局所有限(位相)

同義語:locally finite (topology)局所有限族locally finite family

概要

局所有限(位相)(locally finite)とは、位相空間の部分集合の族について、各点が有限個の成員としか交わらない近傍をもつという条件である。局所有限な閉集合の族の合併は閉集合になり、局所有限な閉被覆の各成員の上で連続な写像は全体で連続になり、台が局所有限な連続関数の族の和は各点で有限和として定まって連続になる。各点がコンパクトな近傍をもつ空間や第1可算空間では、局所有限性は各コンパクト集合と交わる成員が有限個であることと同値である。パラコンパクト空間・1の分割・細層の定義の基礎であり、CW複体では胞体の族が局所有限であることと局所コンパクトであることが同値になる。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: 位相空間, 近傍, 開被覆, 閉包

位相空間の部分集合の族が局所有限であるとは、どの点のまわりを十分小さく見ても、そこに顔を出す成員が有限個しかないことをいう。族そのものは無限個の成員をもってよく、空間全体を見れば無限に広がっているが、各点の近くでは有限の議論に帰着できる。この性質のおかげで、無限個の閉集合の合併が閉集合になり、無限個の関数の和が連続関数になり、無限個の閉集合の上で定めた写像を貼り合わせられる。パラコンパクト空間・1の分割・細層の定義や、多様体上の Riemann 計量の構成は、すべてこの「無限を局所的に有限にする」仕組みの上に立っている。
この記事では、局所有限な族の定義と、集まりと添字付きの族の違い(prop-locfin-indexed)を述べ、局所有限性を保つ操作(prop-locfin-operations)、閉被覆による貼り合わせ(thm-locfin-pasting)、関数の局所有限な和(prop-locfin-sum)、コンパクト集合による判定(thm-locfin-compact)を証明する。後半では CW 複体の局所有限性を扱い、それが局所コンパクト性と同値であること(thm-locfin-cw)を示す。

定義

局所有限な族

$X$ を位相空間とする。$X$ の部分集合の集まり $\mathcal{A}$ が局所有限(locally finite)であるとは、$X$ の各点 $x$ が近傍 $N$ をもち、$N\cap A\neq\emptyset$ となる成員 $A\in\mathcal{A}$ が有限個しかないことをいう。
添字づけられた族 $(A_i)_{i\in I}$ については、$X$ の各点 $x$ が近傍 $N$ をもち、$N\cap A_i\neq\emptyset$ となる添字 $i\in I$ が有限個しかないとき、$(A_i)_{i\in I}$ を局所有限な添字付きの族という。成員がすべて開集合(閉集合)である局所有限な被覆を、局所有限な開被覆(閉被覆)という。

近傍 $N$ はいつでも開近傍にとり直せる。$N$ に含まれる $x$ の開近傍は、$N$ が交わる成員としか交わらないからである。この定義は、開被覆の記事の定義「部分被覆と有限性の条件」とパラコンパクト空間の記事の定義「パラコンパクト空間」で与えられているものと同じであり、Mun00 §39(p. 244)の定義とも一致する。
局所有限性と並べて使われる有限性の条件を、同じ記号で定めておく。

関連する有限性の条件

位相空間 $X$ の部分集合の集まり $\mathcal{A}$ について、次のようにいう。

  1. 点有限(point-finite):$X$ の各点を含む成員が有限個しかない。
  2. 離散的(discrete):$X$ の各点が、高々一つの成員としか交わらない近傍をもつ。
  3. $\sigma$-局所有限($\sigma$-locally finite、countably locally finite):$\mathcal{A}$ が、局所有限な集まり $\mathcal{A}_1,\mathcal{A}_2,\dots$ の和 $\bigcup_{n\ge1}\mathcal{A}_n$ として書ける。

定義からただちに「離散的 $\Rightarrow$ 局所有限 $\Rightarrow$ 点有限」が成り立つ。後者は、$x$ を含む成員はすべて $x$ の近傍と交わることによる(開被覆の記事の命題「有限性の条件の間の含意」)。局所有限な集まりと高々可算な集まりは $\sigma$-局所有限である(Mun00 §39, p. 245)。

