§E2.20固有写像

最終更新

連続写像はコンパクト集合をコンパクト集合へ写す。しかし逆向き、すなわちコンパクト集合の逆像がふたたびコンパクトであることは、連続性からは従わない。逆像についてのこの条件を連続写像へ課したものが固有性である。この条件は分離公理をまったく用いずに述べることができ、そのことが以下の議論の立て方を決めている。本記事では、固有写像と完全写像を扱う。

1 固有写像

定義 1.1 (固有写像). 位相空間XX、YYと連続写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Yに対して、ffが 固有写像 (proper map) である、またはffが固有であるとは、YYの任意のコンパクト部分集合KKに対してf−1(K)f^{-1}(K)がXXのコンパクト部分集合であることをいう。

命題 1.2. 次が成り立つ。

  1. 位相空間XXの恒等写像id⁡X ⁣:X→X\operatorname{id}_X\colon X\to Xは固有である。
  2. XXを位相空間、KKをコンパクト空間とする。このとき、ある連続写像X→KX\to Kが固有であれば、XXはコンパクトである。特に、PPを一点からなる位相空間とすれば、唯一の連続写像X→PX\to Pが固有であることとXXがコンパクトであることは同値である。
  3. XXを位相空間、A⊆XA\subseteq Xを閉集合とすると、包含写像ιA ⁣:A→X\iota_A\colon A\to Xは固有閉写像である。
  4. KKをコンパクト空間、XXを Hausdorff 空間とするとき、任意の連続写像f ⁣:K→Xf\colon K\to Xは固有閉写像である。

証明.(1),(2)は定義より明らかである。

(3)を示す。ιA\iota_Aが連続な閉写像であることは明らかである (§E2.12 定理 4.4,§E2.12 命題 5.16 (2))。K⊆XK\subseteq Xをコンパクト部分集合とするとιA−1(K)=A∩K\iota_A^{-1}(K)=A\cap Kであり、これはコンパクト空間KKの閉集合なのでAAはXXの閉集合であるから、§E2.19 命題 4.1よりこれはコンパクトである。

(4)を示す。§E2.19 命題 4.1と§E2.19 命題 6.4よりf ⁣:K→Xf\colon K\to Xは閉写像である。K′⊂XK'\subset Xをコンパクト部分集合とすると、これは§E2.19 命題 6.4より閉であるため、f−1(K′)⊂Kf^{-1}(K')\subset Kも閉であり、よって§E2.19 命題 4.1よりf−1(K′)f^{-1}(K')はコンパクトである。▨

注意 1.3. コンパクト空間の間の連続写像は固有であるとは限らない。たとえば[0,1][0,1]に密着位相を入れた位相空間をI0I_0とすると、恒等写像[0,1]→I0[0,1]\to I_0はコンパクト空間の間の連続写像であるが、I0∖{0}⊂I0I_0\setminus \{0\}\subset I_0という密着位相の入ったコンパクト空間の逆像(0,1]⊂[0,1](0,1]\subset [0,1]はコンパクトでない。

命題 1.4. 位相空間XX、YY、ZZと固有写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Y、g ⁣:Y→Zg\colon Y\to Zに対して、合成g∘f ⁣:X→Zg\circ f\colon X\to Zは固有である。

証明.ffとggは連続であるから、§E2.12 命題 1.10によりg∘fg\circ fは連続である。K⊆ZK\subseteq Zをコンパクト部分集合とする。ggが固有であるからg−1(K)g^{-1}(K)はYYのコンパクト部分集合であり、ffが固有であるからf−1(g−1(K))f^{-1}(g^{-1}(K))はXXのコンパクト部分集合である。§E1.1 命題 4.8により(g∘f)−1(K)=f−1(g−1(K))(g\circ f)^{-1}(K)=f^{-1}(g^{-1}(K))であるから、(g∘f)−1(K)(g\circ f)^{-1}(K)はXXのコンパクト部分集合である。▨

命題 1.5. 位相空間XX、YYと固有閉写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Y、部分集合B⊆YB\subseteq Yに対してA=f−1(B)A=f^{-1}(B)とおく。このとき、値域と終域を制限した写像g ⁣:A→Bg\colon A\to B、g(x)=f(x)g(x)=f(x)は閉写像であって固有である。

証明.ffは連続であるから§E2.12 補題 5.6 (1)によりggは連続であり、ffは閉写像であるから§E2.12 補題 5.6 (3)によりggは閉写像である。

K⊆BK\subseteq Bを部分空間BBのコンパクト部分集合とすると、§E2.19 補題 2.7によりKKはYYのコンパクト部分集合であり、ffは固有であるからf−1(K)f^{-1}(K)はXXのコンパクト部分集合である。K⊆BK\subseteq Bからf−1(K)⊆f−1(B)=Af^{-1}(K)\subseteq f^{-1}(B)=Aであり、g−1(K)=f−1(K)g^{-1}(K)=f^{-1}(K)であるから、ふたたび§E2.19 補題 2.7によりg−1(K)g^{-1}(K)はAAのコンパクト部分集合である。ゆえにggは固有である。▨

例 1.6.YYを無限集合、q∈Yq\in Yを一つの元とし、D=Y∖{q}D=Y\setminus\{q\}とおく。YYが無限集合であるからDDも無限集合である。

OY={U⊆Y∣U⊆D}∪{Y}\mathcal O_Y=\{U\subseteq Y\mid U\subseteq D\}\cup\{Y\}

とおく。∅⊆D\emptyset\subseteq DとY∈OYY\in\mathcal O_Yから∅\emptysetとYYはともにOY\mathcal O_Yに属する。OY\mathcal O_Yの元からなる族の和集合は、族の元にYYが現れるならばYYであり、そうでなければDDに含まれる集合である。OY\mathcal O_Yの二つの元の共通部分は、一方がYYならば他方に等しく、ともにDDに含まれるならばDDに含まれる。したがって§E2.11 定義 1.1によりOY\mathcal O_YはYYの位相である。この位相について次が成り立つ。

  1. YYはコンパクトである。
  2. 包含写像ιD ⁣:D→Y\iota_D\colon D\to Yは連続であるが固有でない。
  3. コンパクトな位相空間からの連続写像は固有であるとは限らない。

証明.(1)を示す。(Ui)i∈I(U_i)_{i\in I}をYYの開被覆とすると、q∈Ui0q\in U_{i_0}を満たすi0∈Ii_0\in Iが存在する。q∉Dq\notin DであるからUi0U_{i_0}はDDに含まれず、OY\mathcal O_Yの定義によりUi0=YU_{i_0}=Yである。したがって有限部分集合{i0}⊆I\{i_0\}\subseteq Iが定める部分族はYYの開被覆であり、§E2.19 定義 2.1によりYYはコンパクトである。

