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一様連続と一様空間のくわしい例

距離空間における一様連続の概念を一般化するのが一様空間です。一様空間では距離なしに「一様な近さ」を定義できます。

連続と一様連続の違い

まず距離空間で連続と一様連続の違いを確認します。

関数 が点 で連続であるとは、任意の に対して が存在し、 ならば となることです。ここで は点 と に依存します。

が一様連続であるとは、任意の に対して が存在し、任意の で ならば となることです。 が点の選び方に依存しない点が本質的な違いです。

一様連続の例

は 上で一様連続です。 ならば なので、 と取れば任意の で成り立ちます。

も 上で一様連続です。平均値の定理から が成り立つので、 で十分です。

閉区間 上の連続関数は一様連続です(Heineの定理)。コンパクト集合上では連続と一様連続が一致します。

一様連続でない例

は 上で連続ですが一様連続ではありません。

を固定します。任意の に対して、, と取ると ですが

となり、一様連続の条件を満たしません。 が大きいところでは傾きが急になるため、一様な が取れないのです。

は 上で連続ですが一様連続ではありません。 で傾きが無限大に発散するためです。

一様空間の動機

一様連続の定義は距離を用いていますが、「任意の2点が十分近ければ像も近い」という構造は距離なしでも定式化できます。

距離空間では という の部分集合が「-近い点の対」を表します。一様空間ではこのような集合を抽象化して近縁(entourage)と呼びます。

一様空間の定義

集合 上の一様構造(uniform structure)は、対角集合 を含む の部分集合族 (近縁系)で、次の条件を満たすものです。

かつ ならば (上方閉)
ならば (有限交叉で閉じる)
ならば (対称性)
ならば となる が存在する(細分可能)

4番目の条件で は関係の合成です。

距離空間の一様構造

距離空間 には自然な一様構造が定まります。

を基本近縁とし、これらを含む集合全体を近縁系とします。

条件の確認をすると、1と2は明らかです。3は から従います。4は (三角不等式)から従います。

一様構造の例:離散一様構造

任意の集合 に離散一様構造を入れられます。対角集合 を含むすべての集合を近縁とします。

自身が近縁なので、 すなわち のときのみ「近い」とみなす最も細かい一様構造です。

一様構造の例:有界距離

距離空間 に対して も距離となります。 と は同じ位相を定めますが、一様構造は異なる場合があります。

ただし、 が有界のとき(または を用いるとき)は一様構造も一致します。

一様空間から位相空間へ

一様空間 には自然に位相が定まります。近縁 と点 に対して

を の -近傍と呼びます。 を の近傍基として位相を定義します。

距離空間の場合、(開球)となり、通常の距離位相が得られます。

一様連続写像の一般化

一様空間 から への写像 が一様連続であるとは、任意の に対して

が成り立つことをいいます。

距離空間の場合に戻って確認すると、これは「任意の に対してある が存在し、 ならば 」と同値です。

コンパクト空間上の一様連続性

コンパクト空間から一様空間への連続写像は一様連続です。

これは Heine の定理(コンパクト集合上の連続関数は一様連続)の一般化であり、一様空間の枠組みで自然に証明できます。

一様空間の完備化

距離空間の完備化と同様に、一様空間にも完備化の概念があります。

Cauchy フィルター(任意の近縁を元として含むフィルター)を用いて定式化します。すべての Cauchy フィルターが収束する一様空間を完備といい、任意の一様空間は完備な一様空間に稠密に埋め込めます。

一様空間が有用な場面

一様空間は次のような状況で距離空間より柔軟です。

位相群:群演算と両立する自然な一様構造を持つが、距離化可能とは限らない
関数空間:各点収束の位相は距離化できないことがあるが、一様構造は自然に定まる
完備化の理論:距離に依存しない形で完備性を議論できる

特に位相群論では、左一様構造と右一様構造という2つの自然な一様構造があり、これらが一致するかどうかが理論上重要になります。