最後の式は零でない極限順序数λに対するものである。すべてのA⊆XについてkclXα(A)=clX(A)となる順序数が存在するとき、その最小のものをXの コンパクト順序 (compact order) という。
補題 4.2. 位相空間Xの部分集合A⊆Bに対して
A⊆kclX(A)⊆clX(A),kclX(A)⊆kclX(B)が成り立つ。Aが k 閉であることとkclX(A)=Aは同値である。また、コンパクト閉包の反復は増大し、すべての順序数αについてkclXα(A)⊆clX(A)が成り立つ。
証明. 各a∈Aに対してコンパクト集合{a}を取ると、a∈kclX(A)である。各包含写像K→Xの連続性からclK(A∩K)⊆clX(A)であり、各部分空間での閉包の単調性からコンパクト閉包も単調である。
Aが k 閉ならば各clK(A∩K)=A∩KであるからkclX(A)=Aである。逆にkclX(A)=Aならば、各コンパクト部分集合KについてclK(A∩K)⊆A∩Kであり、Aは k 閉である。
包含と単調性を超限帰納法で反復すると、反復の増大性を得る。閉集合clX(A)は k 閉であるから固定点となり、同じ帰納法で各段階がclX(A)に含まれる。▨
定理 4.3. 位相空間Xに対してθ=ℏ(P(X))をP(X)の Hartogs 数とする。すべてのA⊆Xについて
kclXθ(A)=clkX(A)であり、この集合はAを含む最小の k 閉集合である。Xのコンパクト順序が存在することとXがコンパクト生成であることは同値である。
証明.A⊆Xに対してAα=kclXα(A)、α≤θとおく。§E1.17 系 2.4と補題 4.2により、この族は定まり、増大する。すべてのα<θでAα⊊Aα+1ならば、α↦AαはθからP(X)への単射となるが、これは§E1.21 定理 3.1 (3)に反する。したがってあるα<θでAα=Aα+1となり、それ以降の反復もAαに等しい。特にAθはコンパクト閉包の固定点であり、k 閉である。
Aを含む k 閉集合Fに対して、超限帰納法によりすべてのAαがFに含まれる。後続段階ではkclX(F)=Fと単調性を用い、極限段階では和集合を取ればよい。ゆえにAθはAを含む最小の k 閉集合である。kXの閉集合はXの k 閉集合であるから、Aθ=clkX(A)を得る。
Xがコンパクト生成ならば命題 2.2によりkX=Xであり、すべての部分集合が同じ段階θで通常の閉包へ達する。したがってコンパクト順序が存在する。逆にコンパクト順序が存在するならば、k 閉集合の各反復は元の集合に等しいから、その集合は通常の閉包にも等しい。ゆえにXはコンパクト生成である。▨
例 4.4. コンパクト空間のコンパクト順序は1以下である。
証明. コンパクト空間Xの部分集合Aに対し、コンパクト閉包の定義でK=Xを取るとclX(A)⊆kclX(A)である。逆の包含は補題 4.2による。▨
5 可算個のコンパクト部分集合による判定
定義 5.1. 位相空間Xが kω空間 (k-omega space) であるとは、コンパクト部分集合の増大列(Kn)n∈N≥1が存在してX=⋃n∈N≥1Knとなり、任意のA⊆Xについて
A が X で閉⟺すべての n∈N≥1 に対して A∩Kn が Kn で閉が成り立つことをいう。この定義は可算なコンパクト生成族の存在を要求するものであり、コンパクト閉包をω回反復すると通常の閉包になるという条件とは異なる。
補題 5.2. Hausdorff なkω空間Xに対し、定義の閉集合判定を満たすコンパクト部分集合の増大列(Kn)をとる。このときXの任意のコンパクト部分集合Cは、あるKnに含まれる。
証明.CがどのKnにも含まれないと仮定し、各nに対してxn∈C∖Knをとる。D={xn:n∈N≥1}とおく。固定したjに対して、n≥jならばxn∈/Kjであるから、D∩Kjは有限である。Dが有限ならばX=⋃jKjによりD⊆Kjとなるjが存在し、xj∈/Kjに矛盾する。したがってDは無限である。
