1 pseudo-ℵ₁-compact 空間
定義 1.1. 位相空間Xの空でない開集合からなる任意の局所有限な族(Uα)α∈Aについて、添字集合Aが高々可算であるとき、Xはpseudo-ℵ₁-compact (pseudo-ℵ₁-compact) であるという。
命題 1.2. 擬コンパクトな T3½ 空間の空でない開集合からなる局所有限な族は有限である。とくに、擬コンパクトな T3½ 空間は pseudo-ℵ₁-compact である。
命題 1.3. 可算鎖条件をもつ位相空間は pseudo-ℵ₁-compact である。
証明.(Uα)α∈AをXの空でない開集合からなる局所有限族とする。空でない開集合Vのうち、V∩Uα=∅となる添字αが有限個であるものを考える。それらからなる互いに交わらない集合族Vを、包含関係について極大にとる。このような極大族は、包含順序に関する鎖の合併も同じ条件を満たすことと§E1.20 定理 2.1 (3)から存在する。可算鎖条件によりVは高々可算である。
⋃VはXで稠密である。実際、その閉包を避ける空でない開集合があれば、局所有限性によってその中に上の条件を満たす空でない開集合をとり、Vに追加することができ、極大性に反する。したがって各UαはあるV∈Vと交わる。各Vと交わるUαの添字は有限個なので、§E1.18 定理 6.3 (2)によりAは高々可算である。▨
補題 1.4. 可分空間は pseudo-ℵ₁-compact である。
補題 1.5.Xを pseudo-ℵ₁-compact な空間、Yを位相空間とし、f:X→Yを像が稠密な連続写像とする。このときYは pseudo-ℵ₁-compact である。
証明.Yの空でない開集合からなる局所有限族(Uα)α∈Aをとる。像の稠密性と§E2.36 命題 3.2 (2)により、(f−1(Uα))α∈AはXの空でない開集合からなる局所有限族である。したがってAは高々可算である。▨
定理 1.6.(Xi)i∈Iを空でない位相空間の族、P=∏iXi、a∈Pとする。aと異なる座標が有限個である点の全体をσ(P,a)とおき、σ(P,a)⊆D⊆Pとする。すべての有限部分積∏i∈FXiが pseudo-ℵ₁-compact ならば、Dは pseudo-ℵ₁-compact である。
証明.Dの空でない開集合からなる非可算な局所有限族が存在すると仮定する。§E1.21 定理 5.1 (7)と§E1.21 命題 2.5 (1)により濃度ℵ1の部分族をとる。§E2.12 定義 4.1、§E2.14 命題 1.3および§E2.13 命題 1.2により、各開集合はBα∩Dの形の空でない開集合を含む。ここで
Bα=i∈Fα⋂πi−1(Vα,i)(α<ω1)であり、Fαは有限集合、Vα,iは空でない開集合である。§E1.23 定理 2.10と§E2.40 定理 1.2により、添字を濃度ℵ1の部分集合Aに制限すると、(Fα)α∈Aは有限集合rを根とする Δ-システムになる。
Pr=∏i∈rXiにおける空でない開集合Cα=∏i∈rVα,iの族は、Prの pseudo-ℵ₁-compact 性によって局所有限ではない。したがって、あるt∈Prの任意の近傍は無限個のCαと交わる。z∣r=t、zi=ai(i∈/r)によってz∈σ(P,a)を定める。
zの任意の基本近傍W=⋂i∈Eπi−1(Wi)をとり、指定座標の有限集合Eにrを加えておく。r上の近傍∏i∈rWiは無限個のCαと交わる。集合Fα∖rは互いに交わらないので、そのうち有限個を除けば(Fα∖r)∩E=∅である。そのようなαについて、r上では∏i∈rWi∩Cαの点、E∖r上ではai、Fα∖r上ではVα,iの点を選び、残りの座標をaiとすれば、W∩Bα∩σ(P,a)の点を得る。ゆえにzの任意の近傍は無限個のBα∩Dと交わる。これは縮小した族の局所有限性に反するので、Dは pseudo-ℵ₁-compact である。▨
系 1.7. 空でない位相空間の直積が pseudo-ℵ₁-compact であることと、すべての有限部分積が pseudo-ℵ₁-compact であることは同値である。
証明. 有限部分積への射影は連続な全射なので、補題 1.5により一方の含意が従う。逆の含意は定理 1.6をD=Pに適用すれば従う。▨
2 Σ-積
定義 2.1.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族、P=∏iXiとし、a∈Pを固定する。aを基点 (base point) とするΣ-積 (Σ-product) を
Σ(P,a)={x∈P:{i∈I:xi=ai} は高々可算}と定める。
補題 2.2.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族、P=∏iXi、a∈Pとする。
