1 台と切断関数
定義 1.1.f:Rn→Rに対して
suppf={x∈Rn:f(x)=0}をfの 台 (support) という。開集合U⊂Rnに対して、suppfがコンパクトであり、かつsuppf⊂Uであるとき、fの台はUにコンパクトに含まれる (compactly contained) という。
定義 1.2.K⊂Rnをコンパクト集合とし、U1,…,UNをKの有限開被覆とする。非負なC1級関数θ1,…,θM:Rn→Rと写像σ:{1,…,M}→{1,…,N}が次の条件を満たすとき、(θν)ν=1MをKに対する 有限局所化 (finite localization) という。
- 各suppθνはコンパクトであり、Uσ(ν)に含まれる。
- Kを含む開集合Vが存在し、x∈Vならば∑ν=1Mθν(x)=1である。
このとき、(θν)はKの近傍における、被覆(Uj)j=1Nに従属する有限な 1 の分割 (finite partition of unity subordinate to a cover) であるともいう。
補題 1.3. 関数ρ:R→Rを
ρ(t)=⎩⎨⎧1,1−3s2+2s3,0,t≤1,1≤t≤4,s=(t−1)/3,t≥4(1)と定める。このときρは広義単調減少するC1級関数であり、0≤ρ≤1である。
さらに、z∈Rnとr>0に対して
bz,r(x)=ρ(r2∥x−z∥2)(2)とおくと、bz,r:Rn→[0,1]はC1級であり、
bz,r=1on B(z,r),suppbz,r⊂B(z,2r)(3)を満たす。特にsuppbz,rはコンパクトである。
証明. 式 (1) の中間部分をp(s)=1−3s2+2s3と書くと、
p(0)=1,p(1)=0,p′(0)=p′(1)=0である。従って、中間部分の値と一階導関数はt=1,4で両側の定数部分へ連続につながり、ρはC1級である。また
dtdp(3t−1)=2s(s−1)≤0(0≤s≤1)であるから、ρは広義単調減少し、その値は[0,1]に含まれる。
関数q(x)=∥x−z∥2/r2はC1級である。「連鎖律と勾配」の連鎖律§E4.3 定理 1.1によりbz,r=ρ∘qはC1級であり、
∇bz,r(x)=ρ′(q(x))r22(x−z)である。∥x−z∥≤rならq(x)≤1なのでbz,r(x)=1であり、∥x−z∥≥2rならq(x)≥4なのでbz,r(x)=0である。従って式 (3) が成り立つ。「コンパクト空間」の Heine–Borel の定理§E2.9 定理 4.3により閉球B(z,2r)はコンパクトであり、その閉部分集合であるsuppbz,rもコンパクトである。▨
2 有限開被覆に従属する局所化
定理 2.1.K⊂Rnをコンパクト集合とし、U1,…,UNをKの有限開被覆とする。ただしN≥1とする。このとき、有限局所化(θν)ν=1Mと写像σで、さらに
0≤ν=1∑Mθν(x)≤1(x∈Rn)(4)を満たすものが存在する。
証明.K=∅の場合には、M=1、θ1=0、σ(1)=1、V=∅とすればよい。以下ではK=∅とする。
被覆要素内に台をもつ切断関数を有限個選び、全空間で正となる分母によって正規化した後、内側の球が覆う近傍では補積が零になることから総和が1であることを示す。
各z∈Kに対し、z∈Uj(z)となる添字j(z)を一つ選ぶ。Uj(z)は開集合であるから、あるrz>0に対して
B(z,2rz)⊂Uj(z)(5)となる。球族(B(z,rz))z∈KはKを覆う。コンパクト性§E2.19 命題 2.6により、有限個の点z1,…,zM∈Kを選んで
K⊂ν=1⋃MB(zν,rν),rν=rzν(6)とすることができる。σ(ν)=j(zν)、bν=bzν,rνとおく。
全空間上のC1級関数
D(x)=μ=1∑Mbμ(x)+μ=1∏M(1−bμ(x))(7)を考える。あるbμ(x)が正ならば式 (7) の和の部分が正である。全てのbμ(x)が零ならば積の部分が1である。従って