任意のE⊆Dと任意のjについて、E∩Kjは有限であり、Hausdorff 性によりKjで閉である。kωの閉集合判定によってEはXで閉である。ゆえにDはCの閉部分空間であり、すべての部分集合が閉である離散空間でもある。Dはコンパクトな無限離散空間となり、矛盾する。▨
定理 5.3. Hausdorff 空間Xについて、次の条件は同値である。
- Xはkω空間である。
- Xはコンパクト生成空間であり、コンパクト部分集合の増大列(Kn)n∈N≥1で、Xの任意のコンパクト部分集合をある項に含むものが存在する。
さらに、Xがコンパクト生成であるならば、Xの各コンパクト部分集合をいずれかの項に含む任意のコンパクト部分集合の増大列(Kn)n∈N≥1は、kωの定義の閉集合判定を与える。
証明.Xがkωであるとし、閉集合判定を与える増大列(Kn)をとる。k 閉集合A⊆Xは各Knと閉集合で交わるから、kωの判定によって閉である。したがってXはコンパクト生成であり、補題 5.2により同じ列がすべてのコンパクト部分集合を吸収する。
(2)を仮定する。一点集合の吸収性によりX=⋃nKnである。A∩Knが各Knで閉であるとし、C⊆Xをコンパクトとする。C⊆KnとなるnをとればA∩CはCで閉である。したがってAは k 閉であり、コンパクト生成性により閉である。逆の閉性は部分空間への制限から従う。▨
系 5.4. 第一可算 Hausdorffkω空間は局所コンパクトである。
証明. 定義の閉集合判定を満たすコンパクト増大列(Kn)と点x∈Xをとり、xの減少する開近傍基(Un)をとる。xがコンパクト近傍をもたないならば、どのKnもUnを含まない。各nについてxn∈Un∖Knをとるとxn→xであり、補題 1.2によりC={x}∪{xn:n∈N≥1}はコンパクトである。補題 5.2によってC⊆Kjとなるjが存在するが、xj∈/Kjに矛盾する。▨
例 5.5. すべてのkω空間は σ-コンパクトであるが、通常の有理数空間Qは σ-コンパクトなコンパクト生成空間であってkω空間ではない。
6 k 化した積と写像空間
定義 6.1 (k 積). Hausdorff なコンパクト生成空間X,Yに対して、積位相を k 化した空間
X×kY=k(X×Y)をX,Yの k 積 (k-product) という。
命題 6.2. Hausdorff なコンパクト生成空間X,Yに対して、X×kYも Hausdorff なコンパクト生成空間である。コンパクト生成空間Tからの集合写像h:T→X×kYが連続であることと、その二つの座標写像が連続であることは同値である。
Hausdorff なコンパクト生成空間X,Y,Zに対して、標準的な全単射
X×kY⟶Y×kX,(x,y)⟼(y,x),(X×kY)×kZ⟶X×k(Y×kZ),((x,y),z)⟼(x,(y,z))は同相写像である。
証明. 通常の積X×Yは Hausdorff であり、その位相を細かくしても異なる二点を分離する開集合は保たれる。命題 2.2によりX×kYはコンパクト生成である。hが連続ならば、恒等写像X×kY→X×Yと射影を合成して、座標写像の連続性を得る。逆に二つの座標写像が連続ならば、積位相の普遍性によりh:T→X×Yは連続であり、系 2.5により k 積への写像としても連続である。
対称写像とその逆写像の各座標は射影であるから、座標判定により両写像は連続である。再結合写像についても、三つの座標は射影の合成であり、座標判定を二度適用すると連続である。逆向きの再結合写像も同じ三つの座標をもち、連続である。▨
定義 6.3 (k 化した写像空間). Hausdorff なコンパクト生成空間X,Yに対して、連続写像全体C(X,Y)にコンパクト開位相を入れた空間をCco(X,Y)と書き、
Ck(X,Y)=k(Cco(X,Y))をXからYへの k 化した写像空間 (k-ified function space) という。Ck(X,Y)は Hausdorff なコンパクト生成空間である。実際、異なる連続写像f,gに対してf(x)=g(x)となるx∈Xを取り、f(x),g(x)の互いに素な開近傍U,Vを取ると、[{x},U]と[{x},V]はf,gを分離する。したがってCco(X,Y)は Hausdorff であり、k 化した空間も Hausdorff である。コンパクト生成性は命題 2.2による。
