1 非可算冪の正規性
次の興味深い定理から始めよう。
定理 1.1 (A. H. Stone). I I I を非可算集合とするとき、N ≥ 0 I \N^I N ≥ 0 I は正規でない。
証明. k ∈ { 0 , 1 } k\in\{0,1\} k ∈ { 0 , 1 } に対して
A k = { x ∈ N ≥ 0 I ∣ k と異なるすべての n ∈ N ≥ 0 について ∣ x − 1 ( { n } ) ∣ ≤ 1 } A_k=\bigl\{x\in\N^I\ \big|\ k\text{ と異なるすべての }n\in\N\text{ について }\lvert x^{-1}(\{n\})\rvert\le1\bigr\} A k = { x ∈ N ≥ 0 I k と異なるすべての n ∈ N ≥ 0 について ∣ x − 1 ({ n })∣ ≤ 1 } と置く。これは閉集合である。実際、点x ∉ A k x\not\in A_k x ∈ A k をとれば、x ( i ) = x ( i ′ ) ≠ k x(i) = x(i')\neq k x ( i ) = x ( i ′ ) = k となるi , i ′ ∈ I i,i'\in I i , i ′ ∈ I が存在するため、{ ( x ( i ) , x ( i ′ ) ) } × N ≥ 0 I ∖ { i , i ′ } \{(x(i), x(i'))\}\times \N^{I\setminus \{i,i'\}} {( x ( i ) , x ( i ′ ))} × N ≥ 0 I ∖ { i , i ′ } はx x x を含むA k A_k A k と交わらない開集合である。また、元x ∈ A 0 ∩ A 1 x\in A_0\cap A_1 x ∈ A 0 ∩ A 1 はすべてのn ∈ N ≥ 0 n\in\N n ∈ N ≥ 0 に対して∣ x − 1 ( { n } ) ∣ ≤ 1 \lvert x^{-1}(\{n\})\rvert\le1 ∣ x − 1 ({ n })∣ ≤ 1 となるので単射x : I → N ≥ 0 x\colon I\to \N x : I → N ≥ 0 であるが、I I I の非可算性からこれはあり得ないので、A 0 ∩ A 1 = ∅ A_0\cap A_1 = \emptyset A 0 ∩ A 1 = ∅ であることがわかる。
もしN ≥ 0 I \N^I N ≥ 0 I が正規であれば、Urysohn の補題§E2.18 定理 3.1 より、交わらない閉集合A 0 , A 1 A_0, A_1 A 0 , A 1 を分離する連続関数f : N ≥ 0 I → [ 0 , 1 ] , f ( A 0 ) = { 0 } , f ( A 1 ) = { 1 } f\colon \N^I\to [0,1], f(A_0) = \{0\}, f(A_1) = \{1\} f : N ≥ 0 I → [ 0 , 1 ] , f ( A 0 ) = { 0 } , f ( A 1 ) = { 1 } が存在する。N ≥ 0 \N N ≥ 0 の有限直積は可分なので、§E2.14 系 5.3 と§E2.41 補題 1.4 により、そのすべての有限冪は pseudo-ℵ₁-compact であり、よって§E2.41 系 4.4 より高々可算なJ ⊆ I J\subseteq I J ⊆ I と連続写像g : N ≥ 0 J → R g\colon\N^J\to\R g : N ≥ 0 J → R が存在してf = g ∘ π J f=g\circ\pi_J f = g ∘ π J となる。ただしここでπ J : N ≥ 0 I → N ≥ 0 J \pi_J\colon \N^I\to \N^J π J : N ≥ 0 I → N ≥ 0 J は標準射影である。特にπ J ( A 0 ) ∩ π J ( A 1 ) = ∅ \pi_J(A_0)\cap \pi_J(A_1) = \emptyset π J ( A 0 ) ∩ π J ( A 1 ) = ∅ となる。しかしながら、いかなる単射x J : J → N ≥ 0 x_J\colon J\to \N x J : J → N ≥ 0 もπ J ( A 0 ) ∩ π J ( A 1 ) \pi_J(A_0)\cap \pi_J(A_1) π J ( A 0 ) ∩ π J ( A 1 ) に属するため、J J J が可算集合であることからこれは矛盾である。▨
定理 1.2 (A. H. Stone). X X X を空でない T1 空間、κ \kappa κ をκ ≥ ω 1 \kappa\ge\omega_1 κ ≥ ω 1 を満たす基数とする。積空間X κ X^{\kappa} X κ が正規ならば、X X X は可算コンパクトである。
証明. X X X が可算コンパクトでないと仮定する。X X X は空ではない T1 空間なので、§E2.23 系 5.2 (2) より、可算コンパクトでないことは可算無限離散閉部分集合D ⊆ X D\subseteq X D ⊆ X の存在を意味する。このときD κ ⊂ X κ D^\kappa\subset X^\kappa D κ ⊂ X κ は閉集合なので、X κ X^\kappa X κ の正規性からD κ D^\kappa D κ も正規である。一方、D ≅ N ≥ 0 D\cong \N D ≅ N ≥ 0 であるから、これは定理 1.1 に反する。よってX X X は可算コンパクトである。▨
補題 1.3. I I I を集合とする。次が成り立つ:
写像d : I → 2 I d\colon I\to 2^I d : I → 2 I をd ( i ) j = δ i j d(i)_j=\delta_{ij} d ( i ) j = δ ij で定義すると、d d d はI I I 上の離散位相に関して位相的埋め込みである。
e ∈ 2 I e\in 2^I e ∈ 2 I をすべての座標で0 0 0 である点とするとき、α I : = im ( d ) ∪ { 0 } ⊂ 2 I \alpha I:=\im(d)\cup\{0\}\subset 2^I α I := im ( d ) ∪ { 0 } ⊂ 2 I に相対位相を入れた空間はI I I の 1 点コンパクト化と同相である。
cf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 を満たす任意の無限基数κ \kappa κ について、κ ∈ Cal ( 2 I ) \kappa\in\operatorname{Cal}(2^I) κ ∈ Cal ( 2 I ) が成り立つ。とくに2 I 2^I 2 I は caliberℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 をもつ。
系 1.4. I I I を非可算集合とするとき、次が成り立つ。
2 I 2^I 2 I は T4 空間である。
2 I 2^I 2 I は T5 空間でない。
2 κ-コンパクト空間
定義 2.1. κ \kappa κ を無限基数とする。位相空間X X X が κ \kappa κ -コンパクト (κ \kappa κ -compact ) であるとは、∣ I ∣ ≤ κ |I|\leq\kappa ∣ I ∣ ≤ κ を満たす任意の添字集合I I I とX X X の任意の開被覆( U i ) i ∈ I (U_i)_{i\in I} ( U i ) i ∈ I に対して、有限部分集合E ⊆ I E\subseteq I E ⊆ I でX = ⋃ i ∈ E U i X=\bigcup_{i\in E}U_i X = ⋃ i ∈ E U i を満たすものが存在することをいう。
補題 2.3. κ \kappa κ を無限基数、X X X を位相空間とする。このとき、次は同値である:
X X X はκ \kappa κ -コンパクトである。
有限交差性を持つ任意のκ \kappa κ 個の閉部分集合族( C λ ) λ < κ (C_{\lambda})_{\lambda < \kappa} ( C λ ) λ < κ に対し⋂ λ < κ C λ ≠ ∅ \bigcap_{\lambda < \kappa}C_{\lambda}\neq \emptyset ⋂ λ < κ C λ = ∅ が成り立つ。
補題 2.4. κ \kappa κ を無限基数、X X X を位相空間とする。このとき、次が成り立つ:
X X X がコンパクトであれば、κ \kappa κ -コンパクトである。
X X X がκ \kappa κ -コンパクトであり、w ( X ) ≤ κ w(X)\leq\kappa w ( X ) ≤ κ ならば、X X X はコンパクトである。
証明. (1) は明らかである。§E2.13 補題 5.11 により、w ( X ) ≤ κ w(X)\leq\kappa w ( X ) ≤ κ ならば、任意の開被覆から濃度がκ \kappa κ 以下の部分被覆をとることができる。X X X のκ \kappa κ -コンパクト性を適用すると、(2) が従う。▨
補題 2.5. κ \kappa κ を無限基数とするとき、次の主張が成り立つ:
f : X → Y f\colon X\to Y f : X → Y を閉写像、Y Y Y をκ \kappa κ -コンパクトとする。もし任意のy ∈ Y y\in Y y ∈ Y に対してf − 1 ( y ) ⊂ X f^{-1}(y)\subset X f − 1 ( y ) ⊂ X がκ \kappa κ -コンパクトであれば、X X X はκ \kappa κ -コンパクトである。特に、f f f が固有閉写像であれば、X X X はκ \kappa κ -コンパクトである。
f : X → Y f\colon X\to Y f : X → Y を連続全射、X X X をκ \kappa κ -コンパクトとすると、Y Y Y はκ \kappa κ -コンパクトである。
X X X をκ \kappa κ -コンパクト空間、F ⊂ X F\subset X F ⊂ X を閉部分集合とするとき、F F F はκ \kappa κ -コンパクトである。
X X X をκ \kappa κ -コンパクト空間、K K K をコンパクト Hausdorff 空間とするとき、X × K X\times K X × K はκ \kappa κ -コンパクトである。
定理 2.6 (Noble). X X X を T1 空間、κ \kappa κ を非可算基数とする。X κ X^\kappa X κ が正規ならば、X X X はκ \kappa κ -コンパクトである。すなわち、濃度がκ \kappa κ 以下である添字集合をもつX X X の任意の開被覆は有限部分被覆をもつ。
証明. X = ∅ X=\emptyset X = ∅ の場合は結論が成り立つので、X ≠ ∅ X\neq\emptyset X = ∅ とする。X κ X^\kappa X κ は T1 かつ正規なので、§E2.18 系 3.3 により T3½ 空間である。X X X は一つの座標以外を固定した部分空間として埋め込まれるので、X X X も T3½ 空間であり、特に Hausdorff 空間である。空でないA ⊆ κ A\subseteq\kappa A ⊆ κ に対し、( X A ) κ ≅ X A × κ ≅ X κ (X^A)^\kappa\cong X^{A\times\kappa}\cong X^\kappa ( X A ) κ ≅ X A × κ ≅ X κ が成り立つので、定理 1.2 よりX A X^A X A は可算コンパクトである。A = ∅ A=\emptyset A = ∅ の場合もX A X^A X A は一点空間なので可算コンパクトである。補題 2.3 により、X X X がκ \kappa κ -コンパクトであることを示すために、有限交差性を持つκ \kappa κ 個の閉部分集合族( C λ ) λ < κ (C_{\lambda})_{\lambda < \kappa} ( C λ ) λ < κ を任意にとる。⋂ λ < κ C λ = ∅ \bigcap_{\lambda < \kappa}C_{\lambda} = \emptyset ⋂ λ < κ C λ = ∅ と仮定して矛盾を導こう。このとき、閉部分集合C : = ∏ λ < κ C λ C:=\prod_{\lambda<\kappa}C_\lambda C := ∏ λ < κ C λ とΔ : = { ( x ) λ < κ ∣ x ∈ X } \Delta:=\{(x)_{\lambda<\kappa}\mid x\in X\} Δ := {( x ) λ < κ ∣ x ∈ X } は交わらない。X X X は Hausdorff なので、Δ \Delta Δ は各二座標が等しいという閉条件の共通部分として閉集合である。したがってX κ X^\kappa X κ の正規性と Urysohn の補題§E2.18 定理 3.1 より、連続関数f : X κ → [ 0 , 1 ] f\colon X^\kappa\to[0,1] f : X κ → [ 0 , 1 ] でf ( C ) = { 0 } f(C)=\{0\} f ( C ) = { 0 } 、f ( Δ ) = { 1 } f(\Delta)=\{1\} f ( Δ ) = { 1 } となるものが存在する。ここで、任意の有限部分集合A ⊂ κ A\subset \kappa A ⊂ κ に対してX A X^A X A は可算コンパクトであるから、§E2.41 命題 1.2 と§E2.41 系 4.4 より、ある可算集合I ⊂ κ I\subset \kappa I ⊂ κ と連続写像g : X I → [ 0 , 1 ] g\colon X^I\to [0,1] g : X I → [ 0 , 1 ] が存在して、f = g ∘ pr I f = g\circ \pr_I f = g ∘ pr I が成り立つ。ただしここでpr I : X κ → X I \pr_I\colon X^{\kappa}\to X^I pr I : X κ → X I はI ⊂ κ I\subset \kappa I ⊂ κ 成分への射影である。一方、定理 1.2 よりX X X 自体も可算コンパクトなので、任意の可算部分集合I ⊂ κ , ∣ I ∣ ≤ ℵ 0 I\subset \kappa, \, |I| \leq \aleph_0 I ⊂ κ , ∣ I ∣ ≤ ℵ 0 に対し、⋂ λ ∈ I C λ ≠ ∅ \bigcap_{\lambda\in I}C_\lambda \neq \emptyset ⋂ λ ∈ I C λ = ∅ である。これはpr I ( C ) = ∏ λ ∈ I C λ \pr_I(C) = \prod_{\lambda\in I}C_{\lambda} pr I ( C ) = ∏ λ ∈ I C λ とpr I ( Δ ) = { ( x ) λ ∈ I ∣ x ∈ X } ⊂ X I \pr_I(\Delta) = \{(x)_{\lambda \in I} \mid x\in X\}\subset X^I pr I ( Δ ) = {( x ) λ ∈ I ∣ x ∈ X } ⊂ X I が交わることを意味し、f ( C ) = { 0 } , f ( Δ ) = { 1 } , f = g ∘ pr I f(C) = \{0\}, f(\Delta) = \{1\}, f = g\circ \pr_I f ( C ) = { 0 } , f ( Δ ) = { 1 } , f = g ∘ pr I に反する。以上で示された。▨
