§E2.14直積集合上の位相

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Euclid 平面の開集合は、二つの開区間の直積である開矩形を用いて記述することができる。しかし、無限個の実数直線の直積では、すべての座標を同時に制限するか、有限個の座標だけを制限するかによって異なる位相が生じる。すべての射影を連続にする最も粗い位相として積位相を選ぶと、直積へ向かう写像の連続性は各座標への写像の連続性と同値になる。積位相は、有限次元の空間で用いてきた座標ごとの連続性の判定を、任意個の位相空間の直積へ広げる基本的な構造である。本記事では、直積集合上の積位相と、その基本的な性質を解説する。

1 積位相

定義 1.1 (積位相、積空間).{(Xλ,Oλ)}λ∈Λ\{(X_\lambda,\mathcal O_\lambda)\}_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族とし、直積

X=∏λ∈ΛXλX=\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda

と射影πμ ⁣:X→Xμ\pi_\mu\colon X\to X_\mu(§E1.2 定義 5.1)を考える。射影の族(πμ)μ∈Λ(\pi_\mu)_{\mu\in\Lambda}による始位相をXXの 積位相 (product topology) といい、XXに積位相を入れた位相空間を 積空間 (product space) という。すなわち積位相は、集合族

S={πμ−1(U)∣μ∈Λ, U∈Oμ}\mathcal S=\{\pi_\mu^{-1}(U)\mid \mu\in\Lambda,\ U\in\mathcal O_\mu\}

が生成する位相である。

命題 1.2.定義 1.1の記号のもとで、次が成り立つ。

  1. 積位相に関して、すべての射影πμ\pi_\muは連続である。
  2. O′\mathcal O'をXXの位相とする。すべてのπμ ⁣:(X,O′)→(Xμ,Oμ)\pi_\mu\colon(X,\mathcal O')\to(X_\mu,\mathcal O_\mu)が連続ならば、積位相はO′\mathcal O'に含まれる。

証明. 積位相は射影の族による始位相であるから、§E2.12 命題 3.3をこの始位相へ適用すればよい。▨

命題 1.3.(Xλ)λ∈Λ(X_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族とする。各λ∈Λ\lambda\in\Lambdaに対し、位相空間XλX_\lambdaの開基Bλ\mathcal{B}_\lambdaが与えられているとする。

B={⋂λ∈Fπλ−1(Uλ) ∣ F⊆Λ は有限, Uλ∈Bλ (λ∈F)}\mathcal B=\bigl\{\bigcap_{\lambda\in F}\pi_\lambda^{-1}(U_\lambda)\ \big|\ F\subseteq\Lambda\text{ は有限},\ U_\lambda\in\mathcal B_\lambda\ (\lambda\in F)\bigr\}

と置く。このとき、B\mathcal Bは積位相の開基である。

証明.定義 1.1とBλ\mathcal{B}_\lambdaがXλX_\lambdaの開基であることから{πλ−1(Uλ) ∣ Uλ∈Bλ}\bigl\{\pi_\lambda^{-1}(U_\lambda)\,\mid\,U_\lambda\in\mathcal{B}_\lambda\bigr\}は∏λXλ\prod_\lambda X_\lambdaの準開基であるから、主張は明らかである。▨

補題 1.4.(Xi)i∈I(X_i)_{i\in I}を空でない位相空間の族とし、P=∏i∈IXiP=\prod_{i\in I}X_iとおく。AAを集合とし、各α∈A\alpha\in Aに対して有限集合sα⊆Is_\alpha\subseteq Iと、各i∈sαi\in s_\alphaに対するXiX_iの空でない開集合Vα,iV_{\alpha,i}が与えられているとする。B⊆IB\subseteq Iは、集合族(sα∖B)α∈A(s_\alpha\setminus B)_{\alpha\in A}が互いに交わらないような任意の集合とし、PB=∏i∈BXiP_B=\prod_{i\in B}X_iとおく。PPとPBP_Bの射影をそれぞれpr⁡i\pr_iとpr⁡iB\pr_i^Bと書き、

Uα=⋂i∈sαpr⁡i−1(Vα,i),UαB=⋂i∈sα∩B(pr⁡iB)−1(Vα,i)U_\alpha=\bigcap_{i\in s_\alpha}\pr_i^{-1}(V_{\alpha,i}), \qquad U_\alpha^B=\bigcap_{i\in s_\alpha\cap B}(\pr_i^B)^{-1}(V_{\alpha,i})

とおく。このとき各UαBU_\alpha^Bは、有限集合sα∩Bs_\alpha\cap Bの座標だけで定まるPBP_Bの空でない基本開集合である。また、任意の部分集合A′⊆AA'\subseteq Aについて、次の二条件は同値である。

  1. ⋂α∈A′Uα≠∅\bigcap_{\alpha\in A'}U_\alpha\ne\emptysetである。
  2. ⋂α∈A′UαB≠∅\bigcap_{\alpha\in A'}U_\alpha^B\ne\emptysetである。

証明.sα∩Bs_\alpha\cap Bは有限集合であるから、UαBU_\alpha^BはPBP_Bの基本開集合である。各Vα,iV_{\alpha,i}と各因子XiX_iは空でないので、§E1.20 系 2.4 (1)によりUαBU_\alpha^Bも空でない。

(1)⇒\Rightarrow(2)を示す。x∈⋂α∈A′Uαx\in\bigcap_{\alpha\in A'}U_\alphaとし、y=x∣B∈PBy=x|_B\in P_Bとおく。α∈A′\alpha\in A'とi∈sα∩Bi\in s_\alpha\cap Bに対してyi=xi∈Vα,iy_i=x_i\in V_{\alpha,i}であるから、y∈⋂α∈A′UαBy\in\bigcap_{\alpha\in A'}U_\alpha^Bである。

(2)⇒\Rightarrow(1)を示す。y∈⋂α∈A′UαBy\in\bigcap_{\alpha\in A'}U_\alpha^Bとし、T=⋃α∈A′(sα∖B)T=\bigcup_{\alpha\in A'}(s_\alpha\setminus B)とおく。i∈Ti\in Tに対して、i∈sα∖Bi\in s_\alpha\setminus Bを満たすα∈A′\alpha\in A'はただ一つである。その添字をα(i)\alpha(i)と書き、各i∈Ii\in Iに対して

Yi={{yi}(i∈B),Vα(i),i(i∈T),Xi(i∈I∖(B∪T))Y_i=\begin{cases} \{y_i\}&(i\in B),\\ V_{\alpha(i),i}&(i\in T),\\ X_i&(i\in I\setminus(B\cup T)) \end{cases}

と定める。各YiY_iは空でないので、§E1.20 系 2.4 (1)によりx∈∏i∈IYix\in\prod_{i\in I}Y_iをとることができる。α∈A′\alpha\in A'とi∈sαi\in s_\alphaに対して、i∈Bi\in Bならばxi=yi∈Vα,ix_i=y_i\in V_{\alpha,i}であり、i∉Bi\notin Bならばi∈Ti\in Tかつα(i)=α\alpha(i)=\alphaであるからxi∈Vα,ix_i\in V_{\alpha,i}である。よってx∈⋂α∈A′Uαx\in\bigcap_{\alpha\in A'}U_\alphaである。▨

系 1.5.κ\kappaを無限基数とし、(Xλ)λ∈Λ(X_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族とする。∣Λ∣≤κ\lvert\Lambda\rvert\leq\kappaであり、すべてのλ∈Λ\lambda\in\Lambdaに対してw(Xλ)≤κw(X_\lambda)\leq\kappaが成り立つならば、w(∏λ∈ΛXλ)≤κw(\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda)\leq\kappaである。

証明.X=∏λ∈ΛXλX=\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambdaとおく。§E2.13 定義 5.7により、各λ∈Λ\lambda\in\Lambdaに対して∣Bλ∣=w(Xλ)\lvert\mathcal B_\lambda\rvert=w(X_\lambda)を満たすXλX_\lambdaの開基の全体は空でなく、w(Xλ)≤κw(X_\lambda)\leq\kappaであるからBλ\mathcal B_\lambdaからκ\kappaへの単射の全体も空でない。§E1.20 系 2.4 (1)により、各λ∈Λ\lambda\in\Lambdaに対してそのような開基Bλ\mathcal B_\lambdaと単射ιλ ⁣:Bλ→κ\iota_\lambda\colon\mathcal B_\lambda\to\kappaを同時に選ぶ。また単射j ⁣:Λ→κj\colon\Lambda\to\kappaをとる。

どの座標の開集合であるかを保つために、座標を添えた集合

D={(λ,U)∣λ∈Λ, U∈Bλ}D=\{(\lambda,U)\mid\lambda\in\Lambda,\ U\in\mathcal B_\lambda\}

を考える。(λ,U)↦(j(λ),ιλ(U))(\lambda,U)\mapsto(j(\lambda),\iota_\lambda(U))はDDからκ×κ\kappa\times\kappaへの単射であり、§E1.22 系 3.3によりκ×κ\kappa\times\kappaの濃度はκ\kappaであるから、DDからκ\kappaへの単射が存在する。この単射は有限部分集合をその像へ送ることによりDDの有限部分集合の全体[D]<ω[D]^{<\omega}から[κ]<ω[\kappa]^{<\omega}への単射を与えるので、§E1.22 補題 6.3により∣[D]<ω∣≤κ\lvert[D]^{<\omega}\rvert\leq\kappaである。

S∈[D]<ωS\in[D]^{<\omega}に対して

VS=⋂(λ,U)∈Sπλ−1(U)V_S=\bigcap_{(\lambda,U)\in S}\pi_\lambda^{-1}(U)

とおく。ただしV∅=XV_\emptyset=Xとする。VSV_Sは開集合の有限個の共通部分であるからXXの開集合である。V={VS∣S∈[D]<ω}\mathcal V=\{V_S\mid S\in[D]^{<\omega}\}とおく。命題 1.3の開基B\mathcal Bの元は、有限集合F⊆ΛF\subseteq\LambdaとUλ∈BλU_\lambda\in\mathcal B_\lambda(λ∈F)(\lambda\in F)によって⋂λ∈Fπλ−1(Uλ)\bigcap_{\lambda\in F}\pi_\lambda^{-1}(U_\lambda)と表されるので、S={(λ,Uλ)∣λ∈F}S=\{(\lambda,U_\lambda)\mid\lambda\in F\}に対するVSV_Sに等しい。よってB⊆V\mathcal B\subseteq\mathcal Vである。XXの各開集合はB\mathcal Bの元の和集合であり、V\mathcal Vは開集合からなるので、V\mathcal VもXXの開基である。S↦VSS\mapsto V_Sは[D]<ω[D]^{<\omega}からV\mathcal Vへの全射であり、§E1.20 系 2.4 (2)が与える切断は単射であるから、∣V∣≤∣[D]<ω∣≤κ\lvert\mathcal V\rvert\leq\lvert[D]^{<\omega}\rvert\leq\kappaである。§E2.13 定義 5.7によりw(X)≤∣V∣≤κw(X)\leq\lvert\mathcal V\rvert\leq\kappaである。

Λ=∅\Lambda=\emptysetの場合も以上の議論に含まれる。このとき[D]<ω={∅}[D]^{<\omega}=\{\emptyset\}、V={X}\mathcal V=\{X\}であり、一点空間XXの重みは11であってκ\kappa以下である。▨

定理 1.6.定義 1.1の記号のもとでXXに積位相を入れる。位相空間ZZと写像g ⁣:Z→Xg\colon Z\to Xに対して、次の二条件は同値である。

  1. ggは連続である。
  2. すべてのμ∈Λ\mu\in\Lambdaに対してπμ∘g ⁣:Z→Xμ\pi_\mu\circ g\colon Z\to X_\muは連続である。

証明. 積位相は射影の族による始位相であるから、§E2.12 定理 3.4をこの始位相へ適用すればよい。▨

補題 1.7. 次が成り立つ。直積にはいずれも積位相を入れる。

  1. (Yλ)λ∈Λ(Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}と(Zλ)λ∈Λ(Z_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、fλ ⁣:Yλ→Zλf_\lambda\colon Y_\lambda\to Z_\lambda(λ∈Λ)(\lambda\in\Lambda)を連続写像の族とし、f ⁣:∏λ∈ΛYλ→∏λ∈ΛZλf\colon\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambda\to\prod_{\lambda\in\Lambda}Z_\lambdaをf(x)=(fλ(xλ))λ∈Λf(x)=(f_\lambda(x_\lambda))_{\lambda\in\Lambda}で定める。このときffは連続である。さらに、すべてのfλf_\lambdaが全射ならばffは全射であり、すべてのfλf_\lambdaが同相写像ならばffは同相写像である。
  2. (Yλ)λ∈Λ(Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、θ ⁣:M→Λ\theta\colon M\to\Lambdaを全単射とし、Θ ⁣:∏λ∈ΛYλ→∏μ∈MYθ(μ)\Theta\colon\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambda\to\prod_{\mu\in M}Y_{\theta(\mu)}をΘ(x)=(xθ(μ))μ∈M\Theta(x)=(x_{\theta(\mu)})_{\mu\in M}で定める。このときΘ\Thetaは同相写像である。
  3. SS、TTを集合、YYを位相空間とし、Ξ ⁣:YS×T→(YS)T\Xi\colon Y^{S\times T}\to(Y^{S})^{T}をΞ(x)=((x(s,t))s∈S)t∈T\Xi(x)=\bigl((x_{(s,t)})_{s\in S}\bigr)_{t\in T}で定める。このときΞ\Xiは同相写像である。
  4. (Xi)i∈I(X_i)_{i\in I}を位相空間の族とし、I=J⊔LI=J\sqcup Lとする。このときΦ ⁣:∏i∈IXi→(∏i∈JXi)×(∏i∈LXi)\Phi\colon\prod_{i\in I}X_i\to\left(\prod_{i\in J}X_i\right)\times\left(\prod_{i\in L}X_i\right)をΦ(x)=(x∣J,x∣L)\Phi(x)=(x|_J,x|_L)で定めると、Φ\Phiは同相写像である。
  5. (Xi)i∈I(X_i)_{i\in I}を位相空間の族とし、J⊆IJ\subseteq Iとする。制限射影πJ ⁣:∏i∈IXi→∏j∈JXj\pi_J\colon\prod_{i\in I}X_i\to\prod_{j\in J}X_jは連続である。さらにa∈∏i∈IXia\in\prod_{i\in I}X_iが与えられたとき、sJ ⁣:∏j∈JXj→∏i∈IXis_J\colon\prod_{j\in J}X_j\to\prod_{i\in I}X_iを、j∈Jj\in JではsJ(t)j=tjs_J(t)_j=t_j、i∈I∖Ji\in I\setminus JではsJ(t)i=ais_J(t)_i=a_iと定めると、sJs_Jは連続であり、πJ∘sJ=id⁡\pi_J\circ s_J=\idである。したがってπJ\pi_Jは全射であり、sJs_Jはその切断である。

