§E2.17順序位相

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実数直線の通常の位相は開区間の全体を開基として定まり、開区間は大小関係だけによって書き表される。同じ構成は任意の全順序集合に対して行うことができ、こうして定まる位相を順序位相という。一方、位相と全順序をともに備えた空間を扱うときには、位相が順序位相と一致する場合だけでなく、位相が順序位相を含み、凸集合からなる開基をもつという、より弱い関係にある場合も現れる。前者を全順序位相空間、後者を一般順序位相空間という。順序を用いて構成される空間は、順序数の区間や Sorgenfrey 直線のように、位相空間についての一般の主張に対する例と反例を与える場としてしばしば用いられる。本記事では、順序位相と、これら二つの空間のクラスについて解説する。

1 順序位相

定義 1.1 (順序位相の基本開集合).(X,<)(X,<)を全順序集合とする。XXに二つの形式的な元−∞-\inftyと∞\inftyを付け加えた集合をX+:=X∪{−∞,∞}X^{+}:=X\cup\{-\infty,\infty\}と書き、XXの順序に加えて、すべてのx∈Xx\in Xに対して−∞<x<∞-\infty<x<\inftyと定め、さらに−∞<∞-\infty<\inftyと定めることにより、X+X^{+}を全順序集合とみなす。XXの順序はX+X^{+}の順序の制限であり、XXが最小元または最大元をもつ場合にも、それらはX+X^{+}の最小元でも最大元でもない。a,b∈X+a,b\in X^{+}に対して

(a,b)={y∈X∣a<y<b},[a,b)={y∈X∣a≤y<b},(a,b]={y∈X∣a<y≤b},[a,b]={y∈X∣a≤y≤b}(a,b)=\{y\in X\mid a<y<b\},\qquad [a,b)=\{y\in X\mid a\le y<b\},\qquad (a,b]=\{y\in X\mid a<y\le b\},\qquad [a,b]=\{y\in X\mid a\le y\le b\}

と書く。とくに[a,∞)={y∈X∣a≤y}[a,\infty)=\{y\in X\mid a\le y\}、(−∞,a]={y∈X∣y≤a}(-\infty,a]=\{y\in X\mid y\le a\}である。XXが最小元mmをもつとき[m,b)=(−∞,b)[m,b)=(-\infty,b)が成り立ち、XXが最大元MMをもつとき(a,M]=(a,∞)(a,M]=(a,\infty)が成り立つ。a<ba<bのとき(a,b)(a,b)は、aaとbbがXXに属するかX+∖XX^{+}\setminus Xに属するかに応じて、(a,b)(a,b)(a,b∈Xa,b\in X)、(−∞,b)(-\infty,b)(b∈Xb\in X)、(a,∞)(a,\infty)(a∈Xa\in X)、X=(−∞,∞)X=(-\infty,\infty)の四つの形に分かれる。a<ba<bとなる元a,b∈X+a,b\in X^{+}に対する(a,b)⊆X(a,b)\subseteq Xを 基本開集合 (basic open set) という。基本開集合の全体をB<\mathcal B_<と書き、B<\mathcal B_<が生成する位相をXXの 順序位相 (order topology) という。全順序<<が定める順序位相をλ(<)\lambda(<)と書く。

定理 1.2.B<\mathcal B_<は開基である。

証明.−∞<∞-\infty<\inftyであるからX=(−∞,∞)X=(-\infty,\infty)は基本開集合であり、B<\mathcal B_<の元からなる集合族の和集合としてXXが得られる。次にa1,a2,b1,b2∈X+a_1,a_2,b_1,b_2\in X^{+}をとる。X+X^{+}は全順序集合であるからmax⁡{a1,a2}\max\{a_1,a_2\}とmin⁡{b1,b2}\min\{b_1,b_2\}が定まり、

(a1,b1)∩(a2,b2)={x∈X∣max⁡{a1,a2}<x<min⁡{b1,b2}}(a_1,b_1)\cap(a_2,b_2)=\{x\in X\mid \max\{a_1,a_2\}<x<\min\{b_1,b_2\}\}

が成り立つ。この集合の元xxをとるとmax⁡{a1,a2}<min⁡{b1,b2}\max\{a_1,a_2\}<\min\{b_1,b_2\}であるから、右辺は基本開集合(max⁡{a1,a2},min⁡{b1,b2})(\max\{a_1,a_2\},\min\{b_1,b_2\})であり、xxを含んで(a1,b1)∩(a2,b2)(a_1,b_1)\cap(a_2,b_2)に含まれる。したがって§E2.13 命題 1.3の仮定が成り立ち、B<\mathcal B_<はλ(<)\lambda(<)の開基である。▨

命題 1.3.(X,<X)(X,<_X)と(Y,<Y)(Y,<_Y)を全順序集合とし、それぞれに順序位相を入れる。f ⁣:X→Yf\colon X\to Yを広義単調増加または広義単調減少な全射とする。すなわち、すべてのx≤Xx′x\leq_X x'についてf(x)≤Yf(x′)f(x)\leq_Y f(x')が成り立つか、すべてのx≤Xx′x\leq_X x'についてf(x)≥Yf(x′)f(x)\geq_Y f(x')が成り立つとする。このとき、次の二条件は同値である。

  1. ffは連続である。
  2. すべてのy∈Yy\in Yについてf−1({y})f^{-1}(\{y\})はXXの閉集合である。

証明は演習とする(問題 9.6)。

系 1.4.(X,<X)(X,<_X)と(Y,<Y)(Y,<_Y)を全順序集合とし、それぞれに順序位相を入れる。広義単調増加または広義単調減少な全単射f ⁣:X→Yf\colon X\to Yは同相写像である。特に、順序同型と順序反転同型は同相写像である。

証明. 順序位相では一点集合の補集合は二つの開半直線の和であるから、一点集合は閉集合である。ffは全単射であるから各点の逆像は一点集合であり、命題 1.3によりffは連続である。単射性によりffは狭義単調であり、逆写像もffと同じ向きに単調な全単射である。逆写像にも同じ命題を適用すると逆写像は連続であるから、ffは同相写像である。▨

注意 1.5.命題 1.3の全射性の仮定は除くことができない。通常の順序位相を入れたR\Rについて、写像g ⁣:R→Rg\colon\R\to\Rを

g(x)={xx<0,x+1x≥0g(x)=\begin{cases}x&x<0,\\x+1&x\geq0\end{cases}

で定める。ggは狭義単調増加であり、各点の逆像は空集合または一点集合であるから閉集合である。一方、g(R)=(−∞,0)∪[1,∞)g(\R)=(-\infty,0)\cup[1,\infty)であるからggは全射でなく、g−1((1/2,3/2))=[0,1/2)g^{-1}((1/2,3/2))=[0,1/2)は開集合でないからggは連続でない。

定義 1.6 (直前の元と直後の元). 全順序集合のx∈Xx\in Xに対して、p<xp<xかつp<y<xp<y<xを満たすyyが存在しないとき、ppをxxの 直前の元 (immediate predecessor) という。x<qx<qかつx<y<qx<y<qを満たすyyが存在しないとき、qqをxxの 直後の元 (immediate successor) という。

命題 1.7.(X,<)(X,<)を全順序集合、x∈Xx\in Xとし、N⊆XN\subseteq Xを順序位相についてのxxの近傍とする。xxがXXの最小元でも最大元でもないときは、a<x<ba<x<bと(a,b)⊆N(a,b)\subseteq Nを満たすa,b∈Xa,b\in Xが存在する。xxが最小元であって最大元でないときは、x<bx<bと(−∞,b)⊆N(-\infty,b)\subseteq Nを満たすb∈Xb\in Xが存在する。xxが最大元であって最小元でないときは、a<xa<xと(a,∞)⊆N(a,\infty)\subseteq Nを満たすa∈Xa\in Xが存在する。X={x}X=\{x\}のときはN=XN=Xである。逆に、xxを含むこれら四つの形の基本開集合のいずれかを含むXXの部分集合は、xxの近傍である。

証明. 近傍の定義からx∈U⊆Nx\in U\subseteq Nを満たす開集合UUが存在し、定理 1.2によりx∈(a,b)⊆Ux\in(a,b)\subseteq Uを満たすa,b∈X+a,b\in X^{+}、a<ba<bが存在する。a<x<ba<x<bである。

xxがXXの最小元であるときはxxより小さいXXの元が存在しないからa=−∞a=-\inftyである。最小元でないときはy<xy<xを満たすy∈Xy\in Xをとるとmax⁡{a,y}∈X\max\{a,y\}\in Xであり、x∈(max⁡{a,y},b)⊆(a,b)x\in(\max\{a,y\},b)\subseteq(a,b)が成り立つから、aaをXXの元にとり直すことができる。xxがXXの最大元であるときは同じ理由でb=∞b=\inftyであり、最大元でないときはx<zx<zを満たすz∈Xz\in Xをとってbbをmin⁡{b,z}∈X\min\{b,z\}\in Xにとり直すことができる。X={x}X=\{x\}のときはxxは最小元かつ最大元であるから(a,b)=(−∞,∞)=X(a,b)=(-\infty,\infty)=Xであり、X⊆NX\subseteq NからN=XN=Xである。以上で四つの場合の主張を得る。

逆向きは、挙げた四つの形の基本開集合がいずれもxxを含む開集合であることから従う。▨

定理 1.8. 全順序集合の順序位相は Hausdorff である。

証明.(X,<)(X,<)を全順序集合とし、x<yx<yを満たす相異なる二点x,y∈Xx,y\in Xをとる。xxがXXの最小元でないときはa<xa<xを満たすa∈Xa\in Xを一つとり、yyがXXの最大元でないときはy<by<bを満たすb∈Xb\in Xを一つとる。

x<z<yx<z<yを満たすz∈Xz\in Xが存在するとする。xxの開近傍として、xxがXXの最小元であるときは[x,z)=(−∞,z)[x,z)=(-\infty,z)を、そうでないときは(a,z)(a,z)をとる。yyの開近傍として、yyがXXの最大元であるときは(z,y]=(z,∞)(z,y]=(z,\infty)を、そうでないときは(z,b)(z,b)をとる。前者の元はいずれもzzより小さく、後者の元はいずれもzzより大きいから、二つの開近傍は交わらない。

x<z<yx<z<yを満たすz∈Xz\in Xが存在しないとする。xxの開近傍として、xxがXXの最小元であるときは[x,y)=(−∞,y)[x,y)=(-\infty,y)を、そうでないときは(a,y)(a,y)をとる。yyの開近傍として、yyがXXの最大元であるときは(x,y]=(x,∞)(x,y]=(x,\infty)を、そうでないときは(x,b)(x,b)をとる。両者に共通する点ttがあればx<t<yx<t<yとなり、そのようなzzが存在しないことに反する。ゆえにこの場合にも二つの開近傍は交わらない。

§E2.15 定義 1.2により、全順序集合の順序位相は Hausdorff である。▨

注意 1.9.§E1.8 定義 3.3で定義される双対順序<op<^{\mathrm{op}}は<<と同じ順序位相を定める。すなわちλ(<op)=λ(<)\lambda(<^{\mathrm{op}})=\lambda(<)である(問題 9.2)。この反転により、最小元と最大元、直前の元と直後の元、[a,∞)[a,\infty)と(−∞,a](-\infty,a]、および§E1.8 注意 3.5が挙げる各概念が入れ替わる。また、定義 3.1で定める凸性について、部分集合が<<に関して凸であることと<op<^{\mathrm{op}}に関して凸であることは、凸性の条件が二点の間にある点を要求するだけであることから同値である。したがって定義 3.5と定義 3.7の条件は順序の反転で保たれる。本記事では、順序の向きを反転して得られる主張を、これらの事実により片側の証明から得る。

補題 1.10.(X,<)(X,<)を全順序集合、m∈Xm\in Xとする。[m,∞)∈λ(<)[m,\infty)\in\lambda(<)であることと、mmがXXの最小元であるか、またはmmが直前の元をもつこととは同値である。(−∞,m]∈λ(<)(-\infty,m]\in\lambda(<)であることと、mmがXXの最大元であるか、またはmmが直後の元をもつこととは同値である。

証明.mmがXXの最小元ならば[m,∞)=X=(−∞,∞)[m,\infty)=X=(-\infty,\infty)であり、これは基本開集合である。mmが直前の元ppをもつならば、p<y<mp<y<mを満たすyyが存在しないから(p,∞)=[m,∞)(p,\infty)=[m,\infty)であり、これも基本開集合である。ゆえに、mmがXXの最小元であるか直前の元をもつならば[m,∞)∈λ(<)[m,\infty)\in\lambda(<)である。

[m,∞)∈λ(<)[m,\infty)\in\lambda(<)とすると、定理 1.2によりm∈(a,b)⊆[m,∞)m\in(a,b)\subseteq[m,\infty)を満たすa,b∈X+a,b\in X^{+}、a<ba<bが存在する。a<m<ba<m<bである。a=−∞a=-\inftyの場合、y<my<mを満たすy∈Xy\in Xがあればy<by<bからy∈(a,b)⊆[m,∞)y\in(a,b)\subseteq[m,\infty)となりm≤ym\le yを得るが、これはy<my<mに反する。よってmmはXXの最小元である。a∈Xa\in Xの場合、a<y<ma<y<mを満たすy∈Xy\in Xがあればy∈(a,b)⊆[m,∞)y\in(a,b)\subseteq[m,\infty)からm≤ym\le yとなり、これはy<my<mに反する。よってaaはmmの直前の元である。以上により第一の主張が成り立つ。