- aと異なる座標が有限個である点はすべてΣ(P,a)に属する。
- Σ(P,a)はPで稠密である。
- 高々可算なJ⊆Iについて、PJ=∏i∈JXiへの射影πJ∣Σ(P,a)は全射であり、sJ(t)∣J=t、sJ(t)i=ai(i∈/J)によって定まる連続な切断sJ:PJ→Σ(P,a)をもつ。
3 Corson コンパクト空間と距離化
定義 3.1 (点可算族). 集合Xの部分集合の族(Uα)α∈Aが点可算 (point-countable) であるとは、各x∈Xに対して{α∈A:x∈Uα}が高々可算であることをいう。
命題 3.2.Xを位相空間、κを無限基数とする。次の三条件は同値である。
- κはXの caliber である。
- 空でない開集合の任意の族(Uα)α<κに対して、∣{α<κ:x∈Uα}∣=κとなる点x∈Xが存在する。
- 空でない開集合の族(Uα)α∈Aが、すべてのx∈Xについて∣{α∈A:x∈Uα}∣<κを満たすならば、∣A∣<κである。
証明. 濃度κの部分族の共通点は、その部分族のすべての添字に対応する開集合に属する。逆に、濃度κ個の添字に対応する開集合に属する点をとれば、それらの開集合の共通部分は空でない。したがって(1)⇔(2)が成り立つ。
(2)を仮定し、(3)の族をとる。∣A∣≥κならば、濃度κの部分集合B⊆Aを選ぶことができる。(Uα)α∈Bに(2)を適用すると、少なくともκ個の添字に対応する開集合に属する点が存在し、族の仮定に反する。よって∣A∣<κである。
(3)を仮定し、空でない開集合の族(Uα)α<κをとる。すべての点が属する添字の個数がκ未満ならば、(3)により添字集合の濃度がκ未満となり、矛盾する。したがって(2)が成り立つ。▨
系 3.3. 位相空間Xがℵ1を caliber にもつことと、Xの空でない開集合からなる点可算な族の添字集合が常に高々可算であることは同値である。とくに、点可算な開基をもち、ℵ1を caliber にもつ空間は第二可算である。
証明.§E1.21 定理 5.1 (7)により、濃度がℵ1未満であることと高々可算であることは同値なので、前半は命題 3.2をκ=ℵ1に適用すれば従う。後半では、点可算な開基から空集合を除き、その開基の元自身を添字とする族に前半を適用する。得られる開基は高々可算である。▨
定義 3.4 (Corson コンパクト空間). ある集合Iに対するΣ(RI,0)のコンパクト部分空間と同相な空間を、Corson コンパクト空間 (Corson compact space) という。
定理 3.5.Iを集合、YをΣ(RI,0)の部分空間とし、
J(Y)={i∈I:ある y∈Y に対して yi=0}とおく。次の三条件は同値である。
- Yはℵ1を caliber にもつ。
- J(Y)は高々可算である。
- Yは第二可算である。
これらの条件が成り立つとき、Yは高々可算個の実数直線の直積RJ(Y)の部分空間と同相であり、距離化可能である。
証明.(1)を仮定する。各i∈J(Y)に対して
Ui={y∈Y:yi=0}とおく。射影の連続性によりUiは開集合であり、J(Y)の定義により空でない。各y∈Yが属する添字の集合は{i∈I:yi=0}であり、Σ-積の定義により高々可算である。したがって(Ui)i∈J(Y)は点可算であり、系 3.3によりJ(Y)は高々可算である。
(2)を仮定する。射影を制限した写像p:Y→RJ(Y)は単射である。実際、J(Y)の外の座標ではすべてのy∈Yの成分が0である。p(Y)からYへの逆写像は、J(Y)の外に0を補う写像であり、各成分が射影または定数写像なので§E2.14 定理 1.6により連続である。したがってpは像への同相写像である。
§E2.13 例 5.2によるRの高々可算な開基をBとする。有限個の座標をBの元で制限した柱状集合は、§E2.14 命題 1.3によりRJ(Y)の開基をなす。J(Y)とBは高々可算なので、そのような有限個の指定の全体は§E1.18 定理 6.3 (2)と§E1.18 定理 5.2 (1)により高々可算である。§E2.13 命題 3.2により、この開基をp(Y)に制限すると高々可算な開基を得る。よって(3)が成り立つ。
(3)を仮定すると、§E2.13 定理 6.2によりYは可分である。§E1.23 定理 2.10と§E2.40 命題 2.6 (4)により、Yはℵ1を caliber にもつ。
J(Y)が可算無限ならば、§E2.14 系 3.2によりRJ(Y)は距離化可能である。J(Y)が空でない有限集合ならば、距離d(s,t)=maxi∈J(Y)∣si−ti∣の開球が各成分の同じ半径の開球の直積となるので、この距離は積位相を生成する。J(Y)=∅ならば直積は一点空間であり距離化可能である。いずれの場合も、p(Y)には制限距離を入れることができるので、Yは距離化可能である。▨