証明.(1)を示す。各λ∈Λ\lambda\in\Lambdaについてπλ∘f=fλ∘πλ\pi_\lambda\circ f=f_\lambda\circ\pi_\lambdaであり、これは定義 1.1によるπλ\pi_\lambdaの連続性と§E2.12 命題 1.10により連続である。ゆえに定理 1.6によりffは連続である。

すべてのfλf_\lambdaが全射であるとし、z∈∏λ∈ΛZλz\in\prod_{\lambda\in\Lambda}Z_\lambdaとする。各λ\lambdaについてfλ−1({zλ})f_\lambda^{-1}(\{z_\lambda\})は空でないから、yλ∈fλ−1({zλ})y_\lambda\in f_\lambda^{-1}(\{z_\lambda\})を各λ∈Λ\lambda\in\Lambdaについて一つとると、y=(yλ)λ∈Λy=(y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}はf(y)=zf(y)=zを満たす。ゆえにffは全射である。

すべてのfλf_\lambdaが同相写像であるとする。族(fλ−1)λ∈Λ(f_\lambda^{-1})_{\lambda\in\Lambda}から同じ形で定まる写像∏λ∈ΛZλ→∏λ∈ΛYλ\prod_{\lambda\in\Lambda}Z_\lambda\to\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaは、前段落までの議論により連続であり、座標ごとの計算によりffの逆写像である。ゆえに§E2.12 定義 6.1によりffは同相写像である。

(2)を示す。各μ∈M\mu\in Mについてπμ∘Θ=πθ(μ)\pi_\mu\circ\Theta=\pi_{\theta(\mu)}は連続であるから、定理 1.6によりΘ\Thetaは連続である。Θ′ ⁣:∏μ∈MYθ(μ)→∏λ∈ΛYλ\Theta'\colon\prod_{\mu\in M}Y_{\theta(\mu)}\to\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaをΘ′(w)=(wθ−1(λ))λ∈Λ\Theta'(w)=(w_{\theta^{-1}(\lambda)})_{\lambda\in\Lambda}で定めると、同じ理由でΘ′\Theta'は連続である。θ\thetaが全単射であることからΘ′∘Θ\Theta'\circ\ThetaとΘ∘Θ′\Theta\circ\Theta'はいずれも恒等写像であるから、Θ\Thetaは同相写像である。

(3)を示す。t∈Tt\in Tとs∈Ss\in Sについてπs∘πt∘Ξ=π(s,t)\pi_s\circ\pi_t\circ\Xi=\pi_{(s,t)}は連続であるから、定理 1.6により各πt∘Ξ\pi_t\circ\Xiは連続であり、ふたたび同じ定理によりΞ\Xiは連続である。Ξ′ ⁣:(YS)T→YS×T\Xi'\colon(Y^{S})^{T}\to Y^{S\times T}をΞ′(u)=((ut)s)(s,t)∈S×T\Xi'(u)=\bigl((u_t)_s\bigr)_{(s,t)\in S\times T}で定めると、各(s,t)(s,t)についてπ(s,t)∘Ξ′=πs∘πt\pi_{(s,t)}\circ\Xi'=\pi_s\circ\pi_tは連続であるから、同じ定理によりΞ′\Xi'は連続である。Ξ′\Xi'はΞ\Xiの逆写像であるから、Ξ\Xiは同相写像である。

(4)を示す。逆写像Ψ\PsiはJJ上の族とLL上の族を合わせてII上の族にする写像である。Φ\Phiの各成分は制限写像であり、それぞれをさらに各座標への射影と合成すると∏i∈IXi\prod_{i\in I}X_iの座標射影になる。定理 1.6により二つの制限写像は連続であり、二項直積の始位相の普遍性(§E2.12 定理 3.4)によりΦ\Phiは連続である。Ψ\Psiと第ii座標への射影との合成は、i∈Ji\in Jのとき第一成分の第ii座標への射影、i∈Li\in Lのとき第二成分の第ii座標への射影である。これらはいずれも連続なので、同じ普遍性によりΨ\Psiは連続である。ゆえにΦ\Phiは同相写像である。

(5)を示す。j∈Jj\in Jについてπj∘πJ=πj\pi_j\circ\pi_J=\pi_jなので、定理 1.6によりπJ\pi_Jは連続である。基点aaが与えられたとき、sJs_Jと各座標射影との合成は射影または定値写像であり、定値写像は§E2.12 例 1.12により連続であるから、同じ定理によりsJs_Jは連続である。t∈∏j∈JXjt\in\prod_{j\in J}X_jの各座標についてπJ(sJ(t))j=tj\pi_J(s_J(t))_j=t_jであるから、πJ∘sJ=id⁡\pi_J\circ s_J=\idであり、πJ\pi_Jは全射である。▨

補題 1.8.(Yλ)λ∈Λ(Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、Aλ⊆YλA_\lambda\subseteq Y_\lambda(λ∈Λ)(\lambda\in\Lambda)とし、各AλA_\lambdaには部分空間位相を入れる。∏λ∈ΛAλ\prod_{\lambda\in\Lambda}A_\lambdaは∏λ∈ΛYλ\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaの部分集合である。次が成り立つ。

  1. ∏λ∈ΛAλ\prod_{\lambda\in\Lambda}A_\lambdaが∏λ∈ΛYλ\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaから受ける部分空間位相は、族(Aλ)λ∈Λ(A_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}の積位相に一致する。
  2. すべてのAλA_\lambdaがYλY_\lambdaの閉集合ならば、∏λ∈ΛAλ\prod_{\lambda\in\Lambda}A_\lambdaは∏λ∈ΛYλ\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaの閉集合である。

証明.P=∏λ∈ΛYλP=\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambda、A=∏λ∈ΛAλA=\prod_{\lambda\in\Lambda}A_\lambdaとおき、πλ ⁣:P→Yλ\pi_\lambda\colon P\to Y_\lambdaとρλ ⁣:A→Aλ\rho_\lambda\colon A\to A_\lambdaを射影とする。§E1.2 命題 5.2 (2)によりA⊆PA\subseteq Pである。また、x∈Ax\in Aとλ∈Λ\lambda\in\Lambdaに対して、ρλ(x)\rho_\lambda(x)とπλ(x)\pi_\lambda(x)はいずれも族xxの第λ\lambda成分xλx_\lambdaに等しいので、ρλ(x)=πλ(x)\rho_\lambda(x)=\pi_\lambda(x)である。

(1)を示す。定義 1.1により、PPの積位相は

S={πλ−1(U)∣λ∈Λ, U は Yλ の開集合}\mathcal S=\{\pi_\lambda^{-1}(U)\mid\lambda\in\Lambda,\ U\text{ は }Y_\lambda\text{ の開集合}\}

が生成する位相である。§E2.13 系 3.3により、AAがPPから受ける部分空間位相はSA={S∩A∣S∈S}\mathcal S_A=\{S\cap A\mid S\in\mathcal S\}が生成する位相である。

λ∈Λ\lambda\in\LambdaとYλY_\lambdaの開集合UUに対して

πλ−1(U)∩A=ρλ−1(U∩Aλ)\pi_\lambda^{-1}(U)\cap A=\rho_\lambda^{-1}(U\cap A_\lambda)

が成り立つ。実際、x∈Ax\in Aについてxλ∈Aλx_\lambda\in A_\lambdaであるから、xλ∈Ux_\lambda\in Uであることとxλ∈U∩Aλx_\lambda\in U\cap A_\lambdaであることは同値である。UUがYλY_\lambdaの開集合全体を走るときU∩AλU\cap A_\lambdaはAλA_\lambdaの開集合全体を走るから、SA\mathcal S_Aは定義 1.1により族(Aλ)λ∈Λ(A_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}の積位相を生成する集合族に一致する。ゆえに二つの位相は一致する。

(2)を示す。x∈Px\in Pについて、x∉Ax\notin Aであることと、あるλ∈Λ\lambda\in\Lambdaについてxλ∉Aλx_\lambda\notin A_\lambdaであることは同値であるから

P∖A=⋃λ∈Λπλ−1(Yλ∖Aλ)P\setminus A=\bigcup_{\lambda\in\Lambda}\pi_\lambda^{-1}(Y_\lambda\setminus A_\lambda)

である。各AλA_\lambdaがYλY_\lambdaの閉集合ならばYλ∖AλY_\lambda\setminus A_\lambdaは開集合であるから、定義 1.1により右辺は開集合の和集合であり、AAはPPの閉集合である。▨

定義 1.9.(X1,O1)(X_1,\mathcal O_1)と(X2,O2)(X_2,\mathcal O_2)を位相空間とし、直積X1×X2X_1\times X_2(§E1.2 定義 1.3)に対してpr⁡i ⁣:X1×X2→Xi\operatorname{pr}_i\colon X_1\times X_2\to X_i(i=1,2)(i=1,2)を第ii成分をとる射影とする。族(pr⁡1,pr⁡2)(\operatorname{pr}_1,\operatorname{pr}_2)による始位相を、X1×X2X_1\times X_2の 積位相 (binary product topology) という。

命題 1.10.定義 1.9の記号のもとで、Λ={1,2}\Lambda=\{1,2\}を添字集合とする直積∏λ∈ΛXλ\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambdaに積位相を入れる。§E1.2 命題 5.4の各座標を保つ全単射Φ ⁣:∏λ∈ΛXλ→X1×X2\Phi\colon\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda\to X_1\times X_2は同相写像である。

証明.Φ\Phiは各座標を保つから、i=1,2i=1,2に対してpr⁡i∘Φ=πi\operatorname{pr}_i\circ\Phi=\pi_iかつπi∘Φ−1=pr⁡i\pi_i\circ\Phi^{-1}=\operatorname{pr}_iである。命題 1.2により各πi\pi_iは連続であるから、§E2.12 定理 3.4を定義 1.9の始位相へ適用するとΦ\Phiは連続である。§E2.12 命題 3.3 (1)により各pr⁡i\operatorname{pr}_iは連続であるから、定理 1.6によりΦ−1\Phi^{-1}は連続である。したがってΦ\Phiは同相写像である。▨

補題 1.11.(X1,O1)(X_1,\mathcal O_1)と(X2,O2)(X_2,\mathcal O_2)を位相空間とし、X1×X2X_1\times X_2に積位相を入れる。UUをX1X_1の開集合、VVをX2X_2の開集合とするとき、U×VU\times Vの形の集合の全体はこの積位相の開基である。

証明.定義 1.9により積位相は射影pr⁡1,pr⁡2\operatorname{pr}_1,\operatorname{pr}_2による始位相であるから、§E2.13 補題 3.1 (1)により、pr⁡1−1(U)\operatorname{pr}_1^{-1}(U)とpr⁡2−1(V)\operatorname{pr}_2^{-1}(V)(UUはX1X_1の開集合、VVはX2X_2の開集合)の全体T\mathcal Tはその準開基である。T\mathcal Tの有限個の元の共通部分は、§E1.1 命題 4.4によりpr⁡1−1(U)∩pr⁡2−1(V)=U×V\operatorname{pr}_1^{-1}(U)\cap\operatorname{pr}_2^{-1}(V)=U\times Vの形に書くことができ、X1×X2X_1\times X_2自身もこの形であるから、§E2.13 定理 2.2によりU×VU\times Vの形の集合の全体は積位相の開基である。▨

補題 1.12.(Xi)i∈I(X_i)_{i\in I}を位相空間の族とし、各DiD_iをXiX_iの稠密部分集合とする。このとき∏i∈IDi\prod_{i\in I}D_iは∏i∈IXi\prod_{i\in I}X_iで稠密である。

証明. 空の因子XiX_iがあれば二つの直積はいずれも空であり、結論が成り立つ。すべてのXiX_iが空でない場合、各DiD_iも空でないので、b∈∏i∈IDib\in\prod_{i\in I}D_iをとる。UUを∏i∈IXi\prod_{i\in I}X_iの空でない開集合とし、u∈Uu\in Uをとる。命題 1.3と§E2.13 命題 1.2により、有限個の座標i∈Fi\in Fにだけ空でない開集合Vi⊆XiV_i\subseteq X_iを指定した基本開集合BBでu∈B⊆Uu\in B\subseteq Uを満たすものが存在する。各i∈Fi\in Fについて、稠密性によりdi∈Vi∩Did_i\in V_i\cap D_iをとる。i∈Fi\in Fではdid_i、i∉Fi\notin Fではbib_iを成分とする点はB∩∏i∈IDiB\cap\prod_{i\in I}D_iに属する。したがって§E2.11 命題 2.9 (2)により∏i∈IDi\prod_{i\in I}D_iは稠密である。I=∅I=\emptysetの場合も、両直積は同じ一点空間であり、この議論が成り立つ。▨

補題 1.13.XX、ZZを位相空間、A⊆XA\subseteq Xとする。部分空間AAとZZの積空間A×ZA\times Zの積位相は、A×Z⊆X×ZA\times Z\subseteq X\times ZにX×ZX\times Zの積位相から定まる部分空間位相と一致する。

証明.命題 1.10が与える各座標を保つ同相写像によって、A×ZA\times ZとX×ZX\times Zをそれぞれ添字集合{1,2}\{1,2\}上の直積と同一視する。ZZが自分自身から受ける部分空間位相はもとの位相に一致するため、補題 1.8 (1)を(Y1,Y2)=(X,Z)(Y_1,Y_2)=(X,Z)と(A1,A2)=(A,Z)(A_1,A_2)=(A,Z)へ適用すればよい。▨

補題 1.14.XXを位相空間、P={p}P=\{p\}を一点からなる位相空間とし、sX ⁣:X→X×Ps_X\colon X\to X\times PをsX(x)=(x,p)s_X(x)=(x,p)で定める。射影pr⁡X ⁣:X×P→X\operatorname{pr}_X\colon X\times P\to XとsXs_Xは互いに逆写像であり、いずれも同相写像である。

証明. 第二射影をpr⁡P ⁣:X×P→P\operatorname{pr}_P\colon X\times P\to Pと書く。PPが一点集合であることから、pr⁡X∘sX=id⁡X\operatorname{pr}_X\circ s_X=\operatorname{id}_XかつsX∘pr⁡X=id⁡X×Ps_X\circ\operatorname{pr}_X=\operatorname{id}_{X\times P}である。とくにpr⁡X\operatorname{pr}_XとsXs_Xは互いに逆写像である全単射である。§E2.12 命題 3.3 (1)を積位相へ適用するとpr⁡X\operatorname{pr}_Xは連続である。pr⁡X∘sX=id⁡X\operatorname{pr}_X\circ s_X=\operatorname{id}_Xは連続であり、pr⁡P∘sX\operatorname{pr}_P\circ s_XはPPを終域とする写像であって、PPの開集合∅\emptysetとPPの逆像がそれぞれ∅\emptysetとXXであるから連続である。したがって§E2.12 定理 3.4を積位相へ適用するとsXs_Xは連続である。ゆえに§E2.12 定義 6.1によりpr⁡X\operatorname{pr}_XとsXs_Xはともに同相写像である。▨

