距離空間の完備性|完備性が距離で決まり位相で決まらない理由
距離空間 が完備であるとは、 内の任意の Cauchy 列が の点に収束することをいう。数直線に穴が開いていない、という状況を一般の空間へ持ち出したものである。
完備性は解析学の土台になる。極限を先に知らなくても収束が判定でき、縮小写像の原理や微分方程式の解の存在がここから出てくる。
以下では定義と 3 つの直観から始め、21 個の例を 1 つずつ確かめる。完備性が距離の性質であって位相の性質ではない、という点を中心に据える。
Cauchy 列
点列 が Cauchy 列であるとは、任意の に対してある が存在し、 ならば となることをいう。
添字が十分大きくなると、項どうしがいくらでも近づくという条件である。極限の存在をどこにも仮定していない点が大事なところだ。
収束の定義が「ある 1 点 に近づく」だったのに対し、Cauchy 列の条件は列の中だけで書かれている。行き先を名指しせずに、列が落ち着いていく様子だけを述べている。
収束列は Cauchy 列である
が に収束するとしよう。三角不等式から次が成り立つ。
右辺は が十分大きければいくらでも小さくなる。よって収束列はつねに Cauchy 列である。
逆は一般に成り立たない。Cauchy 列であっても、収束先が空間の中にあるとは限らないからだ。この差を埋めよと要求するのが完備性になる。
完備性の定義
距離空間 が完備であるとは、 の任意の Cauchy 列が の点に収束することをいう。
前節の含意の逆が成り立つ空間、と言い換えてもよい。収束列と Cauchy 列が一致する空間である。
完備なノルム空間を Banach 空間、完備な内積空間を Hilbert 空間と呼ぶ。関数解析の主要な対象はどれも完備性を前提にしている。
直観: 穴がない
Cauchy 列は行き先を指している。項どうしが際限なく近づくのだから、どこか 1 点に集まろうとしていることは間違いない。
完備とは、指された先に必ず点が用意されている、ということである。完備でない空間には、列が指しているのに点がない場所がある。それが穴だ。
有理数体の中で の位置がその例になる。 という有理数の列はCauchy 列だが、指した先の は有理数でない。
項どうしがいくらでも近づく列。収束先が空間内にあるかどうかは問わない。
穴という言い方は比喩ではあるが、完備化の構成を見ると文字どおりの意味を持つ。空いている場所に点を足していく操作が完備化になる。
直観: 極限を知らずに収束が言える
完備性の実用的な価値は、収束の判定に極限が要らない点にある。
列が収束することを定義から示すには、収束先 を先に手に入れて を確かめなければならない。ところが多くの場面で、極限そのものは求まらない。
完備な空間では、 さえ言えれば収束が保証される。極限を名指しせずに存在だけを結論できる。
級数の収束判定も、逐次近似法も、この構図に乗っている。存在を先に押さえてから正体を調べる、という順序が使えるようになる。
直観: 完備性は距離が決める
3 つ目の点がもっとも見落とされやすい。完備性は距離の性質であって、位相の性質ではない。
同じ位相を与える距離が 2 つあって、一方では完備、他方では完備でない、ということが起きる。開集合の族だけを見ても完備性は決まらない。
Cauchy 列の条件に が直接現れることを思い出せばよい。開集合の言葉だけでは「項どうしが近づく」を書き表せない。
この点はあとで と の対で確かめる。位相だけを見る立場では、完備性は見えない量である。
例: 有理数体
に通常の距離を入れた空間は完備でない。 の小数展開を打ち切った列 は Cauchy 列だが、極限は有理数でない。
<svg viewBox="0 0 700 250" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="max-width:100%;height:auto;display:block;margin:0 auto"><line x1="80" y1="86" x2="620" y2="86" stroke="#1f1f1f" stroke-width="1"/><circle cx="160" cy="86" r="4" fill="#1f1f1f"/><circle cx="300" cy="86" r="4" fill="#1f1f1f"/><circle cx="390" cy="86" r="4" fill="#1f1f1f"/><circle cx="440" cy="86" r="4" fill="#1f1f1f"/><circle cx="468" cy="86" r="4" fill="#1f1f1f"/><circle cx="484" cy="86" r="3.5" fill="#1f1f1f"/><circle cx="500" cy="86" r="6" fill="#ffffff" stroke="#1b81e0" stroke-width="2"/><text x="500" y="66" font-size="12" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">ここに点がない</text><text x="646" y="90" font-size="13" fill="#1f1f1f">Q</text><line x1="80" y1="186" x2="620" y2="186" stroke="#1f1f1f" stroke-width="1"/><circle