(2)を示す。ιD\iota_Dは連続である(§E2.12 定理 4.4)。DDの部分空間位相は{U∩D∣U∈OY}\{U\cap D\mid U\in\mathcal O_Y\}であり、U⊆DU\subseteq Dに対してU∩D=UU\cap D=U、Y∩D=DY\cap D=Dであるから、これはDDのすべての部分集合からなる族、すなわち離散位相である。DDは無限集合であるから、§E2.19 例 2.9により部分空間DDはコンパクトでない。一方(1)によりYY自身はYYのコンパクト部分集合であり、ιD−1(Y)=D\iota_D^{-1}(Y)=Dである。ゆえにιD\iota_Dは固有でない。

(3)を示す。T={a,b}T=\{a,b\}に密着位相を入れ、写像g ⁣:Y→Tg\colon Y\to Tを、y∈Dy\in Dに対してg(y)=ag(y)=a、g(q)=bg(q)=bと定める。密着位相を終域にもつ写像は連続である(§E2.12 例 1.11)。{a}\{a\}は有限であるから§E2.19 例 2.3によりTTのコンパクト部分集合であり、g−1({a})=Dg^{-1}(\{a\})=Dである。(2)で示したとおり、部分空間DDはコンパクトでない。したがってYYはコンパクトであるにもかかわらずggは固有でない。▨

補題 1.7.f ⁣:X→Yf\colon X\to Yを固有写像とすると、任意のy∈Yy\in Yに対してf−1({y})f^{-1}(\{y\})はXXのコンパクト部分集合である。

証明.{y}⊂Y\{y\}\subset Yはコンパクト部分集合なので主張は固有写像の定義よりただちに従う。▨

注意 1.8. この逆は成り立たない。すべてのファイバーがコンパクトであっても固有でない連続写像が存在する。問題 6.1参照。

命題 1.9. 通常の位相を入れたR\Rの連続写像f:R→Rf:\R\to\Rが固有であるための必要十分条件は、任意のM>0M>0に対してあるR>0R>0が存在し、∣x∣>R|x|>Rを満たすすべてのx∈Rx\in\Rに対して∣f(x)∣>M|f(x)|>Mとなることである。

証明.R\Rの通常の距離は Euclid 距離のn=1n=1の場合であるから、§E2.9 定理 4.3により、R\Rの部分集合がコンパクトであることと有界かつ閉であることは同値である。

ffが固有であるとし、実数M>0M>0をとる。[−M,M][-M,M]はR\Rの有界な閉集合であるから§E2.9 定理 4.3によりコンパクトであり、ffが固有であることからL=f−1([−M,M])L=f^{-1}([-M,M])はR\Rのコンパクト部分集合である。ふたたび§E2.9 定理 4.3によりLLは有界であるから、L⊆[−R,R]L\subseteq[-R,R]を満たす実数R>0R>0が存在する。∣x∣>R|x|>Rを満たすx∈Rx\in\RはLLに属さないから∣f(x)∣>M|f(x)|>Mである。

逆に、判定の条件が成り立つとし、K⊆RK\subseteq\Rをコンパクト部分集合とする。§E2.9 定理 4.3によりKKは有界かつ閉であるから、K⊆[−M,M]K\subseteq[-M,M]を満たす実数M>0M>0が存在する。条件が与える実数R>0R>0をとると、∣x∣>R|x|>Rを満たすxxについて∣f(x)∣>M|f(x)|>Mであり、このときf(x)∉Kf(x)\notin Kである。したがってf−1(K)⊆[−R,R]f^{-1}(K)\subseteq[-R,R]であり、f−1(K)f^{-1}(K)は有界である。KKはR\Rの閉集合でありffは連続であるから、§E2.12 命題 1.6によりf−1(K)f^{-1}(K)はR\Rの閉集合である。ゆえに§E2.9 定理 4.3によりf−1(K)f^{-1}(K)はコンパクトであり、ffは固有である。▨

2 完全写像

定義 2.1 (完全写像). 完全写像 (perfect map) とは、固有写像であって、さらに全射閉写像である位相空間の間の写像のことを言う。

例 2.2. 完全写像の定義が課す三つの条件のうち、どの二つも残る一つを導かない。

  1. S={a,b}S=\{a,b\}とし、Od\mathcal O_{\mathrm d}をSSの離散位相、Os={∅,{a},S}\mathcal O_{\mathrm s}=\{\emptyset,\{a\},S\}とする。恒等写像id⁡S ⁣:(S,Od)→(S,Os)\operatorname{id}_S\colon(S,\mathcal O_{\mathrm d})\to(S,\mathcal O_{\mathrm s})は全射かつ固有であるが、閉写像でない。
  2. XXを無限集合に離散位相を入れた空間、PPを一点からなる位相空間とすると、唯一の写像cX ⁣:X→Pc_X\colon X\to Pは全射かつ閉写像であるが、固有でない。
  3. S={a,b}S=\{a,b\}に離散位相を入れ、A={a}A=\{a\}とすると、包含写像ιA ⁣:A→S\iota_A\colon A\to Sは閉写像かつ固有であるが、全射でない。

証明.(1)を示す。Os⊆Od\mathcal O_{\mathrm s}\subseteq\mathcal O_{\mathrm d}であるから、§E2.12 命題 5.7 (1)によりid⁡S\operatorname{id}_Sは連続である。恒等写像は全射である。SSは有限集合であるから、(S,Od)(S,\mathcal O_{\mathrm d})と(S,Os)(S,\mathcal O_{\mathrm s})のすべての部分集合は有限であり、§E2.19 例 2.3によりコンパクトである。したがって任意のコンパクト部分集合の逆像はコンパクトであり、id⁡S\operatorname{id}_Sは固有である。{b}∈Od\{b\}\in\mathcal O_{\mathrm d}であるが{b}∉Os\{b\}\notin\mathcal O_{\mathrm s}であるからOd⊆Os\mathcal O_{\mathrm d}\subseteq\mathcal O_{\mathrm s}は成り立たず、§E2.12 命題 5.7 (2)によりid⁡S\operatorname{id}_Sは閉写像でない。