集まりと添字付きの族

位相空間 $X$ の部分集合の添字付きの族 $(A_i)_{i\in I}$ について、次は同値である。

  1. $(A_i)_{i\in I}$ は局所有限な添字付きの族である。
  2. 集まり $\{A_i\mid i\in I\}$ は局所有限であり、空でない各部分集合 $S\subset X$ について、$A_i=S$ となる添字 $i$ は有限個しかない。

1 $\Rightarrow$ 2:$x$ の近傍 $N$ が $A_i$ と交わる添字が有限個なら、$N$ が交わる集合 $A_i$ も有限個である。空でない $S$ について $A_i=S$ となる $i$ が無限個あるとすると、$x\in S$ をとれば、$x$ のどの近傍も $S$ と交わるので無限個の $i$ について $A_i$ と交わり、1 に反する。
2 $\Rightarrow$ 1:$x$ の近傍 $N$ が集まりの成員 $S_1,\dots,S_k$ としか交わらないとする。$N\cap A_i\neq\emptyset$ なら $A_i$ は空でなく、ある $S_j$ に等しい。各 $S_j$ に等しい $A_i$ の添字は有限個なので、$N\cap A_i\neq\emptyset$ となる $i$ は有限個である。$\square$

たとえば $A_n:=(0,1)$($n\in\mathbb{N}$)とおくと、集まり $\{A_n\}=\{(0,1)\}$ は成員が一つなので $\mathbb{R}$ の中で局所有限であるが、添字付きの族 $(A_n)_{n\in\mathbb{N}}$ は局所有限でない。1の分割の台の族のように、添字ごとに異なる関数が対応する場面では、添字付きの族の意味で局所有限性を課す(Mun00 §39, p. 245 の注意)。空集合の成員はどの近傍とも交わらないので、何個あっても局所有限性に影響しない。

直感

局所有限性は「無限個のものを、各点の近くでは有限個として扱う」ための条件である。数直線を長さ 2 の区間 $(n,n+2)$ で覆うと区間は無限個あるが、どの点の近くにも高々数個しか来ない。これに対し、区間 $(0,1/n)$ を並べると、点 $0$ のどんなに小さい近傍にも無限個の区間が入り込む。前者では各点の近くで有限個の閉集合の合併や有限個の関数の和を考えれば済むが、後者では点 $0$ で無限和・無限個の合併の問題が残る。局所有限性は、各点ごとに成員の数を数える点有限性より強く、「近くに来る成員」まで数える点が要である。

例と反例

数直線の区間の族
  1. $\mathcal{A}:=\{(n,n+2)\mid n\in\mathbb{Z}\}$ は $\mathbb{R}$ の中で局所有限である。点 $x$ の近傍 $(x-1,x+1)$ が $(n,n+2)$ と交わるのは $n< x+1$ かつ $n+2>x-1$、すなわち $x-3< n< x+1$ のときに限り、そのような整数 $n$ は高々 4 個である。
  2. $\mathcal{B}:=\{(0,1/n)\mid n\ge1\}$ は $\mathbb{R}$ の中で局所有限でない。点 $0$ の近傍はある $(-\varepsilon,\varepsilon)$ を含み、これはすべての $(0,1/n)$ と交わる。一方、部分空間 $(0,1)$ の中では局所有限である。$x\in(0,1)$ の近傍 $(x/2,1)$ が $(0,1/n)$ と交わるのは $1/n>x/2$、すなわち $n< 2/x$ のときに限る。
  3. $\mathcal{C}:=\{(1/(n+1),1/n)\mid n\ge1\}$ も 2 と同じく、$(0,1)$ の中では局所有限だが $\mathbb{R}$ の中では局所有限でない。
    この 3 つは Mun00 §39 Example 1(p. 244)である。2・3 が示すように、局所有限性は族だけでなく、族を置く空間に依存する。
格子と離散的な族
  1. $\mathbb{R}^n$ の単位立方体 $[k_1,k_1+1]\times\cdots\times[k_n,k_n+1]$($k_i\in\mathbb{Z}$)全体の集まりは局所有限である。点 $x=(x_1,\dots,x_n)$ を中心とする半径 $1$ の開球が立方体と交わるなら、各 $i$ で $k_i-1< x_i< k_i+2$ なので、各 $k_i$ の候補は高々 3 個であり、交わる立方体は高々 $3^n$ 個である。
  2. 整数点の一点集合の集まり $\{\{k\}\mid k\in\mathbb{Z}^n\}$ は離散的である。半径 $1/2$ の開球は高々一つの整数点しか含まない。
  3. 有理数の一点集合の集まり $\{\{q\}\mid q\in\mathbb{Q}\}$ は $\mathbb{R}$ の中で点有限(各点を含む成員は高々一つ)だが、局所有限でない。どの開区間も無限個の有理数を含むからである。