cx="160" cy="186" r="4" fill="#8a8a8a"/><circle cx="300" cy="186" r="4" fill="#8a8a8a"/><circle cx="390" cy="186" r="4" fill="#8a8a8a"/><circle cx="440" cy="186" r="4" fill="#8a8a8a"/><circle cx="468" cy="186" r="4" fill="#8a8a8a"/><circle cx="484" cy="186" r="3.5" fill="#8a8a8a"/><circle cx="500" cy="186" r="6" fill="#1b81e0"/><text x="500" y="166" font-size="12" fill="#1b81e0" text-anchor="middle">極限が存在する</text><text x="646" y="190" font-size="13" fill="#1f1f1f">R</text><text x="160" y="112" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="middle">1</text><text x="300" y="112" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="middle">1.4</text><text x="390" y="112" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="middle">1.41</text><text x="460" y="112" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="middle">1.414 ...</text><text x="350" y="230" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="middle">同じ列が、Q では行き先を失い、R では行き先を持つ</text></svg>図の上下は同じ列である。違うのは、指された場所に点が置いてあるかどうかだけだ。
が完備でないことは、実数を構成する動機そのものになっている。穴を埋めた結果が である。
例: 開区間
開区間 も完備でない。 は Cauchy 列だが、極限 は に属さない。
端点を落としたことで、そこに向かう列の行き先が消えた。穴が境界に開いている形である。
閉区間 なら完備になる。同じ距離でも、どこまでを空間に含めるかで結論が変わる。
例: 正の実数全体
も同じ理由で完備でない。 が に向かうが、 は空間の外にある。
一方 は完備である。 の閉部分集合になっているからで、この理由はあとで一般の形にまとめる。
上に有界でないことは完備性と無関係だ。 は非有界だが完備で、 は有界だが完備でない。
例: 実数体とユークリッド空間
は完備である。実数の連続性、すなわち上限公理や Dedekind の切断から導かれる基本的な事実になる。
も完備だ。Cauchy 列であることは各座標が Cauchy 列であることと同値なので、 の完備性から成分ごとに結論できる。
複素数体 は と同じものなので完備である。有限次元のノルム空間はすべて完備になる。
例: 離散距離空間と整数
集合 に のとき と定めた離散距離空間は、 が何であれ完備である。
を取ると、ある 以降のすべての項が互いに距離 未満になる。距離の値は か しかないので、 以降は同じ点の繰り返しになる。
定数列は当然その点に収束する。よって Cauchy 列はすべて収束する。
通常の距離を入れた整数全体 も同じ理屈で完備だ。相異なる整数の距離が 以上なので、Cauchy 列はいずれ止まる。
完備な部分集合は閉集合である
部分空間の完備性は、閉集合であることと結びつく。
距離空間 の部分集合 が完備なら、 は で閉。 の点列が の点 に収束すればその列は Cauchy 列で、 の完備性から極限は の中にある
が完備で が閉なら、 の Cauchy 列は で収束し、 が閉だから極限は に属する
が完備な場合、この 2 つを合わせて「 が完備 が閉」となる。判定がぐっと楽になる。
が完備でないのは、 の中で閉でないからだと言い換えられる。 が完備なのは閉だからである。
例: 閉区間と閉部分集合
前節から、 の閉部分集合はすべて完備である。閉区間、閉球、超平面、Cantor 集合、どれも完備になる。
Cantor 集合は測度が で、いたるところ疎な集合である。それでも の閉部分集合なので完備だ。完備性と大きさは関係がない。
逆に、稠密な部分集合は閉でないかぎり完備にならない。 が で稠密なのに完備でないのは、この一例である。
例: 連続関数の空間
上の連続関数全体 に、一様ノルム から定まる距離を入れる。この空間は完備である。
Cauchy 列 を取ると、各点 で は の Cauchy 列になり、極限 が定まる。収束は一様なので、 は連続になる。
一様収束が連続性を保つ、という定理がそのまま完備性の証明になっている。
例: 同じ空間に別のノルムを入れる
同じ に ノルム を入れると、完備でなくなる。
に対し、 で 、 で 、 で となる連続関数 を取る。
計算すると となり、 で に向かう。よって は Cauchy 列である。
ところが の意味での極限は、 で 、 で という階段関数になる。連続でないので の外に出てしまう。