系 3.6. Corson コンパクト空間Kについて、次の五条件は同値である。
- Kはℵ1を caliber にもつ。
- Kはℵ1を precaliber にもつ。
- Kは可分である。
- Kは第二可算である。
- Kは距離化可能である。
とくに、ある集合Aに対する2Aからの連続全射が存在する Corson コンパクト空間は距離化可能である。ここで2は二点離散空間である。
例 3.7.Σ(Rω1,0)はRω1の稠密部分空間であり、非可算共終数をもつすべての基数を precaliber にもつ。とくに可算鎖条件をもつ。しかし、Σ(Rω1,0)はℵ1を caliber にもたない。一方、Rω1はℵ1を caliber にもつ。
証明.§E2.13 例 5.2と§E2.13 定理 6.2によりRは可分なので、§E2.40 系 2.14によりRω1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。補題 2.2 (2)による稠密性と§E2.40 命題 2.7により、Σ(Rω1,0)もそれらの基数を precaliber にもつ。とくに§E1.23 定理 2.10と§E2.40 命題 3.2により可算鎖条件をもつ。
一方、Uα={x∈Σ(Rω1,0):xα=0}は空でない開集合であり、A⊆ω1が非可算ならば⋂α∈AUα=∅である。実際、共通点があればその非零座標の集合が非可算となり、Σ-積の定義に反する。したがってΣ(Rω1,0)はℵ1を caliber にもたない。▨
4 Σ-積と連続関数
定理 4.1.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族、P=∏i∈IXi、a∈Pとし、J⊆Iに対してPJ=∏i∈JXiとおく。次の三条件は同値である。
- Pは擬コンパクトである。
- 任意の高々可算なJ⊆Iに対してPJは擬コンパクトである。
- Σ(P,a)は擬コンパクトである。
証明.(1)を仮定する。部分積への射影は連続な全射なので、§E2.36 補題 1.4により(2)が成り立つ。
(2)を仮定し、Σ(P,a)上に非有界な連続関数f:Σ(P,a)→Rがあるとする。各n∈N≥1に対して∣f(x(n))∣>nとなるx(n)∈Σ(P,a)をとり、
J=n∈N≥1⋃{i∈I:xi(n)=ai}とおく。§E1.18 定理 6.3 (2)によりJは高々可算である。補題 2.2 (3)の切断sJ:PJ→Σ(P,a)はsJ(x(n)∣J)=x(n)を満たすので、連続関数f∘sJは非有界である。これはPJの擬コンパクト性に反する。したがってΣ(P,a)上の実数値連続関数はすべて有界であり、(3)が成り立つ。
(3)を仮定すると、補題 2.2 (2)と§E2.36 補題 1.4により(1)が成り立つ。▨
系 4.2.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族、P=∏iXi、a∈Pとする。すべての有限部分積が pseudo-ℵ₁-compact ならば、Σ(P,a)は pseudo-ℵ₁-compact である。
定理 4.3.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族、P=∏iXi、a∈Pとする。すべての有限部分積が pseudo-ℵ₁-compact ならば、任意の連続写像f:Σ(P,a)→Rに対して、高々可算な集合J⊆Iと連続写像g:∏i∈JXi→Rが存在して、f=g∘πJ∣Σ(P,a)となる。
証明.Σ=Σ(P,a)とおく。高々可算なJ⊆Iであって、x∣J=y∣Jならばf(x)=f(y)となるものが存在しないと仮定する。このとき、あるε>0が存在して、任意の高々可算なJに対しx∣J=y∣Jかつ∣f(x)−f(y)∣>εを満たすx,y∈Σが存在する。実際、そうでなければ各n∈N≥1に対して∣f(x)−f(y)∣≤1/nを保証する高々可算なJnがあり、§E1.18 定理 6.3 (2)によって高々可算な⋃nJnがfの値を定める。
J0=∅として、α<ω1に関する再帰でJα,xα,yα,Bα,Cαを選ぶ。高々可算なJαが与えられたら、xα∣Jα=yα∣Jαかつ∣f(xα)−f(yα)∣>εを満たす二点を選び、その基本近傍Bα,Cα⊆Pを
∣f(u)−f(xα)∣<ε/3(u∈Bα∩Σ),∣f(v)−f(yα)∣<ε/3(v∈Cα∩Σ)となるようにとる。両近傍の指定座標集合を同じ有限集合Fαにそろえ、Fα∩Jα上の開集合は共通の座標値を含む交わりに置き換える。Jα+1=Jα∪Fαとし、極限段ではJα=⋃ξ<αJξとする。§E1.21 定理 5.1 (2)と§E1.18 定理 6.3 (2)により各段のJαは高々可算であり、§E1.17 定理 2.1によって再帰を続けることができる。Tα=Fα∖Jαは互いに交わらない。