局所有限性を保つ操作

局所有限性を保つ操作

$X$ を位相空間とし、$\mathcal{A},\mathcal{B}$ を $X$ の部分集合の局所有限な集まりとする。

  1. $\mathcal{A}$ の部分集まりは局所有限である。また、各成員 $C$ がある $A\in\mathcal{A}$ に含まれるような添字付きの族 $(C_A)_{A\in\mathcal{A}}$($C_A\subset A$)は局所有限である。
  2. $\mathcal{A}\cup\mathcal{B}$ と $\{A\cap B\mid A\in\mathcal{A},\ B\in\mathcal{B}\}$ は局所有限である。
  3. 部分空間 $Y\subset X$ について、$\{A\cap Y\mid A\in\mathcal{A}\}$ は $Y$ の中で局所有限である。
  4. 連続写像 $f\colon Z\to X$ について、$\{f^{-1}(A)\mid A\in\mathcal{A}\}$ は $Z$ の中で局所有限である。
  5. $\mathcal{A}'$ を位相空間 $X'$ の部分集合の局所有限な集まりとすると、$\{A\times A'\mid A\in\mathcal{A},\ A'\in\mathcal{A}'\}$ は直積空間 $X\times X'$ の中で局所有限である。

各点 $x$ について、$\mathcal{A}$($\mathcal{B}$)の有限個の成員としか交わらない $x$ の近傍を $N_{\mathcal{A}}$($N_{\mathcal{B}}$)と書く。
1:$N_{\mathcal{A}}$ は部分集まりの有限個の成員としか交わらない。$N_{\mathcal{A}}\cap C_A\neq\emptyset$ なら $N_{\mathcal{A}}\cap A\neq\emptyset$ なので、そのような $A$ は有限個である。
2:$N:=N_{\mathcal{A}}\cap N_{\mathcal{B}}$ は $x$ の近傍である。$N$ が $\mathcal{A}\cup\mathcal{B}$ の成員と交わるのは、$\mathcal{A}$ の有限個と $\mathcal{B}$ の有限個に限る。$N\cap(A\cap B)\neq\emptyset$ なら $N\cap A\neq\emptyset$ かつ $N\cap B\neq\emptyset$ なので、そのような組 $(A,B)$ は有限個である。
3:$y\in Y$ について $N_{\mathcal{A}}\cap Y$ は $Y$ における $y$ の近傍であり、$(N_{\mathcal{A}}\cap Y)\cap(A\cap Y)\neq\emptyset$ なら $N_{\mathcal{A}}\cap A\neq\emptyset$ である。
4:$z\in Z$ について、$f(z)$ の近傍 $N_{\mathcal{A}}$ の逆像 $f^{-1}(N_{\mathcal{A}})$ は $z$ の近傍である($f$ の連続性)。$f^{-1}(N_{\mathcal{A}})\cap f^{-1}(A)=f^{-1}(N_{\mathcal{A}}\cap A)$ が空でなければ $N_{\mathcal{A}}\cap A\neq\emptyset$ である。
5:$(x,x')\in X\times X'$ について $N_{\mathcal{A}}\times N'_{\mathcal{A}'}$ は近傍であり、$(N_{\mathcal{A}}\times N'_{\mathcal{A}'})\cap(A\times A')=(N_{\mathcal{A}}\cap A)\times(N'_{\mathcal{A}'}\cap A')$ が空でないのは両方の因子が空でないときに限る。そのような組 $(A,A')$ は有限個である。$\square$