補題 1.15.n∈Z≥1n \in \Z_{\ge 1}とし、X1,…,Xn+1X_1,\dots,X_{n+1}を位相空間とする。

j∈{n,n+1}j\in\{n,n+1\}に対し、§E1.2 命題 5.4によって有限直積X1×⋯×XjX_1\times\cdots\times X_jを添字集合{1,…,j}\{1,\ldots,j\}上の直積と同一視し、積位相を入れる。1≤i≤j1\le i\le jに対して、第ii成分への射影をpi(j):X1×⋯×Xj→Xip_i^{(j)}:X_1\times\cdots\times X_j\to X_iと書く。

写像

R:(X1×⋯×Xn)×Xn+1⟶X1×⋯×Xn+1,R : (X_1 \times \cdots \times X_n) \times X_{n+1} \longrightarrow X_1 \times \cdots \times X_{n+1},R((x1,…,xn),xn+1)=(x1,…,xn+1)R\bigl((x_1,\dots,x_n),x_{n+1}\bigr)=(x_1,\dots,x_{n+1})

は同相写像である。

証明.Pn=X1×⋯×XnP_n=X_1\times\cdots\times X_n、Pn+1=X1×⋯×Xn+1P_{n+1}=X_1\times\cdots\times X_{n+1}とおき、q1:Pn×Xn+1→Pnq_1:P_n\times X_{n+1}\to P_nとq2:Pn×Xn+1→Xn+1q_2:P_n\times X_{n+1}\to X_{n+1}を射影とする。§E2.12 命題 3.3 (1)を積位相へ適用するとq1q_1とq2q_2は連続である。また命題 1.2により各pi(n)p_i^{(n)}および各pi(n+1)p_i^{(n+1)}は連続である。

RRの成分は

pi(n+1)∘R=pi(n)∘q1(1≤i≤n),pn+1(n+1)∘R=q2p_i^{(n+1)}\circ R=p_i^{(n)}\circ q_1\quad(1\leq i\leq n),\qquad p_{n+1}^{(n+1)}\circ R=q_2

である。各右辺が連続であるため、定理 1.6によりRRは連続である。

写像

S ⁣:Pn+1⟶Pn×Xn+1,S(x1,…,xn+1)=((x1,…,xn),xn+1)S\colon P_{n+1}\longrightarrow P_n\times X_{n+1},\qquad S(x_1,\ldots,x_{n+1})=((x_1,\ldots,x_n),x_{n+1})

を定める。1≤i≤n1\leq i\leq nに対して

pi(n)∘q1∘S=pi(n+1)p_i^{(n)}\circ q_1\circ S=p_i^{(n+1)}

であるから、定理 1.6によりq1∘S ⁣:Pn+1→Pnq_1\circ S\colon P_{n+1}\to P_nは連続である。またq2∘S=pn+1(n+1)q_2\circ S=p_{n+1}^{(n+1)}は連続である。したがって§E2.12 定理 3.4を積位相へ適用するとSSは連続である。

(x1,…,xn)∈Pn(x_1,\ldots,x_n)\in P_nとxn+1∈Xn+1x_{n+1}\in X_{n+1}に対して

S(R((x1,…,xn),xn+1))=((x1,…,xn),xn+1)S\bigl(R((x_1,\ldots,x_n),x_{n+1})\bigr)=((x_1,\ldots,x_n),x_{n+1})

であり、(x1,…,xn+1)∈Pn+1(x_1,\ldots,x_{n+1})\in P_{n+1}に対して

R(S(x1,…,xn+1))=(x1,…,xn+1)R\bigl(S(x_1,\ldots,x_{n+1})\bigr)=(x_1,\ldots,x_{n+1})

である。ゆえにSSはRRの連続な逆写像であり、§E2.12 定義 6.1によりRRは同相写像である。▨

例 1.16.n∈N≥1n\in\NNとし、各因子を通常の位相を備えたR\Rとする。§E1.2 命題 5.4によって台集合の直積をRn\R^nと同一視すると、積位相は Euclid 距離d2d_2が定める位相に一致する。

§E2.1 公式 4.2によりd∞≤d2≤d1≤n d∞d_\infty\leq d_2\leq d_1\leq n\,d_\inftyであるから、a∈Rna\in\R^nとε>0\varepsilon>0に対して

Bd2(a,ε)⊆Bd∞(a,ε),Bd∞(a,ε/n)⊆Bd2(a,ε)B_{d_2}(a,\varepsilon)\subseteq B_{d_\infty}(a,\varepsilon), \qquad B_{d_\infty}(a,\varepsilon/n)\subseteq B_{d_2}(a,\varepsilon)

が成り立つ。UUをd∞d_\inftyが定める位相の開集合、a∈Ua\in Uとすると、§E2.2 定義 1.1によりBd∞(a,ε)⊆UB_{d_\infty}(a,\varepsilon)\subseteq Uを満たすε>0\varepsilon>0が存在し、第一の包含からBd2(a,ε)⊆UB_{d_2}(a,\varepsilon)\subseteq Uである。よってUUはd2d_2が定める位相で開である。逆にUUをd2d_2が定める位相の開集合、a∈Ua\in Uとすると、Bd2(a,ε)⊆UB_{d_2}(a,\varepsilon)\subseteq Uを満たすε>0\varepsilon>0が存在し、第二の包含からBd∞(a,ε/n)⊆UB_{d_\infty}(a,\varepsilon/n)\subseteq Uである。よってUUはd∞d_\inftyが定める位相で開である。したがって二つの位相は一致する。

d∞d_\inftyの開球は

Bd∞(a,ε)=⋂i=1nπi−1((ai−ε,ai+ε))B_{d_\infty}(a,\varepsilon) =\bigcap_{i=1}^{n}\pi_i^{-1}\bigl((a_i-\varepsilon,a_i+\varepsilon)\bigr)

であるから、命題 1.3により積位相の開基の元であり、とくに積位相で開いている。逆に、命題 1.3の開基の元B=⋂i∈Fπi−1(Ui)B=\bigcap_{i\in F}\pi_i^{-1}(U_i)とa∈Ba\in Bをとる。各i∈Fi\in Fについてai∈Uia_i\in U_iであるから、§E2.2 定義 1.1により(ai−εi,ai+εi)⊆Ui(a_i-\varepsilon_i,a_i+\varepsilon_i)\subseteq U_iを満たすεi>0\varepsilon_i>0が存在する。F=∅F=\emptysetならばε=1\varepsilon=1とし、F≠∅F\neq\emptysetならばε=min⁡i∈Fεi\varepsilon=\min_{i\in F}\varepsilon_iとおくと、Bd∞(a,ε)⊆BB_{d_\infty}(a,\varepsilon)\subseteq Bである。WWを積位相の開集合、a∈Wa\in Wとすると、命題 1.3と§E2.13 命題 1.2によりa∈B⊆Wa\in B\subseteq Wを満たす開基の元BBが存在し、いま示したことからBd∞(a,ε)⊆B⊆WB_{d_\infty}(a,\varepsilon)\subseteq B\subseteq Wを満たすε>0\varepsilon>0が存在する。したがって§E2.2 定義 1.1によりWWはd∞d_\inftyが定める位相で開である。以上により二つの位相は一致し、積位相はd2d_2が定める位相に一致する。

注意 1.17. 射影πμ\pi_\muは開写像である。この事実の証明は問題 9.4とし、その解答で与える。

例 1.18. 射影は閉写像とは限らない。X1=X2=RX_1=X_2=\Rに通常の位相を入れ、§E1.2 命題 5.4によって台集合の直積をR2\R^2と同一視する。例 1.16により、積位相は Euclid 距離が定める位相に一致する。

F={(x,y)∈R2∣xy=1}F=\{(x,y)\in\R^2\mid xy=1\}

とおく。実数の乗法が定める写像h ⁣:R2→Rh\colon\R^2\to\R、h(x,y)=xyh(x,y)=xyは連続である。R∖{1}=(−∞,1)∪(1,∞)\R\setminus\{1\}=(-\infty,1)\cup(1,\infty)は二つの開集合の和集合であるから開集合であり、{1}\{1\}はR\Rの閉集合である。したがって§E2.12 命題 1.6によりF=h−1({1})F=h^{-1}(\{1\})はR2\R^2の閉集合である。

x≠0x\neq0に対して(x,1/x)∈F(x,1/x)\in Fであり、第一座標が00である点(0,y)(0,y)は0⋅y=0≠10\cdot y=0\neq1によりFFに属さない。したがってπ1(F)=R∖{0}\pi_1(F)=\R\setminus\{0\}である。任意のε>0\varepsilon>0に対してε/2∈B(0,ε)∖{0}\varepsilon/2\in B(0,\varepsilon)\setminus\{0\}であるから、{0}\{0\}は§E2.2 定義 1.1の条件を00で満たさず、R\Rの開集合でない。したがってR∖{0}\R\setminus\{0\}はR\Rの閉集合でなく、π1\pi_1は閉写像でない。

系 1.19. 位相空間X1X_1、X2X_2、Y1Y_1、Y2Y_2と開写像fi ⁣:Xi→Yif_i\colon X_i\to Y_i(i=1,2)(i=1,2)に対して、写像f1×f2 ⁣:X1×X2→Y1×Y2f_1\times f_2\colon X_1\times X_2\to Y_1\times Y_2を

(f1×f2)(x1,x2)=(f1(x1),f2(x2))(f_1\times f_2)(x_1,x_2)=(f_1(x_1),f_2(x_2))

で定める。直積にはいずれも積位相を入れる。このときf1×f2f_1\times f_2は開写像である。

証明.補題 1.11により、UUをX1X_1の開集合、VVをX2X_2の開集合としてU×VU\times Vの形に書ける集合の全体はX1×X2X_1\times X_2の積位相の開基である。このようなUUとVVに対して(f1×f2)(U×V)=f1(U)×f2(V)(f_1\times f_2)(U\times V)=f_1(U)\times f_2(V)が成り立つ。実際、(x1,x2)∈U×V(x_1,x_2)\in U\times Vの像は(f1(x1),f2(x2))(f_1(x_1),f_2(x_2))であり、逆にy1=f1(x1)y_1=f_1(x_1)、y2=f2(x2)y_2=f_2(x_2)を満たすx1∈Ux_1\in Uとx2∈Vx_2\in Vをとれば(y1,y2)(y_1,y_2)は(x1,x2)∈U×V(x_1,x_2)\in U\times Vの像である。f1f_1とf2f_2は開写像であるからf1(U)f_1(U)はY1Y_1の開集合、f2(V)f_2(V)はY2Y_2の開集合であり、補題 1.11によりf1(U)×f2(V)f_1(U)\times f_2(V)はY1×Y2Y_1\times Y_2の開集合である。ゆえに§E2.13 定理 2.6 (3)によりf1×f2f_1\times f_2は開写像である。▨

補題 1.20.XX、YY、ZZを位相空間、f ⁣:X→Yf\colon X\to Yを連続写像とし、id⁡Z\operatorname{id}_ZをZZの恒等写像として写像

f×id⁡Z ⁣:X×Z→Y×Z,(f×id⁡Z)(x,z)=(f(x),z)f\times\operatorname{id}_Z\colon X\times Z\to Y\times Z,\qquad(f\times\operatorname{id}_Z)(x,z)=(f(x),z)

を考える。直積にはいずれも積位相を入れる。このときf×id⁡Zf\times\operatorname{id}_Zは連続である。さらにffが全射ならばf×id⁡Zf\times\operatorname{id}_Zは全射である。

証明.補題 1.11により、YYの開集合VVとZZの開集合WWによるV×WV\times Wの形の集合の全体はY×ZY\times Zの積位相の開基である。(f×id⁡Z)−1(V×W)=f−1(V)×W(f\times\operatorname{id}_Z)^{-1}(V\times W)=f^{-1}(V)\times Wであり、ffは連続であるからf−1(V)f^{-1}(V)はXXの開集合であって、補題 1.11によりf−1(V)×Wf^{-1}(V)\times WはX×ZX\times Zの開集合である。ゆえに§E2.13 命題 2.5 (1)によりf×id⁡Zf\times\operatorname{id}_Zは連続である。

ffが全射であるとする。(y,z)∈Y×Z(y,z)\in Y\times Zに対してf(x)=yf(x)=yを満たすx∈Xx\in Xをとると(f×id⁡Z)(x,z)=(y,z)(f\times\operatorname{id}_Z)(x,z)=(y,z)であるから、f×id⁡Zf\times\operatorname{id}_Zは全射である。▨

定理 1.21.(Xλ)λ∈Λ(X_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}と(Yλ)λ∈Λ(Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、fλ ⁣:Xλ→Yλf_\lambda\colon X_\lambda\to Y_\lambda(λ∈Λ)(\lambda\in\Lambda)を写像の族とし、

f ⁣:∏λ∈ΛXλ→∏λ∈ΛYλ,f(x)=(fλ(xλ))λ∈Λf\colon\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda\to\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambda, \qquad f(x)=(f_\lambda(x_\lambda))_{\lambda\in\Lambda}

と定める。直積にはいずれも積位相を入れる。すべてのfλf_\lambdaが開写像であり、Λ\Lambdaの有限部分集合F0F_0が存在してλ∈Λ∖F0\lambda\in\Lambda\setminus F_0を満たすすべてのλ\lambdaについてfλf_\lambdaが全射であるならば、ffは開写像である。

証明.πμ ⁣:∏λ∈ΛXλ→Xμ\pi_\mu\colon\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda\to X_\muとρμ ⁣:∏λ∈ΛYλ→Yμ\rho_\mu\colon\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambda\to Y_\muを射影とし、命題 1.3の開基B\mathcal Bをとる。有限集合F⊆ΛF\subseteq\Lambdaと開集合Uλ⊆XλU_\lambda\subseteq X_\lambda(λ∈F)(\lambda\in F)に対してB=⋂λ∈Fπλ−1(Uλ)B=\bigcap_{\lambda\in F}\pi_\lambda^{-1}(U_\lambda)とおく。λ∈F\lambda\in FのときVλ=UλV_\lambda=U_\lambda、λ∈Λ∖F\lambda\in\Lambda\setminus FのときVλ=XλV_\lambda=X_\lambdaとおくと、VλV_\lambdaはXλX_\lambdaの開集合であり

B={x∈∏λ∈ΛXλ ∣ xλ∈Vλ (λ∈Λ)}B=\Bigl\{x\in\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda\ \Bigm|\ x_\lambda\in V_\lambda\ (\lambda\in\Lambda)\Bigr\}