系 2.7. X X X を T1 空間とし、その重みをw ( X ) w(X) w ( X ) とする。κ = max { ℵ 1 , w ( X ) } \kappa=\max\{\aleph_1,w(X)\} κ = max { ℵ 1 , w ( X )} とおくと、X κ X^\kappa X κ が正規ならばX X X はコンパクトである。
Kuratowski 型の特徴付けを紹介しよう。
補題 2.9. κ \kappa κ を無限基数、K K K をκ \kappa κ -コンパクトな位相空間、X X X を各点が濃度κ \kappa κ 以下の近傍基を持つ位相空間とする。このとき、射影pr X : X × K → X \pr_X\colon X\times K \to X pr X : X × K → X は閉である。
証明. F ⊂ X × K F\subset X\times K F ⊂ X × K を閉集合、x ∈ X ∖ pr X ( F ) x\in X\setminus\pr_X(F) x ∈ X ∖ pr X ( F ) とする。必要なら同じ近傍を繰り返すことにより、x x x の開近傍基を( V λ ) λ < κ (V_\lambda)_{\lambda<\kappa} ( V λ ) λ < κ と表す。各λ < κ \lambda < \kappa λ < κ に対し、
U λ : = ⋃ { U ⊆ K | U は開で ( V λ × U ) ∩ F = ∅ } U_\lambda:=\bigcup\left\{U\subseteq K\,\middle|\,U\text{ は開で }(V_\lambda\times U)\cap F=\emptyset\right\} U λ := ⋃ { U ⊆ K ∣ U は開で ( V λ × U ) ∩ F = ∅ } と置く。任意のa ∈ K a\in K a ∈ K に対し、( x , a ) ∉ F (x,a)\notin F ( x , a ) ∈ / F なので、a a a の開近傍U ⊆ K U\subseteq K U ⊆ K とλ < κ \lambda<\kappa λ < κ で( V λ × U ) ∩ F = ∅ (V_\lambda\times U)\cap F=\emptyset ( V λ × U ) ∩ F = ∅ となるものが存在する。したがってa ∈ U ⊆ U λ a\in U\subseteq U_\lambda a ∈ U ⊆ U λ であり、( U λ ) λ < κ (U_\lambda)_{\lambda<\kappa} ( U λ ) λ < κ はK K K の開被覆である。K K K のκ \kappa κ -コンパクト性により、有限集合E ⊆ κ E\subseteq\kappa E ⊆ κ でK = ⋃ λ ∈ E U λ K=\bigcup_{\lambda\in E}U_\lambda K = ⋃ λ ∈ E U λ となるものが存在する。V : = ⋂ λ ∈ E V λ V:=\bigcap_{\lambda\in E}V_\lambda V := ⋂ λ ∈ E V λ とおくと( V × K ) ∩ F = ∅ (V\times K)\cap F=\emptyset ( V × K ) ∩ F = ∅ なので、V ∩ pr X ( F ) = ∅ V\cap\pr_X(F)=\emptyset V ∩ pr X ( F ) = ∅ である。よってX ∖ pr X ( F ) X\setminus\pr_X(F) X ∖ pr X ( F ) は開集合であり、pr X ( F ) \pr_X(F) pr X ( F ) は閉集合である。▨
補題 2.10. κ \kappa κ を無限基数、X X X を位相空間とする。このとき、次は同値である:
X X X はκ \kappa κ -コンパクトである。
射影pr : 2 κ × X → 2 κ \pr\colon2^\kappa\times X\to2^\kappa pr : 2 κ × X → 2 κ は閉写像である。
射影pr : [ 0 , 1 ] κ × X → [ 0 , 1 ] κ \pr\colon [0,1]^\kappa\times X\to [0,1]^\kappa pr : [ 0 , 1 ] κ × X → [ 0 , 1 ] κ は閉写像である。
証明. (1) ⇒ \Rightarrow ⇒ (2) と(1) ⇒ \Rightarrow ⇒ (3) は補題 2.9 よりただちに従う。(3) ⇒ \Rightarrow ⇒ (2) は射影[ 0 , 1 ] κ × X → [ 0 , 1 ] κ [0,1]^\kappa\times X\to [0,1]^\kappa [ 0 , 1 ] κ × X → [ 0 , 1 ] κ を閉部分集合2 κ × X ⊂ [ 0 , 1 ] κ × X 2^\kappa\times X\subset [0,1]^\kappa\times X 2 κ × X ⊂ [ 0 , 1 ] κ × X へ制限すると2 κ ⊂ [ 0 , 1 ] κ 2^\kappa\subset [0,1]^\kappa 2 κ ⊂ [ 0 , 1 ] κ を経由することからただちに従う。
(2) ⇒ \Rightarrow ⇒ (1) を示す。有限部分被覆をもたない開被覆( U i ) i ∈ I (U_i)_{i\in I} ( U i ) i ∈ I で∣ I ∣ ≤ κ |I|\leq\kappa ∣ I ∣ ≤ κ を満たすものが存在すると仮定する。単射I → κ I\to\kappa I → κ に沿って添字を付け替え、残りの添字には空集合を置くことにより、I = κ I=\kappa I = κ としてよい。集合
H = ( 2 κ × X ) ∖ ⋃ i < κ ( { t ∈ 2 κ ∣ t i = 1 } × U i ) H=(2^\kappa\times X)\setminus
\bigcup_{i<\kappa}\bigl(\{t\in2^\kappa\mid t_i=1\}\times U_i\bigr) H = ( 2 κ × X ) ∖ i < κ ⋃ ( { t ∈ 2 κ ∣ t i = 1 } × U i ) は閉集合である。
有限集合E ⊆ κ E\subseteq\kappa E ⊆ κ に対し、1 E ∈ 2 κ 1_E\in2^\kappa 1 E ∈ 2 κ をE E E の特性関数とする。被覆は有限部分被覆をもたないので、x E ∈ X ∖ ⋃ i ∈ E U i x_E\in X\setminus\bigcup_{i\in E}U_i x E ∈ X ∖ ⋃ i ∈ E U i をとることができる。( 1 E , x E ) ∈ H (1_E,x_E)\in H ( 1 E , x E ) ∈ H であるから1 E ∈ pr ( H ) 1_E\in\pr(H) 1 E ∈ pr ( H ) である。全座標で1 1 1 をとる点1 κ 1_\kappa 1 κ の任意の基本近傍は有限個の座標だけを指定するので、その指定座標集合をE E E とすると1 E 1_E 1 E を含む。したがって1 κ ∈ pr ( H ) ‾ 1_\kappa\in\tpcl{\pr(H)} 1 κ ∈ pr ( H ) である。
一方、( U i ) i < κ (U_i)_{i<\kappa} ( U i ) i < κ はX X X を覆うので、すべてのx ∈ X x\in X x ∈ X に対して( 1 κ , x ) ∉ H (1_\kappa,x)\notin H ( 1 κ , x ) ∈ / H であり、1 κ ∉ pr ( H ) 1_\kappa\notin\pr(H) 1 κ ∈ / pr ( H ) である。これはpr ( H ) \pr(H) pr ( H ) が閉集合であることに反する。ゆえに濃度がκ \kappa κ 以下である任意の開被覆は有限部分被覆をもつ。▨
3 2-進コンパクト空間
定理 3.1. X X X を空でないコンパクト Hausdorff 空間とする。w ( X ) ≥ ℵ 0 w(X) \geq \aleph_0 w ( X ) ≥ ℵ 0 と仮定する。このとき、ある閉部分集合F ⊆ 2 w ( X ) F\subseteq2^{w(X)} F ⊆ 2 w ( X ) からの全射連続写像g : F → X g\colon F\to X g : F → X が存在する。
証明. §E2.17 命題 5.6 により、2-進展開による連続全射をp : 2 ω → [ 0 , 1 ] p\colon 2^{\omega}\to[0,1] p : 2 ω → [ 0 , 1 ] とする。§E2.19 系 6.12 と§E2.15 定理 4.3 (4) により位相的埋め込みe : X → [ 0 , 1 ] w ( X ) e\colon X\to[0,1]^{w(X)} e : X → [ 0 , 1 ] w ( X ) が存在する。§E2.19 定理 4.2 によりe ( X ) e(X) e ( X ) はコンパクトであり、§E2.15 定理 2.8 (3) により[ 0 , 1 ] w ( X ) [0,1]^{w(X)} [ 0 , 1 ] w ( X ) は Hausdorff であるから、§E2.19 命題 6.4 によりe ( X ) e(X) e ( X ) は閉集合である。p p p を並べることで得られる連続全射p w ( X ) : 2 ω × w ( X ) → [ 0 , 1 ] w ( X ) p^{w(X)}\colon 2^{\omega\times w(X)}\to [0,1]^{w(X)} p w ( X ) : 2 ω × w ( X ) → [ 0 , 1 ] w ( X ) によるe ( X ) e(X) e ( X ) の逆像をF 0 : = ( p w ( X ) ) − 1 ( e ( X ) ) ⊂ 2 ω × w ( X ) F_0:=(p^{w(X)})^{-1}(e(X))\subset 2^{\omega \times w(X)} F 0 := ( p w ( X ) ) − 1 ( e ( X )) ⊂ 2 ω × w ( X ) とする。全単射ω × w ( X ) ≅ w ( X ) \omega\times w(X) \cong w(X) ω × w ( X ) ≅ w ( X ) を選ぶことで得られる同相写像2 ω × w ( X ) ≅ 2 w ( X ) 2^{\omega\times w(X)}\cong 2^{w(X)} 2 ω × w ( X ) ≅ 2 w ( X ) でF 0 F_0 F 0 に対応する閉集合をF ⊂ 2 w ( X ) F\subset 2^{w(X)} F ⊂ 2 w ( X ) として、2 w ( X ) ≅ 2 ω × w ( X ) → p w ( X ) [ 0 , 1 ] w ( X ) 2^{w(X)}\cong 2^{\omega\times w(X)}\xrightarrow{p^{w(X)}} [0,1]^{w(X)} 2 w ( X ) ≅ 2 ω × w ( X ) p w ( X ) [ 0 , 1 ] w ( X ) をF F F に制限することで得られる全射連続写像F → e ( X ) F\to e(X) F → e ( X ) と同相写像X → ∼ e ( X ) X\xrightarrow{\sim} e(X) X ∼ e ( X ) の逆写像の合成をg : F → X g\colon F\to X g : F → X とすれば、これが求めるものである。▨
系 3.2. X X X を空でないコンパクト Hausdorff 空間とするとき、次が成り立つ:
∣ X ∣ ≤ 2 w ( X ) \lvert X\rvert\le 2^{w(X)} ∣ X ∣ ≤ 2 w ( X ) が成り立つ。
X X X が距離化可能であれば、∣ X ∣ ≤ c \lvert X\rvert\le\mathfrak c ∣ X ∣ ≤ c である。
証明. X X X が無限ならば、T1 性からw ( X ) ≥ ℵ 0 w(X)\geq\aleph_0 w ( X ) ≥ ℵ 0 であり、定理 3.1 により∣ X ∣ ≤ 2 w ( X ) |X|\leq2^{w(X)} ∣ X ∣ ≤ 2 w ( X ) である。X X X が有限ならば、Hausdorff 性から離散空間なのでw ( X ) = ∣ X ∣ w(X)=|X| w ( X ) = ∣ X ∣ であり、やはり∣ X ∣ ≤ 2 w ( X ) |X|\leq2^{w(X)} ∣ X ∣ ≤ 2 w ( X ) である。したがって(1) が成り立つ。距離化可能な場合は§E2.13 補題 5.10 によりw ( X ) ≤ ℵ 0 w(X)\leq\aleph_0 w ( X ) ≤ ℵ 0 であるから、∣ X ∣ ≤ 2 w ( X ) ≤ 2 ℵ 0 = c |X|\leq2^{w(X)}\leq2^{\aleph_0}=\mathfrak c ∣ X ∣ ≤ 2 w ( X ) ≤ 2 ℵ 0 = c であり、(2) が従う。▨