閉包の族については、開被覆の記事の命題「局所有限な族の閉包」が次を証明している:局所有限な集まり $\mathcal{A}$ の閉包の族 $\{\overline{A}\mid A\in\mathcal{A}\}$ も局所有限であり、$\overline{\bigcup\mathcal{A}}=\bigcup_{A\in\mathcal{A}}\overline{A}$ が成り立つ。とくに、局所有限な閉集合の族の合併は閉集合である(Mun00 §39 Lemma 39.1, p. 245)。この記事の以下の議論は、この事実を繰り返し使う。
連続写像による像では局所有限性は保たれない。$\mathbb{N}$ に離散位相を入れると一点集合の族 $\{\{n\}\mid n\ge1\}$ は離散的であるが、連続写像 $n\mapsto1/n$ による像の族 $\{\{1/n\}\mid n\ge1\}$ は $\mathbb{R}$ の中で点 $0$ において局所有限でない。4 で逆像が保たれるのは、近傍の逆像が近傍になるからである。

閉被覆による貼り合わせと局所有限な和

局所有限な閉被覆による貼り合わせ

$X,Y$ を位相空間、$(F_i)_{i\in I}$ を $X$ の閉集合からなる局所有限な添字付きの族で $X=\bigcup_{i\in I}F_i$ となるものとする。写像 $f\colon X\to Y$ について、各制限 $f|_{F_i}\colon F_i\to Y$($F_i$ には相対位相を入れる)が連続ならば、$f$ は連続である。

$C\subset Y$ を閉集合とし、$C_i:=(f|_{F_i})^{-1}(C)=f^{-1}(C)\cap F_i$ とおく。$f|_{F_i}$ の連続性により $C_i$ は $F_i$ の閉集合であり、$F_i$ は $X$ の閉集合なので、$C_i$ は $X$ の閉集合である。$C_i\subset F_i$ なので、prop-locfin-operations の 1 により $(C_i)_{i\in I}$ は局所有限な閉集合の族であり、その合併は閉集合である(開被覆の記事の命題「局所有限な族の閉包」)。$X=\bigcup_iF_i$ より
$$ f^{-1}(C)=\bigcup_{i\in I}\bigl(f^{-1}(C)\cap F_i\bigr)=\bigcup_{i\in I}C_i $$
なので $f^{-1}(C)$ は閉集合である。閉集合の逆像が閉集合なので $f$ は連続である(連続写像の記事の命題「閉集合による特徴づけ」)。$\square$

有限個の閉集合による被覆はつねに局所有限なので、この定理は連続写像の記事の命題「有限閉被覆の貼り合わせ補題」を含む。開集合による被覆では局所有限性は要らない(同記事の命題「開被覆の貼り合わせ補題」)。閉集合による被覆で局所有限性を外すと結論が崩れることは、同記事の例($[0,1]$ の閉集合 $A_n=\{0\}\cup[1/n,1]$)が示している。この族の成員はすべて点 $0$ を含むので、$0$ のどの近傍も無限個の成員と交わり、局所有限でない。
この定理は、局所有限な単体複体・CW 複体のように閉集合を貼り合わせて作る空間の上で写像を定めるときに使われる。

局所有限な和

$X$ を位相空間、$E$ を実ノルム空間(たとえば $\mathbb{R}^m$)とし、$(f_i\colon X\to E)_{i\in I}$ を連続写像の族とする。台 $\operatorname{supp}f_i:=\overline{\{x\in X\mid f_i(x)\neq0\}}$ の族 $(\operatorname{supp}f_i)_{i\in I}$ が局所有限な添字付きの族ならば、次が成り立つ。

  1. 各点 $x$ の開近傍 $W$ と有限集合 $J\subset I$ で、$i\notin J$ なら $f_i$ が $W$ の上で恒等的に $0$ となるものがある。
  2. したがって $s(x):=\sum_{i\in I}f_i(x)$ は各点で有限和として定まり、$s\colon X\to E$ は連続である。
  3. $X$ が可微分多様体で各 $f_i$ が $C^\infty$ 級なら、$s$ も $C^\infty$ 級である。