である。

f(B)={y∣yλ∈fλ(Vλ) (λ∈Λ)}f(B)=\{y\mid y_\lambda\in f_\lambda(V_\lambda)\ (\lambda\in\Lambda)\}が成り立つ。実際、x∈Bx\in Bに対してf(x)λ=fλ(xλ)∈fλ(Vλ)f(x)_\lambda=f_\lambda(x_\lambda)\in f_\lambda(V_\lambda)である。逆にyλ∈fλ(Vλ)y_\lambda\in f_\lambda(V_\lambda)をすべてのλ\lambdaについて満たすyyをとると、各λ\lambdaについてfλ(xλ)=yλf_\lambda(x_\lambda)=y_\lambdaを満たすxλ∈Vλx_\lambda\in V_\lambdaを選ぶことができ、x=(xλ)λ∈Λx=(x_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}はx∈Bx\in Bとf(x)=yf(x)=yを満たす。

G=F∪F0G=F\cup F_0とおくとGGはΛ\Lambdaの有限部分集合である。λ∈Λ∖G\lambda\in\Lambda\setminus GのときVλ=XλV_\lambda=X_\lambdaでありfλf_\lambdaは全射であるからfλ(Vλ)=Yλf_\lambda(V_\lambda)=Y_\lambdaである。したがって

f(B)=⋂λ∈Gρλ−1(fλ(Vλ))f(B)=\bigcap_{\lambda\in G}\rho_\lambda^{-1}\bigl(f_\lambda(V_\lambda)\bigr)

である。各λ∈G\lambda\in GについてVλV_\lambdaはXλX_\lambdaの開集合でありfλf_\lambdaは開写像であるから、fλ(Vλ)f_\lambda(V_\lambda)はYλY_\lambdaの開集合である。ゆえに命題 1.3によりf(B)f(B)は∏λ∈ΛYλ\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaの積位相の開基の元であり、とくに開集合である。BBはB\mathcal Bの任意の元であったから、§E2.13 定理 2.6 (3)によりffは開写像である。▨

例 1.22.定理 1.21の全射性の仮定は、Λ\Lambdaが無限のとき外せない。Λ=Z≥1\Lambda=\Z_{\ge 1}とし、各λ∈Λ\lambda\in\LambdaについてXλ=P={p}X_\lambda=P=\{p\}を一点からなる位相空間、Yλ={0,1}Y_\lambda=\{0,1\}に離散位相を入れた空間とし、fλ(p)=0f_\lambda(p)=0と定める。各fλf_\lambdaは開写像であるが、直積ffは開写像でない。

証明.PPの開集合は∅\emptysetとPPであり、その像∅\emptysetと{0}\{0\}はいずれも離散位相に属するから、各fλf_\lambdaは開写像である。

∏λ∈ΛXλ\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambdaはすべての座標がppである族ただ一つからなるから、∏λ∈ΛXλ\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda自身が開集合であり、そのffによる像はすべての座標が00である族zzの一点集合{z}\{z\}である。

ρμ ⁣:∏λ∈ΛYλ→Yμ\rho_\mu\colon\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambda\to Y_\muを射影とする。{z}\{z\}が積位相の開集合であるとすると、命題 1.3と§E2.13 命題 1.2により、Λ\Lambdaの有限部分集合FFと開集合Wλ⊆YλW_\lambda\subseteq Y_\lambda(λ∈F)(\lambda\in F)で

z∈⋂λ∈Fρλ−1(Wλ)⊆{z}z\in\bigcap_{\lambda\in F}\rho_\lambda^{-1}(W_\lambda)\subseteq\{z\}

を満たすものが存在する。Λ\Lambdaは無限集合でFFは有限であるからμ∈Λ∖F\mu\in\Lambda\setminus Fをとることができる。zzの第μ\mu座標だけを11に置き換えた族z′z'は、λ∈F\lambda\in Fについてzλ′=zλ∈Wλz'_\lambda=z_\lambda\in W_\lambdaを満たすからこの共通部分に属し、z′≠zz'\neq zであるから{z}\{z\}に属さない。これは上の包含と両立しない。したがって{z}\{z\}は開集合でなく、ffは開写像でない。▨

例 1.23. 因子ごとに閉写像であっても、その直積は閉写像とは限らない。R\Rに通常の位相を入れ、P={p}P=\{p\}を一点からなる位相空間、c ⁣:R→Pc\colon\R\to Pを唯一の写像とする。id⁡R\operatorname{id}_{\R}とccはともに閉写像であるが、id⁡R×c ⁣:R×R→R×P\operatorname{id}_{\R}\times c\colon\R\times\R\to\R\times Pは閉写像でない。

証明.id⁡R\operatorname{id}_{\R}は定義域と終域に同じ位相を入れた恒等写像であるから、§E2.12 命題 5.7 (2)により閉写像である。R\Rの閉集合FFに対してc(F)c(F)は、F=∅F=\emptysetならば∅\emptyset、F≠∅F\neq\emptysetならばPPであり、いずれもPPの閉集合であるからccは閉写像である。

X1=X2=RX_1=X_2=\Rとし、Λ={1,2}\Lambda=\{1,2\}を添字集合とする直積の射影をπ1\pi_1、R×R\R\times\Rの第一射影をpr⁡1\operatorname{pr}_1と書く。命題 1.10の各座標を保つ同相写像Φ ⁣:∏λ∈ΛXλ→R×R\Phi\colon\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda\to\R\times\Rはpr⁡1∘Φ=π1\operatorname{pr}_1\circ\Phi=\pi_1を満たす。同相写像は連続な全単射であるから、§E2.12 命題 6.3 (3)によりΦ\Phiは閉写像である。pr⁡1\operatorname{pr}_1が閉写像であるとすると§E2.12 命題 5.3によりπ1\pi_1は閉写像となるが、これは例 1.18と両立しない。ゆえにpr⁡1\operatorname{pr}_1は閉写像でない。

pr⁡R ⁣:R×P→R\operatorname{pr}_{\R}\colon\R\times P\to\Rを第一射影とすると、補題 1.14によりpr⁡R\operatorname{pr}_{\R}は同相写像である。同相写像は連続な全単射であるから、§E2.12 命題 6.3 (3)によりpr⁡R\operatorname{pr}_{\R}は閉写像である。(x,y)∈R×R(x,y)\in\R\times\Rに対して

pr⁡R((id⁡R×c)(x,y))=pr⁡R((x,p))=x\operatorname{pr}_{\R}\bigl((\operatorname{id}_{\R}\times c)(x,y)\bigr)=\operatorname{pr}_{\R}\bigl((x,p)\bigr)=x

であるからpr⁡1=pr⁡R∘(id⁡R×c)\operatorname{pr}_1=\operatorname{pr}_{\R}\circ(\operatorname{id}_{\R}\times c)である。id⁡R×c\operatorname{id}_{\R}\times cが閉写像であるとすると§E2.12 命題 5.3によりpr⁡1\operatorname{pr}_1は閉写像となり、いま示したことと両立しない。ゆえにid⁡R×c\operatorname{id}_{\R}\times cは閉写像でない。▨

注意 1.24. 位相空間の族(Xλ)λ∈Λ(X_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}の直積に積位相を入れると、射影πμ ⁣:∏λ∈ΛXλ→Xμ\pi_\mu\colon\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda\to X_\muは開写像である(注意 1.17)。一方で射影は閉写像とは限らず、Λ={1,2}\Lambda=\{1,2\}でX1=X2=RX_1=X_2=\Rとした場合にπ1\pi_1が閉写像でないことを例 1.18が示す。そこではR2\R^2の閉集合{(x,y)∣xy=1}\{(x,y)\mid xy=1\}の像がR∖{0}\R\setminus\{0\}となることが用いられる。したがってπ1\pi_1は、開写像であって閉写像でない写像の例である。

2 箱位相との比較

命題 2.1.定義 1.1の記号のもとで、

B□={∏λ∈ΛUλ | Uλ∈Oλ (λ∈Λ)}\mathcal B_\square= \left\{\prod_{\lambda\in\Lambda}U_\lambda\ \middle|\ U_\lambda\in\mathcal O_\lambda\ (\lambda\in\Lambda)\right\}

とおく。B□\mathcal B_\squareは§E2.13 命題 1.3の二条件を満たす。

証明.X=∏λ∈ΛXλX=\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambdaはB□\mathcal B_\squareの元であるから、B□\mathcal B_\squareの和集合はXXである。B=∏λUλB=\prod_\lambda U_\lambdaとB′=∏λVλB'=\prod_\lambda V_\lambdaがB□\mathcal B_\squareの元ならば、§E1.2 命題 5.5により

B∩B′=∏λ∈Λ(Uλ∩Vλ)B\cap B'=\prod_{\lambda\in\Lambda}(U_\lambda\cap V_\lambda)

であり、この共通部分もB□\mathcal B_\squareの元である。したがって§E2.13 命題 1.3の二条件が成り立つ。▨

定義 2.2 (箱位相).命題 2.1のB□\mathcal B_\squareが生成する位相をXXの 箱位相 (box topology) という。

命題 2.3. 積位相は箱位相に含まれる。

証明. 積位相の準開基の元は、Uμ=UU_\mu=Uとし、λ≠μ\lambda\neq\muではUλ=XλU_\lambda=X_\lambdaとおくことにより

πμ−1(U)=∏λ∈ΛUλ\pi_\mu^{-1}(U)=\prod_{\lambda\in\Lambda}U_\lambda

と書くことができ、B□\mathcal B_\squareの元である。命題 2.1と§E2.13 命題 1.3によりB□\mathcal B_\squareは箱位相の開基であるから、準開基は箱位相に含まれる。§E2.13 定理 2.2により積位相は準開基を含む位相のうち最も粗いものであるから、積位相は箱位相に含まれる。▨

命題 2.4.Λ\Lambdaが有限集合ならば、積位相と箱位相は一致する。

証明.命題 2.3により積位相は箱位相に含まれる。逆に、B□\mathcal B_\squareの元∏λ∈ΛUλ\prod_{\lambda\in\Lambda}U_\lambdaは

∏λ∈ΛUλ=⋂λ∈Λπλ−1(Uλ)\prod_{\lambda\in\Lambda}U_\lambda=\bigcap_{\lambda\in\Lambda}\pi_\lambda^{-1}(U_\lambda)

と書くことができ、Λ\Lambdaは有限であるから、命題 1.3により右辺は積位相の開基の元である。命題 2.1と§E2.13 命題 1.3により箱位相の各元はB□\mathcal B_\squareの元からなる集合族の和集合であるから、積位相に属する。したがって二つの位相は一致する。▨

命題 2.5. 各因子を通常の位相を備えたR\Rとする可算積RN≥1\R^{\NN}では、命題 2.3の包含は真である。

証明. 集合

W=∏n≥1(−1/n,1/n)W=\prod_{n\geq1}(-1/n,1/n)

はB□\mathcal B_\squareの元であるから箱位相で開いている。WWが積位相で開いていると仮定すると、命題 1.3と§E2.13 命題 1.2により、全零点を含みWWに含まれる開基の元BBが存在する。BBの表示に現れる添字集合FFは有限であるから、FFに属さない座標mmが存在する。第mm座標が11であり、他の座標が00である点はBBに属するが、1∉(−1/m,1/m)1\notin(-1/m,1/m)によりWWに属さない。これはB⊆WB\subseteq Wに反するので、WWは積位相で開いていない。▨

注意 2.6.命題 2.5の包含が真になるためには、Λ\Lambdaが無限であることだけでは足りない。各XλX_\lambdaが密着位相をもつ場合には、Λ\Lambdaが無限であっても積位相と箱位相は一致する。この場合、箱位相の開基の元は、いずれかの因子が空集合ならば空集合であり、すべての因子がXλX_\lambdaならばXXである。積位相の準開基も∅\emptysetとXXだけからなるため、両方の位相は{∅,X}\{\emptyset,X\}に等しい。

注意 2.7. 射影の族をすべて連続にするXXの位相は一つとは限らない。命題 1.2により各πμ\pi_\muは積位相について連続であり、開集合の逆像はより細かい位相でも開集合であるから、命題 2.3により各πμ\pi_\muは箱位相についても連続である。射影の族を連続にするすべての位相のうち最も粗いものが積位相であり、この極値性が積位相を標準に採る第一の理由である。第二の理由は、直積へ向かう写像の連続性を座標ごとの連続性で判定する定理 1.6が、この最も粗い位相に対してだけ成り立つことである。実際、§E2.12 系 3.5により、この判定法をもつXXの位相は積位相に限られるから、命題 2.5のように箱位相が積位相より真に細かい場合には、箱位相はこの判定法をもたない。任意個のコンパクト空間の直積がふたたびコンパクトであるという定理も積位相についての定理であり、後続の記事が扱う。

3 可算積の距離化

命題 3.1.(Xk,dk)k∈Z≥1(X_k,d_k)_{k\in\Z_{\geq1}}を距離空間の列とし、各XkX_kにはdkd_kが生成する位相を入れる。§E2.10 定理 4.1が直積∏k∈Z≥1Xk\prod_{k\in\Z_{\geq1}}X_kの上に定める距離ρ\rhoが生成する位相は、積位相に一致する。

証明.X=∏k∈Z≥1XkX=\prod_{k\in\Z_{\geq1}}X_kとおき、§E2.10 定理 4.1の記号にならって、第kk成分への射影をπk\pi_kと書き、x∈Xx\in X、N∈Z≥1N\in\Z_{\geq1}と実数δ>0\delta>0に対して

CN(x,δ)=⋂k=1Nπk−1(Bdk(xk,δ))C_N(x,\delta)=\bigcap_{k=1}^{N}\pi_k^{-1}\bigl(B_{d_k}(x_k,\delta)\bigr)

と書く。

UUを積位相の開集合とし、x∈Ux\in Uとする。命題 1.3と§E2.13 命題 1.2により、有限集合F⊆Z≥1F\subseteq\Z_{\geq1}とXkX_kの開集合UkU_k(k∈F)(k\in F)であって

x∈⋂k∈Fπk−1(Uk)⊆Ux\in\bigcap_{k\in F}\pi_k^{-1}(U_k)\subseteq U

を満たすものが存在する。F=∅F=\emptysetのときは、この共通部分がXXであることからU=XU=Xであり、Bρ(x,1)⊆UB_\rho(x,1)\subseteq Uである。F≠∅F\neq\emptysetのときは、各k∈Fk\in Fについてxk∈Ukx_k\in U_kであるからBdk(xk,δk)⊆UkB_{d_k}(x_k,\delta_k)\subseteq U_kを満たす実数δk>0\delta_k>0をとることができる。N=max⁡FN=\max F、δ=min⁡k∈Fδk\delta=\min_{k\in F}\delta_kとおくと、F⊆{1,…,N}F\subseteq\{1,\ldots,N\}とδ≤δk\delta\leq\delta_kからCN(x,δ)⊆⋂k∈Fπk−1(Uk)⊆UC_N(x,\delta)\subseteq\bigcap_{k\in F}\pi_k^{-1}(U_k)\subseteq Uであり、§E2.10 定理 4.1 (2)によりBρ(x,ε)⊆CN(x,δ)B_\rho(x,\varepsilon)\subseteq C_N(x,\delta)を満たす実数ε>0\varepsilon>0が存在する。いずれの場合もxxを中心とするρ\rhoの開球がUUに含まれるから、UUはρ\rhoが生成する位相の開集合である。

