Baireの性質(property of Baire)とは、位相空間の部分集合が、ある開集合との対称差が痩せた集合(疎な集合の可算和)になる、すなわち痩せた違いを除いて開集合と一致するという性質である。この性質をもつ集合全体は、開集合と痩せた集合から生成される $\sigma$-代数をなし、すべての Borel 集合を含む。選択公理のもとでは、$\mathbb{R}$ を有理数の差で割った各同値類から 1 点ずつ選んだ Vitali 集合がこの性質をもたない。Lebesgue 可測性と並ぶ実数の集合の規則性であり、解析集合はすべてこの性質をもつ一方、射影集合全体や全実数集合がもつかどうかは、射影決定性や決定性公理などの集合論の仮定によって決まる。
前提知識: 位相空間, 閉包, Baireのカテゴリー定理
位相空間の部分集合が Baire の性質(property of Baire)をもつとは、ある開集合と「位相的に無視できる集合」の違いしかないことをいう。ここで無視できる集合とは、測度 $0$ の集合ではなく、痩せた集合(meagre set、第一類集合)である。Baire の性質は、Lebesgue 可測性と並ぶ実数の集合の「規則性」の代表であり、Borel 集合はすべてこの性質をもつ。一方、選択公理を使うとこの性質をもたない実数の集合が作れる。本記事では、定義、Baire の性質をもつ集合が $\sigma$-代数をなすこと、選択公理のもとでの反例を証明し、記述集合論での位置づけを述べる。
以下、$X$ を位相空間とし、$\overline A$ を $A$ の閉包、$\operatorname{int}A$ を内部とする。
$N\subseteq X$ が疎(nowhere dense)であるとは、$\operatorname{int}\overline N=\emptyset$ となることをいう。$M\subseteq X$ が痩せた集合であるとは、疎な集合の列 $N_0,N_1,\ldots$ によって $M=\bigcup_nN_n$ と表せることをいう。痩せた集合でない集合を痩せていないという。
これは Baireのカテゴリー定理の記事の「第1類集合」と同じものである。疎な集合の部分集合は疎であり、したがって痩せた集合の部分集合は痩せている。また痩せた集合の可算和は痩せている(疎な集合の可算個の列の可算個を並べ直せば、疎な集合の 1 つの列になる)。
$U\subseteq X$ が開集合なら $\overline U\setminus U$ は疎である。$F\subseteq X$ が閉集合なら $F\setminus\operatorname{int}F$ は疎である。
$B:=\overline U\setminus U=\overline U\cap(X\setminus U)$ は閉集合の共通部分なので閉集合であり、$\overline B=B$ である。開集合 $W\subseteq B$ をとる。$W\subseteq\overline U$ なので、$W\neq\emptyset$ なら $W$ は $U$ と交わる(閉包の点のどの開近傍も $U$ と交わる)。しかし $W\subseteq X\setminus U$ だから $W\cap U=\emptyset$ であり、$W=\emptyset$ となる。よって $\operatorname{int}B=\emptyset$。
後半は、$U:=X\setminus F$ が開集合で、$F\setminus\operatorname{int}F=\overline U\setminus U$ となることから従う($X\setminus\operatorname{int}F=\overline{X\setminus F}$ を使う)。$\square$
集合 $A,B$ の対称差を $A\mathbin\triangle B:=(A\setminus B)\cup(B\setminus A)$ と書く。$A\mathbin\triangle B$ が痩せていることを「$A$ と $B$ は痩せた集合を除いて一致する」と言う。
$A\subseteq X$ が Baire の性質をもつとは、ある開集合 $U\subseteq X$ が存在して $A\mathbin\triangle U$ が痩せた集合になることをいう。
$M:=A\mathbin\triangle U$ とおけば $A=U\mathbin\triangle M$ なので、「開集合と痩せた集合の対称差として書ける集合」と言っても同じである。$U=\emptyset$ とれば、痩せた集合はすべて Baire の性質をもつ。
$A\subseteq X$ が Baire の性質をもつことと、ある閉集合 $F$ について $A\mathbin\triangle F$ が痩せていることは同値である。