(2)を示す。PPの位相は{∅,P}\{\emptyset,P\}であり、cX−1(∅)=∅c_X^{-1}(\emptyset)=\emptysetとcX−1(P)=Xc_X^{-1}(P)=XはともにXXの開集合であるから、cXc_Xは連続である。XXは空でないからcXc_Xは全射である。XXの閉集合FFに対してcX(F)c_X(F)はF=∅F=\emptysetならば∅\emptyset、F≠∅F\neq\emptysetならばPPであり、いずれもPPの閉集合であるからcXc_Xは閉写像である。XXは無限な離散空間であるから§E2.19 例 2.9によりコンパクトでなく、命題 1.2 (2)によりcXc_Xは固有でない。

(3)を示す。離散位相ではA={a}A=\{a\}はSSの閉集合であるから、命題 1.2 (3)によりιA\iota_Aは固有かつ閉写像である。b∉ιA(A)={a}b\notin\iota_A(A)=\{a\}であるからιA\iota_Aは全射でない。▨

命題 2.3. 位相空間XX、YYと完全写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Yに対して、XXがコンパクトであることとYYがコンパクトであることは同値である。

証明は演習とする(問題 6.3)。

命題 2.4. 位相空間XX、YY、ZZと完全写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Y、g ⁣:Y→Zg\colon Y\to Zに対して、合成g∘f ⁣:X→Zg\circ f\colon X\to Zは完全である。

証明.ffとggは全射であるから、§E1.1 命題 3.5によりg∘fg\circ fは全射である。ffとggは閉写像であるから、§E2.12 命題 5.3によりg∘fg\circ fは閉写像である。ffとggは固有であるから、命題 1.4によりg∘fg\circ fは固有であり、とくに連続である。▨

命題 2.5. 位相空間XX、YYと固有閉写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Y、部分集合B⊆f(X)B\subseteq f(X)に対してA=f−1(B)A=f^{-1}(B)とおく。このとき、値域と終域を制限した写像g ⁣:A→Bg\colon A\to B、g(x)=f(x)g(x)=f(x)は完全である。

証明.ffは連続であるから、§E2.12 補題 5.6 (1)によりggは連続である。

B⊂f(X)B\subset f(X)であるから、§E1.1 命題 4.9によりf(f−1(B))=B∩f(X)=Bf(f^{-1}(B))=B\cap f(X)=Bである。g(A)=f(f−1(B))g(A)=f(f^{-1}(B))であるからg(A)=Bg(A)=Bであり、ggは全射である。

K⊆BK\subseteq Bを部分空間BBのコンパクト部分集合とする。§E2.19 補題 2.7によりKKはYYのコンパクト部分集合である。ffは固有であるからf−1(K)f^{-1}(K)はXXのコンパクト部分集合である。K⊆BK\subseteq Bからf−1(K)⊆f−1(B)=Af^{-1}(K)\subseteq f^{-1}(B)=Aであり、§E2.19 補題 2.7によりf−1(K)f^{-1}(K)はAAのコンパクト部分集合である。g−1(K)=f−1(K)g^{-1}(K)=f^{-1}(K)であるから、g−1(K)g^{-1}(K)はAAのコンパクト部分集合である。

ffは閉写像であるから、§E2.12 補題 5.6 (3)によりggは閉写像である。以上によりggは完全である。▨

3 被覆の押し出し

固有な閉写像に沿うと、定義域の側の開被覆から終域の側の開被覆を作ることができる。逆像がもとの被覆に収まるように作れることが、次の補題の要点である。

補題 3.1.XX、YYを位相空間、f ⁣:X→Yf\colon X\to Yを固有閉写像とする。U=(Ui)i∈I\mathcal{U}=(U_i)_{i\in I}をXXの開被覆とする。A∈[I]<∞A\in [I]^{<\infty}に対し、

UA:=⋃i∈AUi,VA:=Y∖f(X∖UA),f(U):=(VA | A∈[I]<∞)U_A :=\bigcup_{i\in A}U_i, \qquad V_A:= Y \setminus f(X \setminus U_A), \qquad f(\mathcal{U}) := \left( V_A \,\middle|\, A \in [I]^{<\infty} \right)

と定義する。ただしここで[I]<∞[I]^{<\infty}はIIの有限部分集合の集合である。このとき、次が成り立つ:

  1. 任意のA∈[I]<∞A\in [I]^{<\infty}に対し、VA⊂YV_A\subset Yは開集合であり、f−1(VA)⊂UAf^{-1}(V_A)\subset U_Aが成り立つ。
  2. f(U)f(\mathcal{U})はYYの開被覆である。
  3. U\mathcal{U}がXXの開基で、ffが完全写像であれば、任意の点y∈Yy\in Yと任意の開近傍y∈V⊂Yy\in V\subset Yに対し、あるA∈[I]<∞A\in [I]^{<\infty}が存在してf−1(y)⊂UA⊂f−1(V)f^{-1}(y)\subset U_A\subset f^{-1}(V)が成り立つ。とくにこのとき、f(U)f(\mathcal{U})はYYの開基である。

証明.(1)を示す。UA=⋃i∈AUiU_A=\bigcup_{i\in A}U_iは開集合なので、X∖UAX\setminus U_Aは閉集合であり、ffが閉写像であることからf(X∖UA)f(X\setminus U_A)はYYの閉集合である。よってVA=Y∖f(X∖UA)V_A = Y\setminus f(X\setminus U_A)は開集合である。さらにf(X∖UA)⊂Y∖VAf(X\setminus U_A)\subset Y\setminus V_Aであるから、X∖UA⊂f−1(Y∖VA)=X∖f−1(VA)X\setminus U_A\subset f^{-1}(Y\setminus V_A) = X\setminus f^{-1}(V_A)であり、よってf−1(VA)⊂UAf^{-1}(V_A)\subset U_Aが成り立つ。

(2)を示す。y∈Yy\in Yを任意にとれば、ffが固有写像であることから、f−1(y)⊂Xf^{-1}(y)\subset Xはコンパクト部分集合である。よってあるAy∈[I]<∞A_y\in [I]^{<\infty}が存在してf−1(y)⊂UAyf^{-1}(y)\subset U_{A_y}が成り立つ。このときy∈VAyy\in V_{A_y}である。これはf(U)f(\mathcal{U})がYYの被覆であることを意味している。