D(x)>0(x∈Rn)(8)である。そこで
θν(x)=D(x)bν(x)(1≤ν≤M)(9)と定める。式 (8) により1/Dは全空間上でC1級であり、各θνもC1級である。またθν≥0である。
式 (9) から、θν(x)=0ならばbν(x)=0である。従って
suppθν⊂suppbν⊂B(zν,2rν)⊂Uσ(ν).(10)台はコンパクト集合B(zν,2rν)の閉部分集合なのでコンパクトである。
式 (7) と式 (9) により
ν=1∑Mθν(x)=∑ν=1Mbν(x)+∏ν=1M(1−bν(x))∑ν=1Mbν(x).(11)分子と積の部分はともに非負なので、式 (4) が従う。
V=⋃ν=1MB(zν,rν)とおく。式 (6) によりVはKを含む開集合である。x∈Vならば、あるνについて∥x−zν∥<rνであり、式 (3) からbν(x)=1である。従って式 (11) の分母に現れる積は零になり、∑ν=1Mθν(x)=1を得る。▨
分母に∏ν(1−bν)を加える理由は、全てのbνが零になる被覆の外側でも分母を正に保つためである。Kの近傍では少なくとも一つのbνが1になるため、この補助項は零になり、通常の正規化と同じく総和が1になる。
系 2.2.K⊂Rnをコンパクト集合とし、W⊂RnをKを含む開集合とする。このとき、C1級関数η:Rn→[0,1]で、suppηがコンパクトかつWに含まれ、Kのある開近傍でη=1となるものが存在する。
証明.定理 2.1を一つの開集合U1=Wからなる被覆へ適用し、得られた局所化を(θν)ν=1Mとする。η=∑ν=1Mθνとおく。定理の式 (4) により0≤η≤1であり、Kのある開近傍でη=1である。また
suppη⊂ν=1⋃Msuppθν⊂W.右辺の最初の有限和はコンパクトであり、suppηはその閉部分集合なのでコンパクトである。▨
3 構成の具体例
例 3.1 (二つの切断関数の正規化).K=[−1,1]⊂Rとし、
U1=(−3,11/10),U2=(−11/10,3)とする。z1=−1/2、z2=1/2、r1=r2=3/4とおけば、B(zν,2rν)⊂Uνであり、B(z1,r1)∪B(z2,r2)はKを含む。
bν=bzν,rνとすると、二関数の場合の分母は
D=b1+b2+(1−b1)(1−b2)=1+b1b2である。従って
θ1=1+b1b2b1,θ2=1+b1b2b2.Kの各点では少なくとも一方のbνが1なのでθ1+θ2=1である。両方が1になる重なりではθ1=θ2=1/2となり、二つの被覆要素へ寄与が対称に分かれる。
4 演習
問題 4.1 (積型による有限局所化).定理 2.1の証明で選んだb1,…,bMに対して
θ1=b1,θν=bνμ<ν∏(1−bμ)(2≤ν≤M)と定める。この関数族も同じ被覆に従属する有限局所化であり、全空間で総和が1以下になることを証明せよ。また、この構成と式 (9) の構成の違いを一つ述べよ。
解答.
各θνは非負のC1級関数であり、
suppθν⊂suppbν⊂Uσ(ν)である。この台はコンパクトである。
1≤m≤Mに対して
ν=1∑mθν=1−ν=1∏m(1−bν)(12)を帰納法で示す。m=1では両辺がb1である。式 (12) がmで成り立つならば、θm+1=bm+1∏ν=1m(1−bν)を加えることにより
1−ν=1∏m(1−bν)+bm+1ν=1∏m(1−bν)=1−ν=1∏m+1(1−bν)を得る。各1−bνは[0,1]に値をもつため、全空間で0≤∑νθν≤1となる。Kを含む開集合Vでは少なくとも一つのbνが1であり、式 (12) の積が零になるので総和は1である。
式 (9) の構成はbνの番号を入れ替えても対応するθνが入れ替わるだけである。一方、積型では前に置いた切断関数の因子が後の全ての関数へ現れるため、一般に番号の順序によって各局所化関数が変わる。▨