対称差は結合的で $(A\mathbin\triangle B)\mathbin\triangle(B\mathbin\triangle C)=A\mathbin\triangle C$ を満たし、2 つの痩せた集合の対称差は和集合に含まれるので痩せている。開集合 $U$ について $U\mathbin\triangle\overline U=\overline U\setminus U$ はlem-bp-boundaryにより疎なので、$A\mathbin\triangle U$ が痩せていれば $A\mathbin\triangle\overline U$ も痩せている。逆に閉集合 $F$ について $F\mathbin\triangle\operatorname{int}F=F\setminus\operatorname{int}F$ は疎なので、$A\mathbin\triangle F$ が痩せていれば $A\mathbin\triangle\operatorname{int}F$ も痩せている。$\square$
$\mathbb R$ の一点集合 $\{q\}$ は閉集合で内部が空なので疎である。$\mathbb Q$ は可算個の一点集合の和なので痩せており、$U=\emptyset$ として Baire の性質をもつ。無理数全体 $\mathbb R\setminus\mathbb Q$ は、$U=\mathbb R$ とすると対称差が $\mathbb Q$ なので Baire の性質をもつ。
$\mathbb Q$ は $\mathbb R$ で稠密でありながら痩せている。稠密とはどの開区間にも点があること、痩せているとは疎な集合の可算和で覆えることなので、両立する。一方、$\mathbb R$ 自身は Baireのカテゴリー定理により痩せていない。したがって無理数全体も痩せていない(痩せていれば $\mathbb R=\mathbb Q\cup(\mathbb R\setminus\mathbb Q)$ が痩せてしまう)。
開集合 $U$ は $U\mathbin\triangle U=\emptyset$ なので Baire の性質をもつ。閉集合 $F$ は、$U:=\operatorname{int}F$ ととると $F\mathbin\triangle U=F\setminus\operatorname{int}F$ がlem-bp-boundaryにより疎なので、Baire の性質をもつ。Cantor集合 $C\subseteq[0,1]$ は閉集合で内部が空なので疎であり、それ自体が痩せた集合である。
$C$ を Cantor 集合とし、$A:=\bigl((0,1)\setminus\mathbb Q\bigr)\cup C\cup\{5\}$ とおく。$A\mathbin\triangle(0,1)\subseteq\mathbb Q\cup C\cup\{5\}$ は痩せた集合の有限和なので痩せており、$A$ は開集合 $(0,1)$ に対して Baire の性質をもつ。$A$ は開集合でも閉集合でもないが、痩せた違いを除けば開区間 $(0,1)$ と同じである。$A$ は痩せていない(痩せていれば $(0,1)\subseteq A\cup\mathbb Q$ が痩せて、下のthm-bp-vitaliの証明の段 2 と同じ理由で矛盾する)。
$X$ の部分集合で Baire の性質をもつもの全体を $\mathcal{BP}(X)$ とおく。
補集合。 $A\in\mathcal{BP}(X)$ とし、prop-bp-closedにより閉集合 $F$ で $A\mathbin\triangle F$ が痩せたものをとる。$X\setminus F$ は開集合で、
$$
(X\setminus A)\mathbin\triangle(X\setminus F)=A\mathbin\triangle F
$$
が痩せているので $X\setminus A\in\mathcal{BP}(X)$ である(補集合をとっても、2 つの集合の違う点は変わらない)。
可算和。 $A_n\in\mathcal{BP}(X)$($n<\omega$)とし、開集合 $U_n$ で $A_n\mathbin\triangle U_n$ が痩せたものをとる。$U:=\bigcup_nU_n$ は開集合で、
$$
\Bigl(\bigcup_nA_n\Bigr)\mathbin\triangle U\subseteq\bigcup_n(A_n\mathbin\triangle U_n)
$$