第二の主張は、注意 1.9により双対順序<op<^{\mathrm{op}}へ移り、第一の主張を(X,<op)(X,<^{\mathrm{op}})へ適用すると得られる。▨

2 例

例 2.1 (有限全順序集合).X={0<1<⋯<n}X=\{0<1<\cdots<n\}の順序位相は離散位相である。n=0n=0ではX={0}X=\{0\}が基本開集合である。n≥1n\geq1では[0,1)={0}[0,1)=\{0\}、(k−1,k+1)={k}(k-1,k+1)=\{k\}(0<k<n)(0<k<n)、(n−1,n]={n}(n-1,n]=\{n\}である。すべての一点集合が開集合である。

例 2.2 (自然数).N≥0={0<1<2<⋯ }\mathbb N_{\geq0}=\{0<1<2<\cdots\}の順序位相は離散位相である。[0,1)={0}[0,1)=\{0\}であり、n≥1n\geq1に対して(n−1,n+1)={n}(n-1,n+1)=\{n\}である。

例 2.3 (実数).R\mathbb Rの通常順序が定める順序位相は、d(s,t)=∣s−t∣d(s,t)=|s-t|が定める位相に一致する。開球は(x−ε,x+ε)(x-\varepsilon,x+\varepsilon)という順序位相の基本開集合である。逆にy∈(a,b)y\in(a,b)に対してε=min⁡{y−a,b−y}>0\varepsilon=\min\{y-a,b-y\}>0とおけばB(y,ε)⊆(a,b)B(y,\varepsilon)\subseteq(a,b)である。ゆえに、どちらの位相の基本開集合も他方の位相で開集合であり、二つの位相は一致する。

例 2.4 (順序数区間). 順序数α\alphaに対して[0,α][0,\alpha]と[0,α)[0,\alpha)に制限順序からの順序位相を入れる。α=δ+1\alpha=\delta+1が後続順序数ならば(δ,α]={α}(\delta,\alpha]=\{\alpha\}であるから、最大元α\alphaは孤立している。α=0\alpha=0ならば[0,α]={0}[0,\alpha]=\{0\}は一点集合であるから、00は孤立している。α\alphaが00でない極限順序数ならば、各β<α\beta<\alphaに対してβ<β+1<α\beta<\beta+1<\alphaであるから、どの(β,α](\beta,\alpha]も{α}\{\alpha\}ではない。したがって{α}\{\alpha\}は開集合でない。

とくに[0,ω)[0,\omega)は自然数と同じ順序をもつため離散的であるが、[0,ω][0,\omega]では最大元ω\omegaの近傍基をなす(n,ω](n,\omega]がいずれもω\omega以外の点を含む。

3 全順序位相空間と一般順序位相空間

定義 3.1 (凸集合).(X,<)(X,<)を全順序集合とする。部分集合S⊆XS\subseteq Xが 凸 (convex) であるとは、u,v∈Su,v\in Sとu<w<vu<w<vを満たすw∈Xw\in Xに対して常にw∈Sw\in Sが成り立つことをいう。

補題 3.2.(X,<)(X,<)を全順序集合、S\mathcal SをXXの凸部分集合からなる集合族とし、x∈Xx\in XがS\mathcal Sのすべての元に属するとする。このとき⋃S\bigcup\mathcal Sは凸である。

証明.u,v∈⋃Su,v\in\bigcup\mathcal Sとu<w<vu<w<vを満たすw∈Xw\in Xをとる。u∈S1u\in S_1とv∈S2v\in S_2を満たすS1,S2∈SS_1,S_2\in\mathcal Sをとる。w≤xw\le xの場合、w=xw=xならばx∈S1x\in S_1よりw∈S1w\in S_1であり、w<xw<xならばu<w<xu<w<xとu,x∈S1u,x\in S_1とS1S_1の凸性からw∈S1w\in S_1である。x<wx<wの場合、x<w<vx<w<vとx,v∈S2x,v\in S_2とS2S_2の凸性からw∈S2w\in S_2である。いずれの場合もw∈⋃Sw\in\bigcup\mathcal Sである。▨

定義 3.3 (凸成分).(X,<)(X,<)を全順序集合、A⊆XA\subseteq X、x∈Ax\in Aとする。AAに含まれxxを含む凸部分集合の全体をK(x,A)\mathcal K(x,A)と書き、

K(x,A)=⋃K(x,A)K(x,A)=\bigcup\mathcal K(x,A)

とおく。K(x,A)K(x,A)をAAにおけるxxの 凸成分 (convex component) という。あるx∈Ax\in Aに対してK(x,A)K(x,A)に等しい集合を、単にAAの凸成分という。

命題 3.4.(X,<)(X,<)を全順序集合、A⊆XA\subseteq Xとする。

  1. x∈Ax\in Aに対してK(x,A)K(x,A)はxxを含むAAの凸部分集合であり、xxを含むAAの凸部分集合をすべて含む。
  2. x,y∈Ax,y\in Aに対して、K(x,A)K(x,A)とK(y,A)K(y,A)は一致するか、または互いに素である。

証明.(1)を示す。一点集合{x}\{x\}は凸でありAAに含まれxxを含むから{x}∈K(x,A)\{x\}\in\mathcal K(x,A)であり、x∈K(x,A)x\in K(x,A)である。K(x,A)\mathcal K(x,A)の各元はxxを含む凸集合であるから、補題 3.2によりK(x,A)K(x,A)は凸である。各元はAAに含まれるからK(x,A)⊆AK(x,A)\subseteq Aである。またxxを含むAAの凸部分集合はK(x,A)\mathcal K(x,A)の元であるから、K(x,A)K(x,A)に含まれる。

(2)を示す。z∈K(x,A)∩K(y,A)z\in K(x,A)\cap K(y,A)が存在するとする。K(x,A)K(x,A)とK(y,A)K(y,A)はともに凸でありzzを共有するから、補題 3.2によりK(x,A)∪K(y,A)K(x,A)\cup K(y,A)は凸である。この集合はAAに含まれxxを含むから、(1)によりK(x,A)∪K(y,A)⊆K(x,A)K(x,A)\cup K(y,A)\subseteq K(x,A)であり、K(y,A)⊆K(x,A)K(y,A)\subseteq K(x,A)を得る。同じ集合がyyを含むことからK(x,A)⊆K(y,A)K(x,A)\subseteq K(y,A)も成り立つ。ゆえに二つの凸成分は一致する。▨

定義 3.5 (全順序位相空間と可順序化可能性).XXを集合、τ\tauをXXの位相、<<をXXの全順序とする。τ=λ(<)\tau=\lambda(<)が成り立つとき、三つ組(X,τ,<)(X,\tau,<)を 全順序位相空間 (linearly ordered topological space) という。位相空間(X,τ)(X,\tau)に対して、(X,τ,<)(X,\tau,<)が全順序位相空間となるXXの全順序<<が存在するとき、(X,τ)(X,\tau)は 可順序化可能 (orderable) であるという。

注意 3.6. 一つの位相空間を順序位相として与える全順序は一通りとは限らない。実際、注意 1.9により<<と<op<^{\mathrm{op}}はいずれも同じ位相を与える。他方、可順序化可能でない位相空間も存在する。Sorgenfrey 直線の定義は定義 8.1で与える。Sorgenfrey 直線は命題 8.2により一般順序位相空間であるが、可順序化可能ではない。この事実は後の単元で扱う。

定義 3.7 (一般順序位相空間).XXを集合、τ\tauをXXの位相、<<をXXの全順序とする。次の二条件がともに成り立つとき、三つ組(X,τ,<)(X,\tau,<)を 一般順序位相空間 (generalized ordered space) という。

  1. λ(<)⊆τ\lambda(<)\subseteq\tauである。
  2. τ\tauは、<<について凸な集合からなる開基をもつ。

注意 3.8. 文献では、一般順序位相空間を全順序位相空間の部分空間として外在的に定義することが多い。本記事は定義 3.7の内在的な二条件を定義に採る。全順序位相空間の部分空間が誘導順序について一般順序位相空間であることは命題 3.9と命題 3.13が与え、逆に任意の一般順序位相空間がある全順序位相空間の部分空間として実現されることは定理 7.1が与える。この埋め込みは Čech による構成であり、一般順序位相空間という呼称と内在的な特徴づけは Lutzer の研究に由来する。

命題 3.9. 全順序位相空間(X,λ(<),<)(X,\lambda(<),<)は一般順序位相空間である。

証明.定義 3.7 条件 (a)はλ(<)⊆λ(<)\lambda(<)\subseteq\lambda(<)として成り立つ。定理 1.2によりB<\mathcal B_<はλ(<)\lambda(<)の開基である。a,b∈X+a,b\in X^{+}、a<ba<bに対してu,v∈(a,b)u,v\in(a,b)とu<w<vu<w<vを満たすw∈Xw\in Xをとるとa<u<w<v<ba<u<w<v<bであるからw∈(a,b)w\in(a,b)であり、(a,b)(a,b)は凸である。ゆえに定義 3.7 条件 (b)が成り立つ。▨

命題 3.10. 一般順序位相空間(X,τ,<)(X,\tau,<)に対して、位相空間(X,τ)(X,\tau)は Hausdorff 空間であり、とくに T1 空間である。

証明. 相異なるx,y∈Xx,y\in Xをとる。定理 1.8により、x∈Ux\in U、y∈Vy\in V、U∩V=∅U\cap V=\emptysetを満たすU,V∈λ(<)U,V\in\lambda(<)が存在する。定義 3.7 条件 (a)によりU,V∈τU,V\in\tauであるから、§E2.15 定義 1.2により(X,τ)(X,\tau)は Hausdorff 空間である。§E2.15 定理 1.11により(X,τ)(X,\tau)は T1 空間である。▨

補題 3.11.(X,τ,<)(X,\tau,<)を一般順序位相空間、O∈τO\in\tau、x∈Ox\in Oとする。このときK(x,O)∈τK(x,O)\in\tauである。

証明.B\mathcal Bを定義 3.7 条件 (b)が与える凸開基とし、W=⋃{B∈B∣B⊆K(x,O)}W=\bigcup\{B\in\mathcal B\mid B\subseteq K(x,O)\}とおく。B⊆τ\mathcal B\subseteq\tauであるからW∈τW\in\tauであり、W⊆K(x,O)W\subseteq K(x,O)である。

y∈K(x,O)y\in K(x,O)をとる。命題 3.4 (1)によりK(x,O)⊆OK(x,O)\subseteq Oであるからy∈Oy\in Oであり、§E2.13 命題 1.2 (2)によりy∈B⊆Oy\in B\subseteq Oを満たすB∈BB\in\mathcal Bが存在する。K(x,O)K(x,O)とBBはともに凸でありyyを共有するから、補題 3.2によりK(x,O)∪BK(x,O)\cup Bは凸である。この集合はOOに含まれxxを含むから、命題 3.4 (1)によりK(x,O)∪B⊆K(x,O)K(x,O)\cup B\subseteq K(x,O)であり、B⊆K(x,O)B\subseteq K(x,O)を得る。ゆえにy∈B⊆Wy\in B\subseteq Wである。

以上よりK(x,O)=W∈τK(x,O)=W\in\tauである。▨

補題 3.12.(X,τ,<)(X,\tau,<)を一般順序位相空間、C∈τC\in\tauとする。CCが最小元mmをもつならば[m,∞)∈τ[m,\infty)\in\tauであり、CCが最大元MMをもつならば(−∞,M]∈τ(-\infty,M]\in\tauである。

証明.CCが最小元mmをもつとする。[m,∞)=(m,∞)∪C[m,\infty)=(m,\infty)\cup Cが成り立つ。実際、(m,∞)⊆[m,∞)(m,\infty)\subseteq[m,\infty)であり、mmがCCの最小元であることからC⊆[m,∞)C\subseteq[m,\infty)である。逆にy∈[m,∞)y\in[m,\infty)をとると、m<ym<yならばy∈(m,∞)y\in(m,\infty)であり、y=my=mならばy∈Cy\in Cである。(m,∞)(m,\infty)は基本開集合であるから定義 3.7 条件 (a)によりτ\tauに属し、C∈τC\in\tauであるから[m,∞)∈τ[m,\infty)\in\tauである。

第二の主張は、注意 1.9により双対順序<op<^{\mathrm{op}}へ移り、第一の主張を(X,τ,<op)(X,\tau,<^{\mathrm{op}})へ適用すると得られる。▨

命題 3.13.(X,τ,<)(X,\tau,<)を一般順序位相空間、Y⊆XY\subseteq Xとする。YYに部分空間位相τY\tau_Yと<<の制限<Y<_Yを入れると、(Y,τY,<Y)(Y,\tau_Y,<_Y)は一般順序位相空間である。

証明.定義 3.7 条件 (a)を示す。(Y,<Y)(Y,<_Y)の基本開集合は、p,q∈Y+p,q\in Y^{+}、p<qp<qによる(p,q)Y={y∈Y∣p<y<q}(p,q)_Y=\{y\in Y\mid p<y<q\}である。p∈Yp\in Yならばp′=pp'=p、p=−∞p=-\inftyならばp′=−∞p'=-\inftyとおき、q′q'も同じ規則で定めると、いずれの場合もp′,q′∈X+p',q'\in X^{+}であって(p,q)Y=(p′,q′)∩Y(p,q)_Y=(p',q')\cap Yが成り立つ。(p′,q′)∈λ(<)⊆τ(p',q')\in\lambda(<)\subseteq\tauであるから(p,q)Y∈τY(p,q)_Y\in\tau_Yである。定理 1.2を(Y,<Y)(Y,<_Y)へ適用すると、λ(<Y)\lambda(<_Y)の各元は基本開集合の和集合であるから、λ(<Y)⊆τY\lambda(<_Y)\subseteq\tau_Yである。