ノルムを変えると完備性が変わる
前の 2 節は、台となる集合がまったく同じ である。違うのはノルムだけだ。
。関数の値をどこでも同時に押さえるので、極限も連続になり空間の中に留まる。完備
。細い区間での大きなずれを平均で薄めてしまうので、極限が連続性を失う。完備でない
無限次元では、ノルムの取り替えが空間の性質を大きく変える。有限次元ならすべてのノルムが同値で完備性も一致するが、無限次元ではこの保証がない。
を ノルムで完備化すると が得られる。空いていた場所に、連続でない可積分関数が入ってくる。
例: 有限台の数列
有限個の成分だけが でない数列全体を と書く。これに ノルムを入れると完備にならない。
は に属する。第 項までで打ち切った は に属し、 となる。
打ち切り列は Cauchy 列だが、極限 は無限個の成分が でないので に入らない。 は の中で閉でないのである。
例: 多項式全体
上の多項式関数全体に一様ノルムを入れた空間も完備でない。
Weierstrass の近似定理により、多項式全体は で稠密である。一方で多項式でない連続関数はいくらでもあるので、多項式全体は の真の稠密部分集合になる。
稠密で真の部分集合なら閉でない。閉でなければ完備でない。たとえば に一様収束する多項式列は Cauchy 列だが、極限は多項式でない。
この空間の完備化が そのものになる。
例: 数列空間と関数空間
代表的な完備空間を挙げておく。
は完備な内積空間なので Hilbert 空間である。Fourier 級数の理論はこの完備性の上に成り立っている。
の完備性を示すには、可測関数の極限を扱う道具が要る。 の場合より格段に手数がかかる。
同相でも完備性は違う
ここから完備性が位相の性質でないことを確かめる。 と は同相である。
写像 が から への同相写像を与える。連続な全単射で、逆写像も連続だ。
<svg viewBox="0 0 700 262" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="max-width:100%;height:auto;display:block;margin:0 auto"><defs><marker id="cm-gray" viewBox="0 0 10 10" refX="9" refY="5" markerWidth="7" markerHeight="7" orient="auto"><path d="M 0 0 L 10 5 L 0 10 z" fill="#8a8a8a"/></marker></defs><line x1="150" y1="70" x2="510" y2="70" stroke="#1f1f1f" stroke-width="1.5"/><circle cx="150" cy="70" r="5" fill="#ffffff" stroke="#1f1f1f" stroke-width="1.5"/><circle cx="510" cy="70" r="5" fill="#ffffff" stroke="#1f1f1f" stroke-width="1.5"/><circle cx="330" cy="70" r="3.5" fill="#1b81e0"/><circle cx="420" cy="70" r="3.5" fill="#1b81e0"/><circle cx="465" cy="70" r="3.5" fill="#1b81e0"/><circle cx="488" cy="70" r="3.5" fill="#1b81e0"/><circle cx="499" cy="70" r="3" fill="#1b81e0"/><text x="150" y="54" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="middle">0</text><text x="510" y="54" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="middle">1</text><text x="546" y="74" font-size="13" fill="#1f1f1f">(0, 1)</text><text x="330" y="98" font-size="12" fill="#1b81e0">x_n = 1 - 1/n は Cauchy 列。行き先の 1 が空間にない</text><line x1="90" y1="190" x2="630" y2="190" stroke="#1f1f1f" stroke-width="1.5"/><circle cx="330" cy="190" r="3.5" fill="#1b81e0"/><circle cx="430" cy="190" r="3.5" fill="#1b81e0"/><circle cx="520" cy="190" r="3.5" fill="#1b81e0"/><circle cx="600" cy="190" r="3.5" fill="#1b81e0"/><text x="646" y="194" font-size="13" fill="#1f1f1f">R</text><line x1="330" y1="112" x2="330" y2="180" stroke="#8a8a8a" stroke-dasharray="4 4" marker-end="url(#cm-gray)"/><line