(3)を示す。点y∈Yy\in Yと開近傍y∈V⊂Yy\in V\subset Yを任意に取る。U\mathcal{U}は開基なので、任意の点x∈f−1(y)x\in f^{-1}(y)に対してx∈Uix⊂f−1(V)x\in U_{i_x}\subset f^{-1}(V)となるix∈Ii_x\in Iが存在する。f−1(y)f^{-1}(y)はコンパクトなので、有限部分集合Ay⊂{ix∣x∈f−1(y)}⊂IA_y\subset \{i_x\mid x\in f^{-1}(y)\}\subset Iが存在してf−1(y)⊂⋃i∈AyUif^{-1}(y)\subset \bigcup_{i\in A_y}U_iが成り立つ。ここでAyA_yの取り方から、任意のi∈Ayi\in A_yに対してUi⊂f−1(V)U_i\subset f^{-1}(V)が成り立つので、よってf−1(y)⊂UA⊂f−1(V)f^{-1}(y)\subset U_A\subset f^{-1}(V)となる。これはy∈VA⊂Vy\in V_A\subset Vを示していて、よってf(U)f(\mathcal{U})はYYの開基である。▨

系 3.2.f ⁣:X→Yf\colon X\to Yを位相空間の間の完全写像とするとき、w(Y)≤max⁡{w(X),ℵ0}w(Y)\leq\max\{w(X),\aleph_0\}が成り立つ。とくにXXが第二可算ならばYYも第二可算である。

証明.§E2.13 定義 5.7により、∣I∣=w(X)\lvert I\rvert=w(X)を満たす添字集合IIで添字づけたXXの開基U=(Ui)i∈I\mathcal U=(U_i)_{i\in I}をとる。補題 3.1 (3)によりf(U)=(VA)A∈[I]<∞f(\mathcal U)=(V_A)_{A\in[I]^{<\infty}}はYYの開基である。IIが有限ならば[I]<∞[I]^{<\infty}は有限であり、IIが無限ならば§E1.22 補題 6.3により∣[I]<∞∣=∣I∣\lvert[I]^{<\infty}\rvert=\lvert I\rvertである。A↦VAA\mapsto V_Aは[I]<∞[I]^{<\infty}から開基{VA∣A∈[I]<∞}\{V_A\mid A\in[I]^{<\infty}\}への全射であり、§E1.20 系 2.4 (2)が与える切断は単射であるから、この開基の濃度はmax⁡{w(X),ℵ0}\max\{w(X),\aleph_0\}以下である。ゆえに§E2.13 定義 5.7によりw(Y)≤max⁡{w(X),ℵ0}w(Y)\leq\max\{w(X),\aleph_0\}である。後半は§E2.13 命題 5.8による。▨

4 コンパクト性と射影の閉性

補題 4.1.XX、ZZを位相空間、C⊆XC\subseteq Xをコンパクト部分集合、z∈Zz\in Zとし、NNをC×{z}⊆NC\times\{z\}\subseteq Nを満たすX×ZX\times Zの開集合とする。このとき、C⊆UC\subseteq Uとz∈Vz\in Vを満たすXXの開集合UUとZZの開集合VVでU×V⊆NU\times V\subseteq Nを満たすものが存在する。

証明.C=∅C=\emptysetのときはU=∅U=\emptyset、V=ZV=Zとおけばよい。以下ではC≠∅C\neq\emptysetとする。

U={U′⊆X∣U′ は開集合であり、z∈V′ と U′×V′⊆N を満たす Z の開集合 V′ が存在する}\mathcal U=\{U'\subseteq X\mid U'\text{ は開集合であり、}z\in V'\text{ と }U'\times V'\subseteq N\text{ を満たす }Z\text{ の開集合 }V'\text{ が存在する}\}

とおく。x∈Cx\in Cをとると(x,z)∈C×{z}⊆N(x,z)\in C\times\{z\}\subseteq Nである。§E2.14 補題 1.11と§E2.13 命題 1.2により、x∈U′x\in U'、z∈V′z\in V'、U′×V′⊆NU'\times V'\subseteq Nを満たすXXの開集合U′U'とZZの開集合V′V'が存在する。したがってU′∈UU'\in\mathcal Uであり、U\mathcal UはCCを覆う。

CCはコンパクトであるから、§E2.19 命題 2.6により、C⊆U1∪⋯∪UnC\subseteq U_1\cup\cdots\cup U_nを満たすU1,…,Un∈UU_1,\ldots,U_n\in\mathcal Uが存在する。C≠∅C\neq\emptysetであるからn≥1n\geq1である。各iiに対してz∈Viz\in V_iとUi×Vi⊆NU_i\times V_i\subseteq Nを満たすZZの開集合ViV_iを§E1.18 補題 2.6により同時にとり、

U=⋃i=1nUi,V=⋂i=1nViU=\bigcup_{i=1}^{n}U_i, \qquad V=\bigcap_{i=1}^{n}V_i

とおく。§E2.11 定義 1.1によりUUとVVは開集合であり、C⊆UC\subseteq Uかつz∈Vz\in Vである。(x,w)∈U×V(x,w)\in U\times Vをとると、x∈Uix\in U_iを満たすiiが存在し、w∈V⊆Viw\in V\subseteq V_iであるから(x,w)∈Ui×Vi⊆N(x,w)\in U_i\times V_i\subseteq Nである。ゆえにU×V⊆NU\times V\subseteq Nである。▨

定理 4.2 (Kuratowski–Mrówka の定理).XXを位相空間とする。次の二条件は同値である。

  1. XXはコンパクトである。
  2. 任意の位相空間ZZに対して、射影pr⁡Z ⁣:X×Z→Z\operatorname{pr}_Z\colon X\times Z\to Zは閉写像である。

証明.(1)⇒\Rightarrow(2)を示す。ZZを位相空間、AAをX×ZX\times Zの閉集合とし、z∈Z∖pr⁡Z(A)z\in Z\setminus\operatorname{pr}_Z(A)をとる。任意のx∈Xx\in Xに対して(x,z)∉A(x,z)\notin Aであるから、N=(X×Z)∖AN=(X\times Z)\setminus AはX×{z}X\times\{z\}を含む開集合である。XXはコンパクトであるから、補題 4.1をC=XC=Xに適用して、X⊆UX\subseteq Uとz∈Vz\in Vを満たす開集合U⊆XU\subseteq X、V⊆ZV\subseteq ZでU×V⊆NU\times V\subseteq Nを満たすものを得る。U⊆XU\subseteq XとあわせてU=XU=Xであるから(X×V)∩A=∅(X\times V)\cap A=\emptysetである。w∈V∩pr⁡Z(A)w\in V\cap\operatorname{pr}_Z(A)とすると(x,w)∈A(x,w)\in Aを満たすx∈Xx\in Xが存在し、(x,w)∈X×V(x,w)\in X\times Vとなって(X×V)∩A=∅(X\times V)\cap A=\emptysetに反する。したがってV⊆Z∖pr⁡Z(A)V\subseteq Z\setminus\operatorname{pr}_Z(A)である。zzは任意であったから、§E2.11 補題 2.6によりZ∖pr⁡Z(A)Z\setminus\operatorname{pr}_Z(A)は開集合であり、pr⁡Z(A)\operatorname{pr}_Z(A)はZZの閉集合である。