定義 3.7 条件 (b)を示す。B\mathcal Bをτ\tauの凸開基とすると、§E2.13 命題 3.2によりBY={B∩Y∣B∈B}\mathcal B_Y=\{B\cap Y\mid B\in\mathcal B\}はτY\tau_Yの開基である。B∈BB\in\mathcal Bとu,v∈B∩Yu,v\in B\cap Y、u<w<vu<w<vを満たすw∈Yw\in Yをとると、BBの凸性からw∈Bw\in Bであり、w∈Yw\in Yであるからw∈B∩Yw\in B\cap Yである。ゆえにBY\mathcal B_Yの各元は<Y<_Yについて凸である。▨

補題 3.14.(X,<)(X,<)を全順序集合、Y⊆XY\subseteq Xを凸な部分集合とし、<Y<_Yを<<のYYへの制限とする。YYに部分空間位相を入れると、この位相はλ(<Y)\lambda(<_Y)に一致する。

証明.YYの部分空間位相をτY\tau_Yと書く。(X,λ(<),<)(X,\lambda(<),<)は全順序位相空間であるから、命題 3.9により一般順序位相空間であり、命題 3.13により(Y,τY,<Y)(Y,\tau_Y,<_Y)も一般順序位相空間である。ゆえに定義 3.7 条件 (a)によりλ(<Y)⊆τY\lambda(<_Y)\subseteq\tau_Yである。

a,b∈X+a,b\in X^{+}、a<ba<bとし、(a,b)∩Y≠∅(a,b)\cap Y\neq\emptysetとする。y∈(a,b)∩Yy\in(a,b)\cap Yを一つとる。a∉Ya\notin Yと仮定してu≤au\le aを満たすu∈Yu\in Yが存在するとすると、u≤a<yu\le a<yとu,y∈Yu,y\in Yから、u<au<aの場合はYYの凸性によりa∈Ya\in Yとなって仮定に反し、u=au=aの場合もa∈Ya\in Yとなって仮定に反する。ゆえにa∉Ya\notin YならばYYの各元はaaより大きい。注意 1.9により双対順序<op<^{\mathrm{op}}へ移って同じ議論を行うと、b∉Yb\notin YならばYYの各元はbbより小さい。そこでa∈Ya\in Yのときはp=ap=a、a∉Ya\notin Yのときはp=−∞p=-\inftyとおき、b∈Yb\in Yのときはq=bq=b、b∉Yb\notin Yのときはq=∞q=\inftyとおくと、p,q∈Y+p,q\in Y^{+}であって

(p,q)Y={y′∈Y∣a<y′<b}=(a,b)∩Y(p,q)_Y=\{y'\in Y\mid a<y'<b\}=(a,b)\cap Y

が成り立つ。y∈(p,q)Yy\in(p,q)_Yからp<qp<qである。(a,b)∩Y=∅(a,b)\cap Y=\emptysetの場合も含めて、λ(<)\lambda(<)の基本開集合のYYへの跡はλ(<Y)\lambda(<_Y)に属する。§E2.13 命題 3.2により、これらの跡はτY\tau_Yの開基であるから、τY⊆λ(<Y)\tau_Y\subseteq\lambda(<_Y)である。以上によりτY=λ(<Y)\tau_Y=\lambda(<_Y)である。▨

例 3.15.R\mathbb Rに通常の順序<<と順序位相を入れ、Y={0}∪(1,2)Y=\{0\}\cup(1,2)とする。YYに部分空間位相τY\tau_Yと制限順序<Y<_Yを入れると、命題 3.13により(Y,τY,<Y)(Y,\tau_Y,<_Y)は一般順序位相空間である。{0}=Y∩(−1,1)\{0\}=Y\cap(-1,1)であるから{0}∈τY\{0\}\in\tau_Yである。一方、00は(Y,<Y)(Y,<_Y)の最小元であり、0<y0<yを満たすYYの元は区間(1,2)(1,2)の元であって最小元をもたないから、00は直後の元をもたない。したがって命題 1.7により、λ(<Y)\lambda(<_Y)における00の各近傍はb∈Yb\in Yによる(−∞,b)Y={0}∪(1,b)(-\infty,b)_Y=\{0\}\cup(1,b)を含み、この集合は00以外の点を含む。ゆえに{0}∉λ(<Y)\{0\}\notin\lambda(<_Y)であり、τY≠λ(<Y)\tau_Y\neq\lambda(<_Y)である。すなわち、全順序位相空間の部分空間は一般に全順序位相空間ではない。YYは0,3/2∈Y0,3/2\in Yと0<1<3/20<1<3/2に対して1∉Y1\notin Yを満たすから凸でなく、補題 3.14の仮定を満たさない。

4 順序数区間の基本性質

注意 4.1. 順序数のクラスをOrd\mathrm{Ord}と書く。ω1\omega_1は可算順序数全体からなる最初の非可算順序数とする。順序数はそれ未満の順序数全体からなる集合であるから、

ω+1=[0,ω],ω1=[0,ω1),ω1+1=[0,ω1]\omega+1=[0,\omega],\qquad \omega_1=[0,\omega_1),\qquad \omega_1+1=[0,\omega_1]

である。これら三つの集合には、いずれも順序数の大小関係が定める順序位相を入れる。以下、ω+1\omega+1、ω1\omega_1、ω1+1\omega_1+1を空間として述べるときは、この位相を入れた位相空間を指す。ω+1\omega+1はω1\omega_1の初期区間であり、とくに凸であるから、補題 3.14により、ω1\omega_1から誘導される部分空間位相はω+1\omega+1の順序位相と一致する。同じ理由で、ω1\omega_1がω1+1\omega_1+1から受ける部分空間位相もω1\omega_1の順序位相と一致する。

補題 4.2.A⊆ω1A\subseteq\omega_1が§E1.18 定義 1.2で定める高々可算集合ならば、A⊆[0,β]A\subseteq[0,\beta]を満たす順序数β<ω1\beta<\omega_1が存在する。

証明.A=∅A=\emptysetならばβ=0\beta=0とすればよい。以下ではA≠∅A\neq\emptysetとする。§E1.18 定理 3.3により全射e ⁣:N≥0→Ae\colon\mathbb N_{\geq0}\to Aが存在する。各e(n)e(n)はω1\omega_1の元であるから、§E1.21 定理 5.1により高々可算な集合である。したがって§E1.18 定理 6.3により

⋃n∈N≥0e(n)=⋃A\bigcup_{n\in\mathbb N_{\geq0}}e(n)=\bigcup A

は高々可算である。§E1.16 補題 4.4によりβ=⋃A\beta=\bigcup Aは順序数であってAAの各元以上である最小の順序数であり、とくに各α∈A\alpha\in Aに対してα≤β\alpha\le\betaが成り立つ。β\betaは高々可算であるから、§E1.21 定理 5.1によりβ<ω1\beta<\omega_1である。ゆえにA⊆[0,β]A\subseteq[0,\beta]である。▨

命題 4.3.α>0\alpha>0ならば、[0,α][0,\alpha]の端点α\alphaの近傍基は(γ,α](\gamma,\alpha](γ<α\gamma<\alpha)の全体である。α=0\alpha=0ならば、[0,0]={0}[0,0]=\{0\}は一点集合であり、{0}\{0\}だけからなる族が00の近傍基である。空間ω1\omega_1では00と後続順序数は孤立し、非零極限順序数α\alphaの近傍基は(γ,α](\gamma,\alpha](γ<α\gamma<\alpha)の全体である。空間ω1+1\omega_1+1における点ω1\omega_1の近傍基は(γ,ω1](\gamma,\omega_1](γ<ω1\gamma<\omega_1)の全体であり、空間ω+1\omega+1における点ω\omegaの近傍基は(n,ω](n,\omega](n∈N≥0n\in\mathbb N_{\geq0})の全体である。

証明.α=0\alpha=0ならば、[0,α]={0}[0,\alpha]=\{0\}であるから、命題 1.7の一点集合の場合により00の近傍は[0,α][0,\alpha]だけであり、{0}\{0\}だけからなる族が近傍基である。α>0\alpha>0ならば、[0,α][0,\alpha]は二点以上をもち、α\alphaは最大元であって最小元ではない。したがって命題 1.7の最大元の場合により、α\alphaの各近傍は(γ,α](\gamma,\alpha](γ<α\gamma<\alpha)の形の基本開集合を含み、これらの全体がα\alphaの近傍基である。

ω1\omega_1では[0,1)={0}[0,1)=\{0\}であり、後続順序数δ+1\delta+1では(δ,δ+1]={δ+1}(\delta,\delta+1]=\{\delta+1\}である。残る点は左から近づく端点であり、順序位相の開基が表示した族を与える。ω\omega未満の順序数は自然数であるため、ω+1\omega+1の場合には左端をn∈N≥0n\in\mathbb N_{\geq0}に限ることができる。▨

系 4.4. 順序位相を入れたω+1\omega+1、ω1\omega_1、ω1+1\omega_1+1はすべて Hausdorff 空間となる。

証明.ω+1\omega+1、ω1\omega_1、ω1+1\omega_1+1の台集合はそれぞれ継承した全順序をもつ。全順序集合の順序位相についての分離定理定理 1.8が、任意の異なる二点の互いに素な開近傍を与える。▨

補題 4.5.ω1\omega_1では{0}\{0\}が00の開近傍である。さらに0<α<ω10<\alpha<\omega_1が極限順序数なら、αn<α\alpha_n<\alphaかつsup⁡nαn=α\sup_n\alpha_n=\alphaを満たす厳密増加列(αn)(\alpha_n)が存在し、

{(αn,α]∣n∈Z≥1}\{(\alpha_n,\alpha]\mid n\in\mathbb Z_{\ge1}\}

はα\alphaの可算近傍基である。

証明.[0,1)∩ω1={0}[0,1)\cap\omega_1=\{0\}である。α<ω1\alpha<\omega_1であるから、§E1.21 定理 5.1によりα\alphaは高々可算な集合であり、0<α0<\alphaから0∈α0\in\alphaであるので空でない。ゆえに§E1.18 補題 3.6により全射e ⁣:Z≥1→αe\colon\mathbb Z_{\ge1}\to\alphaが存在する。a1=e(1)a_1=e(1)とし、

an+1=max⁡{an+1,e(n+1)}a_{n+1}=\max\{a_n+1,e(n+1)\}

と定める。§E1.16 命題 4.2と§E1.16 定義 4.1によりan+1<αa_n+1<\alphaであるから、列はα\alpha未満に留まり厳密に増加する。各γ<α\gamma<\alphaはあるe(n)e(n)に等しく、その後のana_n以下である。ゆえにsup⁡nan=α\sup_n a_n=\alphaである。順序位相の端点近傍(γ,α](\gamma,\alpha]に対し、γ≤an\gamma\le a_nとなるnnを選べば(an,α]⊆(γ,α](a_n,\alpha]\subseteq(\gamma,\alpha]となる。▨

定理 4.6.ω+1\omega+1とω1\omega_1は第一可算であり、ω1+1\omega_1+1は第一可算ではない。

証明.命題 4.3と補題 4.5により、ω+1\omega+1とω1\omega_1の各点は一点近傍、または可算な共終列から得る近傍基をもつ。§E2.13 定義 4.1により両空間は第一可算である。

ω1+1\omega_1+1の端点ω1\omega_1に可算近傍基(Un)(U_n)があると仮定する。En={α<ω1∣(α,ω1]⊆Un}E_n=\{\alpha<\omega_1\mid(\alpha,\omega_1]\subseteq U_n\}は空でない順序数の集合なので、最小元αn\alpha_nをもつ。§E1.22 補題 3.1によりαn+1<ω1\alpha_n+1<\omega_1である。集合{αn+1∣n∈Z≥1}\{\alpha_n+1\mid n\in\mathbb Z_{\ge1}\}は可算であるから、補題 4.2によりδ<ω1\delta<\omega_1以下に有界である。V=(δ,ω1]V=(\delta,\omega_1]は端点近傍であるが、αn+1∈Un∖V\alpha_n+1\in U_n\setminus Vなので、いずれのUnU_nもVVに含まれない。これは局所基の定義に反する。▨

定理 4.7.ω+1\omega+1は第二可算であり、ω1\omega_1とω1+1\omega_1+1は第二可算ではない。

証明.ω+1\omega+1では

B={{n}∣n<ω}∪{(n,ω]∣n<ω}\mathcal B=\{\{n\}\mid n<\omega\}\cup\{(n,\omega]\mid n<\omega\}

が可算開基である。孤立点では一点集合を用い、端点ω\omegaでは命題 4.3を用いれば開基条件が従う。ゆえに§E2.13 定義 5.1によりω+1\omega+1は第二可算である。

ω1\omega_1に可算開基C\mathcal Cがあるとする。各後続順序数ξ+1<ω1\xi+1<\omega_1は孤立点なので、開基条件から{ξ+1}∈C\{\xi+1\}\in\mathcal Cである。するとξ↦{ξ+1}\xi\mapsto\{\xi+1\}は非可算なω1\omega_1からC\mathcal Cへの単射となり、§E1.21 定理 5.1に反する。ω1+1\omega_1+1が第二可算であるとする。注意 4.1によりω1\omega_1がω1+1\omega_1+1から受ける部分空間位相はω1\omega_1の順序位相に一致するから、可算開基をω1\omega_1と交わらせるとω1\omega_1も第二可算となり、直前に示したことに反する。ゆえにω1+1\omega_1+1は第二可算ではない。▨