z∈Σに対し、fの振動がε/6未満である基本近傍W∩Σをとり、Wの指定座標集合をEとする。E∩Tα=∅となるαは有限個しかない。それ以外のαについてu∈W∩Bα∩Σが存在すると、uのTα上の座標だけをyαの座標に置き換えた点vはW∩Cα∩Σに属する。実際、Jα上の制約は両近傍で同じであり、TαはEと交わらず、変更した座標は有限個である。ところが上の評価から∣f(u)−f(v)∣>ε/3となり、W∩Σでの振動の評価に反する。したがって(Bα∩Σ)α<ω1は局所有限である。この非可算族は系 4.2に反する。
ゆえにfの値を定める高々可算なJが存在する。補題 2.2 (3)の切断を用いてg=f∘sJとおけばgは連続であり、sJ(πJ(x))∣J=x∣Jによりf(x)=g(πJ(x))である。▨
系 4.4.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族とし、すべての有限部分積が pseudo-ℵ₁-compact であるとする。このとき、任意の連続写像f:∏iXi→Rに対して、高々可算なJ⊆Iと連続写像g:∏i∈JXi→Rが存在してf=g∘πJとなる。
証明. 基点aをとり、f∣Σ(P,a)に定理 4.3を適用する。得られたg∘πJとfは稠密部分集合Σ(P,a)上で一致するので、§E2.22 補題 2.1によりP上で一致する。▨
系 4.5.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族、P=∏iXi、a∈Pとする。すべての有限部分積が pseudo-ℵ₁-compact ならば、Σ(P,a)はPにC-埋め込みされる。各連続実数値関数の延長は一意であり、延長前後の値域は等しい。
定理 4.6.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族、P=∏iXi、a∈Pとし、すべての有限部分積が pseudo-ℵ₁-compact であるとする。このとき、Σ(P,a)の各点を固定する同相βΣ(P,a)≅βPが存在する。各因子がコンパクト Hausdorff 空間であれば、βΣ(P,a)≅Pである。
証明.Σ(P,a)はPで稠密であり、PはβPで稠密なので、βPはΣ(P,a)のコンパクト化である。系 4.5によりf∈Cb(Σ(P,a),R)はP上の有界連続関数に延長し、§E2.22 系 3.4によりさらにβPへ延長する。したがって、このコンパクト化の延長関数代数はCb(Σ(P,a),R)である。§E2.33 例 4.2と§E2.33 定理 2.2によりβΣ(P,a)≅βPである。
各因子がコンパクト Hausdorff であれば、§E2.19 定理 8.2と§E2.15 定理 2.8 (3)によりPもコンパクト Hausdorff であり、§E2.22 例 7.2 (1)によりβP=Pである。▨
定理 4.7.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族、P=∏iXi、a∈Pとし、{i∈I:∣Xi∣≥2}は非可算であるとする。次の四条件は同値である。
- すべての有限部分積が pseudo-ℵ₁-compact である。
- Pは pseudo-ℵ₁-compact である。
- Σ(P,a)は pseudo-ℵ₁-compact である。
- 任意の連続写像f:Σ(P,a)→Rは、高々可算なJ⊆Iに対する射影πJ∣Σ(P,a)と、連続写像∏i∈JXi→Rとの合成である。
証明.(1)⇔(2)は系 1.7による。(1)⇒(3)は系 4.2による。補題 2.2 (3)と補題 1.5により(3)⇒(1)が成り立つ。(1)⇒(4)は定理 4.3による。
(4)⇒(1)を示す。(4)を仮定し、ある有限部分積PFが pseudo-ℵ₁-compact でないと仮定する。空でない開集合からなる局所有限族(Uα)α<ω1と点tα∈Uαをとる。完全正則性により、uα:PF→[0,1]をuα(tα)=1、uα∣PF∖Uα=0となるようにとる。非自明な因子が非可算個あるので、I∖Fの相異なる添字iαと点bα∈Xiα∖{aiα}をとることができる。再び完全正則性により、hα:Xiα→[0,1]をhα(aiα)=0、hα(bα)=1となるようにとる。
族(πF−1(Uα))は局所有限なので、§E2.36 補題 3.3により
f(x)=α<ω1∑uα(x∣F)hα(xiα)はP上で連続である。任意の高々可算なJ⊆Iに対し、iα∈/Jとなるαを選ぶ。x∣F=tα、xi=ai(i∈/F)とし、yをxの第iα座標だけbαに置き換えた点とする。両点はΣ(P,a)に属し、x∣J=y∣Jであるが、f(x)=0、f(y)=1である。したがってf∣Σ(P,a)はどの高々可算な座標集合も経由せず、(4)に反する。よって(1)が成り立つ。▨
