全体正規空間

同義語:fully normal space

概要

全体正規空間(fully normal space)とは、すべての開被覆が、点の星を制御する開な $\Delta$ 細分を反復して持つ $T_1$ 空間である。全体正規空間は正規空間であり、Stone の定理によりパラコンパクト Hausdorff 空間と同値である。すべての距離空間は全体正規だが、$T_1$ 条件を外した全体正規性条件だけでは Hausdorff 性は従わない。完全正規空間や遺伝正規空間とは異なる概念である。

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

前提知識: 位相空間, 開被覆, 細分, 分離公理

定義

点の星による細かさ

位相空間 $X$ の被覆 $\mathcal{V}$ と点 $x\in X$ に対し、
$$ \operatorname{St}(x,\mathcal{V}):=\bigcup\{V\in\mathcal{V}:x\in V\} $$
を $\mathcal{V}$ に関する $x$ の星という。$X$ の被覆 $\mathcal{V}$ が被覆 $\mathcal{U}$ の $\Delta$ 細分であるとは、各 $x\in X$ に対して
$$ \operatorname{St}(x,\mathcal{V})\subset U $$
となる $U\in\mathcal{U}$ が存在することをいう。

星型細分との区別

ここでいう $\Delta$ 細分は、点 $x$ を含む成員の合併を調べる条件であり、文献では barycentric refinement や point-star refinement とも呼ばれる。細分 の記事の注意(星による細かさの条件)でいう星型細分は、各成員 $V$ と交わる成員の合併を一つの $U\in\mathcal{U}$ に入れる条件である。後者は前者より強いので、二つを同じ定義として扱わない。

正規被覆

位相空間 $X$ の開被覆 $\mathcal{U}$ が正規被覆(normal cover)であるとは、開被覆の列
$$ \mathcal{U}_0=\mathcal{U},\ \mathcal{U}_1,\ \mathcal{U}_2,\ldots $$
で、各 $n\geq 0$ について $\mathcal{U}_{n+1}$ が $\mathcal{U}_n$ の $\Delta$ 細分となるものが存在することをいう。

全体正規空間

位相空間 $X$ が全体正規性条件を満たすとは、$X$ のすべての開被覆が正規被覆であることをいう。全体正規性条件を満たす $T_1$ 空間(T1空間)を全体正規空間(fully normal space)という。

標準的な定義との関係

Tukey による標準的な定義では、任意の開被覆が開な星型細分を持つ空間を全体正規と呼ぶ(Engelking89 §5.1)。本記事の定義は星型細分の代わりに $\Delta$ 細分を用いるが、二つの条件は同値である。実際、星型細分は $\Delta$ 細分であり、逆に $\mathcal{W}$ が $\mathcal{V}$ の $\Delta$ 細分、$\mathcal{V}$ が $\mathcal{U}$ の $\Delta$ 細分なら、$W\in\mathcal{W}$ と点 $x\in W$ に対して $\operatorname{St}(W,\mathcal{W})\subset\operatorname{St}(x,\mathcal{V})$ が成り立つので、$\mathcal{W}$ は $\mathcal{U}$ の星型細分になる。したがって、正規被覆の列の一段おきを取れば星型細分の列が得られ、どちらの定義を採っても同じ空間のクラスが定まる。

直感

普通の細分は、細分後の各成員が元の被覆のどれか一つに入ることだけを要求する。$\Delta$ 細分では、一点の周囲で同時に現れる成員を全部まとめても元の一成員に入ることを要求する。正規被覆はこの操作を何度でも繰り返せる開被覆であり、全体正規性はすべての開被覆がこの反復可能な細かさを持つという空間の性質である。