5 Cantor 集合

定義 5.1 (有限列).AAを集合とする。n∈N≥0n\in\Nを有限順序数{0,…,n−1}\{0,\ldots,n-1\}とみなし、写像s ⁣:n→As\colon n\to Aの全体をAnA^nと書く。A<ω=⋃n∈N≥0AnA^{<\omega}=\bigcup_{n\in\N}A^nの元をAAの元からなる 有限列 (finite sequence) という。s∈Ans\in A^nの 長さ (length) を∣s∣=n|s|=nと定める。A0A^0の唯一の元である空写像を 空列 (empty sequence) といい、⟨⟩\langle\rangleと書く。

x∈AN≥0x\in A^{\N}とn∈N≥0n\in\Nに対して、制限写像x∣n ⁣:n→Ax|_n\colon n\to Aをxxの長さnnの 初期列 (initial segment) という。有限列s∈Ams\in A^mとn≤mn\leq mに対しても、制限写像s∣ns|_nをssの長さnnの初期列という。

s∈Ans\in A^nとt∈Amt\in A^mに対して、i<ni<nならば(s⌢t)i=si(s^{\frown}t)_i=s_i、j<mj<mならば(s⌢t)n+j=tj(s^{\frown}t)_{n+j}=t_jを満たす長さn+mn+mの列s⌢ts^{\frown}tをssとttの 連結 (concatenation) という。a∈Aa\in Aに対して、長さ11で第00成分がaaである列を⟨a⟩\langle a\rangleと書き、s⌢⟨a⟩s^{\frown}\langle a\rangleをs⌢as^{\frown}aとも書く。

定義 5.2.2={0,1}2 = \{0, 1\}に離散位相を入れる。無限集合XXに対し、直積集合2X2^Xに直積位相を入れた位相空間と同相な位相空間を 一般 Cantor 空間 (generalized Cantor space) という。2ω2^{\omega}と同相な位相空間を Cantor 空間 (Cantor space) という。

補題 5.3.2ω2^{\omega}に積位相を入れ、n∈ωn\in\omegaとs∈2ns\in2^nに対して、[s]={x∈2ω∣x∣n=s}[s]=\{x\in2^{\omega}\mid x|_n=s\}とおく。次が成り立つ。

  1. n∈ωn\in\omegaとs∈2ns\in2^{n}に対して、[s][s]は2ω2^{\omega}の開集合であり、かつ閉集合である。
  2. 集合族{[s]∣n∈ω, s∈2n}\{[s]\mid n\in\omega,\ s\in2^{n}\}は2ω2^{\omega}の積位相の開基である。
  3. 各x∈2ωx\in2^{\omega}に対して⋂n∈ω[x∣n]={x}\bigcap_{n\in\omega}[x|_{n}]=\{x\}である。

証明.(1)を示す。n=0n=0のときは[s]=2ω[s]=2^{\omega}であり、2ω2^{\omega}は開集合であって、補集合が空集合で開集合であるから閉集合でもある。n≥1n\ge1とすると

[s]=⋂i<nπi−1({si})[s]=\bigcap_{i<n}\pi_i^{-1}(\{s_i\})

である。22は離散位相をもつから{si}\{s_i\}は22の開集合であり、§E2.14 定義 1.1によりπi−1({si})\pi_i^{-1}(\{s_i\})は積位相の開集合である。有限個の開集合の共通部分は開集合であるから[s][s]は開集合である。またx∈2ωx\in2^{\omega}について、x∉[s]x\notin[s]であることと、あるi<ni<nについてxi≠six_i\ne s_i、すなわちxi=1−six_i=1-s_iであることは同値であるから

2ω∖[s]=⋃i<nπi−1({1−si})2^{\omega}\setminus[s]=\bigcup_{i<n}\pi_i^{-1}(\{1-s_i\})

であり、右辺は開集合である。ゆえに[s][s]は閉集合である。

(2)を示す。(1)により、この集合族は積位相に含まれる。WWを2ω2^{\omega}の開集合、x∈Wx\in Wとする。§E2.14 命題 1.3と§E2.13 命題 1.2 (2)により、ω\omegaの有限部分集合FFと各i∈Fi\in Fに対する22の開集合UiU_iで

x∈⋂i∈Fπi−1(Ui)⊆Wx\in\bigcap_{i\in F}\pi_i^{-1}(U_i)\subseteq W

を満たすものが存在する。FFは有限であるから、すべてのi∈Fi\in Fについてi<ni<nを満たすn∈ωn\in\omegaが存在する。y∈[x∣n]y\in[x|_{n}]とi∈Fi\in Fに対してi<ni<nであるからyi=xi∈Uiy_i=x_i\in U_iであり、

x∈[x∣n]⊆⋂i∈Fπi−1(Ui)⊆Wx\in[x|_{n}]\subseteq\bigcap_{i\in F}\pi_i^{-1}(U_i)\subseteq W

が成り立つ。ゆえに§E2.13 命題 1.2によりこの集合族は開基である。

(3)を示す。各nnについてx∣n=x∣nx|_{n}=x|_{n}であるからx∈[x∣n]x\in[x|_{n}]である。逆にy∈⋂n∈ω[x∣n]y\in\bigcap_{n\in\omega}[x|_{n}]とすると、各nnについてy∣n=x∣ny|_{n}=x|_{n}であるから、各i∈ωi\in\omegaについてyi=xiy_i=x_iでありy=xy=xである。▨

命題 5.4.2ω2^{\omega}の積位相と辞書式順序による順序位相は一致する。

証明.n∈ωn\in\omegaとs∈2ns\in2^nをとる。ssが2n2^nの辞書式順序で最小元でなければ直前の元をs−s^-とし、P=s−111⋯P=s^-111\cdotsとおく。最小元ならばP=−∞P=-\inftyとおく。同様に、ssが最大元でなければ直後の元をs+s^+とし、Q=s+000⋯Q=s^+000\cdotsとおく。最大元ならばQ=∞Q=\inftyとおく。有限接頭列がssである点は、辞書式順序でPPとQQの間にちょうど現れる。したがって[s]=(P,Q)[s]=(P,Q)は順序位相の基本開集合であり、積位相は順序位相に含まれる。

順序位相の基本開集合(a,b)(a,b)とその点xxをとる。a∈2ωa\in2^{\omega}ならばaaとxxが異なる桁を一つ選び、b∈2ωb\in2^{\omega}ならばbbとxxが異なる桁を一つ選ぶ。それらの桁の番号より大きいnnをとる。y∈[x∣n]y\in[x|_n]ならば、a≠−∞a\ne-\inftyの場合にはaaとxxが最初に異なる桁でyyもxxと一致するのでa<ya<yであり、a=−∞a=-\inftyの場合にもa<ya<yである。同様にy<by<bである。ゆえにx∈[x∣n]⊆(a,b)x\in[x|_n]\subseteq(a,b)であり、補題 5.3 (2)により順序位相は積位相に含まれる。▨

命題 5.5. 辞書式順序を入れた2ω2^{\omega}に対して

φ(a)=∑n∈ω2an3n+1\varphi(a)=\sum_{n\in\omega}\frac{2a_n}{3^{n+1}}

と定める。[0,1][0,1]のうち00と22だけからなる33進展開を少なくとも一つもつ実数全体をEEとおき、EEを Cantor 集合という。このときφ\varphiは2ω2^{\omega}からEEへの順序同型であり、積位相を入れた2ω2^{\omega}から部分空間位相を入れたEEへの同相写像である。さらにEEは[0,1][0,1]の閉集合である。

証明.a<ba<bとし、ak=0a_k=0、bk=1b_k=1となる最初の桁をkkとする。n>kn>kについてbn−an≥−1b_n-a_n\ge-1であるから、

φ(b)−φ(a)≥23k+1−∑n>k23n+1=13k+1>0\varphi(b)-\varphi(a)\ge\frac{2}{3^{k+1}}-\sum_{n>k}\frac{2}{3^{n+1}}=\frac{1}{3^{k+1}}>0

である。したがってφ\varphiは狭義単調であり単射である。定義からφ(a)\varphi(a)は00と22だけからなる33進展開をもち、逆にそのような展開の各桁を半分にすれば逆像を得る。ゆえにφ\varphiはEEへの順序同型である。

n∈ωn\in\omegaとs∈2ns\in2^nに対して

rs=∑i<n2si3i+1,Is=[rs,rs+3−n],Fn=⋃s∈2nIsr_s=\sum_{i<n}\frac{2s_i}{3^{i+1}},\qquad I_s=[r_s,r_s+3^{-n}],\qquad F_n=\bigcup_{s\in2^n}I_s

とおく。rs≤1−3−nr_s\le1-3^{-n}であるからIs⊆[0,1]I_s\subseteq[0,1]である。s<ts<tとなる最初の桁をjjとすると、

rt−rs≥23j+1−∑j<i<n23i+1=13j+1+13n≥23n.r_t-r_s\ge\frac{2}{3^{j+1}}-\sum_{j<i<n}\frac{2}{3^{i+1}}=\frac{1}{3^{j+1}}+\frac{1}{3^n}\ge\frac{2}{3^n}.

したがって同じ長さの相異なるs,ts,tに対してIsI_sとItI_tは交わらない。またIs0I_{s0}とIs1I_{s1}はともにIsI_sに含まれる。

a∈2ωa\in2^{\omega}についてφ(a)∈Ia∣n\varphi(a)\in I_{a|_n}であるからE⊆⋂n∈ωFnE\subseteq\bigcap_{n\in\omega}F_nである。逆にx∈⋂n∈ωFnx\in\bigcap_{n\in\omega}F_nとする。各nnについてx∈Is(n)x\in I_{s^{(n)}}となるs(n)∈2ns^{(n)}\in2^nは一意であり、区間の包含からs(n+1)∣n=s(n)s^{(n+1)}|_n=s^{(n)}である。この整合する列からa∣n=s(n)a|_n=s^{(n)}を満たすa∈2ωa\in2^{\omega}が定まる。x,φ(a)∈Ia∣nx,\varphi(a)\in I_{a|_n}がすべてのnnで成り立つので、∣x−φ(a)∣≤3−n|x-\varphi(a)|\le3^{-n}がすべてのnnで成り立ち、x=φ(a)x=\varphi(a)である。ゆえにE=⋂n∈ωFnE=\bigcap_{n\in\omega}F_nである。各IsI_sは[0,1][0,1]の閉集合であり、各FnF_nは有限和であるから閉集合である。§E2.11 定理 2.3 条件 (b)によりEEは閉集合である。

a,b∈2ωa,b\in2^{\omega}がa∣n=b∣na|_n=b|_nを満たすならば、

∣φ(a)−φ(b)∣≤∑k≥n23k+1=3−n|\varphi(a)-\varphi(b)|\le\sum_{k\ge n}\frac{2}{3^{k+1}}=3^{-n}

である。補題 5.3 (2)によりφ\varphiは連続である。一方、a∣n≠b∣na|_n\ne b|_nならば、最初に異なる桁の評価から∣φ(a)−φ(b)∣≥3−n|\varphi(a)-\varphi(b)|\ge3^{-n}である。したがってE∩(φ(a)−3−n,φ(a)+3−n)⊆φ([a∣n])E\cap(\varphi(a)-3^{-n},\varphi(a)+3^{-n})\subseteq\varphi([a|_n])であり、φ−1\varphi^{-1}も連続である。▨

命題 5.6. 写像σ ⁣:2ω→[0,1]\sigma\colon2^{\omega}\to[0,1]を

σ(a)=∑n∈ωan2n+1\sigma(a)=\sum_{n\in\omega}\frac{a_n}{2^{n+1}}

で定める。σ\sigmaは連続な全射である。

証明. 各a∈2ωa\in2^{\omega}について、§B1.9 定理 2.1により∑n∈ω2−(n+1)=1\sum_{n\in\omega}2^{-(n+1)}=1であるから0≤σ(a)≤10\le\sigma(a)\le1である。

t∈[0,1]t\in[0,1]とし、t0=tt_0=tとおく。tnt_nが定まったとき

an={1(tn≥2−(n+1))0(tn<2−(n+1)),tn+1=tn−an2n+1a_n=\begin{cases}1&(t_n\ge2^{-(n+1)})\\0&(t_n<2^{-(n+1)})\end{cases},\qquad t_{n+1}=t_n-\frac{a_n}{2^{n+1}}

と定める。帰納法により0≤tn≤2−n0\le t_n\le2^{-n}である。各N∈ωN\in\omegaについて

t−∑n<Nan2n+1=tN∈[0,2−N]t-\sum_{n<N}\frac{a_n}{2^{n+1}}=t_N\in[0,2^{-N}]

であり、§B1.7 定理 2.1により2−N→02^{-N}\to0である。ゆえにσ(a)=t\sigma(a)=tであり、σ\sigmaは全射である。

a∣n=b∣na|_n=b|_nならば

∣σ(a)−σ(b)∣≤∑k≥n12k+1=2−n|\sigma(a)-\sigma(b)|\le\sum_{k\ge n}\frac{1}{2^{k+1}}=2^{-n}

である。補題 5.3 (2)と§B1.7 定理 2.1により、任意のa∈2ωa\in2^{\omega}とσ(a)\sigma(a)の近傍に対して、その逆像に含まれる柱状近傍[a∣n][a|_n]をとることができる。したがってσ\sigmaは連続である。▨