例 4.9. Cantor 立方体2ω1において、S=Σ(2ω1,0)は非コンパクトな真の稠密部分空間であり、Sの各点を固定する同相βS≅2ω1が存在する。
証明. すべての座標が1である点は、非零座標が非可算個あるのでSに属さない。一方、補題 2.2 (2)によりSは2ω1で稠密なので、Sは閉集合でない。2ω1は Hausdorff であるから、§E2.19 命題 6.4によりSはコンパクトでない。各因子2は有限離散空間でありコンパクト Hausdorff なので、定理 4.6によりβS≅2ω1である。▨
5 無限直積のコンパクト化
定理 5.1.Iを空でない集合、(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族とし、各i∈IについてXi⊆Kiをコンパクト化とする。
P=i∈I∏Xi,P−i=j∈I∖{i}∏Xj,K=i∈I∏Ki,Li=Ki×βP−iとおく。Pのコンパクト化Lに連続に延長することができる有界実数値連続関数の代数をA(L)と書く。このとき
A(K)=i∈I⋂A(Li),i∈Iinf[Ki×βP−i]=[i∈I∏Ki]が成り立つ。下限はPのコンパクト化の同相類の順序についてとる。
特に、すべてのi∈IについてKi=βXiとすれば、
i∈Iinf[βXi×βP−i]=[i∈I∏βXi]である。
証明.§E2.14 補題 1.7 (4)、§E2.14 補題 1.12、§E2.19 定理 8.2によりLiとKはPのコンパクト化である。各j=iについて、射影と包含写像の合成P−i→Xj⊆Kjを§E2.22 定理 3.2によりβP−i→Kjへ延長する。これらの延長を並べた連続写像とKiの恒等写像から、Pの各点を固定する連続写像Li→Kを得る。したがってA(K)⊆⋂iA(Li)である。
f∈⋂iA(Li)をとり、各iについてその延長をFi∈C(Li,R)とする。LiはコンパクトなのでFiは有界である。射影Li→Kiはコンパクト空間から Hausdorff 空間への連続写像なので閉写像であり、したがって z-閉である。因子を交換して§E2.36 定理 4.4 (3)を適用すると、切片写像
Φi:Ki⟶C(βP−i,R),Φi(t)(s)=Fi(t,s)は一様距離に関して連続である。像Mi=Φi(Ki)は§E2.19 定理 4.2によりコンパクト距離空間であり、Zi=Φi(Xi)は§E2.12 命題 1.7 (2)によりMiで稠密である。§E2.21 命題 1.2と§E2.21 定理 4.2によりMiは第二可算である。第二可算性をZiに制限して§E2.13 定理 6.2を適用すると、Ziは可分である。Miの一様距離の制限をdi、Φi∣Xiをqiと書く。
x,y∈Pが第i座標だけで異なるならば、s=x∣I∖{i}=y∣I∖{i}として
∣f(x)−f(y)∣=∣Fi(xi,s)−Fi(yi,s)∣≤di(qi(xi),qi(yi))である。有限集合E⊆Iの外でx,yが一致するとき、Eの座標を一つずつ変更して三角不等式を用いると
∣f(x)−f(y)∣≤i∈E∑di(qi(xi),qi(yi))を得る。
q=∏iqi:P→∏iZiとおく。q(x)=q(y)とし、ε>0をとる。yの基本近傍Wを∣f(v)−f(y)∣<ε(v∈W)となるようにとり、その指定座標集合をEとする。xのE上の座標だけをyの座標に替えた点vはWに属し、有限変更の評価によってf(v)=f(x)である。したがって∣f(x)−f(y)∣<εであり、f(x)=f(y)となる。qは全射なので、f=g∘qを満たす写像g:∏iZi→Rがただ一つ定まる。また、z,w∈∏iZiが有限集合Eの外で一致するとき、その外では共通の持ち上げを選ぶことにより
∣g(z)−g(w)∣≤i∈E∑di(zi,wi)を得る。
z=q(x)とε>0をとる。xの基本近傍Wを∣f(v)−f(x)∣<ε/2(v∈W)となるようにとり、その指定座標集合をEとする。w∈∏iZiが∑i∈Edi(wi,zi)<ε/2を満たすとき、q(y)=wとなるyを選び、v∣E=x∣E、v∣I∖E=y∣I∖Eとおく。v∈Wであり、yとvはEの外で一致するので
∣g(w)−g(z)∣≤∣f(y)−f(v)∣+∣f(v)−f(x)∣<εとなる。wへの条件はzの開近傍を定めるから、gは連続である。
Ziは距離空間なので Tychonoff であり、§E2.14 系 5.3と補題 1.4により、すべての有限部分積は pseudo-ℵ₁-compact である。系 4.4により、高々可算なJ⊆Iと連続写像gJ:∏j∈JZj→Rが存在してg=gJ∘πJとなる。∏iZiの基点を固定してJの外の座標を補えば、gJも有限変更について上の和の評価を満たす。