x1="420" y1="112" x2="428" y2="180" stroke="#8a8a8a" stroke-dasharray="4 4" marker-end="url(#cm-gray)"/><line x1="465" y1="112" x2="516" y2="180" stroke="#8a8a8a" stroke-dasharray="4 4" marker-end="url(#cm-gray)"/><line x1="488" y1="112" x2="596" y2="180" stroke="#8a8a8a" stroke-dasharray="4 4" marker-end="url(#cm-gray)"/><text x="330" y="222" font-size="12" fill="#1b81e0">像は無限に遠ざかり、Cauchy 列ですらない</text><text x="120" y="152" font-size="12" fill="#8a8a8a">同相写像</text></svg>は で Cauchy 列だが収束しない。ところが像 は へ発散し、 では Cauchy 列ですらない。
同相写像は Cauchy 列を Cauchy 列に写すとは限らない。完備性が同相で保たれない理由はここにある。
実数直線に別の距離を入れる
同じことを の上だけで起こしてみる。 と定める。
は から への同相写像なので、 が定める位相は通常のものと一致する。開集合の族はまったく同じである。
ところが は完備でない。 を取ると なので は について Cauchy 列だが、 のどの点にも収束しない。
台となる集合も位相も変えず、距離だけを取り替えて完備性を壊した。完備性が距離の性質だという主張の、もっとも直接的な確認になる。
完備距離化可能という性質
逆向きの操作もできる。 に、通常の位相を与える完備な距離を入れられる。
前々節の同相写像 を使い、 と定めればよい。 の完備性がそのまま移り、 は について完備になる。
つまり「完備である」は距離ごとの性質だが、「完備な距離を入れられる」は位相の性質になる。後者を完備距離化可能という。
Alexandroff の定理によれば、完備距離空間の部分集合が完備距離化可能であることと 集合であることは同値である。 は開集合なので であり、条件を満たす。
に通常の距離を入れた空間について、正しいものはどれか。
- 完備であり、完備距離化可能でもある
- 通常の距離では完備でないが、完備な距離を入れ直すことはできる
- 完備でなく、どんな距離を入れても完備にできない
- 有界なので完備である
縮小写像の原理
完備性がもっともよく使われるのは、不動点の存在を示す場面である。
を空でない完備距離空間、 を ()を満たす写像とする。このとき は不動点をただ 1 つ持つ。
任意の から と定めると となり、等比級数の収束から は Cauchy 列。完備性で極限が存在し、 の連続性からそれが不動点になる。
完備性を落とすと結論は崩れる。 と を取ると、 は縮小写像だが不動点 は の外にある。
存在を保証しているのは完備性であり、一意性を保証しているのは縮小の条件である。役割が分かれている点を押さえておくとよい。
例: cos の反復
具体例で見る。 を の上で考える。
は で減少するので、像は となり に収まる。平均値の定理から である。
なので縮小写像であり、 は完備だから不動点がただ 1 つ存在する。
<svg viewBox="0 0 700 300" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg" style="max-width:100%;height:auto;display:block;margin:0 auto"><line x1="100" y1="250" x2="570" y2="250" stroke="#1f1f1f" stroke-width="1"/><line x1="120" y1="30" x2="120" y2="272" stroke="#1f1f1f" stroke-width="1"/><line x1="120" y1="250" x2="520" y2="50" stroke="#8a8a8a" stroke-width="1"/><path d="M 120 50 L 160 51 L 200 54 L 240 58.9 L 280 65.8 L 320 74.5 L 360 84.9 L 400 97 L 440 110.7 L 480 125.7 L 520 141.9" fill="none" stroke="#1f1f1f" stroke-width="1.5"/><path d="M 180 250 L 180 52.2 L 515.5 52.2 L 515.5 140.1 L 339.9 140.1 L 339.9 79.5 L 461.1 79.5 L 461.1 118.4 L 383.2 118.4 L 383.2 91.8 L 436.5 91.8 L 436.5 109.4 L 401.2 109.4 L 401.2 97.4 L 425.2 97.4" fill="none" stroke="#1b81e0" stroke-width="1.2"/><circle cx="415.6" cy="102.2" r="4.5" fill="#1b81e0"/><text x="540" y="46" font-size="12" fill="#8a8a8a">y = x</text><text