例と反例

距離空間は全体正規

すべての距離空間は全体正規空間である。

距離から $\Delta$ 細分を作る

空空間では空の開被覆を繰り返せばよい。非空の距離空間 $(X,d)$ と開被覆 $\mathcal{U}$ を取る。$d(x,\emptyset)=+\infty$ と約束し、
$$ \lambda(x):=\sup_{U\in\mathcal{U}}\min\{1,d(x,X\setminus U)\} $$
と置く。$\mathcal{U}$ が開被覆なので $\lambda(x)>0$ である。距離関数 $x\mapsto d(x,A)$ は $1$-Lipschitz(Lipschitz連続)であり、上限を取ってもこの性質が保たれるので、$|\lambda(x)-\lambda(y)|\leq d(x,y)$ である。
$\mathcal{V}:=\{B(x,\lambda(x)/8):x\in X\}$ と置く。$p\in X$ を固定し、
$$ \min\{1,d(p,X\setminus U_p)\}>\lambda(p)/2 $$
となる $U_p\in\mathcal{U}$ を取る。$p\in B(x,\lambda(x)/8)$ なら、Lipschitz 性から
$$ \lambda(x)<\frac{8}{7}\lambda(p) $$
である。同じ球に $z$ も属するなら
$$ d(p,z)<\frac{\lambda(x)}{4}<\frac{2}{7}\lambda(p)< d(p,X\setminus U_p) $$
なので $z\in U_p$ である。したがって $p$ を含む $\mathcal{V}$ の全成員の合併は $U_p$ に含まれ、$\mathcal{V}$ は $\mathcal{U}$ の開な $\Delta$ 細分である。この同じ構成を反復すれば、$\mathcal{U}$ から正規被覆の列を得る。距離空間は $T_1$ でもあるから全体正規空間である。$\square$

反例:$T_1$ 条件を外した場合

二点集合 $X=\{0,1\}$ に密着位相 $\{\emptyset,X\}$ を入れる。$X$ の開被覆は必ず $X$ を成員に含むので、$\{X\}$ を繰り返す列によりすべての開被覆が正規被覆である。しかし一点集合は閉集合でないため $T_1$ でなく、異なる二点を互いに素な開近傍で分離できないため Hausdorff(Hausdorff空間)でもない。したがって「全体正規性条件 $\Rightarrow$ Hausdorff」は成り立たず、全体正規空間の定義に入れた $T_1$ 条件は必要である。

基本性質

全体正規空間は正規空間

全体正規空間は正規空間である。

$\Delta$ 細分による閉集合の分離

$A,B$ を互いに素な閉集合とする。$\{X\setminus A,X\setminus B\}$ は開被覆なので、その正規列の最初の $\Delta$ 細分 $\mathcal{V}$ を取る。
$$ O_A:=\bigcup\{V\in\mathcal{V}:V\cap A\neq\emptyset\},\qquad O_B:=\bigcup\{V\in\mathcal{V}:V\cap B\neq\emptyset\} $$
はそれぞれ $A,B$ を含む開集合である。もし $x\in O_A\cap O_B$ なら、$x$ を含み $A$ と交わる成員と、$x$ を含み $B$ と交わる成員が $\mathcal{V}$ に存在する。したがって $\operatorname{St}(x,\mathcal{V})$ は $X\setminus A$ にも $X\setminus B$ にも含まれず、$\Delta$ 細分の条件に反する。よって $O_A\cap O_B=\emptyset$ である。全体正規空間は $T_1$ なので、これは通常の正規空間の条件を与える。$\square$

パラコンパクト性との同値

全体正規性とパラコンパクト性

位相空間 $X$ について、次は同値である。

  1. $X$ は全体正規空間である。
  2. $X$ はパラコンパクト(パラコンパクト空間)かつ Hausdorff である。
パラコンパクト空間から $\Delta$ 細分を作る

