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English

ティーツェの拡張定理 - 閉集合の上の関数を空間全体へ延ばす

閉集合 の上でしか決まっていない連続関数を、空間全体へ連続なまま延ばす。正規空間ならそれができます[1]

しかも延ばした先で値の範囲を広げなくてよい。もとの関数が に収まっていれば、延長も に収まります[2]

定理の主張

を正規空間、 を閉集合とします。連続関数 に対し、連続関数 となるものが存在する[1]

は、 のどの点でも 2 つの関数の値が一致することを指します。

有界でない でも延長できます。値の上限と下限が保たれるという形で述べられることもある[2]

閉であることが効く

が閉でないと定理は崩れます。 をとってみる。

の上で連続ですが、 で発散します。 での値をどう決めても連続にはなりません。

が閉集合なら、 の外は開集合。延長したい先が開いた領域になり、そこで値を作る余地が生まれます。

証明の骨組み

値域を に正規化して考えます。 が連続だとする[1]

をとります。どちらも の閉集合で、 が閉なので でも閉。互いに素です。

ウリゾーンの補題から、 をとる連続関数 が作れます[3]

このとき の上で 。値域が 倍に縮みました。

誤差が 3 分の 2 ずつ縮む

同じ操作を に当てます。 回繰り返すと誤差は になる[1]

各段の 以下の大きさです。だから級数 は比較判定で一様収束する。

和が にちょうど収まるので、 の値域は を出ません[2]。連続関数の一様極限は連続なので、 も連続です。

の上では となり、 が出ます。

有界でない場合

と開区間 は同相です。 をこの同相で へ移し、有界版を当てる[2]

問題が 1 つ残ります。得られた延長 が、 の外で をとるかもしれない。そのままでは へ戻せません。

そこで をとります。これは と交わらない閉集合なので、ウリゾーンの補題で の上で の上で をとる関数 が作れる[3]

に置きかえると値が に収まり、 の上では変わりません。同相で戻せば非有界版の完成です。

を開区間へ移す

有界版の拡張定理を当てる

端の値をウリゾーン関数で押し込む

同相で へ戻す

正規性の言いかえになる

拡張ができることは、正規性と同じ強さです[2]

空間 で、どの閉集合 とどの連続関数 に対しても延長がとれるなら、 は正規になります。

互いに素な閉集合 をとり、 の上で を割り当てる関数を考える。 が閉で、この関数は連続。延長すればウリゾーン関数が手に入ります。

ウリゾーンの補題

閉集合 2 つを に分ける関数を作る

ティーツェの拡張定理

閉集合の上の任意の連続関数を延ばす。補題を無限回使う

補題は特別な形の関数を 1 つ作るだけ、拡張定理は与えられた関数をそのまま延ばす。強さの差はそこにあります。

例:区間の上の関数を延ばす

をとります。 は距離空間なので正規です。

延長のいちばん簡単な形は、外側を定数で埋めること。 と決めれば連続につながります。

延長は一意ではありません。 の外での作り方に自由度があるので、いくらでも別の延長が作れる。定理が主張するのは存在だけです。

例:延ばせない状況

正規でない空間では失敗します。拡張ができることが正規性と同値なので、正規でなければ延ばせない組が必ず存在する[2]

正規性を落とすと、閉集合を分ける関数さえ作れません。ウリゾーンの補題が使えないと、証明の第一歩が踏み出せない。

応用のいきさき

多様体の上で 1 の分割を作るとき、局所的に定めた関数を大域へ運ぶ道具として使われます。

微分幾何ではホイットニーの拡張定理という強い版があり、微分可能性まで込めて延長します。位相のほうの拡張定理は、その原型にあたる[1]

歴史のうえでは、ブラウワーとルベーグがユークリッド空間で示し、ティーツェが距離空間へ、ウリゾーンが一般の位相空間へ広げました[2]

とし、 と定めます。 全体へ連続に延ばせますか。

  • 延ばせる
  • が非有界なので延ばせない
  • が離散なので延ばせない
__RESULT__

の閉集合で、 は距離空間なので正規です。 の上のどんな関数も連続なので、拡張定理がそのまま使えます。非有界でも定理は成り立ちます。整数点のあいだを折れ線でつなぐだけでも、実際に 1 つ延長が作れます。

閉集合の上で決まっていれば、外側は正規性が引き受けてくれる。局所的な情報を大域へ持ち上げる型の議論が、この定理から始まります。

参考

Ivan Khatchatourian. *Urysohn's Lemma*. MAT327 Introduction to Topology, University of Toronto, 2018.
Urysohn–Brouwer lemma. Encyclopedia of Mathematics.
*Feuille d'exercices n°2*. Topologie, analyse et calcul différentiel, École Normale Supérieure, 2014.
正規空間なら、閉集合の上でしか決まっていない連続関数を空間全体へ延ばせます。しかも値の範囲は広がりません。証明はウリゾーンの補題を無限回。値域を 3 等分して真ん中に押し込むと誤差が $2/3$ 倍になり、$n$ 回で $(2/3)^n$。足し合わせた級数がちょうど $1$ に収まるので、値域もはみ出さない仕掛けです。定義域が閉でないと $1/x$ のように端で発散して失敗する。非有界な関数は開区間へ移してから戻し、拡張できること自体が正規性の言いかえになるところまで扱いました。