UUをρ\rhoが生成する位相の開集合とし、x∈Ux\in Uとする。Bρ(x,ε)⊆UB_\rho(x,\varepsilon)\subseteq Uを満たす実数ε>0\varepsilon>0が存在し、§E2.10 定理 4.1 (3)によりCN(x,δ)⊆Bρ(x,ε)C_N(x,\delta)\subseteq B_\rho(x,\varepsilon)を満たすN∈Z≥1N\in\Z_{\geq1}と実数δ>0\delta>0が存在する。§E2.2 補題 1.2により各Bdk(xk,δ)B_{d_k}(x_k,\delta)はXkX_kの開集合であるから、命題 1.2 (1)によりCN(x,δ)C_N(x,\delta)は積位相の開集合であり、x∈CN(x,δ)⊆Ux\in C_N(x,\delta)\subseteq Uである。よって§E2.11 補題 2.6によりUUは積位相の開集合である。以上により二つの位相は一致する。▨

系 3.2.(Xk)k∈Z≥1(X_k)_{k\in\Z_{\geq1}}を距離化可能空間の列とすると、直積∏k∈Z≥1Xk\prod_{k\in\Z_{\geq1}}X_kは距離化可能である。

証明. 各k∈Z≥1k\in\Z_{\geq1}について、XkX_kの位相を生成する距離dkd_kを一つとる。命題 3.1により、距離空間の列(Xk,dk)k∈Z≥1(X_k,d_k)_{k\in\Z_{\geq1}}に対して§E2.10 定理 4.1が定める距離ρ\rhoは∏k∈Z≥1Xk\prod_{k\in\Z_{\geq1}}X_kの積位相を生成する。ゆえに∏k∈Z≥1Xk\prod_{k\in\Z_{\geq1}}X_kは距離化可能である。▨

4 非可算積の近傍基

命題 4.1. 最小の非可算基数をω1\omega_1とし(§E1.21 定理 5.1)、2={0,1}2=\{0,1\}には離散位相を入れる。2ω12^{\omega_1}と[0,1]ω1[0,1]^{\omega_1}には積位相を入れ、[0,1][0,1]にはR\Rからの部分空間位相を入れる。このとき次が成り立つ。

  1. x∈2ω1x\in2^{\omega_1}と有限集合F⊆ω1F\subseteq\omega_1に対して N(x;F)={y∈2ω1∣∀α∈F, yα=xα}N(x;F)=\{y\in2^{\omega_1}\mid \forall\alpha\in F,\ y_\alpha=x_\alpha\} とおくと、N(x;F)N(x;F)は2ω12^{\omega_1}の開集合であり、xxの各近傍はある有限集合F⊆ω1F\subseteq\omega_1に対するN(x;F)N(x;F)を含む。すなわち{N(x;F)∣F⊆ω1 は有限}\{N(x;F)\mid F\subseteq\omega_1\text{ は有限}\}はxxの近傍基である。
  2. x∈[0,1]ω1x\in[0,1]^{\omega_1}、有限集合F⊆ω1F\subseteq\omega_1、および各α∈F\alpha\in Fに対する[0,1][0,1]におけるxαx_\alphaの開近傍UαU_\alphaに対して N(x;F,(Uα)α∈F)={y∈[0,1]ω1∣∀α∈F, yα∈Uα}N\bigl(x;F,(U_\alpha)_{\alpha\in F}\bigr) =\{y\in[0,1]^{\omega_1}\mid \forall\alpha\in F,\ y_\alpha\in U_\alpha\} とおくと、N(x;F,(Uα)α∈F)N\bigl(x;F,(U_\alpha)_{\alpha\in F}\bigr)は[0,1]ω1[0,1]^{\omega_1}の開集合であり、xxの各近傍はこの形の集合を含む。すなわちこの形の集合の全体はxxの近傍基である。

証明.(1)を示す。22は離散空間であるから各{xα}\{x_\alpha\}は22の開集合であり、

N(x;F)=⋂α∈Fπα−1({xα})N(x;F)=\bigcap_{\alpha\in F}\pi_\alpha^{-1}(\{x_\alpha\})

であるから、命題 1.3によりN(x;F)N(x;F)は積位相の開基の元である。とくにN(x;F)N(x;F)はxxを含む開集合であり、xxの近傍である。VVをxxの近傍とする。§E2.11 定義 6.1によりx∈O⊆Vx\in O\subseteq Vを満たす開集合OOが存在する。命題 1.3と§E2.13 命題 1.2によりx∈B⊆Ox\in B\subseteq Oを満たす開基の元B=⋂α∈Gπα−1(Uα)B=\bigcap_{\alpha\in G}\pi_\alpha^{-1}(U_\alpha)が存在する。ここでG⊆ω1G\subseteq\omega_1は有限であり、各UαU_\alphaは22の開集合である。各α∈G\alpha\in Gについてxα∈Uαx_\alpha\in U_\alphaであるから{xα}⊆Uα\{x_\alpha\}\subseteq U_\alphaであり、N(x;G)⊆B⊆VN(x;G)\subseteq B\subseteq Vである。したがって{N(x;F)∣F⊆ω1 は有限}\{N(x;F)\mid F\subseteq\omega_1\text{ は有限}\}はxxの近傍基である。

(2)を示す。N(x;F,(Uα)α∈F)=⋂α∈Fπα−1(Uα)N\bigl(x;F,(U_\alpha)_{\alpha\in F}\bigr)=\bigcap_{\alpha\in F}\pi_\alpha^{-1}(U_\alpha)であるから、命題 1.3によりこの集合は積位相の開基の元であり、とくにxxを含む開集合である。VVをxxの近傍とする。§E2.11 定義 6.1によりx∈O⊆Vx\in O\subseteq Vを満たす開集合OOが存在する。命題 1.3と§E2.13 命題 1.2によりx∈B⊆Ox\in B\subseteq Oを満たす開基の元B=⋂α∈Gπα−1(Wα)B=\bigcap_{\alpha\in G}\pi_\alpha^{-1}(W_\alpha)が存在する。ここでG⊆ω1G\subseteq\omega_1は有限であり、各WαW_\alphaは[0,1][0,1]の開集合である。x∈Bx\in Bから各WαW_\alphaはxαx_\alphaの開近傍であり、B=N(x;G,(Wα)α∈G)B=N\bigl(x;G,(W_\alpha)_{\alpha\in G}\bigr)であるから、この形の集合の全体はxxの近傍基である。▨

命題 4.2.2ω12^{\omega_1}と[0,1]ω1[0,1]^{\omega_1}の全零点をともに00と書く。いずれの積空間においても00は可算近傍基をもたない。したがって、いずれの積空間も第一可算でない。

証明.2ω12^{\omega_1}における00の高々可算な近傍基が存在すると仮定する。近傍基は空でないから、§E1.18 補題 3.2により、重複を許す列(Bn)n≥1(B_n)_{n\geq1}として番号づけることができる。この列は00の可算近傍基である。各nnについて、命題 4.1 (1)により

0∈N(0;Fn)⊆Bn0\in N(0;F_n)\subseteq B_n

を満たす有限集合Fn⊆ω1F_n\subseteq\omega_1を一つとる。

F=⋃n≥1FnF=\bigcup_{n\geq1}F_nとおく。各FnF_nは順序数からなる有限集合であり、順序数の大小による整列順序をもつ。β∈Fn\beta\in F_nにFnF_nにおけるβ\betaの順位を対応させる写像は単射Fn→Z≥0F_n\to\Z_{\geq0}であり、nnについて一つの族として定まる。したがって§E1.18 定理 6.3によりFFは高々可算である。ω1\omega_1は非可算であるから、α∈ω1∖F\alpha\in\omega_1\setminus Fが存在する。

Uα={y∈2ω1∣yα=0}U_\alpha=\{y\in2^{\omega_1}\mid y_\alpha=0\}は00の近傍である。可算近傍基の性質からBn⊆UαB_n\subseteq U_\alphaを満たすnnが存在する。一方、第α\alpha座標だけが11である点は、α∉Fn\alpha\notin F_nによりN(0;Fn)⊆BnN(0;F_n)\subseteq B_nに属するが、UαU_\alphaには属さない。これはBn⊆UαB_n\subseteq U_\alphaに反するので、2ω12^{\omega_1}の00は可算近傍基をもたない。よって2ω12^{\omega_1}は第一可算でない。

[0,1]ω1[0,1]^{\omega_1}における00の高々可算な近傍基が存在すると仮定し、同様に可算近傍基(Bn)n≥1(B_n)_{n\geq1}として番号づける。各nnについて

0∈N(0;Fn,(Un,β)β∈Fn)⊆Bn0\in N\bigl(0;F_n,(U_{n,\beta})_{\beta\in F_n}\bigr)\subseteq B_n

を満たす有限集合FnF_nと開近傍Un,βU_{n,\beta}をとる。前段落と同じ単射の族を有限集合の列(Fn)n≥1(F_n)_{n\geq1}へ適用すると、§E1.18 定理 6.3によりF=⋃nFnF=\bigcup_nF_nは高々可算である。α∈ω1∖F\alpha\in\omega_1\setminus Fをとり、[0,1][0,1]における00の開近傍V=[0,1/2)V=[0,1/2)に対して

Wα={y∈[0,1]ω1∣yα∈V}W_\alpha=\{y\in[0,1]^{\omega_1}\mid y_\alpha\in V\}

とおく。あるnnが存在してBn⊆WαB_n\subseteq W_\alphaとなるが、第α\alpha座標だけが11である点はBnB_nに属してWαW_\alphaに属さない。したがって[0,1]ω1[0,1]^{\omega_1}の00も可算近傍基をもたず、[0,1]ω1[0,1]^{\omega_1}は第一可算でない。▨

5 Hewitt–Marczewski–Pondiczery の定理

定理 5.1.κ\kappaを無限基数とし、κd\kappa_dをκ\kappaに離散位相を入れた空間とする。直積κdP(κ)\kappa_d^{\mathcal P(\kappa)}は濃度κ\kappaの稠密部分集合をもち、濃度がκ\kappa未満である稠密部分集合をもたない。

証明.s∈[κ]<ωs\in[\kappa]^{<\omega}とh ⁣:P(s)→κh\colon\mathcal P(s)\to\kappaに対して、us,h∈κdP(κ)u_{s,h}\in\kappa_d^{\mathcal P(\kappa)}を

us,h(A)=h(A∩s)(A⊆κ)u_{s,h}(A)=h(A\cap s)\qquad(A\subseteq\kappa)

で定め、D={us,h∣s∈[κ]<ω, h ⁣:P(s)→κ}D=\{u_{s,h}\mid s\in[\kappa]^{<\omega},\ h\colon\mathcal P(s)\to\kappa\}とおく。ssを増加順に並べるとP(s)\mathcal P(s)にも順序を定めることができ、hhは長さ2∣s∣2^{|s|}の有限列で表される。したがって対(s,h)(s,h)の全体は[κ]<ω×κ<ω[\kappa]^{<\omega}\times\kappa^{<\omega}へ単射し、§E1.22 補題 6.3と§E1.22 定理 3.2により∣D∣≤κ|D|\leq\kappaである。

相異なる有限個の座標A1,…,An⊆κA_1,\ldots,A_n\subseteq\kappaと、指定値ξ1,…,ξn<κ\xi_1,\ldots,\xi_n<\kappaをとる。各i<ji<jに対してAi△AjA_i\mathbin{\triangle}A_jから一点をとり、それらからなる有限集合をssとする。このときA1∩s,…,An∩sA_1\cap s,\ldots,A_n\cap sは相異なるので、

h(Ai∩s)=ξi(1≤i≤n)h(A_i\cap s)=\xi_i\quad(1\leq i\leq n)

を満たすh ⁣:P(s)→κh\colon\mathcal P(s)\to\kappaを、残りの部分集合で値00をとるように定めることができる。n=1n=1でもs=∅s=\emptysetとして同じ構成が成り立つ。したがってus,h(Ai)=ξiu_{s,h}(A_i)=\xi_iがすべてのiiについて成り立つ。

DDは空でなく、有限個の座標の値を指定する任意の基本開集合と交わるので、命題 1.3、§E2.13 命題 1.2および§E2.11 命題 2.9 (2)により稠密である。他方、稠密部分集合EEとξ<κ\xi<\kappaに対して、基本開集合{x∣x(∅)=ξ}\{x\mid x(\emptyset)=\xi\}はEEと交わる。したがって∅\emptyset座標への射影はEEからκ\kappaへの全射であり、∣E∣≥κ|E|\geq\kappaである。とくに∣D∣=κ|D|=\kappaである。▨

定理 5.2 (Hewitt–Marczewski–Pondiczery の定理).(Xi)i∈I(X_i)_{i\in I}を空でない位相空間の族、κ\kappaを無限基数とする。各XiX_iが濃度がκ\kappa以下である稠密部分集合をもち、∣I∣≤2κ|I|\leq2^\kappaならば、直積∏i∈IXi\prod_{i\in I}X_iも濃度がκ\kappa以下である稠密部分集合をもつ。

証明. 単射a ⁣:I→P(κ)a\colon I\to\mathcal P(\kappa)をとる。座標を制限する写像

r ⁣:κdP(κ)→κdI,r(t)i=t(a(i))r\colon\kappa_d^{\mathcal P(\kappa)}\to\kappa_d^I,\qquad r(t)_i=t(a(i))

は連続であり、指定されない座標を00として延長することにより全射である。定理 5.1の稠密集合をDDとすると、§E2.12 命題 1.7によりr(D)r(D)はκdI\kappa_d^Iで稠密であり、その濃度はκ\kappa以下である。

各i∈Ii\in Iについて、XiX_iの空でない稠密部分集合DiD_iで∣Di∣≤κ|D_i|\leq\kappaを満たすものをとる。単射Di→κD_i\to\kappaの像では逆写像を使い、像の外では固定したDiD_iの一点を値とすることにより、全射φi ⁣:κ→Di\varphi_i\colon\kappa\to D_iをとることができる。離散位相からの写像φi ⁣:κd→Xi\varphi_i\colon\kappa_d\to X_iは連続なので、補題 1.7 (1)によりφ=∏iφi ⁣:κdI→∏iXi\varphi=\prod_i\varphi_i\colon\kappa_d^I\to\prod_iX_iは連続である。