1 $\Rightarrow$ 2 は Stone の定理の難しい向きであり、本記事では証明を割愛し、直後の rem-fully-normal-space-stone に出典を示す。以下では 2 $\Rightarrow$ 1 を示す。
$X$ をパラコンパクト Hausdorff 空間とし、$\mathcal{U}$ を $X$ の開被覆とする。$X$ は正規空間である(パラコンパクト空間 の記事の命題(正則性と正規性)。SemmesTopology §8.3.6 も参照)。パラコンパクト性により $\mathcal{U}$ は局所有限な開細分 $\{V_i\}_{i\in I}$ を持つ。正規空間の局所有限な開被覆は閉集合による縮小を持つ。すなわち各 $i\in I$ について閉集合 $F_i\subset V_i$ で、$\{F_i\}_{i\in I}$ が $X$ を覆うものが取れる(縮小補題。Engelking89 Theorem 1.5.18、SemmesTopology §§8.4.1–8.4.3)。
各 $x\in X$ に対し、局所有限性により $x$ の開近傍 $N_x$ で、$V_i\cap N_x\neq\emptyset$ となる $i$ が有限個しかないものを取る。$I_x:=\{i\in I:V_i\cap N_x\neq\emptyset\}$ は有限集合であり、$x\in F_i$ なら $x\in V_i\cap N_x$ だから $i\in I_x$ である。
$$ W_x:=N_x\cap\bigcap\{V_i:i\in I_x,\ x\in F_i\}\cap\bigcap\{X\setminus F_i:i\in I_x,\ x\notin F_i\} $$
と置く。有限個の開集合の共通部分なので $W_x$ は $x$ を含む開集合であり、$\mathcal{W}:=\{W_x:x\in X\}$ は $X$ の開被覆である。
$\mathcal{W}$ が $\{V_i\}_{i\in I}$ の $\Delta$ 細分であることを示す。$p\in X$ を取り、$p\in F_j$ となる $j\in I$ を選ぶ。$p\in W_x$ とすると、$p\in N_x\cap V_j$ なので $j\in I_x$ である。もし $x\notin F_j$ なら $W_x\subset X\setminus F_j$ となって $p\in F_j$ に反する。よって $x\in F_j$ であり、$W_x\subset V_j$ である。$x$ は $p\in W_x$ を満たす任意の点だったので $\operatorname{St}(p,\mathcal{W})\subset V_j$ であり、$V_j$ はある $U\in\mathcal{U}$ に含まれる。したがって $\mathcal{W}$ は $\mathcal{U}$ の開な $\Delta$ 細分である。
$\mathcal{W}$ も $X$ の開被覆なので、同じ構成を繰り返せば $\mathcal{U}$ から始まる $\Delta$ 細分の列が得られ、$\mathcal{U}$ は正規被覆である。Hausdorff 空間は $T_1$ なので、$X$ は全体正規空間である。$\square$

Stone の定理と出典

thm-fully-normal-space-paracompact の 1 $\Rightarrow$ 2、すなわち全体正規空間はパラコンパクトであるという主張は、Stone の定理(距離空間はパラコンパクト)を導く難しい向きであり、証明は本記事では割愛する。出典は Engelking89 §5.1。SemmesTopology では次の連鎖で得られる:§8.10(開被覆から星型細分の列を構成する)→ §8.11(整列順序を用いて σ-離散な開細分を作る)→ §8.9.3($\sigma$-離散な族は σ-局所有限)→ §§8.7.2–8.7.5($\sigma$-局所有限な開細分を持つ正則空間(正則空間)はパラコンパクト)。ここで必要な正則性は、§8.5.6(全体正規性条件を満たす空間は正規。本記事の prop-fully-normal-space-normal と同じ内容)と $T_1$ 性から従う。

この同値により、距離空間のパラコンパクト性も thm-fully-normal-space-metric から従う(パラコンパクト空間 の記事の定理(Stone の定理))。パラコンパクト空間 は Hausdorff 性を定義に含めない流儀を採っているので、「パラコンパクト」と「全体正規」をそのまま同義語にしてはならない。

名前の似た概念

  • 全体正規(fully normal)は開被覆の $\Delta$ 細分に関する性質であり、完全正規(perfectly normal、$T_6$、完全正規空間)や遺伝正規(hereditarily normal、$T_5$、遺伝正規空間)とは別の概念である。
  • 正規被覆(normal cover)は開被覆の列に関する概念であり、被覆写像の文脈で deck transformation が推移的に作用する正則被覆を指す語とは別である。
  • 正規空間(normal space)は互いに素な閉集合の分離に関する概念である。prop-fully-normal-space-normal は全体正規空間から正規空間への含意を述べるが、二つの定義を同一視していない。

関連項目

参考文献

Mathpediaは寄付と、参考文献の書籍リンク(Amazonアソシエイト)の紹介料で運営されています。 支援について / 寄付する