定義 3.3. 2 = { 0 , 1 } 2=\{0,1\} 2 = { 0 , 1 } に離散位相を入れる。集合I I I に対して、すべての因子が2 2 2 である直積2 I = ∏ i ∈ I 2 2^I=\prod_{i\in I}2 2 I = ∏ i ∈ I 2 を、I I I を添字集合とするCantor 立方体 (Cantor cube ) という。部分集合F ⊂ I F\subset I F ⊂ I と元s ∈ 2 F s\in 2^F s ∈ 2 F に対し、
[ s ] F : = { x ∈ 2 I | x ∣ F = s } [s]_F := \left\{x\in 2^I\,\middle|\, x|_F = s\right\} [ s ] F := { x ∈ 2 I x ∣ F = s } と定義する。F F F が有限集合であるとき、これを 基本開集合 (fundamental open subset ) という。添字集合が明らかな場合は[ s ] F [s]_F [ s ] F を[ s ] [s] [ s ] と略記する。
定義 3.4. X X X を位相空間、A ⊆ X A\subseteq X A ⊆ X とし、A A A には部分空間位相を入れる。連続写像r : X → A r\colon X\to A r : X → A がすべてのa ∈ A a\in A a ∈ A に対してr ( a ) = a r(a)=a r ( a ) = a を満たすとき、r r r を レトラクション (retraction ) といい、A A A をX X X の レトラクト (retract ) という。
補題 3.5. I I I を集合とする。このとき、次が成り立つ:
I I I が高々可算集合であれば、任意の空でない閉集合F ⊂ 2 I F\subset 2^I F ⊂ 2 I はレトラクトである。
任意の空でないG δ G_\delta G δ 閉集合F ⊂ 2 I F\subset 2^I F ⊂ 2 I はレトラクトである。
空でないF ⊂ 2 I F\subset 2^I F ⊂ 2 I がcl 2 I ( int 2 I ( F ) ) = F \tpcl[2^I]{\tpint[2^I]{F}} = F cl 2 I ( int 2 I ( F ) ) = F を満たすとき、F F F は2 I 2^I 2 I のレトラクトである。
証明. (1) を示す。I I I が有限ならば、F F F の外の点をF F F の一つの点へ送り、F F F 上では恒等写像とする。2 I 2^I 2 I は離散空間なので、この写像はレトラクションである。I I I が無限集合のときは、I = ω I=\omega I = ω としても一般性を失わない。x ∉ F x\notin F x ∈ / F に対し、N ( x ) : = { n ∈ N ≥ 0 ∣ F ∩ [ x ∣ n ] ≠ ∅ } N(x):=\{n\in\N\mid F\cap[x|_n]\neq\emptyset\} N ( x ) := { n ∈ N ≥ 0 ∣ F ∩ [ x ∣ n ] = ∅ } とおく。F F F は空でない閉集合なので、0 ∈ N ( x ) 0\in N(x) 0 ∈ N ( x ) であり、x x x のある柱状近傍はF F F と交わらない。したがってn ( x ) : = max N ( x ) n(x):=\max N(x) n ( x ) := max N ( x ) が存在する。F ∩ [ x ∣ n ( x ) ] F\cap[x|_{n(x)}] F ∩ [ x ∣ n ( x ) ] は空でない閉部分集合なので、§E2.17 補題 5.8 により辞書式順序について最小元をもつ。
r ( x ) = { x ( x ∈ F ) , min ( F ∩ [ x ∣ n ( x ) ] ) ( x ∉ F ) r(x)=
\begin{cases}
x &(x\in F),\\
\min\bigl(F\cap[x|_{n(x)}]\bigr)&(x\notin F)
\end{cases} r ( x ) = { x min ( F ∩ [ x ∣ n ( x ) ] ) ( x ∈ F ) , ( x ∈ / F ) と定める。x ∉ F x\notin F x ∈ / F では[ x ∣ n ( x ) + 1 ] [x|_{n(x)+1}] [ x ∣ n ( x ) + 1 ] のどの点も同じn ( x ) n(x) n ( x ) と長さn ( x ) n(x) n ( x ) の初期列をもつので、r r r はこの近傍上で定数である。x ∈ F x\in F x ∈ F とn ∈ N ≥ 0 n\in\N n ∈ N ≥ 0 をとる。y ∈ [ x ∣ n ] ∖ F y\in[x|_n]\setminus F y ∈ [ x ∣ n ] ∖ F ならばx ∈ F ∩ [ y ∣ n ] x\in F\cap[y|_n] x ∈ F ∩ [ y ∣ n ] なのでn ( y ) ≥ n n(y)\geq n n ( y ) ≥ n であり、r ( y ) ∈ [ x ∣ n ] r(y)\in[x|_n] r ( y ) ∈ [ x ∣ n ] である。y ∈ [ x ∣ n ] ∩ F y\in[x|_n]\cap F y ∈ [ x ∣ n ] ∩ F についてもr ( y ) = y ∈ [ x ∣ n ] r(y)=y\in[x|_n] r ( y ) = y ∈ [ x ∣ n ] であるから、r ( [ x ∣ n ] ) ⊆ F ∩ [ x ∣ n ] r([x|_n])\subseteq F\cap[x|_n] r ([ x ∣ n ]) ⊆ F ∩ [ x ∣ n ] が成り立つ。柱状集合は開基をなすので、r r r はF F F の各点でも連続である。よってr r r はレトラクションである。
(2) を示す。§E2.29 補題 2.1 (2) より、ある連続関数f : 2 I → [ 0 , 1 ] f\colon 2^I\to [0,1] f : 2 I → [ 0 , 1 ] が存在してF = f − 1 ( 0 ) F=f^{-1}(0) F = f − 1 ( 0 ) が成り立つ。よって§E2.41 系 4.4 より、ある可算部分集合E ⊂ I E\subset I E ⊂ I と連続写像f E : 2 E → [ 0 , 1 ] f_E\colon 2^E\to [0,1] f E : 2 E → [ 0 , 1 ] が存在して、f = f E ∘ π E f=f_E\circ \pi_E f = f E ∘ π E が成り立つ。ただしここでπ E : 2 I → 2 E \pi_E\colon 2^I\to 2^E π E : 2 I → 2 E は標準全射である。ゆえにF = f − 1 ( 0 ) = f E − 1 ( 0 ) × 2 I ∖ E F = f^{-1}(0) = f_E^{-1}(0)\times 2^{I\setminus E} F = f − 1 ( 0 ) = f E − 1 ( 0 ) × 2 I ∖ E であり、(1) よりf E − 1 ( 0 ) ⊂ 2 E f_E^{-1}(0)\subset 2^E f E − 1 ( 0 ) ⊂ 2 E はレトラクトなので、よってF ⊂ 2 I F\subset 2^I F ⊂ 2 I もレトラクトである。
(3) を示す。
Zorn の補題により、int 2 I ( F ) \tpint[2^I]{F} int 2 I ( F ) に含まれる交わらない2 I 2^I 2 I の基本開集合の族のうち極大なもの( [ s A ] ) A ∈ A ([s_A])_{A\in\mathcal{A}} ([ s A ] ) A ∈ A が存在する。ただしここで、各A ∈ A A\in \mathcal{A} A ∈ A に対して有限部分集合I A ⊂ I I_A\subset I I A ⊂ I が選ばれていて、s A s_A s A は2 I A 2^{I_A} 2 I A の元である。§E2.40 系 2.17 と§E2.40 命題 2.6 (2) よりint 2 I ( F ) \tpint[2^I]{F} int 2 I ( F ) はℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 caliber を持つので、§E2.40 命題 3.2 よりint 2 I ( F ) \tpint[2^I]{F} int 2 I ( F ) は可算鎖条件を満たす。よってA \mathcal{A} A は可算集合でなければならず、J : = ⋃ A ∈ A I A ⊂ I J:=\bigcup_{A\in\mathcal{A}}I_A\subset I J := ⋃ A ∈ A I A ⊂ I は可算集合である。各A ∈ A A\in \mathcal{A} A ∈ A に対してs A ∈ 2 I A s_A\in 2^{I_A} s A ∈ 2 I A の定める2 J 2^J 2 J の基本開集合を[ s A ] J [s_A]_J [ s A ] J と表すことにすれば、自然な同相2 I ≅ 2 J × 2 I ∖ J 2^I\cong 2^J\times 2^{I\setminus J} 2 I ≅ 2 J × 2 I ∖ J のもとで[ s A ] ≅ [ s A ] J × 2 I ∖ J [s_A] \cong [s_A]_J\times 2^{I\setminus J} [ s A ] ≅ [ s A ] J × 2 I ∖ J となる。ここで、A \mathcal{A} A の極大性から
F = cl 2 I ( int 2 I ( F ) ) = cl 2 I ( ⋃ A ∈ A [ s A ] ) ≅ cl 2 J ( ⋃ A ∈ A [ s A ] J ) × 2 I ∖ J F = \tpcl[2^I]{\tpint[2^I]{F}} = \tpcl[2^I]{\bigcup_{A\in \mathcal{A}}[s_A]} \cong \tpcl[2^J]{\bigcup_{A\in \mathcal{A}}[s_A]_J}\times 2^{I\setminus J} F = cl 2 I ( int 2 I ( F ) ) = cl 2 I ( A ∈ A ⋃ [ s A ] ) ≅ cl 2 J ( A ∈ A ⋃ [ s A ] J ) × 2 I ∖ J が成り立つ。(1) よりcl 2 J ( ⋃ A ∈ A [ s A ] J ) ⊂ 2 J \tpcl[2^J]{\bigcup_{A\in \mathcal{A}}[s_A]_J}\subset 2^J cl 2 J ( ⋃ A ∈ A [ s A ] J ) ⊂ 2 J はレトラクトなので、よってF ⊂ 2 I F\subset 2^I F ⊂ 2 I もレトラクトである。▨
定義 3.6 (2-進コンパクト空間). 空でないコンパクト Hausdorff 空間X X X が 2-進コンパクト空間 (dyadic compactum ) であるとは、ある集合I I I に対して Cantor 立方体2 I 2^I 2 I 全体からX X X への連続な全射2 I ↠ X 2^I\twoheadrightarrow X 2 I ↠ X が存在することをいう。
命題 3.7. 2-進コンパクト空間に関して、以下の主張が成り立つ:
X X X を 2-進コンパクト空間、Y Y Y を Hausdorff 空間とし、f : X → Y f\colon X\to Y f : X → Y を連続な全射とする。このときY Y Y は 2-進コンパクト空間である。とくに、2-進コンパクト空間のレトラクトは 2-進コンパクト空間である。
2-進コンパクト空間の任意の族( X j ) j ∈ J (X_j)_{j\in J} ( X j ) j ∈ J に対して、直積∏ j ∈ J X j \prod_{j\in J}X_j ∏ j ∈ J X j は 2-進コンパクト空間である。
2-進コンパクト空間は caliberℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 をもち、可算鎖条件をもつ。
空でないコンパクト距離空間X X X に対して、連続な全射2 ω → X 2^\omega\to X 2 ω → X が存在する。したがってX X X は 2-進コンパクトである。
X X X を 2-進コンパクト空間、F ⊂ X F\subset X F ⊂ X を空でない閉部分集合とする。F F F がX X X のG δ G_\delta G δ 集合であるか、またはcl X ( int X ( F ) ) = F \tpcl[X]{\tpint[X]{F}} = F cl X ( int X ( F ) ) = F を満たすとき、F F F は 2-進コンパクトである。
証明. (1) と(2) は定義よりただちに従う。(3) を示す。X X X を 2-進コンパクト空間とし、連続な全射q : 2 I → X q\colon2^I\to X q : 2 I → X をとる。§E2.40 系 2.17 により2 I 2^I 2 I は caliberℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 をもつので、§E2.40 命題 2.6 (1) によりX X X も caliberℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 をもつ。§E2.40 命題 3.2 によりX X X は可算鎖条件をもつ。(4) を示す。X X X を空でないコンパクト距離空間とする。§E2.13 補題 5.10 と§E2.13 命題 5.8 によりw ( X ) ≤ ℵ 0 w(X)\leq\aleph_0 w ( X ) ≤ ℵ 0 である。X X X が無限ならば、有限開基B \mathcal B B は存在しない。実際、x ↦ { B ∈ B ∣ x ∈ B } x\mapsto\{B\in\mathcal B\mid x\in B\} x ↦ { B ∈ B ∣ x ∈ B } は Hausdorff 性によりX X X から有限集合P ( B ) \mathcal P(\mathcal B) P ( B ) への単射となるからである。したがってw ( X ) = ℵ 0 w(X)=\aleph_0 w ( X ) = ℵ 0 であり、定理 3.1 により、空でない閉部分集合F ⊆ 2 ω F\subseteq2^\omega F ⊆ 2 ω と連続な全射g : F → X g\colon F\to X g : F → X が存在する。補題 3.5 (1) によりレトラクションr : 2 ω → F r\colon2^\omega\to F r : 2 ω → F が存在し、g ∘ r g\circ r g ∘ r は2 ω 2^\omega 2 ω からX X X への連続な全射である。