注意 5.7.a<lexba<_{\mathrm{lex}}bとし、最初に異なる桁をkkとする。このときak=0a_k=0、bk=1b_k=1であり、

σ(b)−σ(a)=12k+1+∑n>kbn−an2n+1≥0\sigma(b)-\sigma(a)=\frac{1}{2^{k+1}}+\sum_{n>k}\frac{b_n-a_n}{2^{n+1}}\ge0

である。等号が成り立つのは、すべてのn>kn>kについてan=1a_n=1、bn=0b_n=0である場合に限る。したがってσ\sigmaは広義単調であり、同じ値をもつ異なる二点は、ある有限列ssに対するs0 111⋯s0\,111\cdotsとs1 000⋯s1\,000\cdotsの対に限る。たとえば0111⋯0111\cdotsと1000⋯1000\cdotsはともに1/21/2に写る。一方、φ\varphiは狭義単調であり、これら二点をそれぞれ1/31/3と2/32/3に写す。

補題 5.8.2ω2^{\omega}の空でない閉部分集合AAは、辞書式順序に関する最小元をもつ。

証明.命題 5.5によりφ(A)\varphi(A)はEEの空でない閉部分集合である。EEは[0,1][0,1]の閉集合であるから、φ(A)\varphi(A)は実数直線の閉集合でもある。φ(A)\varphi(A)は空でなく下に有界であるから、§D1.4 命題 1.4によりm=inf⁡φ(A)m=\inf\varphi(A)が存在する。任意のε>0\varepsilon>0に対し、下限の定義からm≤y<m+εm\le y<m+\varepsilonを満たすy∈φ(A)y\in\varphi(A)が存在する。したがってmmの任意の近傍はφ(A)\varphi(A)と交わり、閉性からm∈φ(A)m\in\varphi(A)である。φ−1(m)\varphi^{-1}(m)は、φ\varphiが順序同型であることからAAの最小元である。▨

なお、ω\omega、ω+1\omega+1、ω+2\omega+2、ω⋅2=ω+ω\omega\cdot2=\omega+\omegaはそれぞれ順序集合として異なる。辞書式順序による順序位相を入れた2ω2^{\omega}、2ω+12^{\omega+1}、2ω+22^{\omega+2}、2ω⋅22^{\omega\cdot2}が位相空間としても互いに同相でないことを問題 9.3で示す。

6 正規性と T5 性

補題 6.1.(Y,τ,<)(Y,\tau,<)を一般順序位相空間、A,B⊆YA,B\subseteq Yを互いに素な部分集合とする。CCをY∖BY\setminus Bの凸成分であってAAと交わるもの、DDをY∖AY\setminus Aの凸成分であってBBと交わるものとし、C∩D≠∅C\cap D\neq\emptysetとする。このとき次の一方だけが成り立つ。

  1. 任意のa∈A∩Ca\in A\cap C、w∈C∩Dw\in C\cap D、b∈B∩Db\in B\cap Dに対してa<w<ba<w<bである。
  2. 任意のa∈A∩Ca\in A\cap C、w∈C∩Dw\in C\cap D、b∈B∩Db\in B\cap Dに対してb<w<ab<w<aである。

証明.a∈A∩Ca\in A\cap C、w∈C∩Dw\in C\cap D、b∈B∩Db\in B\cap Dをとる。C⊆Y∖BC\subseteq Y\setminus BかつD⊆Y∖AD\subseteq Y\setminus Aであるからw∉Aw\notin Aかつw∉Bw\notin Bであり、a≠wa\neq w、b≠wb\neq w、a≠ba\neq bである。

a<wa<wかつb<wb<wと仮定する。a<ba<bならばa<b<wa<b<wであり、a,w∈Ca,w\in CとCCの凸性からb∈Cb\in Cとなるが、C∩B=∅C\cap B=\emptysetに反する。b<ab<aならばb<a<wb<a<wであり、b,w∈Db,w\in DとDDの凸性からa∈Da\in Dとなるが、D∩A=∅D\cap A=\emptysetに反する。a≠ba\neq bであるからいずれかの場合が起こり、矛盾を得る。ゆえにa<wa<wかつb<wb<wとはならない。w<aw<aかつw<bw<bとはならないことは、注意 1.9により双対順序<op<^{\mathrm{op}}へ移り、いま示したことを(Y,τ,<op)(Y,\tau,<^{\mathrm{op}})へ適用すると得られる。ここで凸成分は順序の反転で変わらない。したがって、三つ組(a,w,b)(a,w,b)ごとにa<w<ba<w<bとb<w<ab<w<aの一方だけが成り立つ。

a1,a2∈A∩Ca_1,a_2\in A\cap C、w1,w2∈C∩Dw_1,w_2\in C\cap D、b1,b2∈B∩Db_1,b_2\in B\cap Dがa1<w1<b1a_1<w_1<b_1とb2<w2<a2b_2<w_2<a_2をともに満たすと仮定する。三つ組(a1,w2,b2)(a_1,w_2,b_2)についてa1<w2<b2a_1<w_2<b_2またはb2<w2<a1b_2<w_2<a_1である。b2<w2b_2<w_2であるから前者は成り立たず、b2<w2<a1b_2<w_2<a_1を得る。とくにb2<a1b_2<a_1である。三つ組(a1,w1,b2)(a_1,w_1,b_2)についてa1<w1<b2a_1<w_1<b_2またはb2<w1<a1b_2<w_1<a_1である。a1<w1a_1<w_1であるから後者は成り立たず、w1<b2w_1<b_2を得る。するとb2<a1<w1<b2b_2<a_1<w_1<b_2となり、b2<b2b_2<b_2という不等式が成り立つことになって矛盾である。ゆえに、成り立つ向きは三つ組の取り方によらない。

A∩CA\cap C、C∩DC\cap D、B∩DB\cap Dはいずれも空でないから三つ組が存在し、以上により(1)と(2)の一方だけが成り立つ。▨

系 6.2.(Y,τ,<)(Y,\tau,<)を一般順序位相空間、A,B⊆YA,B\subseteq Yを互いに素な閉集合とし、C\mathcal CをY∖BY\setminus Bの凸成分のうちAAと交わるもの全体、D\mathcal DをY∖AY\setminus Aの凸成分のうちBBと交わるもの全体とする。C∈CC\in\mathcal Cに対して、C∩D≠∅C\cap D\neq\emptysetかつ補題 6.1 (1)を満たすD∈DD\in\mathcal Dは高々一つであり、C∩D≠∅C\cap D\neq\emptysetかつ補題 6.1 (2)を満たすD∈DD\in\mathcal Dも高々一つである。D∈DD\in\mathcal Dに対して、C∩D≠∅C\cap D\neq\emptysetかつ補題 6.1 (1)を満たすC∈CC\in\mathcal Cは高々一つであり、C∩D≠∅C\cap D\neq\emptysetかつ補題 6.1 (2)を満たすC∈CC\in\mathcal Cも高々一つである。

証明.C∈CC\in\mathcal Cを固定し、相異なるD1,D2∈DD_1,D_2\in\mathcal DがともにCCと交わって補題 6.1 (1)を満たすと仮定する。命題 3.4 (2)によりD1∩D2=∅D_1\cap D_2=\emptysetである。w1∈C∩D1w_1\in C\cap D_1とw2∈C∩D2w_2\in C\cap D_2をとるとw1≠w2w_1\neq w_2であり、D1D_1とD2D_2の役割は対称であるからw1<w2w_1<w_2としてよい。b1∈B∩D1b_1\in B\cap D_1をとると、補題 6.1 (1)によりw1<b1w_1<b_1である。b1∈Bb_1\in Bかつw2∈C⊆Y∖Bw_2\in C\subseteq Y\setminus Bであるからb1≠w2b_1\neq w_2である。b1<w2b_1<w_2ならばw1<b1<w2w_1<b_1<w_2であり、w1,w2∈Cw_1,w_2\in CとCCの凸性からb1∈Cb_1\in CとなってC∩B=∅C\cap B=\emptysetに反する。w2<b1w_2<b_1ならばw1<w2<b1w_1<w_2<b_1であり、w1,b1∈D1w_1,b_1\in D_1とD1D_1の凸性からw2∈D1w_2\in D_1となってD1∩D2=∅D_1\cap D_2=\emptysetに反する。いずれの場合も矛盾である。

CCを固定して補題 6.1 (2)を満たすDDを数える主張は、注意 1.9により双対順序へ移ると補題 6.1 (1)の場合に帰着する。D∈DD\in\mathcal Dを固定した二つの主張は、AAとBB、C\mathcal CとD\mathcal Dの役割を入れ替えると仮定がそのまま成り立ち、補題 6.1 (1)と補題 6.1 (2)が入れ替わることから従う。▨

定理 6.3. 一般順序位相空間(Y,τ,<)(Y,\tau,<)に対して、位相空間(Y,τ)(Y,\tau)は正規空間である。

証明.A,B⊆YA,B\subseteq Yを互いに素な閉集合とする。C\mathcal CをY∖BY\setminus Bの凸成分のうちAAと交わるもの全体、D\mathcal DをY∖AY\setminus Aの凸成分のうちBBと交わるもの全体とする。A∩B=∅A\cap B=\emptysetであるから各a∈Aa\in AはY∖BY\setminus Bに属し、K(a,Y∖B)K(a,Y\setminus B)はaaを含むC\mathcal Cの元である。よってA⊆⋃CA\subseteq\bigcup\mathcal Cである。各b∈Bb\in BはY∖AY\setminus Aに属し、K(b,Y∖A)K(b,Y\setminus A)はbbを含むD\mathcal Dの元であるからB⊆⋃DB\subseteq\bigcup\mathcal Dである。Y∖BY\setminus BとY∖AY\setminus Aは開集合であるから、補題 3.11によりC\mathcal CとD\mathcal Dの各元はτ\tauに属する。

P={(C,D)∈C×D∣C∩D≠∅}\mathcal P=\{(C,D)\in\mathcal C\times\mathcal D\mid C\cap D\neq\emptyset\}とおき、各(C,D)∈P(C,D)\in\mathcal Pに対してcC,D∈C∩Dc_{C,D}\in C\cap Dを与える写像を一つ取る。

C∈CC\in\mathcal Cに対して、系 6.2により(C,D)∈P(C,D)\in\mathcal Pかつ補題 6.1 (1)を満たすD∈DD\in\mathcal Dは高々一つである。そのようなDDが存在するときはcC+=cC,Dc^{+}_C=c_{C,D}、存在しないときはcC+=∞c^{+}_C=\inftyと定める。(C,D)∈P(C,D)\in\mathcal Pかつ補題 6.1 (2)を満たすD∈DD\in\mathcal Dが存在するときはcC−=cC,Dc^{-}_C=c_{C,D}、存在しないときはcC−=−∞c^{-}_C=-\inftyと定める。D∈DD\in\mathcal Dに対しては、(C,D)∈P(C,D)\in\mathcal Pかつ補題 6.1 (1)を満たすC∈CC\in\mathcal Cが存在するときはdD−=cC,Dd^{-}_D=c_{C,D}、存在しないときはdD−=−∞d^{-}_D=-\inftyと定め、(C,D)∈P(C,D)\in\mathcal Pかつ補題 6.1 (2)を満たすC∈CC\in\mathcal Cが存在するときはdD+=cC,Dd^{+}_D=c_{C,D}、存在しないときはdD+=∞d^{+}_D=\inftyと定める。これらはいずれもY+Y^{+}の元である。

主張 6.3.1.C∈CC\in\mathcal Cとa∈A∩Ca\in A\cap Cに対してcC−<a<cC+c^{-}_C<a<c^{+}_Cが成り立ち、D∈DD\in\mathcal Dとb∈B∩Db\in B\cap Dに対してdD−<b<dD+d^{-}_D<b<d^{+}_Dが成り立つ。

証明.cC+=∞c^{+}_C=\inftyならばa<cC+a<c^{+}_Cであり、cC+=cC,Dc^{+}_C=c_{C,D}ならばcC,D∈C∩Dc_{C,D}\in C\cap Dと補題 6.1 (1)によりa<cC,Da<c_{C,D}である。cC−=−∞c^{-}_C=-\inftyならばcC−<ac^{-}_C<aであり、cC−=cC,Dc^{-}_C=c_{C,D}ならば補題 6.1 (2)によりcC,D<ac_{C,D}<aである。dD−=−∞d^{-}_D=-\inftyならばdD−<bd^{-}_D<bであり、dD−=cC,Dd^{-}_D=c_{C,D}ならば補題 6.1 (1)によりcC,D<bc_{C,D}<bである。dD+=∞d^{+}_D=\inftyならばb<dD+b<d^{+}_Dであり、dD+=cC,Dd^{+}_D=c_{C,D}ならば補題 6.1 (2)によりb<cC,Db<c_{C,D}である。▨

C\mathcal Cの各元はAAと交わり、D\mathcal Dの各元はBBと交わるから、主張 6.3.1によりC∈CC\in\mathcal Cに対してcC−<cC+c^{-}_C<c^{+}_C、D∈DD\in\mathcal Dに対してdD−<dD+d^{-}_D<d^{+}_Dであり、(cC−,cC+)(c^{-}_C,c^{+}_C)と(dD−,dD+)(d^{-}_D,d^{+}_D)はYYの基本開集合である。