1:局所有限性により、$x$ の開近傍 $W$ で $\operatorname{supp}f_i$ と交わる添字 $i$ が有限個しかないものがある。その有限集合を $J$ とすると、$i\notin J$ と $y\in W$ について $y\notin\operatorname{supp}f_i$ なので $f_i(y)=0$ である。
2:1 により $W$ の上では $s|_W=\sum_{i\in J}f_i|_W$ であり、これは有限個の連続写像の和なので連続である。このような $W$ 全体は $X$ の開被覆をなすので、連続写像の記事の命題「開被覆の貼り合わせ補題」により $s$ は連続である。
3:滑らかさは各点の近傍で判定できる性質であり、$W$ の上で $s$ は有限個の $C^\infty$ 級関数の和である。$\square$

1の分割の和 $\sum_i\rho_i$ や、局所座標ごとに作った内積を 1 の分割で足し合わせる Riemann 計量の構成(Riemann幾何学)は、この命題の形の議論である。パラコンパクト空間の記事の定理「1 の分割の存在」の証明でも、局所有限な台をもつ関数の和 $s=\sum_if_i$ の連続性を同じ理由で示している。局所有限性を「各点で有限個しか $0$ でない」(台の点有限性)に弱めると和の連続性は崩れる(下の ex-locfin-counterexamples の 3)。

層の切断の局所有限な和

アーベル群の層 $\mathcal{F}$ の大域切断 $s_i\in\mathcal{F}(X)$ の台(茎で $0$ にならない点の集合。これは閉集合である)の族が局所有限なら、prop-locfin-sum と同じく各点の開近傍 $W$ の上では有限個の $s_i|_W$ だけが $0$ でなく、その有限和は重なりの上で一致するので、層の貼り合わせ条件により $\sum_is_i\in\mathcal{F}(X)$ が一つに定まる。細層の定義(局所有限な開被覆に従属する層の自己準同型の和 $\sum_i\eta_i=\mathrm{id}$)や、Stein空間の記事で使う直和層 $\bigoplus_m\mathcal{O}$ の切断(局所有限な正則関数の列)は、この意味の和である。

コンパクト集合による判定

局所有限性は「各点の近く」で成員を数える条件であるが、多くの空間では「各コンパクト集合と交わる成員」を数えることで判定できる。

コンパクト集合による判定

$X$ を位相空間、$\mathcal{A}$ を $X$ の部分集合の集まりとする。

  1. $\mathcal{A}$ が局所有限ならば、$X$ の各コンパクト集合 $K$ と交わる成員は有限個しかない。
  2. $X$ の各点がコンパクトな近傍をもつか、または $X$ が第 1 可算であるとする。$X$ の各コンパクト集合と交わる成員が有限個しかなければ、$\mathcal{A}$ は局所有限である。

1:各 $x\in K$ について、有限個の成員としか交わらない $x$ の開近傍 $W_x$ をとる。$\{W_x\}_{x\in K}$ は $K$ を覆うので、$K$ のコンパクト性により有限個の $W_{x_1},\dots,W_{x_m}$ が $K$ を覆う。$K$ と交わる成員は $W_{x_1},\dots,W_{x_m}$ のいずれかと交わるので、有限個である。
2(コンパクトな近傍がある場合):点 $x$ のコンパクトな近傍 $C$ は、仮定により有限個の成員としか交わらないので、$C$ が定義の近傍 $N$ の役をする。
2(第 1 可算の場合):$\mathcal{A}$ がある点 $x$ で局所有限でないとして矛盾を導く。$x$ の可算な近傍基 $B_1,B_2,\dots$ をとり、$N_k:=B_1\cap\cdots\cap B_k$ とおくと、$N_1\supset N_2\supset\cdots$ は $x$ の近傍基である。各 $N_k$ は無限個の成員と交わるので、$k$ について帰納的に、$A_1,\dots,A_{k-1}$ と異なる成員 $A_k$ と点 $a_k\in N_k\cap A_k$ を選べる(可算回の選択を使う)。$K:=\{x\}\cup\{a_k\mid k\ge1\}$ はコンパクトである。実際、$K$ の開被覆が与えられたとき、$x$ を含む成員 $O$ はある $N_m$ を含み、$k\ge m$ の $a_k$ はすべて $N_k\subset N_m\subset O$ に属するので、$O$ と、$a_1,\dots,a_{m-1}$ をそれぞれ含む有限個の成員が $K$ を覆う。ところが $K$ は互いに異なる無限個の成員 $A_k$ と交わり、仮定に反する。$\square$