X X X が有限の場合は離散空間である。2 n ≥ ∣ X ∣ 2^n\geq|X| 2 n ≥ ∣ X ∣ となるn ∈ N ≥ 0 n\in\N n ∈ N ≥ 0 と全射ι : 2 n → X \iota\colon2^n\to X ι : 2 n → X をとる。2 n 2^n 2 n は有限離散空間であるからι \iota ι は連続である。最初のn n n 座標への射影ρ : 2 ω → 2 n \rho\colon2^\omega\to2^n ρ : 2 ω → 2 n は連続な全射であり、ι ∘ ρ \iota\circ\rho ι ∘ ρ は2 ω 2^\omega 2 ω からX X X への連続な全射である。
(5) を示す。連続全射q : 2 I → X q\colon2^I\to X q : 2 I → X をとる。F F F がG δ G_\delta G δ 閉集合ならば、q − 1 ( F ) q^{-1}(F) q − 1 ( F ) も空でないG δ G_\delta G δ 閉集合なので、補題 3.5 (2) により2 I 2^I 2 I のレトラクトである。このレトラクションとq q q の合成はF F F への連続全射である。F = cl X ( int X ( F ) ) F=\tpcl[X]{\tpint[X]{F}} F = cl X ( int X ( F ) ) の場合は、H : = cl 2 I ( q − 1 ( int X ( F ) ) ) H:=\tpcl[2^I]{q^{-1}(\tpint[X]{F})} H := cl 2 I ( q − 1 ( int X ( F )) ) とおく。q q q は閉な連続全射なのでq ( H ) = cl X ( int X ( F ) ) = F q(H)=\tpcl[X]{\tpint[X]{F}}=F q ( H ) = cl X ( int X ( F ) ) = F である。H H H は空でない開集合の閉包なので、補題 3.5 (3) のレトラクションとq q q を合成すればF F F への連続全射が得られる。問題 4.5 も見よ。▨
例 3.8. κ \kappa κ を非可算基数とする。0 ∈ 2 κ 0\in2^\kappa 0 ∈ 2 κ を定値写像とし、α < κ \alpha<\kappa α < κ に対してe α ∈ 2 κ e_\alpha\in2^\kappa e α ∈ 2 κ をα \alpha α 座標だけが1 1 1 である点とする。このとき
F = { 0 } ∪ { e α ∣ α < κ } F=\{0\}\cup\{e_\alpha\mid\alpha<\kappa\} F = { 0 } ∪ { e α ∣ α < κ } は2 κ 2^\kappa 2 κ の閉部分空間であり、可算鎖条件をもたない。したがってF F F は 2-進コンパクト空間でなく、2 κ 2^\kappa 2 κ のレトラクトでもない。
x ∉ F x\notin F x ∈ / F ならば、相異なるα , β < κ \alpha,\beta<\kappa α , β < κ でx α = x β = 1 x_\alpha=x_\beta=1 x α = x β = 1 となるものが存在する。{ y ∣ y α = y β = 1 } \{y\mid y_\alpha=y_\beta=1\} { y ∣ y α = y β = 1 } はx x x の開近傍でF F F と交わらないので、F F F は閉集合である。一方、各α < κ \alpha<\kappa α < κ についてF ∩ { x ∣ x α = 1 } = { e α } F\cap\{x\mid x_\alpha=1\}=\{e_\alpha\} F ∩ { x ∣ x α = 1 } = { e α } はF F F の開集合である。これらの一点集合は互いに交わらず、その個数は非可算なのでF F F は可算鎖条件をもたない。命題 3.7 (3) によりF F F は 2-進コンパクト空間でない。2 κ 2^\kappa 2 κ 自身は 2-進コンパクト空間であるから、命題 3.7 (1) によりF F F へのレトラクションも存在しない。
カントール立方体の商による表示をどのように取り替えられるか調査しよう。
補題 3.9. A A A を集合、X X X を 2-進コンパクト空間、f : 2 A → X f\colon 2^A\to X f : 2 A → X を全射連続写像とする。部分集合E ⊂ A E\subset A E ⊂ A に対し、π E : 2 A → 2 E \pi_E\colon 2^A\to 2^E π E : 2 A → 2 E で標準射影を表す。このとき、次が成り立つ:
部分集合E ⊂ A E\subset A E ⊂ A であって、f = f E ∘ π E f = f_E\circ \pi_E f = f E ∘ π E となる連続写像f E : 2 E → X f_E\colon 2^E\to X f E : 2 E → X が存在するもののうち最小のものが存在する。また、X X X が無限集合であれば、このとき∣ E ∣ = w ( X ) \lvert E\rvert = w(X) ∣ E ∣ = w ( X ) が成り立つ。
κ ≤ w ( X ) \kappa\leq w(X) κ ≤ w ( X ) かつcf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 を満たす基数κ \kappa κ に対し、濃度κ \kappa κ の部分集合S ⊂ A S\subset A S ⊂ A と元x A ∖ S ∈ 2 A ∖ S x_{A\setminus S}\in 2^{A\setminus S} x A ∖ S ∈ 2 A ∖ S が存在して、制限f ∣ [ x A ∖ S ] f|_{[x_{A\setminus S}]} f ∣ [ x A ∖ S ] は単射となる。特にcf ( w ( X ) ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(w(X))>\aleph_0 cf ( w ( X )) > ℵ 0 ならばκ = w ( X ) \kappa=w(X) κ = w ( X ) とすることができる。
証明. x ∈ 2 A x\in 2^A x ∈ 2 A と部分集合A ′ ⊂ A A'\subset A A ′ ⊂ A に対し、x A ′ : = π A ′ ( x ) ∈ 2 A ′ x_{A'}:=\pi_{A'}(x)\in 2^{A'} x A ′ := π A ′ ( x ) ∈ 2 A ′ と置く。
E : = { a ∈ A | ∃ t , u ∈ 2 A , t A ∖ { a } = u A ∖ { a } , f ( t ) ≠ f ( u ) } , R f : = { ( z , z ′ ) ∈ 2 A × 2 A ∣ f ( z ) = f ( z ′ ) } = ( f × f ) − 1 ( Δ X ) \begin{align*}
E &:= \left\{ a\in A \,\middle|\, \exists t,u\in 2^A, \, t_{A\setminus \{a\}} = u_{A\setminus \{a\}}, \, f(t)\neq f(u)\right\}, \\
R_f &:= \{(z,z')\in 2^A\times 2^A \mid f(z) = f(z')\} = (f\times f)^{-1}(\Delta_X)
\end{align*} E R f := { a ∈ A ∃ t , u ∈ 2 A , t A ∖ { a } = u A ∖ { a } , f ( t ) = f ( u ) } , := {( z , z ′ ) ∈ 2 A × 2 A ∣ f ( z ) = f ( z ′ )} = ( f × f ) − 1 ( Δ X ) と置く。X X X は Hausdorff なので対角集合Δ X ⊂ X × X \Delta_X\subset X\times X Δ X ⊂ X × X は閉であり、よってR f ⊂ 2 A × 2 A R_f\subset 2^A\times 2^A R f ⊂ 2 A × 2 A も閉である。
(1) を示す。E E E の構成から、もしf f f が射影π E \pi_E π E を経由して分解すれば、E E E が求める最小の部分集合である。t , u ∈ 2 A t,u\in 2^A t , u ∈ 2 A がt E = u E t_E = u_E t E = u E を満たしているとする。f ( t ) ≠ f ( u ) f(t)\neq f(u) f ( t ) = f ( u ) と仮定すると( t , u ) ∉ R f (t,u)\notin R_f ( t , u ) ∈ / R f であるから、有限集合P , Q ⊂ A P,Q\subset A P , Q ⊂ A でR f ∩ ( [ t P ] × [ u Q ] ) = ∅ R_f\cap([t_P]\times[u_Q])=\emptyset R f ∩ ([ t P ] × [ u Q ]) = ∅ を満たすものが存在する。v ∈ 2 A v\in2^A v ∈ 2 A を、Q Q Q 上ではu u u と等しく、それ以外ではt t t と等しい点とする。v v v とt t t が異なる座標は有限集合Q ∖ E Q\setminus E Q ∖ E に含まれる。E E E に属さない座標を一つ変更してもf f f の値は変わらないので、有限回の変更によりf ( v ) = f ( t ) f(v)=f(t) f ( v ) = f ( t ) である。一方、( t , v ) ∈ [ t P ] × [ u Q ] (t,v)\in[t_P]\times[u_Q] ( t , v ) ∈ [ t P ] × [ u Q ] であるから、R f ∩ ( [ t P ] × [ u Q ] ) = ∅ R_f\cap([t_P]\times[u_Q])=\emptyset R f ∩ ([ t P ] × [ u Q ]) = ∅ に反する。したがってt E = u E t_E=u_E t E = u E ならばf ( t ) = f ( u ) f(t)=f(u) f ( t ) = f ( u ) である。
E E E の外の座標をすべて0 0 0 とする連続な切断s E : 2 E → 2 A s_E\colon2^E\to2^A s E : 2 E → 2 A をとり、f E = f ∘ s E f_E=f\circ s_E f E = f ∘ s E とおく。s E ( π E ( t ) ) s_E(\pi_E(t)) s E ( π E ( t )) とt t t はE E E 上で等しいので、f = f E ∘ π E f=f_E\circ\pi_E f = f E ∘ π E である。また、f f f がB ⊂ A B\subset A B ⊂ A 上の射影を経由するならば、B B B の外の一座標だけが異なる二点の像は等しい。よってE ⊆ B E\subseteq B E ⊆ B であり、E E E は最小である。
X X X が無限集合であるとする。X X X は T1 空間なので、有限な開基をもてば位相が有限となり、相異なる点x ∈ X x\in X x ∈ X に対する開集合X ∖ { x } X\setminus\{x\} X ∖ { x } を区別することができない。したがってw ( X ) ≥ ℵ 0 w(X)\geq\aleph_0 w ( X ) ≥ ℵ 0 である。f E f_E f E は全射なのでE E E も無限であり、§E2.14 系 1.5 と§E2.19 補題 6.9 によりw ( X ) ≤ ∣ E ∣ w(X)\leq|E| w ( X ) ≤ ∣ E ∣ である。
X X X は§E2.19 系 6.12 により T3½ 空間なので、§E2.15 定理 4.3 (4) より位相的埋め込みe : X → [ 0 , 1 ] w ( X ) e\colon X\to [0,1]^{w(X)} e : X → [ 0 , 1 ] w ( X ) をとることができる。各λ < w ( X ) \lambda < w(X) λ < w ( X ) に対する標準射影をp λ : [ 0 , 1 ] w ( X ) → [ 0 , 1 ] p_\lambda\colon [0,1]^{w(X)}\to [0,1] p λ : [ 0 , 1 ] w ( X ) → [ 0 , 1 ] とする。このとき、§E2.41 系 4.4 より、可算部分集合E λ ⊂ A E_\lambda \subset A E λ ⊂ A とf λ : 2 E λ → [ 0 , 1 ] f_\lambda\colon 2^{E_\lambda}\to [0,1] f λ : 2 E λ → [ 0 , 1 ] が存在して、p λ ∘ e ∘ f = f λ ∘ π E λ p_\lambda \circ e\circ f = f_\lambda\circ \pi_{E_\lambda} p λ ∘ e ∘ f = f λ ∘ π E λ が成り立つ。E 1 : = ⋃ λ < w ( X ) E λ E_1:=\bigcup_{\lambda<w(X)}E_\lambda E 1 := ⋃ λ < w ( X ) E λ とおけば、∣ E 1 ∣ ≤ w ( X ) ⋅ ℵ 0 = w ( X ) |E_1|\leq w(X)\cdot\aleph_0=w(X) ∣ E 1 ∣ ≤ w ( X ) ⋅ ℵ 0 = w ( X ) である。t , u ∈ 2 A t,u\in2^A t , u ∈ 2 A がE 1 E_1 E 1 上で等しければ、すべてのλ < w ( X ) \lambda<w(X) λ < w ( X ) についてp λ ( e ( f ( t ) ) ) = p λ ( e ( f ( u ) ) ) p_\lambda(e(f(t)))=p_\lambda(e(f(u))) p λ ( e ( f ( t ))) = p λ ( e ( f ( u ))) であり、e e e の単射性からf ( t ) = f ( u ) f(t)=f(u) f ( t ) = f ( u ) である。したがってE 1 E_1 E 1 の外を0 0 0 とする切断s E 1 s_{E_1} s E 1 によりf = ( f ∘ s E 1 ) ∘ π E 1 f=(f\circ s_{E_1})\circ\pi_{E_1} f = ( f ∘ s E 1 ) ∘ π E 1 となる。E E E の最小性からE ⊆ E 1 E\subseteq E_1 E ⊆ E 1 であり、∣ E ∣ ≤ w ( X ) |E|\leq w(X) ∣ E ∣ ≤ w ( X ) を得る。ゆえに∣ E ∣ = w ( X ) |E|=w(X) ∣ E ∣ = w ( X ) である。