(2)⇒\Rightarrow(1)を示す。Λ\Lambdaを空でない集合、(Fλ)λ∈Λ(F_\lambda)_{\lambda\in\Lambda}を有限交差性をもつXXの閉集合の族とし、⋂λ∈ΛFλ=∅\bigcap_{\lambda\in\Lambda}F_\lambda=\emptysetであると仮定する。

D={Fλ1∩⋯∩Fλk∣k∈Z≥1, λ1,…,λk∈Λ}\mathcal D=\{F_{\lambda_1}\cap\cdots\cap F_{\lambda_k}\mid k\in\mathbb Z_{\geq1},\ \lambda_1,\ldots,\lambda_k\in\Lambda\}

とおく。D\mathcal Dの各元は有限個の閉集合の共通部分であるからXXの閉集合であり、有限交差性により空でない。Λ≠∅\Lambda\neq\emptysetであるからD≠∅\mathcal D\neq\emptysetであり、D\mathcal Dの二つの元の共通部分はふたたびD\mathcal Dの元である。また、添字を一つだけとる場合を含むことから⋂D∈DD=⋂λ∈ΛFλ=∅\bigcap_{D\in\mathcal D}D=\bigcap_{\lambda\in\Lambda}F_\lambda=\emptysetである。

XXに属さない元∞\inftyを一つとり、Z=X∪{∞}Z=X\cup\{\infty\}とおく。ZZの部分集合の族を

OZ={W⊆Z∣∞∈W ならば D⊆W を満たす D∈D が存在する}\mathcal O_Z=\{W\subseteq Z\mid \infty\in W\text{ ならば }D\subseteq W\text{ を満たす }D\in\mathcal D\text{ が存在する}\}

と定める。∞∉∅\infty\notin\emptysetであるから∅∈OZ\emptyset\in\mathcal O_Zであり、D\mathcal Dは空でなく、その元DDはD⊆ZD\subseteq Zを満たすからZ∈OZZ\in\mathcal O_Zである。OZ\mathcal O_Zの元からなる族の和集合が∞\inftyを含むならば、∞\inftyを含む元WWがあり、D⊆WD\subseteq Wを満たすD∈DD\in\mathcal Dが和集合に含まれる。OZ\mathcal O_Zの二つの元W1W_1、W2W_2の共通部分が∞\inftyを含むならば、D1⊆W1D_1\subseteq W_1とD2⊆W2D_2\subseteq W_2を満たすD1,D2∈DD_1,D_2\in\mathcal DをとるとD1∩D2∈DD_1\cap D_2\in\mathcal DかつD1∩D2⊆W1∩W2D_1\cap D_2\subseteq W_1\cap W_2である。したがって§E2.11 定義 1.1によりOZ\mathcal O_ZはZZの位相である。とくに、各D∈DD\in\mathcal Dに対して{∞}∪D\{\infty\}\cup Dは∞\inftyを含むZZの開集合である。

Δ={(t,t)∣t∈X}⊆X×Z\Delta=\{(t,t)\mid t\in X\}\subseteq X\times Zとおき、A=Δ‾A=\overline{\Delta}とする。x∈Xx\in Xをとると、⋂D∈DD=∅\bigcap_{D\in\mathcal D}D=\emptysetからx∉Dx\notin Dを満たすD∈DD\in\mathcal Dが存在する。DDはXXの閉集合であるからU=X∖DU=X\setminus DはXXの開集合でありx∈Ux\in Uである。W={∞}∪DW=\{\infty\}\cup DとおくとU×WU\times Wは(x,∞)(x,\infty)を含むX×ZX\times Zの開集合である(§E2.14 補題 1.11)。(t,t)∈U×W(t,t)\in U\times Wを満たすt∈Xt\in Xがあるとすると、t∈Wt\in Wとt≠∞t\neq\inftyからt∈Dt\in Dであり、t∈U=X∖Dt\in U=X\setminus Dと両立しない。したがって(U×W)∩Δ=∅(U\times W)\cap\Delta=\emptysetであり、§E2.11 命題 7.2 (2)により(x,∞)∉A(x,\infty)\notin Aである。

xxはXXの任意の元であったからA∩(X×{∞})=∅A\cap(X\times\{\infty\})=\emptysetであり、pr⁡Z(A)⊆Z∖{∞}=X\operatorname{pr}_Z(A)\subseteq Z\setminus\{\infty\}=Xである。一方Δ⊆A\Delta\subseteq AからX=pr⁡Z(Δ)⊆pr⁡Z(A)X=\operatorname{pr}_Z(\Delta)\subseteq\operatorname{pr}_Z(A)である。ゆえにpr⁡Z(A)=X\operatorname{pr}_Z(A)=Xである。AAはX×ZX\times Zの閉集合であるから、仮定(2)によりXXはZZの閉集合である。他方Z∖X={∞}Z\setminus X=\{\infty\}であり、D\mathcal Dの元はすべて空でないXXの部分集合であるからD⊆{∞}D\subseteq\{\infty\}を満たすD∈DD\in\mathcal Dは存在せず、{∞}\{\infty\}はOZ\mathcal O_Zに属さない。したがってXXはZZの閉集合でなく、これはXXがZZの閉集合であることと両立しない。

ゆえに⋂λ∈ΛFλ≠∅\bigcap_{\lambda\in\Lambda}F_\lambda\neq\emptysetであり、§E2.19 定理 3.2によりXXはコンパクトである。▨

注意 4.3.§E2.14 例 1.18は、通常の位相を入れたR\mathbb Rについて第一射影R2→R\mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}が閉写像でないことを示している。特にR\mathbb{R}はコンパクトでない。

注意 4.4. 本記事よりも後続の記事で述べるような様々なコンパクト性は定理 4.2と類似した標準射影による特徴づけを持つ。本単元で扱う Kuratowski 型の特徴付けは次のとおりである:§E2.36 命題 4.5、§E2.39 命題 4.1、§E2.42 補題 2.10。§E2.42 補題 2.9は、最後の特徴付けの一方の含意を与える補題である。

命題 4.5.XXを位相空間、KKをコンパクトな位相空間とする。このとき、射影pr⁡X ⁣:X×K→X\operatorname{pr}_X\colon X\times K\to Xは固有閉写像である。さらにKKが空でなければ、pr⁡X\pr_Xは完全写像である。