φ(κdI)=∏iDi\varphi(\kappa_d^I)=\prod_iD_iは補題 1.12により∏iXi\prod_iX_iで稠密である。§E2.12 命題 1.7により

φ(κdI)=φ(r(D)‾)⊆φ(r(D))‾\varphi(\kappa_d^I)=\varphi(\tpcl{r(D)})\subseteq\tpcl{\varphi(r(D))}

なので、φ(r(D))\varphi(r(D))も∏iXi\prod_iX_iで稠密であり、その濃度はκ\kappa以下である。▨

系 5.3.(Xi)i∈I(X_i)_{i\in I}を可分空間の族とする。∣I∣≤c|I|\leq\mathfrak cならば、∏i∈IXi\prod_{i\in I}X_iは可分である。とくに、有限個または高々可算個の可分空間の直積は可分である。

証明. 空の因子があれば直積も空であり可分である。すべての因子が空でないときは定理 5.2をκ=ℵ0\kappa=\aleph_0に適用する。2ℵ0=c2^{\aleph_0}=\mathfrak cであり、濃度がℵ0\aleph_0以下である稠密部分集合の存在は可分性である。

IIが有限または高々可算ならば∣I∣≤ℵ0≤c|I|\leq\aleph_0\leq\mathfrak cである。有限積の場合の直接証明は演習とする(問題 9.2)。▨

命題 5.4.(Xi)i∈I(X_i)_{i\in I}を空でない位相空間の族とする。直積∏i∈IXi\prod_{i\in I}X_iが可分ならば、各XiX_iは可分である。

証明. 演習とする(問題 9.1)。▨

命題 5.5.(Xi)i∈I(X_i)_{i\in I}を位相空間の族、μ\muを基数とする。各i∈Ii\in Iに対して、互いに交わらない空でない開集合Ui0,Ui1⊆XiU_i^0,U_i^1\subseteq X_iが存在するとする。直積∏i∈IXi\prod_{i\in I}X_iが濃度がμ\mu以下である稠密部分集合をもつならば、∣I∣≤2μ|I|\leq2^\muである。

証明.D⊆∏iXiD\subseteq\prod_iX_iを∣D∣≤μ|D|\leq\muを満たす稠密部分集合とし、写像Φ ⁣:I→P(D)\Phi\colon I\to\mathcal P(D)を

Φ(i)={d∈D∣di∈Ui1}\Phi(i)=\{d\in D\mid d_i\in U_i^1\}

で定める。相異なるi,j∈Ii,j\in Iに対して、πi−1(Ui1)∩πj−1(Uj0)\pi_i^{-1}(U_i^1)\cap\pi_j^{-1}(U_j^0)は空でない開集合なのでDDと交わる。その交点ddはΦ(i)\Phi(i)に属しΦ(j)\Phi(j)に属さない。したがってΦ\Phiは単射であり、§E1.22 命題 1.5により∣I∣≤∣P(D)∣≤2μ|I|\leq|\mathcal P(D)|\leq2^\muである。▨

系 5.6.(Xi)i∈I(X_i)_{i\in I}を位相空間の族とし、各i∈Ii\in Iに対して、Ui0∩Ui1=∅U_i^{0}\cap U_i^{1}=\emptysetを満たすXiX_iの空でない開集合Ui0U_i^{0}、Ui1U_i^{1}が存在するとする。直積∏i∈IXi\prod_{i\in I}X_iが可分ならば∣I∣≤c\lvert I\rvert\le\mathfrak cである。

証明.命題 5.5をμ=ℵ0\mu=\aleph_0に適用すると、∣I∣≤2ℵ0=c|I|\leq2^{\aleph_0}=\mathfrak cを得る。▨

系 5.7.IIを空でない集合、κ,μ\kappa,\muを無限基数とし、κd\kappa_dをκ\kappaに離散位相を入れた空間とする。κdI\kappa_d^Iが濃度がμ\mu以下である稠密部分集合をもつための必要十分条件は、κ≤μ\kappa\leq\muかつ∣I∣≤2μ|I|\leq2^\muである。

証明. 必要性を示す。DDを濃度がμ\mu以下である稠密部分集合とし、i∈Ii\in Iを一つとる。任意のξ<κ\xi<\kappaについてπi−1({ξ})\pi_i^{-1}(\{\xi\})は空でない開集合なのでDDと交わる。よってπi(D)=κ\pi_i(D)=\kappaであり、κ≤∣D∣≤μ\kappa\leq|D|\leq\muである。またκd\kappa_dは互いに交わらない空でない開集合{0},{1}\{0\},\{1\}をもつので、命題 5.5により∣I∣≤2μ|I|\leq2^\muである。

十分性を示す。κd\kappa_d自身が濃度がμ\mu以下である稠密部分集合なので、定理 5.2を基数μ\muに適用すればよい。▨

例 5.8.§E1.22 系 4.1と§E1.21 定理 5.1によりω1≤2ℵ0=c\omega_1\leq2^{\aleph_0}=\mathfrak cである。Q∩[0,1]\Q\cap[0,1]は§E1.18 定理 4.1により高々可算であり、§D1.4 系 2.2の有理数の稠密性により[0,1][0,1]で稠密なので、[0,1][0,1]は可分である。

  1. 系 5.3により[0,1]ω1[0,1]^{\omega_1}は可分である。一方命題 4.2により[0,1]ω1[0,1]^{\omega_1}は第一可算でない。可分性は第一可算性を含意しない。
  2. R\Rは§E2.13 例 5.2により第二可算であり、§E2.13 定理 6.2により可分である。§E1.22 定理 5.3により∣R∣=c\lvert\R\rvert=\mathfrak cであるから、系 5.3によりRR\R^{\R}は可分である。
  3. I=P(R)I=\mathcal P(\R)とおく。§E1.22 命題 1.5と§E1.22 定理 5.3により∣I∣=2c\lvert I\rvert=2^{\mathfrak c}であり、§E1.22 系 4.1によりc<2c\mathfrak c<2^{\mathfrak c}である。離散位相を入れた22は互いに交わらない空でない開集合{0}\{0\}と{1}\{1\}をもつから、系 5.6により2I2^{I}は可分でない。系 5.3の添字集合の濃度に関する仮定は落とすことができない。

6 対角写像による埋め込み

定義 6.1 (分離する族).XXを位相空間、((Yλ,Oλ))λ∈Λ((Y_\lambda,\mathcal O_\lambda))_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、(fλ ⁣:X→Yλ)λ∈Λ(f_\lambda\colon X\to Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を連続写像の族とする。閉包は各YλY_\lambdaでとる。

  1. 相異なる任意のx,x′∈Xx,x'\in Xに対してfλ(x)≠fλ(x′)f_\lambda(x)\neq f_\lambda(x')を満たすλ∈Λ\lambda\in\Lambdaが存在するとき、この族は 点を分離する (separates points) という。
  2. XXの任意の閉集合FFと任意のx∈X∖Fx\in X\setminus Fに対してfλ(x)∉fλ(F)‾f_\lambda(x)\notin\overline{f_\lambda(F)}を満たすλ∈Λ\lambda\in\Lambdaが存在するとき、この族は 点と閉集合を分離する (separates points from closed sets) という。

補題 6.2.XXを位相空間、((Yλ,Oλ))λ∈Λ((Y_\lambda,\mathcal O_\lambda))_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、(fλ ⁣:X→Yλ)λ∈Λ(f_\lambda\colon X\to Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を連続写像の族、Λ0⊂Λ\Lambda_0\subset \Lambdaを部分集合とする。このとき、次が成り立つ:

  1. もし(fλ)λ∈Λ0(f_\lambda)_{\lambda\in \Lambda_0}が点を分離するなら、(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in \Lambda}も点を分離する。
  2. もし(fλ)λ∈Λ0(f_\lambda)_{\lambda\in \Lambda_0}が点と閉集合を分離するなら、(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in \Lambda}も点と閉集合を分離する。

証明. 証明は演習とする(問題 9.7参照)。▨

定義 6.3 (対角写像).XXを集合、(Yλ)λ∈Λ(Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を集合の族、(fλ ⁣:X→Yλ)λ∈Λ(f_\lambda\colon X\to Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を写像の族とする。

f ⁣:X→∏λ∈ΛYλ,f(x)=(fλ(x))λ∈Λf\colon X\to\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambda,\qquad f(x)=(f_\lambda(x))_{\lambda\in\Lambda}

で定まる写像ffを、族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}の 対角写像 (diagonal map) という。対角写像はπλ∘f=fλ\pi_\lambda\circ f=f_\lambda(λ∈Λ)(\lambda\in\Lambda)を満たす。

補題 6.4.XXを位相空間、((Yλ,Oλ))λ∈Λ((Y_\lambda,\mathcal O_\lambda))_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、(fλ ⁣:X→Yλ)λ∈Λ(f_\lambda\colon X\to Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を連続写像の族とし、f ⁣:X→∏λ∈ΛYλf\colon X\to \prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaをこの族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}の対角写像とする。このとき次の条件は同値である。

  1. ffは単射である。
  2. 族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}は点を分離する。

証明.定理 1.6によりffは連続である。f(x)=f(x′)f(x)=f(x')はすべてのλ∈Λ\lambda\in\Lambdaについてfλ(x)=fλ(x′)f_\lambda(x)=f_\lambda(x')が成り立つことと同値であるから、ffが単射であることと族が点を分離することは同値である。▨

補題 6.5.XXを位相空間、((Yλ,Oλ))λ∈Λ((Y_\lambda,\mathcal O_\lambda))_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、(fλ ⁣:X→Yλ)λ∈Λ(f_\lambda\colon X\to Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を連続写像の族とし、f ⁣:X→∏λ∈ΛYλf\colon X\to \prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaをこの族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}の対角写像とする。このとき次の条件は同値である。

  1. ffは位相的埋め込みである。
  2. ffは単射で、XXの位相は族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}による始位相に一致する。
  3. ffは単射で、さらに{fλ−1(V)∣λ∈Λ, V∈Oλ}\{f_\lambda^{-1}(V)\mid\lambda\in\Lambda,\ V\in\mathcal O_\lambda\}はXXの位相の準開基である。

証明.定理 1.6によりffは連続である。積位相は定義 1.1により射影の族(πλ)λ∈Λ(\pi_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}による始位相であるから、§E2.12 命題 3.7をffに適用すると、ffによるXXの始位相は族(πλ∘f)λ∈Λ=(fλ)λ∈Λ(\pi_\lambda\circ f)_{\lambda\in\Lambda}=(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}による始位相に一致する。ゆえに§E2.12 補題 6.11と§E2.12 補題 3.6をffに適用して(1)⇔\Leftrightarrow(2)を得る。(2)⇔\Leftrightarrow(3)は始位相の定義から明らかである。▨

補題 6.6.XXを位相空間、((Yλ,Oλ))λ∈Λ((Y_\lambda,\mathcal O_\lambda))_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、(fλ ⁣:X→Yλ)λ∈Λ(f_\lambda\colon X\to Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を連続写像の族とし、f ⁣:X→∏λ∈ΛYλf\colon X\to \prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaをこの族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}の対角写像とする。このとき、族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}が点と閉集合を分離するための必要十分条件は、B:={fλ−1(V)∣λ∈Λ, V∈Oλ}\mathcal{B}:= \{f_\lambda^{-1}(V)\mid\lambda\in\Lambda,\ V\in\mathcal O_\lambda\}がXXの位相の開基であることである。

証明. 必要性を示す。x∈Xx\in Xと開集合x∈U⊂Xx\in U\subset Xを任意にとれば、族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}が点と閉集合を分離することから、あるλ∈Λ\lambda\in\Lambdaが存在してfλ(x)∉fλ(X∖U)‾f_\lambda(x)\not\in \overline{f_\lambda(X\setminus U)}が成り立つ。V:=Yλ∖fλ(X∖U)‾V:= Y_\lambda\setminus \overline{f_\lambda(X\setminus U)}とおけばこれはYλY_\lambdaの開集合であり、fλ−1(V)∈Bf_\lambda^{-1}(V)\in \mathcal{B}であって、さらにx∈fλ−1(V)⊂Ux\in f_\lambda^{-1}(V)\subset Uを満たすので、よってB\mathcal{B}はXXの開基である。

十分性を示す。点x∈Xx\in Xと閉集合F⊂XF\subset Xをとり、x∉Fx\not\in Fと仮定する。このとき、x∈X∖F⊂Xx\in X\setminus F\subset Xはxxの開近傍であるため、B\mathcal{B}がXXの位相を生成することから、あるλ∈Λ\lambda\in \Lambdaと開集合V⊂YλV\subset Y_\lambdaが存在してx∈fλ−1(V)⊂X∖Fx\in f_{\lambda}^{-1}(V)\subset X\setminus Fが成り立つ。このとき、Yλ∖V⊂YλY_\lambda\setminus V\subset Y_\lambdaは閉なので、fλ(x)∈Vf_\lambda(x)\in Vかつfλ(F)‾⊂Yλ∖V\overline{f_\lambda(F)}\subset Y_\lambda\setminus Vが成り立ち、特にfλ(x)∉fλ(F)‾f_\lambda(x)\not\in \overline{f_\lambda(F)}である。▨

系 6.7.XXを位相空間、((Yλ,Oλ))λ∈Λ((Y_\lambda,\mathcal O_\lambda))_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、(fλ ⁣:X→Yλ)λ∈Λ(f_\lambda\colon X\to Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を連続写像の族とし、f ⁣:X→∏λ∈ΛYλf\colon X\to \prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaをこの族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}の対角写像とする。族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}が点を分離し、かつ点と閉集合を分離するならば、対角写像ffは位相的埋め込みである。

証明.補題 6.5と補題 6.6より明らかである。▨

例 6.8.系 6.7の仮定から点と閉集合を分離することを外すと、結論は成り立たない。§E2.12 例 5.14の二つの位相をとり、Λ={1}\Lambda=\{1\}、X=(R,Od)X=(\R,\mathcal O_{\mathrm d})、Y1=(R,Ou)Y_1=(\R,\mathcal O_{\mathrm u})とし、f1 ⁣:X→Y1f_1\colon X\to Y_1を恒等写像とする。§E2.12 命題 5.7 (1)によりf1f_1は連続であり、f1f_1は単射であるから、族(f1)(f_1)は点を分離する。

この族は点と閉集合を分離しない。実際、F=R∖{0}F=\R\setminus\{0\}は離散空間XXの閉集合であり0∉F0\notin Fである。VVをY1Y_1における00の任意の近傍とすると、§E2.11 定義 6.1により0∈U⊆V0\in U\subseteq Vを満たすOu\mathcal O_{\mathrm u}の元UUが存在し、§E2.2 定義 1.1によりB(0,ε)⊆UB(0,\varepsilon)\subseteq Uを満たすε>0\varepsilon>0が存在する。ε/2\varepsilon/2はB(0,ε)B(0,\varepsilon)とFFの両方に属するからV∩F≠∅V\cap F\neq\emptysetである。したがって§E2.11 命題 7.2 (2)によりf1(0)=0f_1(0)=0はf1(F)‾\overline{f_1(F)}に属する。Λ\Lambdaの元は11だけであるから、この族は点と閉集合を分離しない。