p∈∏j∈JMjとε>0をとる。Jは高々可算であり、各ZjはMjで稠密なので、z∈∏j∈JZjを
j∈J∑dj(pj,zj)<ε/8となるように選ぶことができる。実際、Jを自然数の部分集合で添字づけ、各誤差を総和ε/8未満の正数列で抑えればよい。zの基本近傍W⊆∏JZjを∣gJ(v)−gJ(z)∣<ε/8(v∈W)となるようにとり、その指定座標集合をEとする。
N={y∈∏JMj:∑j∈Edj(yj,pj)<ε/8}はpの開近傍である。y∈N∩∏JZjに対し、v∣E=z∣E、v∣J∖E=y∣J∖Eとおけばv∈Wであり、
∣gJ(y)−gJ(z)∣≤j∈E∑dj(yj,zj)+∣gJ(v)−gJ(z)∣<3ε/8となる。したがってN∩∏JZj上の振動はε未満である。
D=∏JZj、M=∏JMjとおく。§E2.14 補題 1.12によりDはMで稠密である。各p∈Mについて、gJ(Nn∩D)の直径が2−n以下となる開近傍NnをNn+1⊆Nnとなるように選び、zn∈Nn∩Dをとる。m≥nならば∣gJ(zm)−gJ(zn)∣≤2−nなので、§D1.10 定理 1.1により(gJ(zn))はある実数gJ(p)に収束する。別の近傍列と点列を選んでも、対応する二つの近傍の交わりはDと交わるので、振動の評価から極限は等しい。p∈Dでは同じ評価からgJ(p)=gJ(p)である。
p∈Mとε>0に対し、gJ(N∩D)の直径がε/3以下となる開近傍Nをとる。任意のy∈Nでは、上の近傍列をNの中で選ぶことにより、gJ(y)∈clR(gJ(N∩D))となる。この閉包の直径もε/3以下なので、∣gJ(y)−gJ(p)∣<εである。したがってgJはM上の連続関数であり、
K∏iΦii∏MiπJJ∏MjgJRはfの連続な延長であり、⋂iA(Li)⊆A(K)である。
以上から⋂iA(Li)=A(K)を得る。§E2.33 命題 1.2によりA(K)はPの点と閉集合を分離するので、§E2.33 系 3.2 (2)により主張の下限公式が成り立つ。▨
系 5.2.Iを空でない集合、(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族とし、各i∈IについてXi⊆Kiをコンパクト化とする。Yを Hausdorff 空間、P=∏i∈IXi、P−i=∏j∈I∖{i}Xjとする。Hom(Z,Y)をZからYへの連続写像全体とし、各コンパクト化からの写像をPへの制限によってHom(P,Y)の部分集合と同一視する。このとき
Hom(i∈I∏Ki,Y)=i∈I⋂Hom(Ki×βP−i,Y)が成り立つ。
証明.K=∏iKi、Li=Ki×βP−iとおく。PはKと各Liで稠密であり、Yは Hausdorff なので、§E2.22 補題 2.1により制限写像は単射である。定理 5.1の下限公式により[K]≤[Li]であるから、Pの点を固定する連続写像Li→Kが存在する。この写像との合成により、左辺は右辺に含まれる。
f∈⋂iHom(Li,Y)をとり、その各Liへの延長をFi:Li→Yとする。§E2.19 定理 4.2と§E2.19 命題 6.4により、Fi(Li)はYのコンパクトな閉部分集合である。Pの稠密性と§E2.12 命題 1.7 (2)により
Fi(Li)=clY(f(P))=:Hであり、Hはコンパクト Hausdorff 空間である。§E2.19 系 6.12と§E2.15 定理 4.3 (3)により、ある集合Tと位相的埋め込みe:H→[0,1]Tが存在する。
各t∈Tについて、prt∘e∘fはprt∘e∘FiによりすべてのLiへ延長する。定理 5.1の代数の等式により、prt∘e∘fはK上の連続関数htへ延長する。htは稠密なP上で[0,1]に値をもつので、K上でも[0,1]に値をもつ。§E2.14 定理 1.6により、h=(ht)t∈T:K→[0,1]Tは連続であり、h∣P=e∘fである。e(H)はコンパクトなので立方体の閉集合であり、Pの稠密性からh(K)⊆e(H)となる。したがってe−1∘h:K→H⊆Yはfの連続な延長であり、右辺は左辺に含まれる。▨
系 5.3.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族とする。P=∏iXiが擬コンパクトであれば、包含写像が引き起こす自然な連続写像βP→∏iβXiは同相写像である。
証明.I=∅では両辺が一点空間である。I=∅とすると、射影の全射性と§E2.36 補題 1.4により、各XiとP−iは擬コンパクトである。§E2.14 補題 1.7 (4)によってPとXi×P−iを同一視し、二因子の Glicksberg の定理§E2.36 定理 5.1 (2)を適用すれば[βXi×βP−i]=[βP]である。定理 5.1により[∏iβXi]=[βP]となる。Pを固定する同相は、稠密集合上での一致§E2.22 補題 2.1によって自然な写像に等しい。▨