U=⋃C∈C(C∩(cC−,cC+)),V=⋃D∈D(D∩(dD−,dD+))U=\bigcup_{C\in\mathcal C}\bigl(C\cap(c^{-}_C,c^{+}_C)\bigr),\qquad V=\bigcup_{D\in\mathcal D}\bigl(D\cap(d^{-}_D,d^{+}_D)\bigr)

とおく。定義 3.7 条件 (a)により基本開集合はτ\tauに属し、C\mathcal CとD\mathcal Dの各元もτ\tauに属するから、UUとVVはτ\tauに属する。

a∈Aa\in Aに対してC=K(a,Y∖B)∈CC=K(a,Y\setminus B)\in\mathcal Cでありa∈A∩Ca\in A\cap Cであるから、主張 6.3.1によりcC−<a<cC+c^{-}_C<a<c^{+}_Cである。ゆえにa∈C∩(cC−,cC+)⊆Ua\in C\cap(c^{-}_C,c^{+}_C)\subseteq Uであり、A⊆UA\subseteq Uである。b∈Bb\in Bに対してD=K(b,Y∖A)∈DD=K(b,Y\setminus A)\in\mathcal Dでありb∈B∩Db\in B\cap Dであるから、主張 6.3.1によりdD−<b<dD+d^{-}_D<b<d^{+}_Dであり、b∈D∩(dD−,dD+)⊆Vb\in D\cap(d^{-}_D,d^{+}_D)\subseteq VであってB⊆VB\subseteq Vである。

w∈U∩Vw\in U\cap Vが存在すると仮定し、w∈C∩(cC−,cC+)w\in C\cap(c^{-}_C,c^{+}_C)を満たすC∈CC\in\mathcal Cとw∈D∩(dD−,dD+)w\in D\cap(d^{-}_D,d^{+}_D)を満たすD∈DD\in\mathcal Dをとる。w∈C∩Dw\in C\cap Dであるから(C,D)∈P(C,D)\in\mathcal Pであり、補題 6.1により補題 6.1 (1)と補題 6.1 (2)の一方だけが成り立つ。補題 6.1 (1)が成り立つ場合、cC+c^{+}_CとdD−d^{-}_Dの定義と系 6.2の一意性からcC+=cC,D=dD−c^{+}_C=c_{C,D}=d^{-}_Dである。w<cC+w<c^{+}_CかつdD−<wd^{-}_D<wであるからw<cC,D<ww<c_{C,D}<wとなり矛盾である。補題 6.1 (2)が成り立つ場合、同じ理由でcC−=cC,D=dD+c^{-}_C=c_{C,D}=d^{+}_Dであり、cC−<wc^{-}_C<wかつw<dD+w<d^{+}_Dであるからw<cC,D<ww<c_{C,D}<wとなり矛盾である。ゆえにU∩V=∅U\cap V=\emptysetである。

以上によりA⊆UA\subseteq U、B⊆VB\subseteq V、U∩V=∅U\cap V=\emptysetを満たす開集合U,VU,Vが存在する。§E2.15 定義 1.7により(Y,τ)(Y,\tau)は正規空間である。▨

系 6.4.(Y,τ,<)(Y,\tau,<)を一般順序位相空間とする。

  1. (Y,τ)(Y,\tau)の任意の部分空間は正規空間である。
  2. (Y,τ)(Y,\tau)は T5 空間である。

証明.(1)を示す。Z⊆YZ\subseteq Yに対して、命題 3.13によりZZは部分空間位相と誘導順序について一般順序位相空間であるから、定理 6.3により正規空間である。

(2)を示す。命題 3.10により(Y,τ)(Y,\tau)は T1 空間である。(1)と§E2.15 命題 1.14と§E2.15 定義 1.10 (2)により(Y,τ)(Y,\tau)は T5 空間である。▨

系 6.5. 順序数α\alphaに対して、例 2.4のとおり[0,α][0,\alpha]と[0,α)[0,\alpha)に制限順序からの順序位相を入れる。このとき[0,α][0,\alpha]と[0,α)[0,\alpha)はいずれも T5 空間であり、とくに T4 空間かつ T1 空間である。注意 4.1のω+1\omega+1、ω1\omega_1、ω1+1\omega_1+1はいずれもこの形の空間である。

証明. 順序数の大小関係の制限は[0,α][0,\alpha]と[0,α)[0,\alpha)の全順序であり、いずれにもその順序位相を入れているから、定義 3.5によりどちらも全順序位相空間である。したがって命題 3.9により一般順序位相空間であり、系 6.4により T5 空間である。§E2.15 命題 1.13により T4 空間であり、§E2.15 定義 1.10 (2)により T1 空間である。▨

注意 6.6.系 6.4は一般順序位相空間の T5 性を与えるが、T5 性も正規性も直積について保たれるわけではない。命題 8.2により Sorgenfrey 直線は一般順序位相空間であるから正規空間であるが、その自分自身との直積が正規でないことを§E2.18 定理 8.4が与える。すなわち正規空間の二つの直積は正規とは限らない。

7 全順序位相空間への埋め込み

定理 7.1 (Čech の埋め込み定理).(X,τ,<)(X,\tau,<)を一般順序位相空間とし、

X−={x∈X∣[x,∞)∈τ∖λ(<)},X+={x∈X∣(−∞,x]∈τ∖λ(<)}X_{-}=\{x\in X\mid [x,\infty)\in\tau\setminus\lambda(<)\},\qquad X_{+}=\{x\in X\mid (-\infty,x]\in\tau\setminus\lambda(<)\}

とおく。X∗=(X×{0})∪(X−×{−1})∪(X+×{1})X^{*}=(X\times\{0\})\cup(X_{-}\times\{-1\})\cup(X_{+}\times\{1\})とし、X∗X^{*}の二元(x,i)(x,i)、(y,j)(y,j)に対して、x<yx<yであるか、またはx=yx=yかつi<ji<jであるとき(x,i)<∗(y,j)(x,i)<^{*}(y,j)と定める。このとき<∗<^{*}はX∗X^{*}の全順序であり、(X∗,λ(<∗),<∗)(X^{*},\lambda(<^{*}),<^{*})は全順序位相空間である。さらにe ⁣:X→X∗e\colon X\to X^{*}をe(x)=(x,0)e(x)=(x,0)で定めると、eeは単射であって、x<yx<yとe(x)<∗e(y)e(x)<^{*}e(y)は同値であり、eeは§E2.12 定義 6.10で定める位相的埋め込みである。

証明.<∗<^{*}は、全順序集合(X,<)(X,<)と−1<0<1-1<0<1を順序とする集合{−1,0,1}\{-1,0,1\}の直積X×{−1,0,1}X\times\{-1,0,1\}上の辞書式順序を、部分集合X∗X^{*}へ制限したものである。§E1.8 命題 1.7により有限個の全順序集合の直積上の辞書式順序は全順序であり、全順序の部分集合への制限は再び全順序であるから、<∗<^{*}はX∗X^{*}の全順序である。ゆえに定義 3.5により(X∗,λ(<∗),<∗)(X^{*},\lambda(<^{*}),<^{*})は全順序位相空間である。

e(x)=e(y)e(x)=e(y)ならばx=yx=yであるからeeは単射である。x<yx<yと(x,0)<∗(y,0)(x,0)<^{*}(y,0)が同値であることは<∗<^{*}の定義から直ちに従う。

σ={e−1(W)∣W∈λ(<∗)}\sigma=\{e^{-1}(W)\mid W\in\lambda(<^{*})\}とおく。逆像は和集合と有限共通部分を保つからσ\sigmaはXXの位相である。e(X)=X×{0}e(X)=X\times\{0\}に部分空間位相を入れると、e−1(W∩e(X))=e−1(W)e^{-1}(W\cap e(X))=e^{-1}(W)であるから、終域を像へ制限した写像X→e(X)X\to e(X)は全単射であって、その逆像が定める位相はσ\sigmaである。したがって、eeが位相的埋め込みであることとσ=τ\sigma=\tauが成り立つこととは同値である。

P,Q∈(X∗)+P,Q\in(X^{*})^{+}、P<∗QP<^{*}Qをとる。e−1((P,Q))e^{-1}((P,Q))は{x∈X∣P<∗(x,0)}\{x\in X\mid P<^{*}(x,0)\}と{x∈X∣(x,0)<∗Q}\{x\in X\mid (x,0)<^{*}Q\}の共通部分である。第一の集合について、P=−∞P=-\inftyならばこれはXXである。P=(p,−1)P=(p,-1)ならばp∈X−p\in X_{-}であり、(p,−1)<∗(x,0)(p,-1)<^{*}(x,0)はp<xp<xまたはp=xp=xと同値であるから、この集合は[p,∞)[p,\infty)であってp∈X−p\in X_{-}よりτ\tauに属する。P=(p,0)P=(p,0)またはP=(p,1)P=(p,1)ならば、(p,i)<∗(x,0)(p,i)<^{*}(x,0)はp<xp<xと同値であるから、この集合は(p,∞)(p,\infty)であって定義 3.7 条件 (a)によりτ\tauに属する。第二の集合について、Q=∞Q=\inftyならばこれはXXである。Q=(q,1)Q=(q,1)ならばq∈X+q\in X_{+}であり、(x,0)<∗(q,1)(x,0)<^{*}(q,1)はx<qx<qまたはx=qx=qと同値であるから、この集合は(−∞,q](-\infty,q]であってq∈X+q\in X_{+}よりτ\tauに属する。Q=(q,0)Q=(q,0)またはQ=(q,−1)Q=(q,-1)ならば、(x,0)<∗(q,j)(x,0)<^{*}(q,j)はx<qx<qと同値であるから、この集合は(−∞,q)(-\infty,q)であってτ\tauに属する。ゆえにe−1((P,Q))∈τe^{-1}((P,Q))\in\tauである。定理 1.2を(X∗,<∗)(X^{*},<^{*})へ適用すると、λ(<∗)\lambda(<^{*})の各元は基本開集合の和集合であり、逆像は和集合を保つから、σ\sigmaの各元はτ\tauに属する。

XXの全順序<op<^{\mathrm{op}}に対してX∗X^{*}および<∗<^{*}と同じ規則で定まる集合と全順序を、それぞれXop∗X^{*}_{\mathrm{op}}、<op∗<^{*}_{\mathrm{op}}と書く。

主張 7.1.1.Xop∗=(X×{0})∪(X+×{−1})∪(X−×{1})X^{*}_{\mathrm{op}}=(X\times\{0\})\cup(X_{+}\times\{-1\})\cup(X_{-}\times\{1\})であり、(x,i)↦(x,−i)(x,i)\mapsto(x,-i)はXop∗X^{*}_{\mathrm{op}}からX∗X^{*}への全単射であって、<op∗<^{*}_{\mathrm{op}}を<∗<^{*}の双対順序へ移す。

証明.注意 1.9によりλ(<op)=λ(<)\lambda(<^{\mathrm{op}})=\lambda(<)であり、<op<^{\mathrm{op}}における[x,∞)[x,\infty)は<<における(−∞,x](-\infty,x]に等しく、<op<^{\mathrm{op}}における(−∞,x](-\infty,x]は<<における[x,∞)[x,\infty)に等しい。したがって<op<^{\mathrm{op}}に対するX−X_{-}とX+X_{+}は、それぞれX+X_{+}とX−X_{-}であり、Xop∗=(X×{0})∪(X+×{−1})∪(X−×{1})X^{*}_{\mathrm{op}}=(X\times\{0\})\cup(X_{+}\times\{-1\})\cup(X_{-}\times\{1\})である。(x,i)↦(x,−i)(x,i)\mapsto(x,-i)は、この三つの部分をそれぞれX×{0}X\times\{0\}、X+×{1}X_{+}\times\{1\}、X−×{−1}X_{-}\times\{-1\}の上へ全単射に写すから、Xop∗X^{*}_{\mathrm{op}}からX∗X^{*}への全単射である。x<opyx<^{\mathrm{op}}yまたは(x=yx=yかつi<ji<j)が成り立つことは、y<xy<xまたは(x=yx=yかつ−j<−i-j<-i)が成り立つことと同値であり、これは(y,−j)<∗(x,−i)(y,-j)<^{*}(x,-i)に他ならない。ゆえにこの全単射は<op∗<^{*}_{\mathrm{op}}を<∗<^{*}の双対順序へ移す。▨

O∈τO\in\tauとx∈Ox\in Oをとる。定義 3.7 条件 (b)の凸開基と§E2.13 命題 1.2 (2)により、x∈C⊆Ox\in C\subseteq Oを満たす凸なC∈τC\in\tauが存在する。Q∈(X∗)+Q\in(X^{*})^{+}を次のように定める。xxより大きいCCの元が存在するときは、その一つをssとしQ=(s,0)Q=(s,0)とする。xxがCCの最大元である場合を三つに分ける。xxがXXの最大元であるときはQ=∞Q=\inftyとする。xxが直後の元ttをもつときはQ=(t,0)Q=(t,0)とする。xxがXXの最大元でも直後の元をもつのでもないときは、補題 3.12により(−∞,x]∈τ(-\infty,x]\in\tauであり、補題 1.10の第二の主張により(−∞,x]∉λ(<)(-\infty,x]\notin\lambda(<)であるからx∈X+x\in X_{+}であり、Q=(x,1)Q=(x,1)とする。