(2) を示す。(1) より∣ E ∣ = w ( X ) |E|=w(X) ∣ E ∣ = w ( X ) であるから、∣ E ′ ∣ = κ |E'|=\kappa ∣ E ′ ∣ = κ となるE ′ ⊆ E E'\subseteq E E ′ ⊆ E をとる。各a ∈ E ′ a\in E' a ∈ E ′ に対して、E E E の定義より、t a , u a ∈ 2 A t^a, u^a\in 2^A t a , u a ∈ 2 A をt A ∖ { a } a = u A ∖ { a } a t^a_{A\setminus \{a\}} = u^a_{A\setminus \{a\}} t A ∖ { a } a = u A ∖ { a } a かつf ( t a ) ≠ f ( u a ) f(t^a) \neq f(u^a) f ( t a ) = f ( u a ) となるように選ぶ。このとき、t a , u a t^a, u^a t a , u a はa ∈ A a\in A a ∈ A の座標でのみ異なる。すなわち、t a a ≠ u a a t^a_a\neq u^a_a t a a = u a a である。また、f ( t a ) ≠ f ( u a ) f(t^a)\neq f(u^a) f ( t a ) = f ( u a ) かつR f R_f R f は閉なので、a ∈ R a a\in R_a a ∈ R a を満たす有限集合R a ⊂ A R_a\subset A R a ⊂ A でR f ∩ ( [ t R a a ] × [ u R a a ] ) = ∅ R_f\cap([t^a_{R_a}]\times[u^a_{R_a}])=\emptyset R f ∩ ([ t R a a ] × [ u R a a ]) = ∅ となるものが存在する。s a : = t R a ∖ { a } a = u R a ∖ { a } a ∈ 2 R a ∖ { a } s^a:=t^a_{R_a\setminus \{a\}} = u^a_{R_a\setminus \{a\}} \in 2^{R_a\setminus \{a\}} s a := t R a ∖ { a } a = u R a ∖ { a } a ∈ 2 R a ∖ { a } と置く。
各a ∈ E ′ a\in E' a ∈ E ′ に対し、
V a : = { p ∈ 3 A ∣ p a = 2 , p R a ∖ { a } = s a } ⊂ 3 A V_a := \{p\in 3^A \mid p_a = 2,\, p_{R_a\setminus \{a\}} = s^a\}\subset 3^A V a := { p ∈ 3 A ∣ p a = 2 , p R a ∖ { a } = s a } ⊂ 3 A とおく。各V a V_a V a は空でない開集合である。cf ( κ ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(\kappa)>\aleph_0 cf ( κ ) > ℵ 0 であるから、§E2.40 系 2.17 を三点離散空間3 3 3 に適用すると、3 A 3^A 3 A は caliberκ \kappa κ をもつ。したがって∣ S ∣ = κ |S|=\kappa ∣ S ∣ = κ を満たすS ⊂ E ′ S\subset E' S ⊂ E ′ で、⋂ a ∈ S V a ≠ ∅ \bigcap_{a\in S}V_a\neq\emptyset ⋂ a ∈ S V a = ∅ となるものが存在する。点p ∈ ⋂ a ∈ S V a p\in \bigcap_{a\in S}V_a p ∈ ⋂ a ∈ S V a をとる。このとき、a ∈ S a\in S a ∈ S であればp a = 2 p_a=2 p a = 2 であり、さらにp R a ∖ { a } = s a p_{R_a\setminus \{a\}} = s^a p R a ∖ { a } = s a が成り立つ。s a s^a s a の各座標の値は0 0 0 または1 1 1 であるため、各a ∈ S a\in S a ∈ S に対し、S ∩ ( R a ∖ { a } ) = ∅ S\cap(R_a\setminus\{a\})=\emptyset S ∩ ( R a ∖ { a }) = ∅ が成り立つ。
2 ↦ 0 2\mapsto 0 2 ↦ 0 により引き起こされる連続写像3 A → 2 A 3^A\to 2^A 3 A → 2 A と射影2 A → 2 A ∖ S 2^A\to 2^{A\setminus S} 2 A → 2 A ∖ S の合成によるp ∈ 3 A p\in 3^A p ∈ 3 A の像をx A ∖ S ∈ 2 A ∖ S x_{A\setminus S}\in 2^{A\setminus S} x A ∖ S ∈ 2 A ∖ S とする。任意のa ∈ S a\in S a ∈ S に対してS ∩ ( R a ∖ { a } ) = ∅ S\cap (R_a\setminus \{a\}) = \emptyset S ∩ ( R a ∖ { a }) = ∅ が成り立つので、p R a ∖ { a } = s a p_{R_a\setminus \{a\}} = s^a p R a ∖ { a } = s a より、[ x A ∖ S ] ⊂ [ s a ] [x_{A\setminus S}]\subset [s^a] [ x A ∖ S ] ⊂ [ s a ] が成り立つ。また、[ x A ∖ S ] [x_{A\setminus S}] [ x A ∖ S ] の異なる点y ≠ z y\neq z y = z を任意にとれば、あるa ∈ S a\in S a ∈ S でy a ≠ z a y_a\neq z_a y a = z a となる。y , z ∈ [ s a ] y,z\in [s^a] y , z ∈ [ s a ] であることから、y ∈ [ t R a a ] , z ∈ [ u R a a ] y\in [t^a_{R_a}], z\in [u^a_{R_a}] y ∈ [ t R a a ] , z ∈ [ u R a a ] であるか、またはz ∈ [ t R a a ] , y ∈ [ u R a a ] z\in [t^a_{R_a}], y\in [u^a_{R_a}] z ∈ [ t R a a ] , y ∈ [ u R a a ] のいずれかが成り立つ(y a ≠ z a y_a\neq z_a y a = z a とt a a ≠ u a a t^a_a\neq u^a_a t a a = u a a はどれも0 0 0 か1 1 1 であり、R a ∖ { a } R_a\setminus \{a\} R a ∖ { a } 上ではどれもs a s^a s a に等しい)。いずれの場合も( y , z ) (y,z) ( y , z ) または( z , y ) (z,y) ( z , y ) が[ t R a a ] × [ u R a a ] [t^a_{R_a}]\times[u^a_{R_a}] [ t R a a ] × [ u R a a ] に属するので、f ( y ) ≠ f ( z ) f(y)\neq f(z) f ( y ) = f ( z ) である。特にf ∣ [ x A ∖ S ] : [ x A ∖ S ] → X f|_{[x_{A\setminus S}]}\colon [x_{A\setminus S}]\to X f ∣ [ x A ∖ S ] : [ x A ∖ S ] → X は単射である。以上で示された。▨
系 3.10. X X X を 2-進コンパクト空間とする。
cf ( w ( X ) ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(w(X)) > \aleph_0 cf ( w ( X )) > ℵ 0 であれば、∣ X ∣ = 2 w ( X ) \lvert X\rvert=2^{w(X)} ∣ X ∣ = 2 w ( X ) である。
X X X が継承的正規であれば、w ( X ) ≤ ℵ 0 w(X)\leq\aleph_0 w ( X ) ≤ ℵ 0 である。特にこのとき、X X X は距離化可能である。
証明. 補題 3.9 (2) で得た部分空間[ x A ∖ S ] [x_{A\setminus S}] [ x A ∖ S ] は2 S 2^S 2 S と同相であり、コンパクトである。したがって、連続な単射f ∣ [ x A ∖ S ] f|_{[x_{A\setminus S}]} f ∣ [ x A ∖ S ] は§E2.19 定理 6.8 により像への同相写像であり、その像はX X X の閉部分空間である。cf ( w ( X ) ) > ℵ 0 \operatorname{cf}(w(X))>\aleph_0 cf ( w ( X )) > ℵ 0 の場合はκ = w ( X ) \kappa=w(X) κ = w ( X ) とすることにより、2 w ( X ) ≤ ∣ X ∣ 2^{w(X)}\leq|X| 2 w ( X ) ≤ ∣ X ∣ を得る。系 3.2 (1) による逆向きの不等式と合わせると、(1) が従う。
X X X が継承的正規であるとし、w ( X ) > ℵ 0 w(X)>\aleph_0 w ( X ) > ℵ 0 と仮定する。補題 3.9 (2) にκ = ℵ 1 \kappa=\aleph_1 κ = ℵ 1 を適用すると、X X X は2 ω 1 2^{\omega_1} 2 ω 1 と同相な部分空間を含む。継承的正規性は部分空間へ遺伝するが、系 1.4 (2) により2 ω 1 2^{\omega_1} 2 ω 1 は継承的正規でないので矛盾する。よってw ( X ) ≤ ℵ 0 w(X)\leq\aleph_0 w ( X ) ≤ ℵ 0 である。§E2.19 系 6.12 と§E2.15 系 4.5 により、X X X は距離化可能である。▨
補題 3.12. X X X を 2-進コンパクト空間とする。もしある稠密部分空間M ⊂ X M\subset X M ⊂ X が第一可算であれば、X X X は第二可算である。特にX X X は距離化可能である。
証明. f : 2 A → X f\colon2^A\to X f : 2 A → X を連続な全射とする。
主張 3.12.1. 各m ∈ M m\in M m ∈ M に対し、高々可算なB m ⊆ A B_m\subseteq A B m ⊆ A が存在し、t ∈ f − 1 ( m ) t\in f^{-1}(m) t ∈ f − 1 ( m ) とu ∈ 2 A u\in2^A u ∈ 2 A がB m B_m B m 上で等しければu ∈ f − 1 ( m ) u\in f^{-1}(m) u ∈ f − 1 ( m ) である。
証明. m ∈ M m\in M m ∈ M の可算開近傍基を( V n ∩ M ) n ∈ N ≥ 0 (V_n\cap M)_{n\in\N} ( V n ∩ M ) n ∈ N ≥ 0 と表す。ただし各V n V_n V n はX X X の開集合である。y ∈ X ∖ { m } y\in X\setminus\{m\} y ∈ X ∖ { m } に対し、Hausdorff 性によってm ∈ U m\in U m ∈ U 、y ∈ W y\in W y ∈ W となる交わらない開集合U , W U,W U , W をとり、V n ∩ M ⊆ U ∩ M V_n\cap M\subseteq U\cap M V n ∩ M ⊆ U ∩ M となるn n n を選ぶ。y ∈ V n y\in V_n y ∈ V n ならば、空でない開集合V n ∩ W V_n\cap W V n ∩ W は稠密集合M M M と交わるが、V n ∩ W ∩ M ⊆ U ∩ W = ∅ V_n\cap W\cap M\subseteq U\cap W=\emptyset V n ∩ W ∩ M ⊆ U ∩ W = ∅ となるので矛盾する。したがって⋂ n V n = { m } \bigcap_nV_n=\{m\} ⋂ n V n = { m } である。
コンパクト集合f − 1 ( m ) f^{-1}(m) f − 1 ( m ) は各f − 1 ( V n ) f^{-1}(V_n) f − 1 ( V n ) に含まれるので、有限個の基本開集合の和H n H_n H n で
f − 1 ( m ) ⊆ H n ⊆ f − 1 ( V n ) f^{-1}(m)\subseteq H_n\subseteq f^{-1}(V_n) f − 1 ( m ) ⊆ H n ⊆ f − 1 ( V n ) となるものを選ぶことができる。各H n H_n H n を定める有限個の座標をすべて集めた集合をB m B_m B m とすると、B m B_m B m は高々可算である。f − 1 ( m ) = ⋂ n H n f^{-1}(m)=\bigcap_nH_n f − 1 ( m ) = ⋂ n H n であるから、B m B_m B m 上で等しい二点はf − 1 ( m ) f^{-1}(m) f − 1 ( m ) への所属も一致する。▨