証明.§E2.12 命題 3.3 (1)を§E2.14 定義 1.9の始位相へ適用すると、pr⁡X\operatorname{pr}_Xは連続である。

pr⁡X\operatorname{pr}_Xが閉写像であることを示す。AAをX×KX\times Kの閉集合とし、x∈X∖pr⁡X(A)x\in X\setminus\operatorname{pr}_X(A)をとる。任意のk∈Kk\in Kに対して(x,k)∉A(x,k)\notin Aであるから、N=(X×K)∖AN=(X\times K)\setminus Aは{x}×K\{x\}\times Kを含むX×KX\times Kの開集合である。KKはコンパクトであるから、§E2.19 補題 5.1によりx∈Wx\in WかつW×K⊆NW\times K\subseteq Nを満たすXXの開集合WWが存在する。w∈W∩pr⁡X(A)w\in W\cap\operatorname{pr}_X(A)とすると(w,k)∈A(w,k)\in Aを満たすk∈Kk\in Kが存在し、(w,k)∈W×K⊆N(w,k)\in W\times K\subseteq NとなってN∩A=∅N\cap A=\emptysetと両立しない。ゆえにW⊆X∖pr⁡X(A)W\subseteq X\setminus\operatorname{pr}_X(A)であり、xxは任意であったから、§E2.11 補題 2.6によりX∖pr⁡X(A)X\setminus\operatorname{pr}_X(A)は開集合であって、pr⁡X(A)\operatorname{pr}_X(A)はXXの閉集合である。

pr⁡X\operatorname{pr}_Xが固有であることを示す。C⊆XC\subseteq Xをコンパクト部分集合とするとpr⁡X−1(C)=C×K\operatorname{pr}_X^{-1}(C)=C\times Kである。§E2.14 補題 1.13により、C×KC\times KがX×KX\times Kから受ける部分空間位相は、部分空間CCとKKの積位相に一致する。部分空間CCとKKはいずれもコンパクト空間であるから、§E2.19 定理 5.3によりこの積位相を入れたC×KC\times Kはコンパクトであり、§E2.19 定義 2.1によりC×KC\times KはX×KX\times Kのコンパクト部分集合である。ゆえにpr⁡X\operatorname{pr}_Xは固有である。▨

5 普遍閉性

定義 5.1 (普遍閉写像). 位相空間XX、YY、ZZと写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Yに対して、写像f×id⁡Z ⁣:X×Z→Y×Zf\times\operatorname{id}_Z\colon X\times Z\to Y\times Zを

(f×id⁡Z)(x,z)=(f(x),z)(f\times\operatorname{id}_Z)(x,z)=(f(x),z)

によって定める。

位相空間XX、YYと連続写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Yに対して、ffが 普遍閉写像 (universally closed map) である、またはffが普遍閉であるとは、任意の位相空間ZZに対してf×id⁡Z ⁣:X×Z→Y×Zf\times\operatorname{id}_Z\colon X\times Z\to Y\times Zが閉写像であることをいう。

命題 5.2. 位相空間XX、YYと普遍閉写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Y、部分集合B⊆YB\subseteq Yに対してA=f−1(B)A=f^{-1}(B)とおく。このとき、値域と終域を制限した写像g ⁣:A→Bg\colon A\to B、g(x)=f(x)g(x)=f(x)は普遍閉である。

証明.ffは連続であるから、§E2.12 補題 5.6 (1)によりggは連続である。

ZZを位相空間とする。(x,z)∈X×Z(x,z)\in X\times Zに対して(f×id⁡Z)(x,z)=(f(x),z)∈B×Z(f\times\operatorname{id}_Z)(x,z)=(f(x),z)\in B\times Zであることとf(x)∈Bf(x)\in Bであること、すなわちx∈Ax\in Aであることは同値であるから、

(f×id⁡Z)−1(B×Z)=A×Z(f\times\operatorname{id}_Z)^{-1}(B\times Z)=A\times Z

である。また(a,z)∈A×Z(a,z)\in A\times Zに対して(g×id⁡Z)(a,z)=(g(a),z)=(f(a),z)=(f×id⁡Z)(a,z)(g\times\operatorname{id}_Z)(a,z)=(g(a),z)=(f(a),z)=(f\times\operatorname{id}_Z)(a,z)であるから、g×id⁡Zg\times\operatorname{id}_Zはf×id⁡Zf\times\operatorname{id}_Zの値域と終域を上の全逆像とB×ZB\times Zへ制限した写像である。

§E2.14 補題 1.13により、A×ZA\times Zの積位相はX×ZX\times Zから定まる部分空間位相に一致し、B×ZB\times Zの積位相はY×ZY\times Zから定まる部分空間位相に一致する。ffは普遍閉であるからf×id⁡Zf\times\operatorname{id}_Zは閉写像であり、§E2.12 補題 5.6 (3)によりg×id⁡Zg\times\operatorname{id}_Zは閉写像である。ZZは任意であったからggは普遍閉である。▨

定理 5.3. 位相空間XX、YYと連続写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Yについて、次の三条件は同値である。

  1. ffは閉写像であり、任意のy∈Yy\in Yに対してf−1({y})f^{-1}(\{y\})はXXのコンパクト部分集合である。
  2. ffは閉写像であり、かつ固有である。
  3. ffは普遍閉である。

証明.(1)⇒\Rightarrow(3)を示す。ZZを位相空間、AAをX×ZX\times Zの閉集合とし、(y,z)∈(Y×Z)∖(f×id⁡Z)(A)(y,z)\in(Y\times Z)\setminus(f\times\operatorname{id}_Z)(A)をとる。仮定によりC=f−1({y})C=f^{-1}(\{y\})はXXのコンパクト部分集合である。x∈Cx\in Cに対して(x,z)∈A(x,z)\in Aであるとすると(f×id⁡Z)(x,z)=(y,z)(f\times\operatorname{id}_Z)(x,z)=(y,z)となって(y,z)(y,z)の取り方に反するから、C×{z}C\times\{z\}はN=(X×Z)∖AN=(X\times Z)\setminus Aに含まれる。NNは開集合であるから、補題 4.1により、C⊆UC\subseteq Uとz∈Vz\in Vを満たす開集合U⊆XU\subseteq X、V⊆ZV\subseteq ZでU×V⊆NU\times V\subseteq N、すなわち(U×V)∩A=∅(U\times V)\cap A=\emptysetを満たすものが存在する。