局所コンパクト空間・距離空間(第 1 可算)・多様体・局所有限な CW 複体(下の thm-locfin-cw)では、局所有限性は「コンパクト集合ごとに有限」と同値である。2 の仮定はどちらも外せない。

反例:余可算位相

$X$ を非可算集合とし、余可算位相(空集合と、補集合が高々可算な部分集合を開集合とする位相)を入れる。一点集合の集まり $\mathcal{S}:=\{\{x\}\mid x\in X\}$ について次が成り立つ。

  1. $X$ のコンパクト集合は有限集合に限る。したがって各コンパクト集合と交わる $\mathcal{S}$ の成員は有限個である。
  2. $\mathcal{S}$ は局所有限でない。
    1:無限部分集合 $K$ は、互いに異なる点の列 $a_1,a_2,\dots$ を含む。$U_n:=X\setminus\{a_m\mid m\neq n\}$ は補集合が可算なので開集合であり、$a_n\in U_n$、また $a_m$ のどれでもない $K$ の点はすべての $U_n$ に属するので、$\{U_n\}_{n\ge1}$ は $K$ を覆う。有限個の $U_{n_1},\dots,U_{n_k}$ は、$n_1,\dots,n_k$ のどれとも異なる $m$ に対する $a_m$ を含まないので、$K$ を覆わない。よって $K$ はコンパクトでない。
    2:点 $x$ の近傍は空でない開集合 $X\setminus C$($C$ は高々可算)を含み、これは非可算集合なので、非可算個の一点集合と交わる。
    thm-locfin-compact の 2 により、$X$ は第 1 可算でない(余可算位相の記事の命題「Lindelöf だが第1可算でない」でも示されている)。また、1 によりコンパクト集合は有限で、どの点の近傍も非可算なので、どの点もコンパクトな近傍をもたない。この例は、2 の仮定を外すと「コンパクト集合ごとに有限 $\Rightarrow$ 局所有限」が成り立たないことを示す。

空間のクラスとの関係

局所有限な族は、被覆の「細分」と組み合わせて空間のクラスを定める。位相空間 $X$ の任意の開被覆が局所有限な開細分をもつとき $X$ をパラコンパクト空間という。開被覆の細分に課す条件を有限・星状有限・局所有限・点有限と変えると、コンパクト空間・強パラコンパクト空間・パラコンパクト空間・メタコンパクト空間が得られる(開被覆の記事の命題「空間のクラスの間の含意」と補足の表)。
パラコンパクト Hausdorff 空間の任意の開被覆には従属する 1 の分割があり(パラコンパクト空間の記事の定理「1 の分割の存在」)、逆に任意の開被覆に従属する 1 の分割があればパラコンパクトである(1の分割の記事の命題「1 の分割があればパラコンパクト」)。どちらの方向でも、1 の分割の台の族の局所有限性が prop-locfin-sum を通して働いている。正則空間では、開細分に課す条件を $\sigma$-局所有限に弱めてもパラコンパクト性と同値である(Michaelの定理(パラコンパクト空間))。距離化可能空間はパラコンパクトである(パラコンパクト空間 の定理「Stone の定理」)。$\sigma$-局所有限性は距離化の判定にも現れる。

開基による長田–Smirnov の距離化定理

位相空間 $X$ が距離化可能であるための必要十分条件は、$X$ が正則(正則空間、$T_1$ を含む)であり、$\sigma$-局所有限な開基をもつことである。

定理の扱い

この記事では証明しない。Mun00 §40 Theorem 40.3(p. 250)による(Munkres の「正則」は一点集合が閉であることを含む)。名は、一般位相の長田潤一(Jun-iti Nagata)と Smirnov にちなむ。2 人が独立に示した。長田潤一は、永田環 などに名を残す可換環論の永田雅宜(Masayoshi Nagata)とは別人である。必要性の証明の鍵は、距離化可能空間の任意の開被覆が $\sigma$-局所有限な開細分をもつという補題(Mun00 §39 Lemma 39.2, p. 246)である。第 2 可算な正則空間は可算な開基をもち、可算な集まりは $\sigma$-局所有限なので、この定理は Urysohnの距離化定理を含む。