である。実際、左辺の点 $x$ が $\bigcup_nA_n\setminus U$ にあれば、ある $n$ で $x\in A_n$、$x\notin U_n$ であり、$\bigl(U\setminus\bigcup_nA_n\bigr)$ にあれば、ある $n$ で $x\in U_n$、$x\notin A_n$ である。右辺は痩せた集合の可算和なので痩せており、その部分集合である左辺も痩せている。$\emptyset\in\mathcal{BP}(X)$ とあわせて 1 が示された。
生成。 開集合と痩せた集合が $\mathcal{BP}(X)$ に属することは定義の直後に見た。$\Sigma$ を開集合と痩せた集合から生成される $\sigma$-代数とすると、1 により $\Sigma\subseteq\mathcal{BP}(X)$ である。逆に $A\in\mathcal{BP}(X)$ は開集合 $U$ と痩せた集合 $M$ によって
$$
A=U\mathbin\triangle M=(U\setminus M)\cup(M\setminus U)
$$
と書け、右辺は $U$、$M$ から補集合と有限個の和・共通部分で作れるので $A\in\Sigma$ である。
Borel 集合。 Borel 集合全体は開集合から生成される最小の $\sigma$-代数であり、$\mathcal{BP}(X)$ は開集合を含む $\sigma$-代数だから、Borel 集合全体を含む。$\square$
痩せた集合全体は $\sigma$-イデアル(部分集合と可算和で閉じた族)をなす。定理は、$\mathcal{BP}(X)$ が「開集合全体を、痩せた集合の $\sigma$-イデアルを法として $\sigma$-代数に広げたもの」であることを述べている。Lebesgue 可測集合が「Borel 集合を、測度 $0$ の集合を法として広げたもの」であることと対応する。
選択公理を仮定する。$\mathbb R$ の同値関係 $x\sim y\iff x-y\in\mathbb Q$ の各同値類から 1 点ずつ選んだ集合 $V$(Vitali 集合)は、Baire の性質をもたない。
$q\in\mathbb Q$ に対し $V+q:=\{v+q\mid v\in V\}$ とおく。
段 1(平行移動の性質)。 $q\ne q'$ なら $V+q$ と $V+q'$ は交わらない。実際 $v+q=v'+q'$($v,v'\in V$)なら $v-v'=q'-q\in\mathbb Q\setminus\{0\}$ なので $v\sim v'$、$v\ne v'$ となり、各同値類から 1 点しか選んでいないことに反する。また任意の $x\in\mathbb R$ はその同値類の代表 $v\in V$ と有理数だけ違うので、$\bigcup_{q\in\mathbb Q}(V+q)=\mathbb R$ である。平行移動 $x\mapsto x+q$ は同相写像なので、疎な集合・痩せた集合を疎な集合・痩せた集合に移す。
段 2($V$ は痩せていない)。 $V$ が痩せていれば、段 1 により各 $V+q$ も痩せており、$\mathbb R=\bigcup_{q\in\mathbb Q}(V+q)$ は痩せた集合の可算和として痩せる。これは Baireのカテゴリー定理に反する。実際、完備距離空間 $\mathbb R$ は Baire 空間であり、同記事の「Baire 性の言い換え」により、$\mathbb R$ の空でない開集合($\mathbb R$ 自身や開区間)は痩せていない。
段 3(矛盾)。 $V$ が Baire の性質をもつと仮定し、開集合 $U$ で $V\mathbin\triangle U$ が痩せたものをとる。$U=\emptyset$ なら $V=V\mathbin\triangle\emptyset$ が痩せて段 2 に反するので、$U$ は空でなく、開区間 $I=(a,b)\subseteq U$ を含む。このとき $I\setminus V\subseteq U\setminus V$ は痩せている。有理数 $q$ を $0< q< b-a$ となるようにとり、$J:=I\cap(I+q)=(a+q,b)$ とおく。$J$ は空でない開区間である。
$$
J\setminus V\subseteq I\setminus V,\qquad J\setminus(V+q)\subseteq(I+q)\setminus(V+q)=(I\setminus V)+q
$$
はどちらも痩せている。段 1 により $V\cap(V+q)=\emptyset$ なので、$J$ の各点は $V$ か $V+q$ の少なくとも一方の外にあり、
$$
J\subseteq\bigl(J\setminus V\bigr)\cup\bigl(J\setminus(V+q)\bigr)