W=Y∖f(X∖U)W=Y\setminus f(X\setminus U)とおく。ffが閉写像であることからf(X∖U)f(X\setminus U)はYYの閉集合であり、WWはYYの開集合である。y∈f(X∖U)y\in f(X\setminus U)とするとf(x)=yf(x)=yを満たすx∈X∖Ux\in X\setminus Uが存在し、x∈C⊆Ux\in C\subseteq Uとなってx∉Ux\notin Uと両立しないから、y∈Wy\in Wである。またf(x)∈Wf(x)\in Wかつx∉Ux\notin Uとするとf(x)∈f(X∖U)f(x)\in f(X\setminus U)となってf(x)∈Wf(x)\in Wと両立しないから、f−1(W)⊆Uf^{-1}(W)\subseteq Uである。

(y′,z′)∈(W×V)∩(f×id⁡Z)(A)(y',z')\in(W\times V)\cap(f\times\operatorname{id}_Z)(A)とすると、(x,z′)∈A(x,z')\in Aかつf(x)=y′f(x)=y'を満たすx∈Xx\in Xが存在する。y′∈Wy'\in Wからx∈f−1(W)⊆Ux\in f^{-1}(W)\subseteq Uであり、z′∈Vz'\in Vとあわせて(x,z′)∈U×V(x,z')\in U\times Vとなる。これは(U×V)∩A=∅(U\times V)\cap A=\emptysetと両立しない。WWはYYの開集合、VVはZZの開集合であるから、W×VW\times VはY×ZY\times Zの開集合である(§E2.14 補題 1.11)。したがってW×VW\times Vは(f×id⁡Z)(A)(f\times\operatorname{id}_Z)(A)と交わらない(y,z)(y,z)の開近傍である。(y,z)(y,z)は任意であったから、§E2.11 補題 2.6により(Y×Z)∖(f×id⁡Z)(A)(Y\times Z)\setminus(f\times\operatorname{id}_Z)(A)は開集合であり、(f×id⁡Z)(A)(f\times\operatorname{id}_Z)(A)は閉集合である。ZZは任意であったからffは普遍閉である。

(3)⇒\Rightarrow(2)を示す。P={p}P=\{p\}を一点からなる位相空間とし、§E2.14 補題 1.14で定めた記号を用いてsX ⁣:X→X×Ps_X\colon X\to X\times Pと射影pr⁡Y ⁣:Y×P→Y\operatorname{pr}_Y\colon Y\times P\to Yをとる。x∈Xx\in Xに対して

pr⁡Y((f×id⁡P)(sX(x)))=pr⁡Y((f(x),p))=f(x)\operatorname{pr}_Y\bigl((f\times\operatorname{id}_P)(s_X(x))\bigr)=\operatorname{pr}_Y\bigl((f(x),p)\bigr)=f(x)

であるからf=pr⁡Y∘(f×id⁡P)∘sXf=\operatorname{pr}_Y\circ(f\times\operatorname{id}_P)\circ s_Xである。§E2.14 補題 1.14によりsXs_Xとpr⁡Y\operatorname{pr}_Yは同相写像であり、同相写像は連続な全単射であるから§E2.12 命題 6.3 (3)により閉写像である。仮定によりf×id⁡Pf\times\operatorname{id}_Pは閉写像であるから、§E2.12 命題 5.3を二度用いてffは閉写像である。

K⊆YK\subseteq Yをコンパクト部分集合とし、A=f−1(K)A=f^{-1}(K)、g ⁣:A→Kg\colon A\to K、g(x)=f(x)g(x)=f(x)とおく。命題 5.2によりggは普遍閉である。ZZを位相空間とすると、g×id⁡Z ⁣:A×Z→K×Zg\times\operatorname{id}_Z\colon A\times Z\to K\times Zは閉写像であり、KKはコンパクトであるから定理 4.2により射影pr⁡Z ⁣:K×Z→Z\operatorname{pr}_Z\colon K\times Z\to Zは閉写像である。したがって§E2.12 命題 5.3により合成pr⁡Z∘(g×id⁡Z)\operatorname{pr}_Z\circ(g\times\operatorname{id}_Z)は閉写像である。(a,z)∈A×Z(a,z)\in A\times Zに対してpr⁡Z((g×id⁡Z)(a,z))=z\operatorname{pr}_Z((g\times\operatorname{id}_Z)(a,z))=zであるから、この合成は射影pr⁡Z ⁣:A×Z→Z\operatorname{pr}_Z\colon A\times Z\to Zに等しい。ZZは任意であったから、定理 4.2により部分空間AAはコンパクトである。すなわちf−1(K)f^{-1}(K)はXXのコンパクト部分集合であり、ffは固有である。

(2)⇒\Rightarrow(1)を示す。y∈Yy\in Yをとる。{y}\{y\}は有限であるから§E2.19 例 2.3によりYYのコンパクト部分集合であり、ffが固有であることからf−1({y})f^{-1}(\{y\})はXXのコンパクト部分集合である。閉写像であることは(2)が課しているから、(1)が成り立つ。▨

系 5.4.PPを一点からなる位相空間、XXを位相空間とし、cX ⁣:X→Pc_X\colon X\to Pを唯一の写像とする。cXc_Xが普遍閉であることとXXがコンパクトであることとは同値である。

証明は演習とする(問題 6.4)。

系 5.5. 位相空間XX、YYと連続写像f ⁣:X→Yf\colon X\to Yについて、次の三条件は同値である。

  1. ffは完全である。
  2. ffは全射であり、かつ普遍閉である。
  3. ffは全射かつ閉写像であり、任意のy∈Yy\in Yに対してf−1({y})f^{-1}(\{y\})はXXのコンパクト部分集合である。

証明.定義 2.1により、ffが完全であることは、ffが全射であり、かつ定理 5.3 (2)を満たすことである。定理 5.3により、定理 5.3 (2)は定理 5.3 (3)とも定理 5.3 (1)とも同値である。したがって(1)は(2)とも(3)とも同値である。▨

注意 5.6 (定義の流儀).定義 1.1は、終域のコンパクト部分集合の逆像がコンパクトであることを固有性の定義に採った。Bourbaki の系統の文献はこの流儀を採らず、普遍閉性を固有性の定義とする。分離公理を仮定しない本記事の設定では二つの条件は同値でない。実際、例 2.2 (1)で扱った恒等写像は定義 1.1に従って固有であるが閉写像でなく、定理 5.3により普遍閉でない。定理 5.3により、閉写像である連続写像については、定義 1.1の固有性と定義 5.1の普遍閉性が同値である。

完全写像についても規約の差がある。Engelking の系統の文献は、閉写像であって各点の逆像がコンパクトであることを完全写像の定義とし、全射性を課さない。定理 5.3により、この条件は定義 2.1が課す三つの条件から全射性を除いたものと同値である。

注意 5.7 (分離公理を仮定しないこと).定理 5.3が閉写像であるという条件を独立に課すのは、本記事が分離公理も局所コンパクト性もいっさい仮定しないためである。終域が局所コンパクトな Hausdorff 空間である場合には、固有な連続写像はつねに閉写像であり、固有であることと普遍閉であることが一致する。この形の判定は、局所コンパクト性を扱う後続の議論に属する。

6 演習

問題 6.1.補題 1.7の証明を完成させよ。また、位相空間X′X'、Y′Y'と連続写像h ⁣:X′→Y′h\colon X'\to Y'であって、任意のy∈Y′y\in Y'に対してh−1({y})h^{-1}(\{y\})がX′X'のコンパクト部分集合であり、かつhhが固有でないものが存在することを、例を挙げて証明せよ。

解答.