いずれの場合も(x,0)<∗Q(x,0)<^{*}Qであり、{y∈X∣x≤y, (y,0)<∗Q}⊆C\{y\in X\mid x\le y,\ (y,0)<^{*}Q\}\subseteq Cが成り立つ。第一の場合、x<sx<sであり、この集合は{y∈X∣x≤y<s}\{y\in X\mid x\le y<s\}であって、x,s∈Cx,s\in CとCCの凸性からこれはCCに含まれる。第二の場合、xxはXXの最大元であるからこの集合は{x}\{x\}であり、x∈Cx\in Cである。第三の場合、x<tx<tであり、ttがxxの直後の元であることからこの集合は{x}\{x\}である。第四の場合、(x,0)<∗(x,1)(x,0)<^{*}(x,1)であり、(y,0)<∗(x,1)(y,0)<^{*}(x,1)はy≤xy\le xと同値であるから、この集合は{x}\{x\}である。

主張 7.1.1により、同じ構成を<op<^{\mathrm{op}}へ適用すると、P<∗(x,0)P<^{*}(x,0)かつ{y∈X∣y≤x, P<∗(y,0)}⊆C\{y\in X\mid y\le x,\ P<^{*}(y,0)\}\subseteq Cを満たすP∈(X∗)+P\in(X^{*})^{+}が得られる。W=(P,Q)W=(P,Q)とおくとW∈λ(<∗)W\in\lambda(<^{*})かつe(x)∈We(x)\in Wである。y∈e−1(W)y\in e^{-1}(W)をとると、<<は全順序であるからx≤yx\le yまたはy≤xy\le xが成り立ち、いずれの場合も上の包含によりy∈Cy\in Cである。したがってx∈e−1(W)⊆C⊆Ox\in e^{-1}(W)\subseteq C\subseteq Oであり、e−1(W)∈σe^{-1}(W)\in\sigmaである。x∈Ox\in Oは任意であったからOOはσ\sigmaの元の和集合であり、σ\sigmaが位相であることからO∈σO\in\sigmaである。

以上よりσ=τ\sigma=\tauであり、eeは位相的埋め込みである。▨

8 Sorgenfrey 直線

定義 8.1.a<ba<bを満たす実数a,ba,bに対して[a,b)={t∈R∣a≤t<b}[a,b)=\{t\in\mathbb R\mid a\le t<b\}とおき、これらの全体をS\mathcal Sと書く。S\mathcal Sの元からなる集合族の和集合として表されるR\mathbb Rの部分集合の全体をτS\tau_{\mathrm S}とし、位相空間(R,τS)(\mathbb R,\tau_{\mathrm S})を Sorgenfrey 直線 (Sorgenfrey line) という。

命題 8.2.τS\tau_{\mathrm S}はR\mathbb Rの位相であり、S\mathcal Sはその開基である。R\mathbb Rの通常の順序<<について(R,τS,<)(\mathbb R,\tau_{\mathrm S},<)は一般順序位相空間であり、定理 7.1のX−X_{-}とX+X_{+}はそれぞれR\mathbb Rと∅\emptysetである。

証明. 各実数ttは[t,t+1)∈S[t,t+1)\in\mathcal Sに属するから⋃S=R\bigcup\mathcal S=\mathbb Rである。[a,b),[c,d)∈S[a,b),[c,d)\in\mathcal Sに対して[a,b)∩[c,d)={t∈R∣max⁡{a,c}≤t<min⁡{b,d}}[a,b)\cap[c,d)=\{t\in\mathbb R\mid\max\{a,c\}\le t<\min\{b,d\}\}である。この集合が空でなければmax⁡{a,c}<min⁡{b,d}\max\{a,c\}<\min\{b,d\}であって、この集合はS\mathcal Sの元である。ゆえに§E2.13 命題 1.3の仮定が成り立ち、τS\tau_{\mathrm S}はR\mathbb Rの位相であってS\mathcal Sはその開基である。

定義 3.7 条件 (a)を示す。a,b∈R+a,b\in\mathbb R^{+}、a<ba<bに対して(a,b)∈τS(a,b)\in\tau_{\mathrm S}を示せばよい。t∈(a,b)t\in(a,b)をとる。b∈Rb\in\mathbb Rならばt<bt<bであるから[t,b)∈S[t,b)\in\mathcal Sであり、a<ta<tから[t,b)⊆(a,b)[t,b)\subseteq(a,b)である。b=∞b=\inftyならば[t,t+1)∈S[t,t+1)\in\mathcal Sであり[t,t+1)⊆(a,b)[t,t+1)\subseteq(a,b)である。いずれの場合もttを含み(a,b)(a,b)に含まれるS\mathcal Sの元があるから、(a,b)(a,b)はS\mathcal Sの元の和集合でありτS\tau_{\mathrm S}に属する。

定義 3.7 条件 (b)を示す。u,v∈[a,b)u,v\in[a,b)とu<w<vu<w<vを満たす実数wwに対してa≤u<w<v<ba\le u<w<v<bであるからw∈[a,b)w\in[a,b)であり、S\mathcal Sの各元は凸である。

x∈Rx\in\mathbb Rに対して[x,∞)=⋃n≥1[x,x+n)[x,\infty)=\bigcup_{n\ge1}[x,x+n)であるから[x,∞)∈τS[x,\infty)\in\tau_{\mathrm S}である。xxはR\mathbb Rの最小元ではない。またp<xp<xを満たす任意の実数ppに対してp<(p+x)/2<xp<(p+x)/2<xであるから、xxは直前の元をもたない。ゆえに補題 1.10により[x,∞)∉λ(<)[x,\infty)\notin\lambda(<)であり、x∈X−x\in X_{-}である。xxは任意であったからX−=RX_{-}=\mathbb Rである。

x∈Rx\in\mathbb Rに対して(−∞,x]∈τS(-\infty,x]\in\tau_{\mathrm S}と仮定する。S\mathcal Sが開基であるから、§E2.13 命題 1.2 (2)によりx∈[a,b)⊆(−∞,x]x\in[a,b)\subseteq(-\infty,x]を満たす[a,b)∈S[a,b)\in\mathcal Sが存在する。x<bx<bであるからx<(x+b)/2<bx<(x+b)/2<bであり、(x+b)/2∈[a,b)⊆(−∞,x](x+b)/2\in[a,b)\subseteq(-\infty,x]から(x+b)/2≤x(x+b)/2\le xを得るが、これはx<(x+b)/2x<(x+b)/2に反する。ゆえに(−∞,x]∉τS(-\infty,x]\notin\tau_{\mathrm S}であり、x∉X+x\notin X_{+}である。xxは任意であったからX+=∅X_{+}=\emptysetである。▨

系 8.3. Sorgenfrey 直線は T5 空間であり、とくに正規空間である。

証明.命題 8.2と系 6.4により Sorgenfrey 直線は T5 空間である。§E2.15 命題 1.13により T4 空間であり、§E2.15 定義 1.8 (3)により T4 空間は正規空間である。▨

系 8.4.Q\mathbb Qは Sorgenfrey 直線で稠密であり、Sorgenfrey 直線は§E2.13 定義 6.1で定める可分空間である。

証明.OOを Sorgenfrey 直線の空でない開集合とし、x∈Ox\in Oをとる。命題 8.2によりS\mathcal Sは Sorgenfrey 直線の開基であるから、§E2.13 命題 1.2 (2)によりx∈[a,b)⊆Ox\in[a,b)\subseteq Oを満たす実数a<ba<bが存在する。x<bx<bであるから、§D1.4 系 2.2が与える有理数の稠密性によりx<q<bx<q<bを満たす有理数qqが存在し、a≤x<q<ba\le x<q<bからq∈[a,b)⊆Oq\in[a,b)\subseteq Oである。したがってO∩Q≠∅O\cap\mathbb Q\neq\emptysetであり、§E2.11 命題 2.9 (2)によりQ\mathbb Qは Sorgenfrey 直線で稠密である。§E1.18 定理 4.1によりQ\mathbb Qは可算であるから、Sorgenfrey 直線は可分空間である。▨

例 8.5 (Sorgenfrey 直線を実現する全順序位相空間).命題 8.2によりX−=RX_{-}=\mathbb RかつX+=∅X_{+}=\emptysetであるから、定理 7.1の構成が与える集合は

X∗=(R×{0})∪(R×{−1})=R×{−1,0}X^{*}=(\mathbb R\times\{0\})\cup(\mathbb R\times\{-1\})=\mathbb R\times\{-1,0\}

であり、<∗<^{*}はR\mathbb Rの通常の順序と−1<0-1<0から定まる辞書式順序である。(x,−1)(x,-1)と(x,0)(x,0)の間にはX∗X^{*}の元がないから、(x,−1)(x,-1)は(x,0)(x,0)の直前の元である。e(x)=(x,0)e(x)=(x,0)とすると、a<ba<bに対して

e([a,b))=e(R)∩((a,−1),(b,−1))e([a,b))=e(\mathbb R)\cap\bigl((a,-1),(b,-1)\bigr)

が成り立つ。実際、(a,−1)<∗(y,0)(a,-1)<^{*}(y,0)はa≤ya\le yと同値であり、(y,0)<∗(b,−1)(y,0)<^{*}(b,-1)はy<by<bと同値である。したがって Sorgenfrey 直線の開基の各元は、X∗X^{*}の順序位相の基本開集合のe(R)e(\mathbb R)への跡として得られる。

9 演習

問題 9.1.{x}\{x\}が順序位相で開集合であるための必要十分条件を、X={x}X=\{x\}、最小元で直後の元をもつ場合、最大元で直前の元をもつ場合、端点でなく直前と直後の元をともにもつ場合に分けて示せ。

解答.

四場合ではそれぞれXX、[x,q)[x,q)、(p,x](p,x]、(p,q)(p,q)が{x}\{x\}に等しい基本開集合である。逆に{x}\{x\}が開集合ならば定理 1.2によりx∈B⊆{x}x\in B\subseteq\{x\}を満たす基本開集合BBがある。BBの四つの可能な形を読むと、同じ四場合のいずれかが必要である。▨

問題 9.2.x<opyx<^{\mathrm{op}}yをy<xy<xにより定めるとき、<<と<op<^{\mathrm{op}}が同じ順序位相を定めることを示せ。

解答.

<op<^{\mathrm{op}}の開区間(b,a)op(b,a)_{\mathrm{op}}は<<の(a,b)(a,b)に等しい。<<の最小元を含む[m,b)[m,b)は、逆順序の最大元を含む(b,m]op(b,m]_{\mathrm{op}}に等しい。最大元の場合も同様であるから、基本開集合の族が一致し、順序位相も一致する。▨

問題 9.3. 順序数α\alphaの順序と2={0,1}2=\{0,1\}の順序0<10 < 1から引き起こされる辞書式順序により、2α2^{\alpha}を全順序集合とみなして辞書式順序を入れる。このとき、2ω2^{\omega}、2ω+12^{\omega+1}、2ω+22^{\omega+2}、2ω⋅2=2ω+ω2^{\omega\cdot 2}=2^{\omega+\omega}はいずれも同相でないことを示せ。

解答.

順序数α\alphaとx∈2αx\in2^{\alpha}に対して、x−1(0)={ξ<α∣xξ=0}x^{-1}(0)=\{\xi<\alpha\mid x_\xi=0\}、x−1(1)={ξ<α∣xξ=1}x^{-1}(1)=\{\xi<\alpha\mid x_\xi=1\}と書く。

x−1(0)x^{-1}(0)が最大元ξ\xiをもつとし、y∈2αy\in2^{\alpha}を、η<ξ\eta<\xiに対してyη=xηy_\eta=x_\eta、yξ=1y_\xi=1、ξ<η\xi<\etaに対してyη=0y_\eta=0と定める。xxとyyが最初に異なる番号はξ\xiでありxξ=0<1=yξx_\xi=0<1=y_\xiであるからx<yx<yである。x<z<yx<z<yを満たすzzがあるとし、zzとyyが最初に異なる番号をη\etaとするとzη=0z_\eta=0、yη=1y_\eta=1である。yη=1y_\eta=1となるのはη≤ξ\eta\le\xiの場合に限る。η<ξ\eta<\xiならばxη=yη=1x_\eta=y_\eta=1であり、zzはη\etaより小さい番号でxxと一致してzη=0<1=xηz_\eta=0<1=x_\etaであるからz<xz<xとなり仮定に反する。η=ξ\eta=\xiならばzzはξ\xi以下の番号でxxと一致し、ξ\xiより大きい番号η′\eta'ではxη′=1x_{\eta'}=1であるからz≤xz\le xとなり、これも仮定に反する。ゆえにyyはxxの直後の元である。逆にx−1(0)x^{-1}(0)が空でなく最大元をもたないとする。x<yx<yを満たすyyをとり、最初に異なる番号をζ\zetaとするとxζ=0<1=yζx_\zeta=0<1=y_\zetaである。ζ<ξ\zeta<\xiを満たすξ∈x−1(0)\xi\in x^{-1}(0)をとり、zzを、η<ξ\eta<\xiに対してzη=xηz_\eta=x_\eta、zξ=1z_\xi=1、ξ<η\xi<\etaに対してzη=0z_\eta=0と定めるとx<zx<zであり、zzとyyはζ\zetaで最初に異なってzζ=0<1=yζz_\zeta=0<1=y_\zetaであるからz<yz<yである。ゆえにyyはxxの直後の元でなく、直後の元は存在しない。以上により、xxが直後の元をもつこととx−1(0)x^{-1}(0)が最大元をもつこととは同値である。またxxが2α2^{\alpha}の最大元であることとx−1(0)=∅x^{-1}(0)=\emptysetであることは同値である。双対順序へ移ると、xxが直前の元をもつこととx−1(1)x^{-1}(1)が最大元をもつことが同値であり、xxが最小元であることとx−1(1)=∅x^{-1}(1)=\emptysetであることが同値である。問題 9.1により、{x}\{x\}が開集合であることは、xxが最大元であるか直後の元をもち、かつxxが最小元であるか直前の元をもつことと同値である。ゆえに、xxが2α2^{\alpha}の孤立点であることと、x−1(0)x^{-1}(0)とx−1(1)x^{-1}(1)がいずれも空であるか最大元をもつこととは同値である。