定理 6.4. Hausdorff なコンパクト生成空間X,Yに対して、評価写像
ev:Ck(X,Y)×kX⟶Y,(f,x)⟼f(x)は連続である。
証明. 通常の積Ck(X,Y)×Xのコンパクト部分集合Bを取り、第二射影像をL⊆Xとする。Lはコンパクト Hausdorff 空間である。制限写像
rL:Cco(X,Y)⟶Cco(L,Y),f⟼f∣Lは連続である。実際、コンパクト集合H⊆Lと開集合U⊆Yに対してHはXでもコンパクトであり、rL−1([H,U])=[H,U]はCco(X,Y)で開である。
B上の評価は、連続写像の合成
B⟶Cco(X,Y)×LrL×idLCco(L,Y)×LevYである。最初の矢印は恒等写像Ck(X,Y)→Cco(X,Y)と射影から定まり、最後の矢印はLが局所コンパクト Hausdorff であることと§E2.30 定理 4.2によって連続である。したがって評価はすべてのB上で連続である。k 化の終位相の普遍性により、k(Ck(X,Y)×X)上の評価は連続である。▨
定理 6.5.T,X,Yを Hausdorff なコンパクト生成空間とする。集合写像F:T×X→YがT×kX上で連続であることと、各切片x↦F(t,x)が連続であって、随伴写像
F:T⟶Ck(X,Y),F(t)(x)=F(t,x)が連続であることは同値である。
証明.F:T×kX→Yを連続とする。各t∈Tに対して、x↦(t,x)は命題 6.2によりX→T×kXとして連続である。したがって各切片は連続であり、Fは連続写像全体に値を取る。
コンパクト部分集合A⊆Tを取る。Aはコンパクト Hausdorff であるから、定理 3.2により通常の積A×Xはコンパクト生成である。包含A×X→T×Xは系 2.5によってT×kXへの連続写像となるので、Fの制限FA:A×X→Yは連続である。
コンパクト部分集合K⊆X、開集合U⊆Y、およびF(a0)∈[K,U]となるa0∈Aを取る。FA−1(U)∩(A×K)は{a0}×Kを含むA×Kの開集合である。§E2.19 補題 5.1により、a0のAにおける開近傍VでV×K⊆FA−1(U)となるものが存在する。したがってV⊆(F∣A)−1([K,U])であり、F∣A:A→Cco(X,Y)は連続である。定理 2.4 (4)によりF:T→Cco(X,Y)は連続であり、系 2.5によりCk(X,Y)への写像としても連続である。
逆にF:T→Ck(X,Y)が連続ならば、命題 6.2により
T×kX⟶Ck(X,Y)×kX,(t,x)⟼(F(t),x)は連続である。この写像と定理 6.4の評価を合成するとFを得るから、Fは連続である。▨
定理 6.6 (指数法則). Hausdorff なコンパクト生成空間T,X,Yに対して、写像
Φ:Ck(T×kX,Y)⟶Ck(T,Ck(X,Y)),Φ(F)(t)(x)=F(t,x)は同相写像である。
証明.D=Ck(T×kX,Y)とおく。定理 6.4の評価を命題 6.2の再結合写像と合成すると、連続写像
(D×kT)×kX⟶Y,((F,t),x)⟼F(t,x)を得る。定理 6.5をXについて適用するとD×kT→Ck(X,Y)が連続となり、さらにTについて適用すると、Φ:D→Ck(T,Ck(X,Y))が連続となる。
E=Ck(T,Ck(X,Y))とおく。二つの評価を合成した写像
(E×kT)×kX⟶Ck(X,Y)×kXevY,((h,t),x)⟼h(t)(x)は命題 6.2と定理 6.4により連続である。再結合してE×k(T×kX)→Yとみなし、定理 6.5をT×kXについて適用すると、
Ψ:E⟶D,Ψ(h)(t,x)=h(t)(x)は連続である。各F∈D、h∈Eに対してΨ(Φ(F))(t,x)=F(t,x)、Φ(Ψ(h))(t)(x)=h(t)(x)であるから、ΦとΨは互いに逆である。▨