{y}\{y\}は有限集合であるから§E2.19 例 2.3によりYYのコンパクト部分集合であり、ffが固有であることからf−1({y})f^{-1}(\{y\})はXXのコンパクト部分集合である。

例を与える。例 1.6で定めた空間をY0Y_0、そこで定めた元をq∈Y0q\in Y_0、部分集合をD=Y0∖{q}D=Y_0\setminus\{q\}とし、X′=DX'=D、Y′=Y0Y'=Y_0、h=ιD ⁣:D→Y0h=\iota_D\colon D\to Y_0とおく。y∈Dy\in Dに対してh−1({y})={y}h^{-1}(\{y\})=\{y\}であり、h−1({q})=∅h^{-1}(\{q\})=\emptysetである。いずれも有限集合であるから§E2.19 例 2.3によりDDのコンパクト部分集合である。一方例 1.6 (2)によりhhは固有でない。▨

問題 6.2. 第一成分、第二成分への射影R2→R\mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}のどちらの像も閉でないような閉部分集合F⊂R2F\subset \mathbb{R}^2の例を与えよ。

解答.

たとえばF={(x,1/x) ∣ x>0}F = \{(x, 1/x) \,\mid\, x > 0\}とすればよい。▨

問題 6.3.命題 2.3の証明を完成させよ。

解答.

XXがコンパクトであるとする。ffは連続かつ全射であるから、§E2.19 定理 4.2によりf(X)=Yf(X)=Yはコンパクトである。

逆にYYがコンパクトであるとする。ffは固有であるからf−1(Y)=Xf^{-1}(Y)=Xはコンパクトである。▨

問題 6.4.系 5.4の証明を完成させよ。

解答.

PPの位相は{∅,P}\{\emptyset,P\}であり、cX−1(∅)=∅c_X^{-1}(\emptyset)=\emptysetとcX−1(P)=Xc_X^{-1}(P)=XはともにXXの開集合であるから、cXc_Xは連続である。XXの閉集合FFに対してcX(F)c_X(F)は、F=∅F=\emptysetならば∅\emptyset、F≠∅F\neq\emptysetならばPPであり、いずれもPPの閉集合であるから、cXc_Xはつねに閉写像である。したがって定理 5.3により、cXc_Xが普遍閉であることはcXc_Xが固有であることと同値である。命題 1.2 (2)により、これはXXがコンパクトであることと同値である。▨

問題 6.5 (閉部分集合への制限).XX、YYを位相空間、f ⁣:X→Yf\colon X\to Yを固有写像とし、C⊆XC\subseteq Xを閉集合とする。CCには部分空間位相を入れ、包含写像をιC ⁣:C→X\iota_C\colon C\to Xと書く。合成f∘ιC ⁣:C→Yf\circ\iota_C\colon C\to Yが固有であることを示せ。

解答.

命題 1.2 (3)によりιC\iota_Cは固有である。命題 1.4により固有写像の合成は固有であるから、f∘ιCf\circ\iota_Cは固有である。▨

問題 6.6 (実数直線上の固有写像).命題 1.9の判定を用いて、通常の位相を入れたR\R上の写像x↦x2x\mapsto x^2が固有であり、x↦arctan⁡xx\mapsto\arctan xが固有でないことを証明せよ。

解答.

x↦x2x\mapsto x^2が定める写像をuuとおく。a∈Ra\in\Rと実数ε>0\varepsilon>0に対してδ=min⁡{1,ε/(2∣a∣+1)}\delta=\min\{1,\varepsilon/(2|a|+1)\}とおくと、∣x−a∣<δ|x-a|<\deltaを満たすxxについて

∣x2−a2∣=∣x−a∣ ∣x+a∣≤∣x−a∣(∣x−a∣+2∣a∣)<δ(1+2∣a∣)≤ε|x^2-a^2|=|x-a|\,|x+a|\leq|x-a|\bigl(|x-a|+2|a|\bigr)<\delta\bigl(1+2|a|\bigr)\leq\varepsilon

である。(a−δ,a+δ)(a-\delta,a+\delta)はaaの開近傍であるから、§E2.12 補題 1.9によりuuは連続である。実数M>0M>0に対してR=MR=\sqrt Mとおくと、∣x∣>R|x|>Rを満たすxxについて∣u(x)∣=x2>M|u(x)|=x^2>Mである。ゆえにuuは固有である。

x↦arctan⁡xx\mapsto\arctan xが定める写像をvvとおく。§D1.24 定理 4.6と§D1.14 命題 1.2によりvvは連続である。§D1.24 定義 4.4によりarctan⁡\arctanはtan⁡\tanの(−π/2,π/2)(-\pi/2,\pi/2)への制限の逆写像であるから、すべてのx∈Rx\in\Rについて∣v(x)∣<π/2|v(x)|<\pi/2である。M=π/2M=\pi/2に対しては、どのような実数R>0R>0をとっても、∣x∣>R|x|>Rを満たすxxについて∣v(x)∣>M|v(x)|>Mが成り立つことはない。ゆえにvvは固有でない。▨

参考文献

  1. Nicolas Bourbaki, General Topology, Chapters 1–4, Elements of Mathematics, Springer, Berlin, 1989.任意の空間との直積へ広げた写像の閉性によって固有性を定義する流儀を参考にした。
  2. Ryszard Engelking, General Topology, revised and completed ed., Sigma Series in Pure Mathematics 6, Heldermann Verlag, Berlin, 1989.完全写像の定義、合成と制限による保存、および射影の閉性との関係を参考にした。
  3. Stephen Willard, General Topology, Dover Publications, 2004, originally published 1970.コンパクト性と射影の閉性の同値、および管状補題の定式化を参考にした。

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