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無限のかなたに点を 1 つ足す〜一点コンパクト化とリーマン球面

コンパクトでない空間に点を 1 つ足して、コンパクトにしてしまう。足した点の近傍を「コンパクト集合の外側」と決めるだけで話が終わります[2]。

実数直線に を 1 つ足すと円周になり、平面に足すと球面になる。無限のかなたを 1 点に集める操作です[3]。

コンパクト化とは何か

位相空間 のコンパクト化とは、コンパクト空間 と埋め込み の組で、 が で稠密になるものをいいます[3]。

稠密を要求するのは、余計な部分を足させないためです。これがないと に無関係なコンパクト空間をくっつけて終わりになる。

コンパクト化は一意ではありません。同じ に対していくつも作れます。その中でいちばん小さいものが一点コンパクト化です[3]。

足す点はたった 1 つ

とし、 の開集合を次の 2 種類と決めます[2]。

の開集合。
の形の集合。ここで は の閉じたコンパクト部分集合。

第 2 種が の近傍です。 を大きくとるほど の近傍は小さくなる。

この族が位相の 3 条件を満たすことは、コンパクト集合の有限和がコンパクト、閉部分集合がコンパクトという 2 つの事実から出ます[1]。

いつでもコンパクトになる

の開被覆 をとります。 を覆う元が 1 つ要るので、 の形のものが に入っています[2]。

残るのは を覆うぶんだけ。 はコンパクトなので有限個で足ります。合わせて有限部分被覆ができました。

がもともとコンパクトでも構成は動きます。ただしその場合 自身が開集合になり、 は と 1 点の直和にすぎません[2]。

ハウスドルフになる条件

がハウスドルフになるのは、 が局所コンパクトかつハウスドルフのときだけです[2]。

と を分けるには、 のまわりにコンパクトな近傍 が要ります。 の内部と が交わらない開集合になる。

局所コンパクトでないと、この が見つかりません。 ではどんな近傍もコンパクトにならないので、 はハウスドルフではない[3]。

例:実数直線が円周になる

は円周 と同相です[2]。立体射影の逆をたどると見えてきます。

円周から北極を除いた部分は直線と同相でした。だから直線に 1 点を足して北極の位置に置けば、円周が復元されます。

数直線を右へ進んでも左へ進んでも、円周の上では同じ北極へ近づく。両端が 1 点で貼り合わさります。

には と の 2 方向がありますが、足す点は 1 つだけ。2 点足して を作る別のコンパクト化もあり、そちらは円弧のほうにあたります。

例:平面と球面、そしてリーマン球面

の一点コンパクト化は 次元球面 です[3]。 なら平面が球面になる。

複素平面 に同じ操作をしたものをリーマン球面と呼びます。 が で へ、 で へ移る形に書けるようになります。

有理関数の極を扱うとき、極の位置を まで含めて一様に語れる。複素解析でこの空間が使われる理由がここにあります。

もとの空間一点コンパクト化
円周
球面
収束列とその極限

に離散位相を入れた空間を考えます。コンパクト集合は有限集合だけなので、 の近傍は補有限集合[3]。

できあがる空間は と同相です。数列とその極限がそのまま現れる。

最小のコンパクト化

が局所コンパクトハウスドルフなら、 はすべてのコンパクト化の中で最小です[3]。

の任意のコンパクト化 に対し、 上で恒等写像になる連続全射 がとれます。 で の外にある部分を、まとめて へ潰す写像です。

一点コンパクト化

足す点は 1 つ。いちばん小さいコンパクト化

ストーン・チェックのコンパクト化

足す部分は巨大。いちばん大きいコンパクト化

小さいほうは構成が短くて済み、大きいほうは連続関数の延長という強い性質を持ちます。目的に応じて使い分ける。

普遍性で書くとどうなるか

局所コンパクトハウスドルフ空間の圏で、一点コンパクト化は関手になります[2]。射は固有写像に限る必要がある。

直和は一点和へ、直積はスマッシュ積へ移ります。この性質が、安定ホモトピー論でトム空間などを扱う土台になっています[2]。

例:開区間の一点コンパクト化

は と同相なので、一点コンパクト化は円周です。両端 と が 1 点に集まる。

いっぽう の一点コンパクト化も円周になります。ただし貼り合わされるのは ではなく、開いた側の端だけ。

はすでにコンパクトなので、足した点が孤立します。円にはなりません。

の一点コンパクト化 について正しいのはどれですか。

  • コンパクトでもハウスドルフでもない
  • コンパクトだがハウスドルフではない
  • コンパクトかつハウスドルフである
__RESULT__

構成はどんな空間に対しても動くので、 はコンパクトです。ただし は局所コンパクトでないため、有理点と無限遠点を交わらない開集合で分けられません。ハウスドルフ性は局所コンパクトハウスドルフのときに限って成り立ちます。

足りないのは「遠く」だけだ、と割り切る。1 点を足すこの操作は、無限遠の扱いを位相の言葉に落とし込む最短の道になっています。

出典

Daniel Plaumann. *Topologie*. Skript zur Vorlesung, Universität Konstanz, Wintersemester 2014/15, §2.3.
One-point compactification. nLab.
Aleksandrov compactification. Encyclopedia of Mathematics.
足した点の近傍を「コンパクト集合の外側」と決める。それだけで、どんな空間もコンパクトになります。実数直線に 1 点を足すと円周、平面に足すと球面、複素平面ならリーマン球面。離散位相の自然数なら、収束列とその極限が現れる。ハウスドルフのまま済むのは、もとの空間が局所コンパクトハウスドルフのときだけです。有理数では点のまわりにコンパクトな近傍がとれず、無限遠点を引き離せません。すべてのコンパクト化の中で最小になること、固有写像に限れば関手になることも扱いました。