系 5.4.(Xi)i∈Iを空でない T3½ 空間の族、P=∏iXi、a∈Pとする。すべての高々可算な部分積が擬コンパクトならば、
βΣ(P,a)≅βP≅i∈I∏βXiである。
6 例
補題 6.1.S,Tを可算無限離散空間とし、σ:S→Tを全単射とする。このときβσ:βS→βTは同相写像であり、βσ(βS∖S)=βT∖Tである。任意のA⊆Sについてβσ(clβS(A))=clβT(σ(A))が成り立つ。
定義 6.2.ω∗=βω∖ωとする。p∈ω∗に対して、pの型 (type (orbit under permutations)) を
T(p)={βσ(p):σ:ω→ω は全単射}と定める。
補題 6.3. 型の全体はω∗の分割をなし、各型の濃度はc以下である。
証明. 恒等置換と置換の合成・逆を延長することにより、p∈T(p)であり、q∈T(p)ならばT(q)=T(p)である。ゆえに型は剰余を分割する。置換はグラフによってω×ωの部分集合とみなすことができるので、§E1.22 命題 1.5と§E1.22 定理 3.2により、置換全体の濃度は2ℵ0=c以下である。その像である各型も同じ評価を満たす。▨
補題 6.4.∣ω∗∣≥2c>cである。とくに、相異なる型の代表を可算無限個とることができる。
証明.§E2.22 定理 4.2を離散空間ωに適用すると、∣ω∗∣=22ℵ0=2cである。§E1.22 系 4.1により2c>cである。
型が高々可算個しかなければ、補題 6.3と§E1.22 系 3.3により剰余全体の濃度はℵ0c=c以下となる。これは上の評価に反するので、相異なる型の代表を可算無限個選ぶことができる。▨
補題 6.5. 任意のp∈ω∗についてT(p)はω∗で稠密である。
証明.Oをω∗の空でない開集合とする。§E2.22 命題 4.4 (2)により、ある無限集合M0⊆ωについて∅=clβω(M0)∩ω∗⊆Oとなる。M0の無限部分集合Mを、ω∖Mも無限となるように選ぶ。§E2.22 命題 4.4 (3)によりclβω(M)∩ω∗は空でない。
偶数全体と奇数全体の閉包は補い合うので、pはその一方Eの閉包に属する。EとM、それぞれの補集合がいずれも可算無限なので、σ(E)=Mを満たす置換σが存在する。補題 6.1によりβσ(p)∈clβω(M)∩ω∗⊆Oである。したがってO∩T(p)=∅である。▨
定理 6.6.p∈ω∗とし、Yp=ω∪T(p)とおく。このとき、任意の有限集合FについてYpFは擬コンパクトである。
証明. 擬コンパクトでない有限冪があると仮定し、その指数の最小値をr≥1とする。Ypr上の非有界な連続関数の絶対値をfとする。ωrはYprで稠密なので、各m∈N≥0に対してxm∈ωrをf(xm)>mとなるように選ぶことができる。
各座標列では、どの値も有限回しか現れない。実際、ある座標が一定となる無限部分列があれば、r>1ではYpr−1と同相な切片上でfが非有界となり、rの最小性に反する。r=1では一点でf(xm)>mが無限個のmについて成り立つことになり、やはり不可能である。したがって、有限個の既出の座標値を避けながら項を選べば、すべての座標列が単射である部分列を得る。さらに一つおきの項を残せば、どの座標列の値域も補集合が無限である。得られた列を再び(xm)と書くと、f(xm)>mは保たれる。
B={xm(1):m∈N≥0}とおく。各1≤k≤rについてσk(xm(1))=xm(k)を満たす置換σkをとり、σ1は恒等写像とする。各座標列は単射であり、その値域と補集合が可算無限なので、そのような置換が存在する。§E2.22 命題 4.4 (3)と補題 6.5により、空でない開集合clβω(B)∩ω∗の中にq1∈T(p)をとることができる。qk=βσk(q1)とおくと、すべてのqkがT(p)に属する。
q=(q1,…,qr)∈Yprの基本近傍を∏k=1r(Wk∩Yp)と書く。ただし各Wkはqkのβωにおける開近傍である。⋂k=1r(βσk)−1(Wk)はq1の近傍なので、§E2.22 命題 4.4 (3)によりBと無限個の点で交わる。したがってこの基本近傍は無限個のxmを含む。f(xm)>mであるから、fはqのどの近傍でも非有界となる。一方、連続性により∣f−f(q)∣<1となるqの近傍があり、矛盾する。よってすべての有限冪は擬コンパクトである。▨
命題 6.7. 相異なる型の代表(pn)n∈ωをとり、
Xn=ω∪k=n⋃T(pk),P=n∈ω∏Xnとおく。次が成り立つ。
- 各XnとPは空でない T3½ 空間であり、⋂n∈ωXn=ωである。
- 各XnとPは可分であり、pseudo-ℵ₁-compact である。