$$
となる。右辺は痩せているので $J$ も痩せる。しかし段 2 で述べたとおり、$\mathbb R$ の空でない開集合 $J$ は痩せていない。矛盾である。$\square$
この証明は「$V$ が痩せていないなら、ある開区間の上で $V$ はほとんどすべての点を含む」という性質を使っている。一般に次が成り立つ。
$A\subseteq X$ が Baire の性質をもつなら、$A$ が痩せているか、または空でない開集合 $U$ で $U\setminus A$ が痩せたものが存在する。
開集合 $U$ で $A\mathbin\triangle U$ が痩せたものをとる。$U=\emptyset$ なら $A$ 自身が痩せている。$U\neq\emptyset$ なら $U\setminus A\subseteq A\mathbin\triangle U$ は痩せている。$\square$
| 外す条件 | 反例 | 成り立たなくなること |
|---|---|---|
| 和集合が可算個 | Vitali 集合 $V=\bigcup_{v\in V}\{v\}$($2^{\aleph_0}$ 個の一点集合の和、thm-bp-vitali) | Baire の性質をもつ集合の和が Baire の性質をもつ |
| Borel 集合であること(主定理 3 の逆) | Borel でない Cantor 集合の部分集合 | 「Baire の性質をもつなら Borel」 |
| 空間が痩せていない | $X=\mathbb Q$(相対位相) | Baire の性質が集合を区別すること(すべての部分集合がもつ) |
1 行目:一点集合は疎なので Baire の性質をもつが、その非可算和である $V$ はもたない。主定理が可算和に限ることは外せない。
2 行目:Cantor 集合 $C$ は疎なので、その部分集合もすべて疎であり Baire の性質をもつ。$C$ の濃度は $2^{\aleph_0}$ なので部分集合は $2^{2^{\aleph_0}}$ 個ある。一方、Borel集合の記事の「Borel集合全体の濃度」のとおり $\mathbb R$ の Borel 集合は $2^{\aleph_0}$ 個しかないので、$C$ の部分集合で Borel でないものがある。
3 行目:$\mathbb Q$ の各一点集合は $\mathbb Q$ の中で疎(Baireのカテゴリー定理の記事の「有理数全体は Baire 空間でない」)なので、$\mathbb Q$ の任意の部分集合は可算個の一点集合の和として痩せており、Baire の性質をもつ。空間自身が痩せていると、この性質は何の情報も与えない。
| Baire の性質 | Lebesgue 可測性($\mathbb R$) | |
|---|---|---|
| 無視する集合 | 痩せた集合 | Lebesgue測度 $0$ の集合 |
| 形 | 開集合 $\mathbin\triangle$ 痩せた集合 | Borel 集合 $\mathbin\triangle$ 測度 $0$ の集合 |
| 集合族の構造 | $\sigma$-代数(thm-bp-sigma) | $\sigma$-代数 |
| Borel 集合 | すべてもつ | すべて可測 |
| Vitali 集合 | もたない(thm-bp-vitali) | 可測でない |
| 疎な閉集合の例 | Cantor 集合(痩せている) | Cantor 集合(測度 $0$) |
Lebesgue 可測性の列はこの記事では証明せず、Lebesgue測度の記事による。「形」の行は同記事の「Lebesgue可測集合の特徴づけ」から従う(可測集合 $A$ には Borel 集合 $B\supseteq A$ で $B\setminus A$ が零集合のものがあり $A=B\mathbin\triangle(B\setminus A)$ となる。逆に零集合は可測なので、Borel 集合と零集合の対称差は可測である)。「Borel 集合」の行は同記事の「区間とBorel集合の可測性・不変性」、「Vitali 集合」の行は選択公理の記事の「Vitali集合の構成」(代表を $[0,1]$ から選んだ場合)による。二つの「無視できる集合」の概念は一致しない。$\mathbb R$ は、痩せた集合と測度 $0$ の集合の和に分けられる(Baireのカテゴリー定理の記事の「第1類集合と測度零集合の食い違い」)。したがって、Baire の性質と可測性は似た構造をもつが、別々の規則性である。
ここからの主張はこの記事では証明しない。出典は Mos09 である(番号は同書の節・項目番号)。
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