x="536" y="146" font-size="12" fill="#1f1f1f">y = cos x</text><text x="428" y="122" font-size="12" fill="#1b81e0">不動点 x* ≒ 0.739</text><text x="180" y="270" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="middle">x_0</text><text x="112" y="270" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="end">0</text><text x="340" y="290" font-size="12" fill="#8a8a8a" text-anchor="middle">反復するほど y = x に巻きつき、1 点に収束する</text></svg>図のクモの巣は から始めた反復である。 と のあいだを往復しながら、交点へ巻きついていく。
電卓で を押し続けると に落ち着く、という現象がこれである。縮小写像の原理が、そのまま計算手続きになっている。
応用: 微分方程式の解の存在
初期値問題 , を積分形に直すと次のようになる。
右辺を に対応させる作用素 を考えると、解を求めることは の不動点を求めることに等しい。
が についてリプシッツ連続なら、 の十分近くで は縮小写像になる。連続関数の空間が一様ノルムで完備なので、縮小写像の原理から不動点がただ 1 つ存在する。
これが Picard–Lindelöf の定理である。解の存在と一意性が、完備性と縮小性の 2 つだけから出ている。
応用: Baire のカテゴリー定理
完備距離空間では、稠密開集合の可算個の共通部分がふたたび稠密になる。これを Baire のカテゴリー定理という。
言い換えると、完備距離空間はいたるところ疎な集合の可算和では覆えない。空間が「薄い部分の寄せ集め」にはならない、という主張である。
関数解析の基本定理である一様有界性原理、開写像定理、閉グラフ定理は、いずれもこの定理を経由して証明される。完備性を仮定する理由がここにある。
では成り立たない。 は 1 点集合の可算和であり、各点はいたるところ疎だからである。完備でない空間では結論が崩れる。
全有界性とコンパクト性
完備性はコンパクト性の半分にあたる。距離空間について次が成り立つ。
がコンパクト
が点列コンパクト
が完備かつ全有界
全有界とは、任意の に対して有限個の半径 の球で覆えることをいう。有界より強い条件である。
は完備だが全有界でないのでコンパクトでない。 は全有界だが完備でないのでコンパクトでない。両方そろって初めてコンパクトになる。
で「有界閉集合ならコンパクト」が成り立つのは、そこで有界と全有界が一致するからである。無限次元ではこの一致が崩れる。
完備化とは何か
任意の距離空間 に対して、完備な距離空間 と等長な埋め込み が存在し、 が で稠密になるようにできる。この を の完備化という。
穴の空いている場所に点を足す操作である。足しすぎないという条件が、像が稠密であるという要求にあたる。
の完備化が であり、 ノルムを入れた の完備化が 、一様ノルムを入れた多項式全体の完備化が である。
完備化の構成
構成は Cauchy 列そのものを点とみなすやり方が標準的である。
の Cauchy 列全体に、 のとき という同値関係を入れる。同じ場所を指している列を同一視する、という意味になる。
同値類の集合に で距離を定める。この極限は の完備性から存在し、代表元の取り方によらない。
の点 を定数列の類に対応させると等長な埋め込みが得られ、像は稠密になる。Cantor による実数の構成は、 としたこの手続きそのものである。
完備化の一意性
完備化は等長同型を除いて一意に定まる。「同型」ではなく「等長同型」である点が大事だ。
と がともに の完備化なら、 上で恒等写像となる等長全単射 がただ 1 つ存在する。稠密な部分での一致が全体へ延びるからである。
距離を保つ写像に限っている理由は、完備性が距離の性質だという事実に戻る。位相同型まで緩めると、一意性は言えなくなる。
例: 有理数の別の完備化
の完備化は だけではない。距離を変えれば別の完備化が得られる。
素数 を固定し、 でない有理数 を ( は で割れない)と書いて と定める。 で多く割れるほど小さい、という測り方である。
この p 進絶対値から定まる距離で を完備化したものが p 進数体 になる。
| 通常の絶対値 | 完備化は |
| p 進絶対値 | 完備化は |
| 自明な絶対値 | 完備化は 自身 |
同じ集合 から、距離の選び方だけで互いにまったく異なる空間が生まれる。完備性が距離に依存するという主張の、もっとも劇的な現れ方である。
Ostrowski の定理
の完備化がこれで尽きることも分かっている。
Ostrowski の定理によれば、 上の自明でない絶対値は、通常の絶対値か、ある素数 の p 進絶対値のいずれかと同値である。1916 年に示された。
したがって の完備化は と、各素数に対する で全部になる。有理数から作れる完備な数体系が、この形に分類されるということである。
数論では と全部の を同時に扱う。局所大域原理やアデールの理論は、完備化を並べて眺める立場から生まれている。












xn=1/n が Cauchy 列で収束しないため、通常の距離では完備でない。一方 R と同相なので、同相写像で距離を移せば完備になる。有界性と完備性は無関係である。