- Pのすべての有限部分積は擬コンパクトである。
- Pは擬コンパクトでない。
- 包含写像が引き起こす同相によってβXn≅βωであるが、自然な連続写像βP→∏nβXnは同相写像でない。
証明.(1)を示す。各Xnはコンパクト Hausdorff 空間βωの部分空間なので、§E2.19 系 6.12と§E2.15 系 2.2により Tychonoff である。その直積も§E2.15 系 2.9により Tychonoff である。各Xnはωを含むので空でない。型は互いに交わらず、T(pk)の点はXkに属さないので、⋂nXnはωに等しい。
(2)を示す。各Xnは可算集合ωを稠密部分集合にもつので可分である。§E2.14 系 5.3により、可算個の可分空間の直積Pも可分である。したがって補題 1.4により、各XnとPは pseudo-ℵ₁-compact である。
(3)を示す。有限集合F⊆ωに対しk∈/Fをとる。Ypk=ω∪T(pk)は各Xn(n∈F)に含まれ、ωを含むので稠密である。§E2.14 補題 1.12によりYpkFは∏n∈FXnで稠密である。定理 6.6と§E2.36 補題 1.4により∏n∈FXnは擬コンパクトである。
(4)を示す。m∈ωに対して
Um={x∈P:x0=x1=⋯=xm=m}とおく。各Umは自然数mの対角点を含み、§E2.22 命題 4.4 (1)と射影の連続性により開かつ閉である。相異なるm,lについて第0座標の指定が異なるのでUm∩Ul=∅である。
x∈Pのある座標xjが自然数bであれば、近傍{y:yj=b}はm≥jかつm=bとなるUmと交わらない。すべての座標がω∗に属する場合、(1)の⋂nXn=ωにより全座標が一致することはない。xj=xkとなる二座標をとり、βωにおける互いに交わらない開近傍Wj,Wkを選ぶ。{y:yj∈Wj, yk∈Wk}はm≥max{j,k}となるUmと交わらない。したがって族は局所有限である。
§E2.36 補題 3.3によりf=∑m∈ω(m+1)1Umは連続である。各Umは空でなく互いに交わらないので、fはm+1を値にとる。ゆえにfは非有界であり、Pは擬コンパクトでない。
(5)を示す。ω⊆Xn⊆βωなので、§E2.22 系 3.6によりβXn≅βωである。K=(βω)ωとし、上で定めたUmを用いてV=⋃mUmとおく。局所有限性と§E2.36 補題 3.3により、h=1V=∑m1UmはP上の有界連続関数である。
hがK上の連続関数hに延長すると仮定する。対角写像Δ:βω→Kは連続であり、Δ(m)∈Umなので、h∘Δはω上で1に等しい。稠密性と§E2.22 補題 2.1により、任意のp∈ω∗でh(Δ(p))=1である。
一方、Δ(p)の任意の基本近傍Wをとり、その指定座標集合を有限集合F⊆ωとする。各指定座標の近傍の共通部分をOとすれば、Oはpの近傍であり、§E2.22 命題 4.4 (3)によりO∩ωは無限である。m∈O∩ωをm>∣F∣+1となるように選び、1≤j≤m、j∈/Fを満たすjをとる。点x∈ωω⊆Pをxj=m+1、xi=m(i=j)と定めるとx∈Wである。x0=mなのでxが属する可能性のあるUlはUmだけだが、xj=mかつj≤mによりx∈/Umである。ゆえにW∩(P∖V)=∅であり、Δ(p)∈clK(P∖V)となる。連続性によりh(Δ(p))=0となり、値1と矛盾する。したがってhはKへ連続延長しない。
自然な写像βP→Kが同相であれば、§E2.22 系 3.4によるhのβPへの延長をその逆写像と合成してKへ延長することができる。これは上の非延長性に反するので、自然な写像は同相でない。▨
系 6.8.命題 6.7の直積Pでは、任意の基点a∈Pに対してΣ(P,a)=Pであり、βΣ(P,a)=βPであるが、自然な写像βP→∏nβXnは同相でない。
証明. 添字集合ωは可算なので、任意のx∈Pに対して{n∈ω:xn=an}は高々可算である。したがってΣ(P,a)=Pである。比較写像が同相でないことは命題 6.7 (5)による。▨
7 演習
解答.
補題 2.2 (1)は有限集合が高々可算であることから従う。Pの空でない基本開集合に対して、指定された有限個の座標では各指定開集合の点を選び、残りの座標ではaiを用いる。この点は基本開集合とΣ(P,a)に属するので、補題 2.2 (2)が成り立つ。
高々可算なJ⊆Iとt∈PJに対して、sJ(t)がaと異なる座標はJに含まれるのでsJ(t)∈Σ(P,a)である。各座標との合成は射影または定値写像なので、§E2.14 定理 1.6によりsJはPへの写像として連続であり、§E2.12 定理 4.4 (3)によりΣ(P,a)への写像としても連続である。πJ∘sJ=idPJなので、制限射影は全射であり、sJはその切断である。これで補題 2.2 (3)は示された。▨