高々可算なB ⊆ A B\subseteq A B ⊆ A に対し、K B : = { t ∈ 2 A ∣ t a = 0 ( a ∉ B ) } K_B:=\{t\in2^A\mid t_a=0\ (a\notin B)\} K B := { t ∈ 2 A ∣ t a = 0 ( a ∈ / B )} とおく。K B K_B K B は2 B 2^B 2 B と同相なコンパクト空間である。B B B は高々可算なので、有限個の座標の値を指定する集合は高々可算な開基をなし、K B K_B K B は第二可算である。f ( K B ) = X f(K_B)=X f ( K B ) = X となるB B B が存在すれば、§E2.19 補題 6.9 によりX X X も第二可算である。そのようなB B B が存在しないと仮定する。
α < ω 1 \alpha<\omega_1 α < ω 1 に対して、高々可算な座標集合B α B_\alpha B α 、点m α ∈ M m_\alpha\in M m α ∈ M 、および有限台F α ⊆ B α F_\alpha\subseteq B_\alpha F α ⊆ B α 上の写像p α ∈ 2 F α p_\alpha\in2^{F_\alpha} p α ∈ 2 F α を順に選ぶ。先行する集合の和S α : = ⋃ β < α B β S_\alpha:=\bigcup_{\beta<\alpha}B_\beta S α := ⋃ β < α B β は高々可算であるから、U α : = X ∖ f ( K S α ) U_\alpha:=X\setminus f(K_{S_\alpha}) U α := X ∖ f ( K S α ) は空でない開集合である。m α ∈ M ∩ U α m_\alpha\in M\cap U_\alpha m α ∈ M ∩ U α とt α ∈ f − 1 ( m α ) t_\alpha\in f^{-1}(m_\alpha) t α ∈ f − 1 ( m α ) をとり、t α ∈ [ p α ] ⊆ f − 1 ( U α ) t_\alpha\in[p_\alpha]\subseteq f^{-1}(U_\alpha) t α ∈ [ p α ] ⊆ f − 1 ( U α ) となる基本開集合を選ぶ。主張 3.12.1 の座標集合にF α F_\alpha F α を加えたものをB α B_\alpha B α とする。t α t_\alpha t α のB α B_\alpha B α の外を0 0 0 に変更しても像はm α m_\alpha m α なので、β < α \beta<\alpha β < α ならばm β ∈ f ( K S α ) m_\beta\in f(K_{S_\alpha}) m β ∈ f ( K S α ) 、したがってm β ∉ U α m_\beta\notin U_\alpha m β ∈ / U α である。
§E2.40 定理 1.2 により、非可算なJ ⊆ ω 1 J\subseteq\omega_1 J ⊆ ω 1 と有限集合r r r をとり、( F α ) α ∈ J (F_\alpha)_{\alpha\in J} ( F α ) α ∈ J を根r r r の Δ-システムとする。2 r 2^r 2 r は有限なので、J J J を非可算な部分集合へ制限して、すべてのp α ∣ r p_\alpha|_r p α ∣ r を等しくすることができる。β ∈ J \beta\in J β ∈ J を固定する。集合F α ∖ r F_\alpha\setminus r F α ∖ r は互いに交わらず、B β B_\beta B β は高々可算であるから、α ∈ J \alpha\in J α ∈ J で
β < α , ( F α ∖ r ) ∩ B β = ∅ \beta<\alpha,\qquad (F_\alpha\setminus r)\cap B_\beta=\emptyset β < α , ( F α ∖ r ) ∩ B β = ∅ となるものが存在する。t β ∣ r = p β ∣ r = p α ∣ r t_\beta|_r=p_\beta|_r=p_\alpha|_r t β ∣ r = p β ∣ r = p α ∣ r であるから、B β B_\beta B β 上でt β t_\beta t β と等しく、F α F_\alpha F α 上でp α p_\alpha p α と等しい点u ∈ 2 A u\in2^A u ∈ 2 A をとることができる。主張 3.12.1 によりf ( u ) = m β f(u)=m_\beta f ( u ) = m β である一方、u ∈ [ p α ] ⊆ f − 1 ( U α ) u\in[p_\alpha]\subseteq f^{-1}(U_\alpha) u ∈ [ p α ] ⊆ f − 1 ( U α ) なのでm β ∈ U α m_\beta\in U_\alpha m β ∈ U α であり、矛盾する。したがってf ( K B ) = X f(K_B)=X f ( K B ) = X となる高々可算なB B B が存在し、X X X は第二可算である。§E2.19 系 6.12 と§E2.15 系 4.5 により、X X X は距離化可能である。▨
補題 3.13. L L L を 2-進コンパクトな GO 空間とする。このときL L L は第二可算であり、距離化可能である。
4 演習
問題 4.1. A A A を2 ω 2^{\omega} 2 ω の空でない開かつ閉な部分集合とする。次を示せ。
あるn ∈ ω n\in\omega n ∈ ω とT ⊆ 2 n T\subseteq2^{n} T ⊆ 2 n によってA = ⋃ s ∈ T [ s ] A=\bigcup_{s\in T}[s] A = ⋃ s ∈ T [ s ] と表される。
補題 3.5 (1) の証明で定めたレトラクションr r r は、2 ω ∖ A 2^{\omega}\setminus A 2 ω ∖ A の上で有限個の値しかとらない。
解答. (1) を示す。2 2 2 は台集合が有限であるから§E2.19 例 2.3 によりコンパクトであり、§E2.19 定理 8.2 により2 ω 2^{\omega} 2 ω はコンパクトである。A A A は閉集合であるから§E2.19 命題 4.1 によりコンパクトである。A A A は開集合であるから、§E2.17 補題 5.3 (2) と§E2.13 命題 1.2 (2) により、各x ∈ A x\in A x ∈ A に対してx ∈ [ x ∣ n x ] ⊆ A x\in[x|_{n_x}]\subseteq A x ∈ [ x ∣ n x ] ⊆ A を満たすn x ∈ ω n_x\in\omega n x ∈ ω が存在する。これらの[ x ∣ n x ] [x|_{n_x}] [ x ∣ n x ] はA A A を覆う2 ω 2^{\omega} 2 ω の開集合の族であるから、§E2.19 命題 2.6 (2) により有限個のx ( 1 ) , … , x ( k ) ∈ A x^{(1)},\dots,x^{(k)}\in A x ( 1 ) , … , x ( k ) ∈ A で
A = ⋃ j = 1 k [ x ( j ) ∣ n x ( j ) ] A=\bigcup_{j=1}^{k}[x^{(j)}|_{n_{x^{(j)}}}] A = j = 1 ⋃ k [ x ( j ) ∣ n x ( j ) ] を満たすものが存在する。A ≠ ∅ A\ne\emptyset A = ∅ よりk ≥ 1 k\ge1 k ≥ 1 である。n = max { n x ( 1 ) , … , n x ( k ) } n=\max\{n_{x^{(1)}},\dots,n_{x^{(k)}}\} n = max { n x ( 1 ) , … , n x ( k ) } とおく。m ≤ n m\le n m ≤ n とu ∈ 2 m u\in2^{m} u ∈ 2 m に対して[ u ] = ⋃ { [ t ] ∣ t ∈ 2 n , t ∣ m = u } [u]=\bigcup\{[t]\mid t\in2^{n},\ t|_{m}=u\} [ u ] = ⋃ {[ t ] ∣ t ∈ 2 n , t ∣ m = u } であるから、T = { t ∈ 2 n ∣ [ t ] ⊆ A } T=\{t\in2^{n}\mid[t]\subseteq A\} T = { t ∈ 2 n ∣ [ t ] ⊆ A } とおくとA = ⋃ s ∈ T [ s ] A=\bigcup_{s\in T}[s] A = ⋃ s ∈ T [ s ] である。
(2) を示す。(1) のn n n とT T T をとる。x ∈ 2 ω ∖ A x\in2^{\omega}\setminus A x ∈ 2 ω ∖ A とする。x ∣ n ∈ T x|_{n}\in T x ∣ n ∈ T とするとx ∈ [ x ∣ n ] ⊆ A x\in[x|_{n}]\subseteq A x ∈ [ x ∣ n ] ⊆ A となり、x ∈ 2 ω ∖ A x\in2^{\omega}\setminus A x ∈ 2 ω ∖ A と両立しない。ゆえにx ∣ n ∉ T x|_{n}\notin T x ∣ n ∈ / T である。t ∈ T t\in T t ∈ T とt ≠ x ∣ n t\ne x|_{n} t = x ∣ n に対して[ t ] ∩ [ x ∣ n ] = ∅ [t]\cap[x|_{n}]=\emptyset [ t ] ∩ [ x ∣ n ] = ∅ であるから
A ∩ [ x ∣ n ] = ⋃ t ∈ T [ t ] ∩ [ x ∣ n ] = ∅ A\cap[x|_{n}]=\bigcup_{t\in T}[t]\cap[x|_{n}]=\emptyset A ∩ [ x ∣ n ] = t ∈ T ⋃ [ t ] ∩ [ x ∣ n ] = ∅ であり、補題 3.5 (1) の証明の記号でn ∉ N ( x ) n\notin N(x) n ∈ / N ( x ) 、すなわちn ( x ) < n n(x)<n n ( x ) < n である。r ( x ) = min ( A ∩ [ x ∣ n ( x ) ] ) r(x)=\min(A\cap[x|_{n(x)}]) r ( x ) = min ( A ∩ [ x ∣ n ( x ) ]) はn ( x ) n(x) n ( x ) とx ∣ n ( x ) x|_{n(x)} x ∣ n ( x ) だけで定まり、n ( x ) < n n(x)<n n ( x ) < n を満たす組( n ( x ) , x ∣ n ( x ) ) (n(x),x|_{n(x)}) ( n ( x ) , x ∣ n ( x ) ) は高々∑ m < n 2 m = 2 n − 1 \sum_{m<n}2^{m}=2^{n}-1 ∑ m < n 2 m = 2 n − 1 個であるから、r r r は2 ω ∖ A 2^{\omega}\setminus A 2 ω ∖ A の上で高々2 n − 1 2^{n}-1 2 n − 1 個の値しかとらない。▨
問題 4.2. ( X , d ) (X,d) ( X , d ) を空でないコンパクト距離空間とする。定理 3.1 を経由せずに、第二可算性と開基による点の分離だけを用いて∣ X ∣ ≤ c \lvert X\rvert\le\mathfrak c ∣ X ∣ ≤ c を示せ。
解答. §E2.13 補題 5.10 によりX X X は濃度がℵ 0 \aleph_0 ℵ 0 以下である開基をもつ。B \mathcal B B をX X X の高々可算な開基とする。
写像Ψ : X → P ( B ) \Psi\colon X\to\mathcal P(\mathcal B) Ψ : X → P ( B ) をΨ ( x ) = { B ∈ B ∣ x ∈ B } \Psi(x)=\{B\in\mathcal B\mid x\in B\} Ψ ( x ) = { B ∈ B ∣ x ∈ B } で定める。X X X は距離空間であるから§E2.15 定理 3.2 (4) により T1 空間であり、§E2.15 命題 1.5 により一点集合は閉集合である。相異なるx , y ∈ X x,y\in X x , y ∈ X をとるとX ∖ { y } X\setminus\{y\} X ∖ { y } はx x x を含む開集合であるから、§E2.13 命題 1.2 (2) によりx ∈ B ⊆ X ∖ { y } x\in B\subseteq X\setminus\{y\} x ∈ B ⊆ X ∖ { y } を満たすB ∈ B B\in\mathcal B B ∈ B が存在する。このときB ∈ Ψ ( x ) B\in\Psi(x) B ∈ Ψ ( x ) かつB ∉ Ψ ( y ) B\notin\Psi(y) B ∈ / Ψ ( y ) であるからΨ ( x ) ≠ Ψ ( y ) \Psi(x)\ne\Psi(y) Ψ ( x ) = Ψ ( y ) である。ゆえにΨ \Psi Ψ は単射である。
B \mathcal B B は高々可算であるから§E1.18 定理 3.3 により単射f : B → N ≥ 0 f\colon\mathcal B\to\N f : B → N ≥ 0 が存在し、A ↦ f ( A ) A\mapsto f(A) A ↦ f ( A ) はP ( B ) \mathcal P(\mathcal B) P ( B ) からP ( N ≥ 0 ) \mathcal P(\N) P ( N ≥ 0 ) への単射である。§E1.22 命題 1.5 と§E1.22 定義 5.1 により∣ P ( N ≥ 0 ) ∣ = 2 ℵ 0 = c \lvert\mathcal P(\N)\rvert=2^{\aleph_0}=\mathfrak c ∣ P ( N ≥ 0 )∣ = 2 ℵ 0 = c であるから
∣ X ∣ ≤ ∣ P ( B ) ∣ ≤ ∣ P ( N ≥ 0 ) ∣ = c \lvert X\rvert\le\lvert\mathcal P(\mathcal B)\rvert\le\lvert\mathcal P(\N)\rvert=\mathfrak c ∣ X ∣ ≤ ∣ P ( B )∣ ≤ ∣ P ( N ≥ 0 )∣ = c が成り立つ。▨