対角写像f ⁣:X→∏λ∈ΛYλf\colon X\to\prod_{\lambda\in\Lambda}Y_\lambdaは連続な単射である。連続性はπ1∘f=f1\pi_1\circ f=f_1の連続性と定理 1.6から従い、単射性はf1f_1の単射性から従う。終域を像へ制限した写像f′ ⁣:X→f(X)f'\colon X\to f(X)は、§E2.12 定理 4.4 (3)により連続であり、ffの単射性から全単射である。

U={0}U=\{0\}はOd\mathcal O_{\mathrm d}の元であるが、f′(U)={f(0)}f'(U)=\{f(0)\}はf(X)f(X)の開集合でない。実際、{f(0)}\{f(0)\}がf(X)f(X)の開集合であるとする。Λ={1}\Lambda=\{1\}であるから命題 1.3の開基の元はU1∈OuU_1\in\mathcal O_{\mathrm u}によるπ1−1(U1)\pi_1^{-1}(U_1)の形に書くことができ(F=∅F=\emptysetの場合はU1=Y1U_1=Y_1とする)、§E2.13 命題 3.2と§E2.13 命題 1.2により、f(0)∈π1−1(U1)∩f(X)⊆{f(0)}f(0)\in\pi_1^{-1}(U_1)\cap f(X)\subseteq\{f(0)\}を満たすU1∈OuU_1\in\mathcal O_{\mathrm u}が存在する。π1(f(0))=0∈U1\pi_1(f(0))=0\in U_1であるから、§E2.2 定義 1.1によりB(0,ε)⊆U1B(0,\varepsilon)\subseteq U_1を満たすε>0\varepsilon>0が存在し、π1(f(ε/2))=ε/2∈U1\pi_1(f(\varepsilon/2))=\varepsilon/2\in U_1からf(ε/2)∈π1−1(U1)∩f(X)f(\varepsilon/2)\in\pi_1^{-1}(U_1)\cap f(X)である。一方ffの単射性からf(ε/2)≠f(0)f(\varepsilon/2)\neq f(0)であり、上の包含に反する。したがってf′f'は開写像でなく、§E2.12 命題 6.3により同相写像でない。ゆえにffは位相的埋め込みでない。

注意 6.9. 点を分離するという仮定は、点と閉集合を分離するという仮定から従うことがある。分離公理を扱う後続の記事が、その条件を満たす空間のクラスを定め、系 6.7を条件一つで適用することができることを述べる。

7 離散な添字集合上の写像空間

補題 7.1.(X,OX)(X,\mathcal O_X)を位相空間、SSを離散位相を備えた集合とし、直積X×SX\times Sに積位相を入れる。二つの射影をpr⁡X ⁣:X×S→X\operatorname{pr}_X\colon X\times S\to X、pr⁡S ⁣:X×S→S\operatorname{pr}_S\colon X\times S\to Sと書く。各s∈Ss\in Sに対してjs ⁣:X→X×Sj_s\colon X\to X\times Sをjs(x)=(x,s)j_s(x)=(x,s)で定める。このときX×SX\times Sの積位相は、族(js)s∈S(j_s)_{s\in S}による終位相に一致する。

証明.s∈Ss\in Sを固定する。pr⁡X∘js\operatorname{pr}_X\circ j_sはXXの恒等写像であり連続である。pr⁡S∘js\operatorname{pr}_S\circ j_sは値ssをとる定値写像であるから、§E2.12 例 1.12により連続である。したがって§E2.12 定理 3.4を定義 1.9の始位相へ適用すると、jsj_sは積位相に関して連続である。これがすべてのssについて成り立つので、§E2.12 命題 3.9 (2)により積位相は終位相に含まれる。

W⊆X×SW\subseteq X\times Sがすべてのs∈Ss\in Sについてjs−1(W)∈OXj_s^{-1}(W)\in\mathcal O_Xを満たすとする。(x,s)∈W(x,s)\in Wであることとx∈js−1(W)x\in j_s^{-1}(W)であることは同値であるから

W=⋃s∈S(js−1(W)×{s})W=\bigcup_{s\in S}\bigl(j_s^{-1}(W)\times\{s\}\bigr)

である。SSは離散空間であるから{s}\{s\}はSSの開集合であり、

js−1(W)×{s}=pr⁡X−1(js−1(W))∩pr⁡S−1({s})j_s^{-1}(W)\times\{s\}=\operatorname{pr}_X^{-1}\bigl(j_s^{-1}(W)\bigr)\cap\operatorname{pr}_S^{-1}(\{s\})

である。§E2.12 命題 3.3 (1)により右辺の二つの逆像はともに積位相の開集合であるから、その共通部分も積位相の開集合であり、その和集合であるWWも積位相の開集合である。したがって終位相は積位相に含まれる。以上により二つの位相は一致する。▨

補題 7.2.XX、ZZを位相空間、SSを離散位相を備えた集合とし、X×SX\times Sと(X×S)×Z(X\times S)\times Zにそれぞれ積位相を入れる。各s∈Ss\in Sに対してιs ⁣:X×Z→(X×S)×Z\iota_s\colon X\times Z\to(X\times S)\times Zをιs(x,z)=((x,s),z)\iota_s(x,z)=((x,s),z)で定める。このとき各ιs\iota_sは連続であり、W⊆(X×S)×ZW\subseteq(X\times S)\times Zについて、WWが(X×S)×Z(X\times S)\times Zの開集合であることと、すべてのs∈Ss\in Sに対してιs−1(W)\iota_s^{-1}(W)がX×ZX\times Zの開集合であることは同値である。

証明.UUをXXの開集合、OOをZZの開集合、s′∈Ss'\in Sとする。SSは離散空間であるから{s′}\{s'\}はSSの開集合であり、補題 1.11によりU×{s′}U\times\{s'\}はX×SX\times Sの開集合、(U×{s′})×O(U\times\{s'\})\times Oは(X×S)×Z(X\times S)\times Zの開集合である。PPをX×SX\times Sの開集合とすると、補題 1.11と§E2.13 定義 1.1によりPPはU×VU\times Vの形の集合からなる族の和集合であり、U×V=⋃s′∈V(U×{s′})U\times V=\bigcup_{s'\in V}(U\times\{s'\})であるから、P×OP\times Oは(U×{s′})×O(U\times\{s'\})\times Oの形の集合の和集合である。(X×S)×Z(X\times S)\times Zの開集合WWとw∈Ww\in Wをとる。ふたたび補題 1.11により、w∈P×O⊆Ww\in P\times O\subseteq Wを満たすX×SX\times Sの開集合PPとZZの開集合OOが存在する。いま見たとおりP×OP\times Oは(U×{s′})×O(U\times\{s'\})\times Oの形の集合の和集合であるから、そのうちwwを含むものがとれ、それはP×O⊆WP\times O\subseteq Wに含まれる。ゆえに§E2.13 命題 1.2により、(U×{s′})×O(U\times\{s'\})\times Oの形の集合の全体は(X×S)×Z(X\times S)\times Zの積位相の開基である。

s∈Ss\in Sを固定する。ιs−1((U×{s′})×O)\iota_s^{-1}\bigl((U\times\{s'\})\times O\bigr)は、s′=ss'=sのときU×OU\times Oであり、s′≠ss'\neq sのとき∅\emptysetであるから、いずれの場合にも補題 1.11によりX×ZX\times Zの開集合である。ゆえに§E2.13 命題 2.5 (1)によりιs\iota_sは連続である。とくにWWが(X×S)×Z(X\times S)\times Zの開集合ならば、すべてのs∈Ss\in Sについてιs−1(W)\iota_s^{-1}(W)はX×ZX\times Zの開集合である。

逆に、すべてのs∈Ss\in Sについてιs−1(W)\iota_s^{-1}(W)がX×ZX\times Zの開集合であるとし、((x,s),z)∈W((x,s),z)\in Wをとる。(x,z)∈ιs−1(W)(x,z)\in\iota_s^{-1}(W)であるから、補題 1.11により(x,z)∈U×O⊆ιs−1(W)(x,z)\in U\times O\subseteq\iota_s^{-1}(W)を満たすXXの開集合UUとZZの開集合OOが存在する。(U×{s})×O(U\times\{s\})\times Oは((x,s),z)((x,s),z)を含む(X×S)×Z(X\times S)\times Zの開集合であり、その元((x′,s),z′)((x',s),z')は(x′,z′)∈U×O⊆ιs−1(W)(x',z')\in U\times O\subseteq\iota_s^{-1}(W)を満たすからWWに属する。ゆえに§E2.11 補題 2.6によりWWは(X×S)×Z(X\times S)\times Zの開集合である。▨

定理 7.3.SSを離散位相を備えた集合、XXとZZを位相空間とする。直積ZS=∏s∈SZZ^S=\prod_{s\in S}Zと直積X×SX\times Sには、それぞれ積位相を入れる。写像F ⁣:X→ZSF\colon X\to Z^Sに対してF^ ⁣:X×S→Z\widehat F\colon X\times S\to Zを

F^(x,s)=πs(F(x))\widehat F(x,s)=\pi_s(F(x))

で定める。このときF↦F^F\mapsto\widehat Fは、XXからZSZ^Sへの写像の全体からX×SX\times SからZZへの写像の全体への全単射であり、FFが連続であることとF^\widehat Fが連続であることは同値である。とくに、評価写像ev⁡ ⁣:ZS×S→Z\operatorname{ev}\colon Z^S\times S\to Z、ev⁡(φ,s)=πs(φ)\operatorname{ev}(\varphi,s)=\pi_s(\varphi)は連続である。

証明. 写像G ⁣:X×S→ZG\colon X\times S\to Zに対してF(x)=(G(x,s))s∈S∈ZSF(x)=(G(x,s))_{s\in S}\in Z^Sと定めるとF^=G\widehat F=Gであり、πs(F(x))=F^(x,s)\pi_s(F(x))=\widehat F(x,s)がFFをF^\widehat Fから一意に定める。したがってF↦F^F\mapsto\widehat Fは全単射である。

各s∈Ss\in Sに対してjs ⁣:X→X×Sj_s\colon X\to X\times Sをjs(x)=(x,s)j_s(x)=(x,s)で定めると、x∈Xx\in Xに対して(F^∘js)(x)=F^(x,s)=πs(F(x))(\widehat F\circ j_s)(x)=\widehat F(x,s)=\pi_s(F(x))であるからF^∘js=πs∘F\widehat F\circ j_s=\pi_s\circ Fである。定理 1.6により、FFが連続であることとすべてのπs∘F\pi_s\circ Fが連続であることは同値である。補題 7.1によりX×SX\times Sの積位相は族(js)s∈S(j_s)_{s\in S}による終位相であるから、§E2.12 定理 3.10により、F^\widehat Fが連続であることとすべてのF^∘js\widehat F\circ j_sが連続であることは同値である。二つの同値の右側は同じ条件であるから、FFが連続であることとF^\widehat Fが連続であることは同値である。

評価写像について、X=ZSX=Z^SとしFFを恒等写像とするとF^=ev⁡\widehat F=\operatorname{ev}である。恒等写像は連続であるから、示した同値によりev⁡\operatorname{ev}は連続である。▨

注意 7.4.定理 7.3は添字集合SSが離散であることを本質的に用いている。SSを離散とは限らない位相空間YYに置き換え、YYからZZへの連続写像の全体を考える場合には、積位相とは別の位相を定める必要がある。この位相と、それが与える対応は後続の記事が扱う。

8 Hilbert 立方体

定義 8.1. 直積空間[0,1]N≥0[0,1]^{\N}を Hilbert 立方体 (Hilbert cube) という。

命題 8.2. 点x,y∈[0,1]N≥0x,y\in [0,1]^{\N}の第kk座標をxk,ykx_k,y_kと書き、

D(x,y)=sup⁡k∈N≥0∣xk−yk∣k+1D(x,y)=\sup_{k\in\N}\frac{|x_k-y_k|}{k+1}

と定める。このとき、次が成り立つ:

  1. DDは[0,1]N≥0[0,1]^{\N}の上の距離であり、DDが生成する位相は[0,1]N≥0[0,1]^{\N}の積位相に一致する。とくに[0,1]N≥0[0,1]^{\N}は距離化可能である。
  2. DDは完備である。
  3. 同相([0,1]N≥0)N≥0≅[0,1]N≥0([0,1]^{\N})^{\N}\cong [0,1]^{\N}が存在する。

証明.(1)を示す。各k∈N≥0k\in\Nについて、[0,1][0,1]にR\Rの通常の距離の制限dkd_kを入れる。s,t∈[0,1]s,t\in[0,1]に対して∣s−t∣≤1|s-t|\leq1であるから、dkd_kを11で切り詰めた距離はdkd_k自身であり、距離空間の列([0,1],dk)k∈N≥0([0,1], d_k)_{k\in\N}に対して添え字をずらして§E2.10 定理 4.1を適用することで定まる距離はDDである。ゆえに§E2.10 定理 4.1 (1)によりDDは[0,1]N≥0[0,1]^{\N}の上の距離であり、命題 3.1によりDDが生成する位相は[0,1]N≥0[0,1]^{\N}の積位相に一致する。

(2)を示す。(xn=(xn,k)k∈N≥0)n∈N≥0(x_n = (x_{n,k})_{k\in \N})_{n\in \N}を[0,1]N≥0[0,1]^{\N}のDDに関する Cauchy 列とする。任意のk∈N≥0k\in\Nと任意のε>0\ep > 0に対し、あるNk∈N≥0N_k\in \Nが存在して、任意のa,b≥Nka,b\geq N_kに対してD(xa,xb)<ε/(k+1)D(x_a, x_b) < \ep/(k+1)が成り立つ。このとき、∣xa,k−xb,k∣≤(k+1)⋅D(xa,xb)<ε|x_{a,k} - x_{b,k}| \leq (k+1)\cdot D(x_a, x_b) < \epであるから、(xn,k)n∈N≥0(x_{n,k})_{n\in \N}は[0,1][0,1]の Cauchy 列であり、[0,1][0,1]は完備距離空間R\R(距離は通常の距離を考える)の有界閉区間なので完備であり、よってある値x∞,kx_{\infty,k}へ収束する。x∞:=(x∞,k)k∈N≥0x_\infty := (x_{\infty,k})_{k\in\N}とすれば、xn→x∞,(n→∞)x_n\to x_{\infty}, (n\to\infty)であるから、[0,1]N≥0[0,1]^{\N}は完備である。

(3)は全単射N≥0→N≥0×N≥0\N\to\N\times \Nをとって座標を入れ替えることでただちに従う。▨

9 演習

問題 9.1.命題 5.4の証明を完成させよ。

解答.