空でない開集合からなる局所有限な族の大きさは、空間の「無限への広がり」を測る。Tychonoff 空間では、空でない開集合からなる局所有限な族がすべて有限であることと擬コンパクト性が同値である(擬コンパクト空間の記事の命題「局所有限な開集合族」)。

CW 複体と単体複体の局所有限性

CW複体の胞体の族に局所有限性を課すと、CW 複体の位相についての多くの問題が易しくなる。

局所有限な CW 複体

CW 複体 $X$ が局所有限であるとは、胞体の族 $\{e_\alpha\}$ が $X$ の中で局所有限であること、すなわち $X$ の各点が、有限個の胞体としか交わらない近傍をもつことをいう。

胞体 $e_\alpha$ はその閉包 $\overline{e_\alpha}$ に含まれ、局所有限な族の閉包の族は局所有限なので、これは閉胞体の族 $\{\overline{e_\alpha}\}$ が局所有限であることと同値である。各胞体の閉包が有限個の胞体としか交わらないこと(閉包有限性)はすべての CW 複体で成り立つ(CW複体の記事の系「閉包有限性」)ので、局所有限性はそれとは別の、より強い条件である。

局所有限性と局所コンパクト性

CW 複体 $X$ について、$X$ が局所有限であることと、$X$ が局所コンパクト空間(Hausdorff で、各点がコンパクトな近傍をもつ空間)であることは同値である。

CW 複体は Hausdorff である(CW複体の記事の定理「CW 複体は Hausdorff」)。
局所有限 $\Rightarrow$ 局所コンパクト:点 $x$ の近傍 $N$ が胞体 $e_1,\dots,e_k$ としか交わらないとする。$X$ は胞体の互いに交わらない和集合なので $N\subset e_1\cup\cdots\cup e_k\subset C:=\overline{e_1}\cup\cdots\cup\overline{e_k}$ である。各 $\overline{e_j}$ はコンパクトである(CW複体の記事の系「胞体の閉包」)から、有限個の和 $C$ もコンパクトである。$C$ は $x$ の近傍 $N$ を含むので $x$ の近傍であり、$x$ のコンパクトな近傍である。
局所コンパクト $\Rightarrow$ 局所有限:点 $x$ のコンパクトな近傍 $C$ は、CW複体の記事の定理「コンパクト集合は有限部分複体に含まれる」により有限個の胞体としか交わらない。よって $C$ が定義の近傍の役をする。$\square$

これは Hat02 Appendix の演習 4(p. 529)である。

局所有限な CW 複体と局所有限でない CW 複体
  1. 数直線 $\mathbb{R}$ に、整数を $0$ 胞体、開区間 $(n,n+1)$ を $1$ 胞体とする CW 構造を入れると局所有限である。点 $x$ の近傍 $(x-1,x+1)$ は高々 2 個の整数と高々 3 個の区間 $(n,n+1)$ としか交わらない。同様に、$\mathbb{R}^n$ の単位立方体による CW 構造(ex-locfin-lattice の 1)も局所有限である。
  2. 可算個の円周の一点和 $\bigvee_{n\ge1}S^1$ に、一点 $v$ を $0$ 胞体、各円周から $v$ を除いた部分を $1$ 胞体 $e_n$ とする CW 構造(弱位相)を入れる。$v$ は各 $e_n$ の閉包に属するので、$v$ のどの近傍もすべての $e_n$ と交わる。よってこの CW 複体は局所有限でなく、thm-locfin-cw により局所コンパクトでもない。平面内の Hawaiian イヤリングはこの空間と同じ集合の形をしているが位相が異なり、CW 複体の構造をもたない(CW複体の記事の例「反例:平面内の Hawaiian イヤリング」)。
直積とジョイン