解答. 補題 2.3 (1) ⇒ \Rightarrow ⇒ (2) を示す。有限交差性をもつ閉部分集合族( C λ ) λ < κ (C_{\lambda})_{\lambda<\kappa} ( C λ ) λ < κ をとる。⋂ λ < κ C λ = ∅ \bigcap_{\lambda<\kappa}C_{\lambda}=\emptyset ⋂ λ < κ C λ = ∅ と仮定すると、( X ∖ C λ ) λ < κ (X\setminus C_{\lambda})_{\lambda<\kappa} ( X ∖ C λ ) λ < κ はX X X の開被覆である。X X X はκ \kappa κ -コンパクトであるから、有限部分集合E ⊆ κ E\subseteq\kappa E ⊆ κ でX = ⋃ λ ∈ E ( X ∖ C λ ) X=\bigcup_{\lambda\in E}(X\setminus C_{\lambda}) X = ⋃ λ ∈ E ( X ∖ C λ ) を満たすものが存在する。したがって⋂ λ ∈ E C λ = ∅ \bigcap_{\lambda\in E}C_{\lambda}=\emptyset ⋂ λ ∈ E C λ = ∅ となり、有限交差性に反する。ゆえに⋂ λ < κ C λ ≠ ∅ \bigcap_{\lambda<\kappa}C_{\lambda}\ne\emptyset ⋂ λ < κ C λ = ∅ である。
補題 2.3 (2) ⇒ \Rightarrow ⇒ (1) を示す。( U i ) i ∈ I (U_i)_{i\in I} ( U i ) i ∈ I を∣ I ∣ ≤ κ |I|\le\kappa ∣ I ∣ ≤ κ を満たすX X X の開被覆とする。I = ∅ I=\emptyset I = ∅ ならばX = ∅ X=\emptyset X = ∅ であり、空集合は有限部分集合であるから結論が従う。I ≠ ∅ I\ne\emptyset I = ∅ とし、有限部分被覆が存在しないと仮定する。単射e : I → κ e\colon I\to\kappa e : I → κ をとり、λ < κ \lambda<\kappa λ < κ に対して
C λ = { X ∖ U i ( λ = e ( i ) を満たす i ∈ I が存在するとき ) , X ( λ ∉ e ( I ) ) C_{\lambda}=\begin{cases}X\setminus U_i&(\lambda=e(i)\text{ を満たす }i\in I\text{ が存在するとき}),\\X&(\lambda\notin e(I))\end{cases} C λ = { X ∖ U i X ( λ = e ( i ) を満たす i ∈ I が存在するとき ) , ( λ ∈ / e ( I )) とおく。各C λ C_{\lambda} C λ は閉集合である。有限部分集合E ⊆ κ E\subseteq\kappa E ⊆ κ をとると、e ( I ) ∩ E e(I)\cap E e ( I ) ∩ E の各元に対応するU i U_i U i は有限個であり、それらはX X X を覆わない。したがって⋂ λ ∈ E C λ ≠ ∅ \bigcap_{\lambda\in E}C_{\lambda}\ne\emptyset ⋂ λ ∈ E C λ = ∅ であるから、( C λ ) λ < κ (C_{\lambda})_{\lambda<\kappa} ( C λ ) λ < κ は有限交差性をもつ。一方、( U i ) i ∈ I (U_i)_{i\in I} ( U i ) i ∈ I はX X X を覆うから⋂ λ < κ C λ = ∅ \bigcap_{\lambda<\kappa}C_{\lambda}=\emptyset ⋂ λ < κ C λ = ∅ であり、仮定に反する。ゆえに( U i ) i ∈ I (U_i)_{i\in I} ( U i ) i ∈ I は有限部分被覆をもつ。▨
解答. 補題 2.5 (1) を示す。( U i ) i ∈ I (U_i)_{i\in I} ( U i ) i ∈ I を∣ I ∣ ≤ κ |I|\le\kappa ∣ I ∣ ≤ κ を満たすX X X の開被覆とする。I I I の有限部分集合E E E に対してU E = ⋃ i ∈ E U i U_E=\bigcup_{i\in E}U_i U E = ⋃ i ∈ E U i 、V E = Y ∖ f ( X ∖ U E ) V_E=Y\setminus f(X\setminus U_E) V E = Y ∖ f ( X ∖ U E ) とおく。X ∖ U E X\setminus U_E X ∖ U E は閉集合でありf f f は閉写像であるから、V E V_E V E はY Y Y の開集合である。x ∈ f − 1 ( V E ) x\in f^{-1}(V_E) x ∈ f − 1 ( V E ) とするとf ( x ) ∉ f ( X ∖ U E ) f(x)\notin f(X\setminus U_E) f ( x ) ∈ / f ( X ∖ U E ) であるからx ∉ X ∖ U E x\notin X\setminus U_E x ∈ / X ∖ U E であり、f − 1 ( V E ) ⊆ U E f^{-1}(V_E)\subseteq U_E f − 1 ( V E ) ⊆ U E が成り立つ。y ∈ Y y\in Y y ∈ Y をとる。§E2.12 定義 4.1 により( U i ∩ f − 1 ( y ) ) i ∈ I (U_i\cap f^{-1}(y))_{i\in I} ( U i ∩ f − 1 ( y ) ) i ∈ I は部分空間f − 1 ( y ) f^{-1}(y) f − 1 ( y ) の開被覆であり、f − 1 ( y ) f^{-1}(y) f − 1 ( y ) はκ \kappa κ -コンパクトであるから、有限部分集合E ⊆ I E\subseteq I E ⊆ I でf − 1 ( y ) ⊆ U E f^{-1}(y)\subseteq U_E f − 1 ( y ) ⊆ U E を満たすものが存在する。このときy ∉ f ( X ∖ U E ) y\notin f(X\setminus U_E) y ∈ / f ( X ∖ U E ) 、すなわちy ∈ V E y\in V_E y ∈ V E である。ゆえに、I I I の有限部分集合の全体を[ I ] < ω [I]^{<\omega} [ I ] < ω と書くと、( V E ) E ∈ [ I ] < ω (V_E)_{E\in[I]^{<\omega}} ( V E ) E ∈ [ I ] < ω はY Y Y の開被覆である。
∣ [ I ] < ω ∣ ≤ κ \lvert[I]^{<\omega}\rvert\le\kappa ∣[ I ] < ω ∣ ≤ κ を示す。§E1.18 定義 1.1 (2) により単射e : I → κ e\colon I\to\kappa e : I → κ をとると、E ↦ e ( E ) E\mapsto e(E) E ↦ e ( E ) は[ I ] < ω [I]^{<\omega} [ I ] < ω から[ κ ] < ω [\kappa]^{<\omega} [ κ ] < ω への単射である。§E1.22 補題 6.3 により∣ [ κ ] < ω ∣ = κ \lvert[\kappa]^{<\omega}\rvert=\kappa ∣[ κ ] < ω ∣ = κ であるから、§E1.18 定義 1.1 (2) により∣ [ I ] < ω ∣ ≤ κ \lvert[I]^{<\omega}\rvert\le\kappa ∣[ I ] < ω ∣ ≤ κ である。
Y Y Y はκ \kappa κ -コンパクトであるから、有限個のE 1 , … , E n ∈ [ I ] < ω E_1,\ldots,E_n\in[I]^{<\omega} E 1 , … , E n ∈ [ I ] < ω でY = ⋃ k = 1 n V E k Y=\bigcup_{k=1}^{n}V_{E_k} Y = ⋃ k = 1 n V E k を満たすものが存在する。§E1.2 定理 4.1 (1) により
X = f − 1 ( Y ) = ⋃ k = 1 n f − 1 ( V E k ) ⊆ ⋃ k = 1 n U E k = ⋃ i ∈ E 1 ∪ ⋯ ∪ E n U i X=f^{-1}(Y)=\bigcup_{k=1}^{n}f^{-1}(V_{E_k})\subseteq\bigcup_{k=1}^{n}U_{E_k}=\bigcup_{i\in E_1\cup\cdots\cup E_n}U_i X = f − 1 ( Y ) = k = 1 ⋃ n f − 1 ( V E k ) ⊆ k = 1 ⋃ n U E k = i ∈ E 1 ∪ ⋯ ∪ E n ⋃ U i であり、E 1 ∪ ⋯ ∪ E n E_1\cup\cdots\cup E_n E 1 ∪ ⋯ ∪ E n はI I I の有限部分集合である。ゆえにX X X はκ \kappa κ -コンパクトである。f f f が固有閉写像であるときは、各y ∈ Y y\in Y y ∈ Y について一点集合{ y } \{y\} { y } は§E2.19 例 2.3 によりコンパクトであるから、§E2.20 定義 1.1 によりf − 1 ( y ) f^{-1}(y) f − 1 ( y ) はコンパクトであり、補題 2.4 (1) によりκ \kappa κ -コンパクトである。したがって前段によりX X X はκ \kappa κ -コンパクトである。
補題 2.5 (2) を示す。( V i ) i ∈ I (V_i)_{i\in I} ( V i ) i ∈ I を∣ I ∣ ≤ κ |I|\le\kappa ∣ I ∣ ≤ κ を満たすY Y Y の開被覆とする。f f f は連続であるから各f − 1 ( V i ) f^{-1}(V_i) f − 1 ( V i ) はX X X の開集合であり、§E1.2 定理 4.1 (1) により⋃ i ∈ I f − 1 ( V i ) = f − 1 ( Y ) = X \bigcup_{i\in I}f^{-1}(V_i)=f^{-1}(Y)=X ⋃ i ∈ I f − 1 ( V i ) = f − 1 ( Y ) = X である。X X X はκ \kappa κ -コンパクトであるから、有限部分集合E ⊆ I E\subseteq I E ⊆ I でX = ⋃ i ∈ E f − 1 ( V i ) = f − 1 ( ⋃ i ∈ E V i ) X=\bigcup_{i\in E}f^{-1}(V_i)=f^{-1}\bigl(\bigcup_{i\in E}V_i\bigr) X = ⋃ i ∈ E f − 1 ( V i ) = f − 1 ( ⋃ i ∈ E V i ) を満たすものが存在する。f f f は全射であるから、§E1.1 命題 4.10 (3) によりY = f ( X ) = ⋃ i ∈ E V i Y=f(X)=\bigcup_{i\in E}V_i Y = f ( X ) = ⋃ i ∈ E V i である。ゆえにY Y Y はκ \kappa κ -コンパクトである。
補題 2.5 (3) を示す。( U i ) i ∈ I (U_i)_{i\in I} ( U i ) i ∈ I を∣ I ∣ ≤ κ |I|\le\kappa ∣ I ∣ ≤ κ を満たす部分空間F F F の開被覆とする。I = ∅ I=\emptyset I = ∅ ならばF = ∅ F=\emptyset F = ∅ であり、空の部分族がF F F を覆う。以下I ≠ ∅ I\ne\emptyset I = ∅ とする。§E2.12 定義 4.1 により、各i ∈ I i\in I i ∈ I に対してU i = W i ∩ F U_i=W_i\cap F U i = W i ∩ F を満たすX X X の開集合W i W_i W i をとり、W i ′ = W i ∪ ( X ∖ F ) W_i'=W_i\cup(X\setminus F) W i ′ = W i ∪ ( X ∖ F ) とおく。F F F は閉集合であるからW i ′ W_i' W i ′ はX X X の開集合である。x ∈ X x\in X x ∈ X に対して、x ∈ F x\in F x ∈ F ならばx x x はあるU i ⊆ W i ′ U_i\subseteq W_i' U i ⊆ W i ′ に属し、x ∉ F x\notin F x ∈ / F ならばx x x はすべてのW i ′ W_i' W i ′ に属するから、( W i ′ ) i ∈ I (W_i')_{i\in I} ( W i ′ ) i ∈ I はX X X の開被覆である。X X X はκ \kappa κ -コンパクトであるから、有限部分集合E ⊆ I E\subseteq I E ⊆ I でX = ⋃ i ∈ E W i ′ X=\bigcup_{i\in E}W_i' X = ⋃ i ∈ E W i ′ を満たすものが存在する。W i ′ ∩ F = W i ∩ F = U i W_i'\cap F=W_i\cap F=U_i W i ′ ∩ F = W i ∩ F = U i であるから、F F F との共通部分をとってF = ⋃ i ∈ E U i F=\bigcup_{i\in E}U_i F = ⋃ i ∈ E U i を得る。ゆえにF F F はκ \kappa κ -コンパクトである。
補題 2.5 (4) を示す。§E2.20 命題 4.5 により射影pr X : X × K → X \pr_X\colon X\times K\to X pr X : X × K → X は固有閉写像である。X X X はκ \kappa κ -コンパクトであるから、補題 2.5 (1) の後半によりX × K X\times K X × K はκ \kappa κ -コンパクトである。▨
解答. 命題 3.7 (1) を示す。連続な全射q : 2 I → X q\colon2^I\to X q : 2 I → X をとる。Y = f ( X ) Y=f(X) Y = f ( X ) は空でなく、§E2.19 定理 4.2 によりコンパクトである。合成f ∘ q : 2 I → Y f\circ q\colon2^I\to Y f ∘ q : 2 I → Y は連続な全射である。レトラクションは全射であり、Hausdorff 性は部分空間へ遺伝するので、レトラクトについても結論が従う。