P=∏i∈IXiP=\prod_{i\in I}X_iとおき、DDをPPの高々可算な稠密部分集合とする。各XiX_iは空でないからP≠∅P\ne\emptysetであり、D‾=P≠∅\tpcl{D}=P\ne\emptysetであるからD≠∅D\ne\emptysetである。点q∈Pq\in Pを一つとる。

j∈Ij\in Iを固定する。§E1.18 定理 3.3により全射N≥0→D\N\to Dが存在し、これとπj\pi_jの合成は全射N≥0→πj(D)\N\to\pi_j(D)であるから、同じ定理によりπj(D)\pi_j(D)は高々可算である。

UUをXjX_jの空でない開集合とし、u∈Uu\in Uをとる。qqの第jj座標をuuに取り替えた点はπj−1(U)\pi_j^{-1}(U)に属するからπj−1(U)≠∅\pi_j^{-1}(U)\ne\emptysetであり、定義 1.1によりπj−1(U)\pi_j^{-1}(U)はPPの開集合である。ゆえに§E2.11 命題 2.9 (2)によりd∈D∩πj−1(U)d\in D\cap\pi_j^{-1}(U)が存在し、πj(d)∈πj(D)∩U\pi_j(d)\in\pi_j(D)\cap Uである。

以上によりπj(D)\pi_j(D)はXjX_jの空でない任意の開集合と交わるから、§E2.11 命題 2.9 (2)によりπj(D)\pi_j(D)はXjX_jで稠密である。πj(D)\pi_j(D)は高々可算であるから、XjX_jは可分である。▨

問題 9.2.系 5.3の有限積の場合を、定理 5.2を用いずに証明せよ。

解答.

有限集合FFを添字集合とする可分空間族(Xi)i∈F(X_i)_{i\in F}をとる。空の因子があれば直積も空であり可分である。すべての因子が空でないとき、各XiX_iの高々可算な稠密部分集合DiD_iを選ぶ。§E1.18 定理 5.2 (1)により∏i∈FDi\prod_{i\in F}D_iは高々可算であり、補題 1.12により∏i∈FXi\prod_{i\in F}X_iで稠密である。空積の場合も一点空間なので可分である。▨

問題 9.3. 位相空間X1X_1、X2X_2、Y1Y_1、Y2Y_2と写像fi ⁣:Xi→Yif_i\colon X_i\to Y_i(i=1,2)(i=1,2)について、X1X_1とX2X_2はともに空でないとする。系 1.19の記号のもとで、f1×f2f_1\times f_2が開写像ならばf1f_1とf2f_2はともに開写像であることを示せ。

解答.

添字の対称性によりf1f_1が開写像であることを示せば十分である。UUをX1X_1の開集合とする。U=∅U=\emptysetならばf1(U)=∅f_1(U)=\emptysetはY1Y_1の開集合である。以下ではU≠∅U\neq\emptysetとする。

X2X_2はX2X_2の開集合であるから、補題 1.11によりU×X2U\times X_2はX1×X2X_1\times X_2の開集合であり、仮定によりその像はY1×Y2Y_1\times Y_2の開集合である。(f1×f2)(U×X2)=f1(U)×f2(X2)(f_1\times f_2)(U\times X_2)=f_1(U)\times f_2(X_2)が成り立つ。実際、(x1,x2)∈U×X2(x_1,x_2)\in U\times X_2の像は(f1(x1),f2(x2))(f_1(x_1),f_2(x_2))であり、逆にy1=f1(x1)y_1=f_1(x_1)、y2=f2(x2)y_2=f_2(x_2)を満たすx1∈Ux_1\in Uとx2∈X2x_2\in X_2をとれば(y1,y2)(y_1,y_2)は(x1,x2)∈U×X2(x_1,x_2)\in U\times X_2の像である。

X2X_2は空でないからf2(X2)f_2(X_2)は空でなく、w∈f2(X2)w\in f_2(X_2)をとる。y∈f1(U)y\in f_1(U)に対して(y,w)∈f1(U)×f2(X2)(y,w)\in f_1(U)\times f_2(X_2)であるから、補題 1.11と§E2.13 命題 1.2により、y∈Vy\in V、w∈Ww\in WかつV×W⊆f1(U)×f2(X2)V\times W\subseteq f_1(U)\times f_2(X_2)を満たすY1Y_1の開集合VVとY2Y_2の開集合WWが存在する。v∈Vv\in Vに対して(v,w)∈V×W(v,w)\in V\times Wであるからv∈f1(U)v\in f_1(U)であり、V⊆f1(U)V\subseteq f_1(U)である。yyは任意であったから、§E2.11 補題 2.6によりf1(U)f_1(U)はY1Y_1の開集合である。▨

問題 9.4.定義 1.1の射影πμ ⁣:X→Xμ\pi_\mu\colon X\to X_\muが開写像であることを示せ。すなわち、XXの任意の開集合WWに対してπμ(W)\pi_\mu(W)がXμX_\muの開集合であることを示せ。

解答.

命題 1.3により、WWは開基の元からなる集合族の和集合である。像は和集合を保つ(§E1.2 定理 4.2)から、各開基の元B=⋂λ∈Fπλ−1(Uλ)B=\bigcap_{\lambda\in F}\pi_\lambda^{-1}(U_\lambda)の像が開集合であればπμ(W)\pi_\mu(W)も開集合である。B=∅B=\emptysetならば像も空集合である。B≠∅B\neq\emptysetとし、μ∈F\mu\in FならばV=UμV=U_\mu、μ∉F\mu\notin FならばV=XμV=X_\muとおく。VVは開集合であり、πμ(B)⊆V\pi_\mu(B)\subseteq Vである。b∈Bb\in Bを固定し、y∈Vy\in Vに対してbbの第μ\mu座標だけをyyに置き換えた点をb′b'とすると、b′∈Bb'\in Bかつπμ(b′)=y\pi_\mu(b')=yである。よってπμ(B)=V\pi_\mu(B)=Vであり、πμ(W)\pi_\mu(W)は開集合である。▨

問題 9.5.RN≥1\R^{\NN}の点列(x(m))m≥1(x^{(m)})_{m\geq1}を

xn(m)={0(n≤m),1(n>m)x_n^{(m)}= \begin{cases} 0 & (n\leq m),\\ 1 & (n>m) \end{cases}

で定める。この点列は§E2.13 定義 7.1に従って積位相について全零点へ収束するが、箱位相については全零点へ収束しないことを示せ。

解答.

VVを積位相における全零点の近傍とする。§E2.11 定義 6.1により、全零点を含みVVに含まれる開集合OOが存在する。命題 1.3と§E2.13 命題 1.2により、全零点を含みOOに含まれる開基の元B=⋂n∈Fπn−1(Un)B=\bigcap_{n\in F}\pi_n^{-1}(U_n)が存在する。F=∅F=\emptysetならばM=1M=1とし、F≠∅F\neq\emptysetならばM=max⁡FM=\max Fとする。m≥Mm\geq MならばFFのすべての座標nnについてn≤mn\leq mでありxn(m)=0∈Unx^{(m)}_n=0\in U_nであるから、x(m)∈B⊆Vx^{(m)}\in B\subseteq Vである。したがって(x(m))(x^{(m)})は積位相で全零点へ収束する。

一方、U=∏n≥1(−1/2,1/2)U=\prod_{n\geq1}(-1/2,1/2)は箱位相における全零点の近傍である。すべてのmmについてxm+1(m)=1x_{m+1}^{(m)}=1であるからx(m)∉Ux^{(m)}\notin Uである。よって(x(m))(x^{(m)})は箱位相で全零点へ収束しない。▨

問題 9.6.ZZを位相空間とし、各λ∈Λ\lambda\in\Lambdaに対して連続写像fλ ⁣:Z→Xλf_\lambda\colon Z\to X_\lambdaが与えられているとする。すべてのλ\lambdaに対してπλ∘f=fλ\pi_\lambda\circ f=f_\lambdaを満たす連続写像

f ⁣:Z⟶∏λ∈ΛXλf\colon Z\longrightarrow\prod_{\lambda\in\Lambda}X_\lambda

が一意に存在することを示せ。直積には積位相を入れる。

解答.

z∈Zz\in Zに対してf(z)=(fλ(z))λ∈Λf(z)=(f_\lambda(z))_{\lambda\in\Lambda}と定める。各λ\lambdaについてπλ∘f=fλ\pi_\lambda\circ f=f_\lambdaは連続であるから、定理 1.6によりffは連続である。

g ⁣:Z→∏λXλg\colon Z\to\prod_\lambda X_\lambdaも同じ等式を満たすとする。任意のz∈Zz\in Zとすべてのλ∈Λ\lambda\in\Lambdaに対して

πλ(g(z))=fλ(z)=πλ(f(z))\pi_\lambda(g(z))=f_\lambda(z)=\pi_\lambda(f(z))

であるから、g(z)g(z)とf(z)f(z)はすべての座標で一致する。したがってg=fg=fである。▨

問題 9.7.補題 6.2を証明せよ。すなわち、XXを位相空間、((Yλ,Oλ))λ∈Λ((Y_\lambda,\mathcal O_\lambda))_{\lambda\in\Lambda}を位相空間の族、(fλ ⁣:X→Yλ)λ∈Λ(f_\lambda\colon X\to Y_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を連続写像の族、Λ0⊆Λ\Lambda_0\subseteq\Lambdaを部分集合とするとき、部分族(fλ)λ∈Λ0(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda_0}が点を分離するならば族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}も点を分離し、部分族(fλ)λ∈Λ0(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda_0}が点と閉集合を分離するならば族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}も点と閉集合を分離することを示せ。

解答.

補題 6.2 (1)を示す。相異なるx,x′∈Xx,x'\in Xをとる。部分族(fλ)λ∈Λ0(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda_0}が点を分離するから、fλ(x)≠fλ(x′)f_\lambda(x)\neq f_\lambda(x')を満たすλ∈Λ0\lambda\in\Lambda_0が存在する。Λ0⊆Λ\Lambda_0\subseteq\Lambdaであるからλ∈Λ\lambda\in\Lambdaであり、定義 6.1 (1)により族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}は点を分離する。

補題 6.2 (2)を示す。FFをXXの閉集合、x∈X∖Fx\in X\setminus Fとする。部分族(fλ)λ∈Λ0(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda_0}が点と閉集合を分離するから、fλ(x)∉fλ(F)‾f_\lambda(x)\notin\overline{f_\lambda(F)}を満たすλ∈Λ0\lambda\in\Lambda_0が存在する。Λ0⊆Λ\Lambda_0\subseteq\Lambdaであるからλ∈Λ\lambda\in\Lambdaであり、定義 6.1 (2)により族(fλ)λ∈Λ(f_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}は点と閉集合を分離する。▨

問題 9.8.命題 8.2 (1)の記号のもとで、Hilbert 立方体HHの点x,yx,yに対して

D∞(x,y)=sup⁡k∈N≥0∣xk−yk∣D_\infty(x,y)=\sup_{k\in\N}|x_k-y_k|

と定める。D∞D_\inftyはHHの上の距離であるが、D∞D_\inftyが生成する位相はHHの積位相に一致しないことを示せ。

解答.

x,y∈Hx,y\in Hに対して、実数の集合{∣xk−yk∣∣k∈N≥0}\{|x_k-y_k|\mid k\in\N\}は空でなく11を上界にもつからD∞(x,y)D_\infty(x,y)が定まり、その値は非負である。D∞(x,y)=0D_\infty(x,y)=0とすると、すべてのkkについて∣xk−yk∣=0|x_k-y_k|=0であるからx=yx=yであり、逆にx=yx=yならばD∞(x,y)=0D_\infty(x,y)=0である。∣xk−yk∣=∣yk−xk∣|x_k-y_k|=|y_k-x_k|からD∞(x,y)=D∞(y,x)D_\infty(x,y)=D_\infty(y,x)が従う。x,y,z∈Hx,y,z\in Hとk∈N≥0k\in\Nに対して

∣xk−zk∣≤∣xk−yk∣+∣yk−zk∣≤D∞(x,y)+D∞(y,z)|x_k-z_k|\leq|x_k-y_k|+|y_k-z_k|\leq D_\infty(x,y)+D_\infty(y,z)

であり、右辺はkkによらないから、左辺のkkについての上限をとってD∞(x,z)≤D∞(x,y)+D∞(y,z)D_\infty(x,z)\leq D_\infty(x,y)+D_\infty(y,z)を得る。ゆえにD∞D_\inftyはHHの上の距離である。

すべての座標が00である点をo∈Ho\in Hと書く。BD∞(o,1/2)B_{D_\infty}(o,1/2)が積位相の開集合であると仮定する。o∈BD∞(o,1/2)o\in B_{D_\infty}(o,1/2)であるから、第kk成分への射影をπk\pi_kと書くと、命題 1.3と§E2.13 命題 1.2により、有限集合F⊆N≥0F\subseteq\Nと[0,1][0,1]の開集合UkU_k(k∈F)(k\in F)であって

o∈⋂k∈Fπk−1(Uk)⊆BD∞(o,1/2)o\in\bigcap_{k\in F}\pi_k^{-1}(U_k)\subseteq B_{D_\infty}(o,1/2)

を満たすものが存在する。FFは有限であるからm∉Fm\notin Fを満たすm∈N≥0m\in\Nをとることができる。第mm座標が11であり他のすべての座標が00である点をy∈Hy\in Hとすると、k∈Fk\in Fについてyk=0∈Uky_k=0\in U_kであるからy∈⋂k∈Fπk−1(Uk)y\in\bigcap_{k\in F}\pi_k^{-1}(U_k)である。一方D∞(o,y)=1D_\infty(o,y)=1であるからy∉BD∞(o,1/2)y\notin B_{D_\infty}(o,1/2)である。この二つは両立しないから、BD∞(o,1/2)B_{D_\infty}(o,1/2)は積位相の開集合でない。§E2.2 補題 1.2によりBD∞(o,1/2)B_{D_\infty}(o,1/2)はD∞D_\inftyが生成する位相の開集合であるから、二つの位相は一致しない。▨

参考文献

  1. Ryszard Engelking, General Topology, revised and completed ed., Sigma Series in Pure Mathematics 6, Heldermann Verlag, Berlin, 1989.可分空間の直積の可分性と、可分であるための添字集合の濃度の限界を参考にした。
  2. 松坂和夫『集合・位相入門』新装版, 岩波書店, 2018.積位相の基本性質と標準的な例を参考にした。
  3. James R. Munkres, Topology, 2nd ed., Prentice Hall, 2000.積位相と箱位相の比較、および積空間の基本性質を参考にした。
  4. Stephen Willard, General Topology, Dover Publications, 2004, originally published 1970.始位相による積位相の構成と、対角写像による埋め込みの判定を参考にした。

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