CW 複体 $X,Y$ の胞体の直積 $e_\alpha\times e_\beta$ は、直積集合 $X\times Y$ に CW 構造を与えるが、その CW 位相は直積位相より細かいことがある。$X$ または $Y$ が局所コンパクト、すなわち thm-locfin-cw により局所有限ならば、二つの位相は一致する(Hat02 Appendix, Theorem A.6, p. 524)。この記事ではこの定理を証明しない。ジョインの CW 構造の位相についても同じ注意が要る。

$\mathbb{R}^N$ の幾何的単体複体 $K$ については、$|K|$ の各点が、$K$ の有限個の単体としか交わらない $\mathbb{R}^N$ の近傍をもつとき $K$ を局所有限という。このとき単体の族は $|K|$ の中で局所有限な閉集合の族であり、$|K|$ の弱位相は $\mathbb{R}^N$ からの相対位相と一致する(PL多様体の記事の節「多面体と PL 写像」)。後者は、局所有限な閉集合の族の合併が閉であることの応用である。

条件を外した反例

外す条件反例成り立たなくなること
閉被覆の局所有限性(thm-locfin-pasting)$[0,1]$ の閉集合 $A_n=\{0\}\cup[1/n,1]$各成員の上で連続な写像が連続であること
局所有限性(点有限性だけを仮定)$\mathbb{R}$ の一点集合の族 $\{\{1/n\}\mid n\ge1\}$閉集合の族の合併が閉集合であること
台の局所有限性(点有限性だけを仮定、prop-locfin-sum)区間 $[1/(n+1),1/n]$ に台をもつ山形の関数 $f_n$和 $\sum_nf_n$ が連続であること
第 1 可算性とコンパクトな近傍(thm-locfin-compact の 2)余可算位相の一点集合の族コンパクト集合ごとに有限なら局所有限であること
添字の重複が有限であること(prop-locfin-indexed)$A_n=(0,1)$($n\in\mathbb{N}$)集まりとして局所有限なら添字付きの族としても局所有限であること
族を置く空間を変えないこと(ex-locfin-intervals)$\{(0,1/n)\mid n\ge1\}$部分空間 $(0,1)$ で局所有限なら $\mathbb{R}$ でも局所有限であること
反例の確かめ

1 行目:各 $A_n$ は閉集合で $[0,1]=\bigcup_nA_n$ である。$f(0)=0$、$f(x)=1$($x>0$)とおくと、$f|_{A_n}$ は $0$ が $A_n$ の孤立点なので連続であるが、$f$ は $0$ で連続でない(連続写像の記事の命題「開被覆の貼り合わせ補題」の後の例)。成員がすべて $0$ を含むので、族は $0$ で局所有限でない。
2 行目:成員は互いに交わらない一点集合なので点有限であり、各成員は閉集合である。合併 $\{1/n\mid n\ge1\}$ は $0$ を閉包に含むが $0$ を含まないので閉集合でない。$0$ のどの近傍も無限個の $1/n$ を含むので、局所有限でない。
3 行目:$c_n:=\frac12\bigl(\frac1n+\frac1{n+1}\bigr)$、$h_n:=\frac12\bigl(\frac1n-\frac1{n+1}\bigr)$ とし、$f_n(x):=\max\bigl(0,\ 1-\lvert x-c_n\rvert/h_n\bigr)$ とおく。$f_n$ は $\mathbb{R}$ 上連続で $\operatorname{supp}f_n=[1/(n+1),1/n]$ であり、各点を含む台は高々 2 個なので点有限である。和 $s=\sum_nf_n$ は各点で有限和として定まり、$s(c_n)=1$、$s(0)=0$、$c_n\to0$ なので $s$ は $0$ で連続でない。台の族は $0$ で局所有限でない。
4 行目:ex-locfin-cocountable による。
5 行目:prop-locfin-indexed の後の段落による。
6 行目:ex-locfin-intervals の 2 による。

関連項目

参考文献

[1]
James R. Munkres, Topology, Prentice Hall, 2000, §39, pp. 244–246(局所有限の定義、Example 1、Lemma 39.1、添字付きの族の注意、σ-局所有限、Lemma 39.2)、§40 Theorem 40.3, p. 250(長田–Smirnov の距離化定理)
[2]
Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002, Appendix, Theorem A.6, p. 524(CW 複体の直積)、Appendix の演習 4, p. 529(局所コンパクトな CW 複体)

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