命題 3.7 (2) を示す。各j ∈ J j\in J j ∈ J について連続な全射q j : 2 I j → X j q_j\colon2^{I_j}\to X_j q j : 2 I j → X j をとり、L = ⋃ j ∈ J ( I j × { j } ) L=\bigcup_{j\in J}(I_j\times\{j\}) L = ⋃ j ∈ J ( I j × { j }) とおく。r j : 2 L → 2 I j r_j\colon2^L\to2^{I_j} r j : 2 L → 2 I j をr j ( t ) i = t ( i , j ) r_j(t)_i=t_{(i,j)} r j ( t ) i = t ( i , j ) で定める。各座標が射影なので、§E2.14 定理 1.6 によりr j r_j r j は連続である。同じ普遍性により、写像
Q : 2 L → ∏ j ∈ J X j , Q ( t ) = ( q j ( r j ( t ) ) ) j ∈ J Q\colon2^L\to\prod_{j\in J}X_j,\qquad Q(t)=(q_j(r_j(t)))_{j\in J} Q : 2 L → j ∈ J ∏ X j , Q ( t ) = ( q j ( r j ( t )) ) j ∈ J は連続である。
x ∈ ∏ j ∈ J X j x\in\prod_{j\in J}X_j x ∈ ∏ j ∈ J X j をとり、各j j j についてq j ( a j ) = x j q_j(a_j)=x_j q j ( a j ) = x j となるa j ∈ 2 I j a_j\in2^{I_j} a j ∈ 2 I j を選ぶ。t ( i , j ) = ( a j ) i t_{(i,j)}=(a_j)_i t ( i , j ) = ( a j ) i と定めるとQ ( t ) = x Q(t)=x Q ( t ) = x なので、Q Q Q は全射である。終域は§E2.19 定理 8.2 と§E2.15 定理 2.8 (3) によりコンパクト Hausdorff であり、Q ( 0 ) Q(0) Q ( 0 ) を含むので空でない。したがって終域は 2-進コンパクト空間である。
J = ∅ J=\emptyset J = ∅ の場合にはL = ∅ L=\emptyset L = ∅ であり、2 L 2^L 2 L と∏ j ∈ J X j \prod_{j\in J}X_j ∏ j ∈ J X j はともに一点集合である。したがって上の構成は空の積にも適用される。
命題 3.7 (3) を示す。X X X を 2-進コンパクト空間とし、連続な全射2 I → X 2^I\to X 2 I → X をとる。§E2.40 系 2.17 と§E2.40 命題 2.6 (1) によりX X X は caliberℵ 1 \aleph_1 ℵ 1 をもつ。§E2.40 命題 3.2 によりX X X は可算鎖条件をもつ。▨
問題 4.6. σ : 2 ω → [ 0 , 1 ] \sigma\colon2^{\omega}\to[0,1] σ : 2 ω → [ 0 , 1 ] を§E2.17 命題 5.6 の連続な全射とする。I ⊆ ω I\subseteq\omega I ⊆ ω とx ∈ 2 ω ∖ I x\in2^{\omega\setminus I} x ∈ 2 ω ∖ I に対してQ ( I , x ) = { a ∈ 2 ω ∣ a ∣ ω ∖ I = x } Q(I,x)=\{a\in2^{\omega}\mid a|_{\omega\setminus I}=x\} Q ( I , x ) = { a ∈ 2 ω ∣ a ∣ ω ∖ I = x } とおく。次を示せ。
ω ∖ I \omega\setminus I ω ∖ I が有限ならば、任意のx ∈ 2 ω ∖ I x\in2^{\omega\setminus I} x ∈ 2 ω ∖ I についてσ ∣ Q ( I , x ) \sigma|_{Q(I,x)} σ ∣ Q ( I , x ) は単射でない。
I = { 2 k ∣ k ∈ ω } I=\{2k\mid k\in\omega\} I = { 2 k ∣ k ∈ ω } とし、x ∈ 2 ω ∖ I x\in2^{\omega\setminus I} x ∈ 2 ω ∖ I をすべての座標で0 0 0 をとる写像とすると、σ ∣ Q ( I , x ) \sigma|_{Q(I,x)} σ ∣ Q ( I , x ) は単射である。
解答. (1) を示す。ω ∖ I \omega\setminus I ω ∖ I は有限であるから、ω ∖ I ⊆ { 0 , 1 , … , m − 1 } \omega\setminus I\subseteq\{0,1,\dots,m-1\} ω ∖ I ⊆ { 0 , 1 , … , m − 1 } を満たすm ∈ ω m\in\omega m ∈ ω が存在する。a , b ∈ 2 ω a,b\in2^{\omega} a , b ∈ 2 ω を次のように定める。n < m n<m n < m では、n ∈ ω ∖ I n\in\omega\setminus I n ∈ ω ∖ I ならばa n = b n = x n a_n=b_n=x_n a n = b n = x n 、n ∈ I n\in I n ∈ I ならばa n = b n = 0 a_n=b_n=0 a n = b n = 0 とする。a m = 1 a_m=1 a m = 1 、b m = 0 b_m=0 b m = 0 とし、n > m n>m n > m ではa n = 0 a_n=0 a n = 0 、b n = 1 b_n=1 b n = 1 とする。m m m 以上の座標はすべてI I I に属するからa , b ∈ Q ( I , x ) a,b\in Q(I,x) a , b ∈ Q ( I , x ) であり、a ≠ b a\ne b a = b である。
σ ( a ) − σ ( b ) = 1 2 m + 1 − ∑ n > m 1 2 n + 1 = 1 2 m + 1 − 1 2 m + 1 = 0 \sigma(a)-\sigma(b)=\frac{1}{2^{m+1}}-\sum_{n>m}\frac{1}{2^{n+1}}=\frac{1}{2^{m+1}}-\frac{1}{2^{m+1}}=0 σ ( a ) − σ ( b ) = 2 m + 1 1 − n > m ∑ 2 n + 1 1 = 2 m + 1 1 − 2 m + 1 1 = 0 であるから、σ ∣ Q ( I , x ) \sigma|_{Q(I,x)} σ ∣ Q ( I , x ) は単射でない。
(2) を示す。a ∈ Q ( I , x ) a\in Q(I,x) a ∈ Q ( I , x ) の奇数座標はすべて0 0 0 であるから
σ ( a ) = ∑ k ∈ ω a 2 k 2 2 k + 1 = 1 2 ∑ k ∈ ω a 2 k 4 k \sigma(a)=\sum_{k\in\omega}\frac{a_{2k}}{2^{2k+1}}=\frac12\sum_{k\in\omega}\frac{a_{2k}}{4^{k}} σ ( a ) = k ∈ ω ∑ 2 2 k + 1 a 2 k = 2 1 k ∈ ω ∑ 4 k a 2 k である。a , b ∈ Q ( I , x ) a,b\in Q(I,x) a , b ∈ Q ( I , x ) 、a ≠ b a\ne b a = b とし、a 2 k ≠ b 2 k a_{2k}\ne b_{2k} a 2 k = b 2 k を満たす最小のk ∈ ω k\in\omega k ∈ ω をk 0 k_0 k 0 とする。a a a とb b b の名前を入れ替えてa 2 k 0 = 1 a_{2k_0}=1 a 2 k 0 = 1 、b 2 k 0 = 0 b_{2k_0}=0 b 2 k 0 = 0 としてよい。k > k 0 k>k_0 k > k 0 についてa 2 k − b 2 k ≥ − 1 a_{2k}-b_{2k}\ge-1 a 2 k − b 2 k ≥ − 1 であるから
σ ( a ) − σ ( b ) = 1 2 ( 1 4 k 0 + ∑ k > k 0 a 2 k − b 2 k 4 k ) ≥ 1 2 ( 1 4 k 0 − ∑ k > k 0 1 4 k ) = 1 2 ( 1 4 k 0 − 1 3 ⋅ 4 k 0 ) > 0 \sigma(a)-\sigma(b)=\frac12\Bigl(\frac{1}{4^{k_0}}+\sum_{k>k_0}\frac{a_{2k}-b_{2k}}{4^{k}}\Bigr)\ge\frac12\Bigl(\frac{1}{4^{k_0}}-\sum_{k>k_0}\frac{1}{4^{k}}\Bigr)=\frac12\Bigl(\frac{1}{4^{k_0}}-\frac{1}{3\cdot4^{k_0}}\Bigr)>0 σ ( a ) − σ ( b ) = 2 1 ( 4 k 0 1 + k > k 0 ∑ 4 k a 2 k − b 2 k ) ≥ 2 1 ( 4 k 0 1 − k > k 0 ∑ 4 k 1 ) = 2 1 ( 4 k 0 1 − 3 ⋅ 4 k 0 1 ) > 0 である。ゆえにσ ( a ) ≠ σ ( b ) \sigma(a)\ne\sigma(b) σ ( a ) = σ ( b ) であり、σ ∣ Q ( I , x ) \sigma|_{Q(I,x)} σ ∣ Q ( I , x ) は単射である。▨
問題 4.7. A A A を無限集合とする。w ( 2 A ) = ∣ A ∣ w(2^{A})=\lvert A\rvert w ( 2 A ) = ∣ A ∣ を示せ。
解答. 2 2 2 は二つの一点集合からなる開基をもち、A A A は無限集合であるから、§E2.14 系 1.5 によりw ( 2 A ) ≤ ∣ A ∣ w(2^{A})\le\lvert A\rvert w ( 2 A ) ≤ ∣ A ∣ である。§E2.13 定義 5.7 により、∣ B ∣ = w ( 2 A ) \lvert\mathcal B\rvert=w(2^{A}) ∣ B ∣ = w ( 2 A ) を満たす2 A 2^{A} 2 A の開基B \mathcal B B をとる。1 A ∈ 2 A 1_A\in2^{A} 1 A ∈ 2 A をすべての座標で1 1 1 をとる点とする。各α ∈ A \alpha\in A α ∈ A に対して、π α − 1 ( { 1 } ) \pi_\alpha^{-1}(\{1\}) π α − 1 ({ 1 }) は1 A 1_A 1 A を含む開集合であるから、§E2.13 命題 1.2 (2) により1 A ∈ B α ⊆ π α − 1 ( { 1 } ) 1_A\in B_\alpha\subseteq\pi_\alpha^{-1}(\{1\}) 1 A ∈ B α ⊆ π α − 1 ({ 1 }) を満たすB α ∈ B B_\alpha\in\mathcal B B α ∈ B を選ぶ。
B ∈ B B\in\mathcal B B ∈ B を固定し、N ( B ) = { α ∈ A ∣ B α = B } N(B)=\{\alpha\in A\mid B_\alpha=B\} N ( B ) = { α ∈ A ∣ B α = B } とおく。N ( B ) ≠ ∅ N(B)\ne\emptyset N ( B ) = ∅ とすると1 A ∈ B 1_A\in B 1 A ∈ B であり、§E2.14 命題 1.3 と§E2.13 命題 1.2 により、有限集合F ⊆ A F\subseteq A F ⊆ A と2 2 2 の開集合U λ U_\lambda U λ ( λ ∈ F ) (\lambda\in F) ( λ ∈ F ) で1 A ∈ ⋂ λ ∈ F π λ − 1 ( U λ ) ⊆ B 1_A\in\bigcap_{\lambda\in F}\pi_\lambda^{-1}(U_\lambda)\subseteq B 1 A ∈ ⋂ λ ∈ F π λ − 1 ( U λ ) ⊆ B を満たすものが存在する。β ∈ A ∖ F \beta\in A\setminus F β ∈ A ∖ F とし、β \beta β 座標だけが0 0 0 でほかの座標が1 1 1 である点をu ∈ 2 A u\in2^{A} u ∈ 2 A とすると、各λ ∈ F \lambda\in F λ ∈ F についてu λ = 1 ∈ U λ u_\lambda=1\in U_\lambda u λ = 1 ∈ U λ であるからu ∈ B u\in B u ∈ B である。一方u β = 0 u_\beta=0 u β = 0 であるからu ∉ π β − 1 ( { 1 } ) u\notin\pi_\beta^{-1}(\{1\}) u ∈ / π β − 1 ({ 1 }) であり、B ⊈ π β − 1 ( { 1 } ) B\not\subseteq\pi_\beta^{-1}(\{1\}) B ⊆ π β − 1 ({ 1 }) であるからβ ∉ N ( B ) \beta\notin N(B) β ∈ / N ( B ) である。ゆえにN ( B ) ⊆ F N(B)\subseteq F N ( B ) ⊆ F であり、N ( B ) N(B) N ( B ) は有限集合である。
A = ⋃ B ∈ B N ( B ) A=\bigcup_{B\in\mathcal B}N(B) A = ⋃ B ∈ B N ( B ) である。B \mathcal B B が有限ならばA A A は有限個の有限集合の和集合となって無限であることに反するから、B \mathcal B B は無限集合である。μ = ∣ B ∣ \mu=\lvert\mathcal B\rvert μ = ∣ B ∣ とおくとμ \mu μ は無限基数であり、各N ( B ) N(B) N ( B ) の濃度はμ \mu μ 以下であるから、§E1.22 補題 3.7 により∣ A ∣ ≤ μ = w ( 2 A ) \lvert A\rvert\le\mu=w(2^{A}) ∣ A ∣ ≤ μ = w ( 2 A ) である。したがって§E1.21 命題 2.5 (3) によりw ( 2 A ) = ∣ A ∣ w(2^{A})=\lvert A\rvert w ( 2 A ) = ∣ A ∣ である。▨