α\alphaが00でない極限順序数のとき、2α2^{\alpha}は孤立点をもたない。実際、x−1(0)x^{-1}(0)とx−1(1)x^{-1}(1)はα\alphaの分割であるから、両者がいずれも空であるか最大元をもつとすると、空でない側の最大元、または両者の最大元の大きい方がα\alphaの最大元となり、α\alphaが極限順序数であることに反する。ω\omegaとω⋅2\omega\cdot2は00でない極限順序数であるから、2ω2^{\omega}と2ω⋅22^{\omega\cdot2}は孤立点をもたない。

α=ω+1\alpha=\omega+1とし、x∈2ω+1x\in2^{\omega+1}に対してc=xωc=x_\omegaとおく。ω\omegaはα\alphaの最大の元でありx−1(c)x^{-1}(c)に属するから、x−1(c)x^{-1}(c)は最大元ω\omegaをもつ。x−1(1−c)⊆ωx^{-1}(1-c)\subseteq\omegaであるから、これが空であるか最大元をもつことと、集合{k<ω∣xk≠c}\{k<\omega\mid x_k\neq c\}が有限であることは同値である。ゆえにxxが孤立点であることと{k<ω∣xk≠c}\{k<\omega\mid x_k\neq c\}が有限であることは同値である。とくに定値写像は孤立点であるから2ω+12^{\omega+1}は孤立点をもつ。孤立点xxに対して、n≤k<ωn\le k<\omegaを満たすすべてのkkについてxk=cx_k=cとなる最小のnnをとると、xxは組(c,n,x∣n)(c,n,x|_n)から復元されるから、x↦(c,n,x∣n)x\mapsto(c,n,x|_n)は孤立点全体から⋃n<ω(2×{n}×2n)\bigcup_{n<\omega}(2\times\{n\}\times2^{n})への単射である。各2×{n}×2n2\times\{n\}\times2^{n}は有限集合であり、その元を番号づける単射の族はnnごとに明示的に定まるから、§E1.18 定理 6.3により、この和集合はACω\mathsf{AC}_\omegaを用いずに高々可算である。ゆえに2ω+12^{\omega+1}の孤立点全体は高々可算である。

α=ω+2\alpha=\omega+2とし、x∈2ω+2x\in2^{\omega+2}がxω≠xω+1x_\omega\neq x_{\omega+1}を満たすとする。c=xω+1c=x_{\omega+1}とおくとx−1(c)x^{-1}(c)は最大元ω+1\omega+1をもち、x−1(1−c)x^{-1}(1-c)はω\omegaを含んでω+1\omega+1を含まないから最大元ω\omegaをもつ。ゆえにこのxxは孤立点である。xω=0x_\omega=0、xω+1=1x_{\omega+1}=1と定めると、x∣ω∈2ωx|_\omega\in2^{\omega}を任意にとることができるから、孤立点全体から2ω2^{\omega}への全射が得られる。2ω2^{\omega}の元はω\omegaの部分集合の特性関数であるから2ω2^{\omega}とP(ω)\mathcal P(\omega)は等濃であり、§E1.19 定理 1.1と§E1.18 定理 3.3によりP(ω)\mathcal P(\omega)は高々可算でない。孤立点全体が高々可算であるとすると、§E1.18 補題 3.5によりその像である2ω2^{\omega}も高々可算となる。したがって2ω+22^{\omega+2}の孤立点全体は高々可算でない。

同相写像は開集合を開集合へ写す全単射であるから、{x}\{x\}が開集合であることと像の一点集合が開集合であることは同値であり、孤立点全体の濃度は同相不変である。以上により、孤立点をもたない2ω2^{\omega}と2ω⋅22^{\omega\cdot2}は、孤立点をもつ2ω+12^{\omega+1}および2ω+22^{\omega+2}のいずれとも同相でなく、孤立点全体が高々可算な2ω+12^{\omega+1}と高々可算でない2ω+22^{\omega+2}も同相でない。

命題 5.5により2ω2^{\omega}は[0,1][0,1]の部分集合EEと同相である。[0,1][0,1]はR\mathbb Rの凸部分集合であるから、補題 3.14により[0,1][0,1]の順序位相はR\mathbb Rからの部分空間位相に一致し、§E2.12 系 4.5によりEEが[0,1][0,1]から受ける部分空間位相はR\mathbb Rから受ける部分空間位相に一致する。R\mathbb Rは§E2.13 例 5.2により第二可算であり、その高々可算な開基B\mathcal Bに対して、§E2.13 命題 3.2により{B∩E∣B∈B}\{B\cap E\mid B\in\mathcal B\}はEEの部分空間位相の開基であって、§E1.18 補題 3.5により高々可算である。ゆえにEEは第二可算であり、2ω2^{\omega}も第二可算である。

2ω2^{\omega}は第二可算であるから、§E2.13 命題 5.4により、2ω2^{\omega}において互いに交わらない空でない開集合からなる族は高々可算である。

一方、2ω⋅22^{\omega\cdot2}にはそのような族が非可算個ある。21002^{100}の辞書式順序について最小でも最大でもないttを一つ固定し、t−t^{-}、t+t^{+}をそれぞれ21002^{100}におけるttの直前の元、直後の元とする。s∈2ωs\in2^{\omega}に対して

as=(s;t0−,⋯ ,t99−,1,1,⋯ ),bs=(s;t0+,⋯ ,t99+,0,0,⋯ )a_s=(s;t^{-}_0,\cdots,t^{-}_{99},1,1,\cdots),\qquad b_s=(s;t^{+}_0,\cdots,t^{+}_{99},0,0,\cdots)

とおく。ここで(s;u)(s;u)は、k<ωk<\omegaに対して値sks_k、ω+k\omega+kに対して値uku_kをとる2ω⋅22^{\omega\cdot2}の元を表す。f∈(as,bs)f\in(a_s,b_s)ならば、asa_sとbsb_sのω\omega未満の成分がともにssであることからffのω\omega未満の成分もssであり、ω\omega以上の成分は2ω2^{\omega}の元として(t−,1,1,⋯ )(t^{-},1,1,\cdots)と(t+,0,0,⋯ )(t^{+},0,0,\cdots)の間にある。t−<t<t+t^{-}<t<t^{+}であるから、asa_sと(s;t0,⋯ ,t99,0,0,⋯ )(s;t_0,\cdots,t_{99},0,0,\cdots)が最初に異なる番号はt−t^{-}とttが最初に異なる桁に対応し、そこでの値は0<10<1であり、(s;t0,⋯ ,t99,0,0,⋯ )(s;t_0,\cdots,t_{99},0,0,\cdots)とbsb_sが最初に異なる番号はttとt+t^{+}が最初に異なる桁に対応し、そこでの値は0<10<1であるから、(s;t0,⋯ ,t99,0,0,⋯ )∈(as,bs)(s;t_0,\cdots,t_{99},0,0,\cdots)\in(a_s,b_s)である。ゆえに(as,bs)(a_s,b_s)は空でなく、相異なるs,s′s,s'に対して(as,bs)(a_s,b_s)と(as′,bs′)(a_{s'},b_{s'})は交わらない。2ω2^{\omega}は高々可算でないから、これは非可算個の互いに交わらない空でない開集合の族である。2ω2^{\omega}と2ω⋅22^{\omega\cdot2}が同相であるとすると、同相写像による像は2ω2^{\omega}の互いに交わらない空でない開集合からなる非可算な族となり、2ω2^{\omega}において互いに交わらない空でない開集合からなる族が高々可算であることに反する。ゆえに2ω2^{\omega}と2ω⋅22^{\omega\cdot2}は同相でない。

なお、交わらない空でない開集合の族の濃度が高々可算であるという性質を可算鎖条件(countable chain condition, ccc)という。この性質は集合論と位相空間論の双方に関わり、後の単元で詳しく扱う。

▨

問題 9.4.例 8.5のX∗=R×{−1,0}X^{*}=\mathbb R\times\{-1,0\}とe ⁣:R→X∗e\colon\mathbb R\to X^{*}、e(x)=(x,0)e(x)=(x,0)について、e(R)e(\mathbb R)がX∗X^{*}の閉集合でないことを示せ。

解答.

x∈Rx\in\mathbb Rを一つ固定する。(x,−1)∈X∗∖e(R)(x,-1)\in X^{*}\setminus e(\mathbb R)である。(x,−1)(x,-1)を含むλ(<∗)\lambda(<^{*})の開集合WWをとると、定理 1.2により(x,−1)∈(P,Q)⊆W(x,-1)\in(P,Q)\subseteq Wを満たす基本開集合(P,Q)(P,Q)が存在する。P<∗(x,−1)P<^{*}(x,-1)であるから、P=−∞P=-\inftyであるか、またはP=(p,j)P=(p,j)であってp<xp<xであるかp=xp=xかつj<−1j<-1である。X∗X^{*}の元の第二成分は−1-1または00であるから最後の場合は起こらない。P=−∞P=-\inftyのときはy=x−1y=x-1、P=(p,j)P=(p,j)かつp<xp<xのときはy=(p+x)/2y=(p+x)/2とおくと、いずれの場合もy<xy<xでありP<∗(y,0)P<^{*}(y,0)である。また(y,0)<∗(x,−1)<∗Q(y,0)<^{*}(x,-1)<^{*}Qである。ゆえに(y,0)∈(P,Q)∩e(R)⊆W∩e(R)(y,0)\in(P,Q)\cap e(\mathbb R)\subseteq W\cap e(\mathbb R)であり、WWはe(R)e(\mathbb R)と交わる。

したがってX∗∖e(R)X^{*}\setminus e(\mathbb R)に属する点(x,−1)(x,-1)のどの開近傍もX∗∖e(R)X^{*}\setminus e(\mathbb R)に含まれないから、X∗∖e(R)X^{*}\setminus e(\mathbb R)は開集合ではなく、e(R)e(\mathbb R)はX∗X^{*}の閉集合ではない。▨

問題 9.5.§E2.13 命題 5.3を用いて、ω1+1\omega_1+1が第二可算でないことを定理 4.7の証明とは別の道筋で示せ。また、同じ道筋がω1\omega_1については使えないことを示せ。

解答.

ω1+1\omega_1+1が第二可算であると仮定すると、§E2.13 命題 5.3によりω1+1\omega_1+1は第一可算である。定理 4.6によりω1+1\omega_1+1は第一可算ではないから、ω1+1\omega_1+1は第二可算ではない。この道筋はω1+1\omega_1+1の可算開基をω1\omega_1へ制限する操作も、ω1\omega_1がω1+1\omega_1+1の始切片として凸であることも用いない。

ω1\omega_1については定理 4.6が第一可算性を与える。したがって§E2.13 命題 5.3の対偶の仮定が成り立たず、この命題からω1\omega_1の第二可算性についての情報は得られない。ω1\omega_1が第二可算でないことは、命題 4.3により後続順序数ξ+1\xi+1が孤立点であることから{ξ+1}\{\xi+1\}が任意の開基に属さねばならず、§E1.21 定理 5.1によりω1\omega_1が非可算であることを用いて導く。▨

問題 9.6.命題 1.3の証明を完成させよ。

解答.

y∈Yy\in Yに対してY∖{y}=(−∞,y)∪(y,∞)Y\setminus\{y\}=(-\infty,y)\cup(y,\infty)は開集合であるから、{y}\{y\}は閉集合である。したがって、ffが連続ならばf−1({y})f^{-1}(\{y\})は閉集合である。

逆に、各Fy=f−1({y})F_y=f^{-1}(\{y\})が閉集合であるとする。y∈Yy\in Yをとる。全射性によりf(t)=yf(t)=yを満たすt∈Xt\in Xが存在する。ffが広義単調増加であるとき、単調性から

f−1((−∞,y))=(−∞,t)∖Fy,f−1((y,∞))=(t,∞)∖Fyf^{-1}((-\infty,y))=(-\infty,t)\setminus F_y, \qquad f^{-1}((y,\infty))=(t,\infty)\setminus F_y

である。実際、f(x)<y=f(t)f(x)<y=f(t)ならばx<tx<tであり、x<tx<tかつx∉Fyx\notin F_yならばf(x)≤yf(x)\leq yかつf(x)≠yf(x)\neq yであるからf(x)<yf(x)<yである。上側の半直線についても同じ議論による。ffが広義単調減少であるときは、右辺の二つの半直線が入れ替わる。

右辺はいずれも開集合から閉集合を除いた集合であるから開集合である。定理 1.2によりYYの開集合は基本開集合の和であり、各基本開集合は二つの開半直線の共通部分、一つの開半直線、またはYYである。逆像はこれらの集合演算と交換するから、ffは連続である。▨

参考文献

  1. 松坂和夫『集合・位相入門』新装版, 岩波書店, 2018.
  2. James R. Munkres, Topology, 2nd ed., Prentice Hall, 2000.
  3. Stephen Willard, General Topology, Dover Publications, 2004, originally published 1970.
  4. David J. Lutzer, On generalized ordered spaces, Dissertationes Mathematicae 89 (1971).

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