距離空間の完備化の一意性

距離空間の完備化は「本質的に一意」です。ここでは一意性の正確な意味と、完備化の一意性の証明を解説します。

一意性とは何か

数学で「一意」という言葉は文脈によって異なる意味を持ちます。

最も素朴な一意性は「ただ一つ存在する」という意味です。例えば「方程式 , の解は一意」とは、正の解が のただ一つであることを意味します。

しかし、構成によって定まる対象の一意性は、通常「同型を除いて一意」という意味になります。

同型を除いて一意

「同型を除いて一意」とは、条件を満たす対象が複数構成できても、それらがすべて同型であることを意味します。

例えば、実数の完備性を満たす順序体は のみですが、 の具体的な構成法は複数あります。

Dedekind 切断による構成
Cauchy 列の同値類による構成
区間縮小列による構成

これらはすべて同型な順序体を与えるので、「実数体は同型を除いて一意」といいます。

普遍性による一意性

より強い一意性の概念として、普遍性(universal property)による特徴づけがあります。

対象 が普遍性を満たすとき、同じ普遍性を満たす任意の対象 に対して、 の間に標準的な同型が存在します。この同型は構成に依存せず自然に定まります。

完備化の定義

距離空間 の完備化とは、完備距離空間 と等長埋め込み の組で、 で稠密となるものです。

等長埋め込みとは、任意の に対して を満たす写像です。

完備化の存在

完備化の存在は Cauchy 列の同値類として構成できます。

上の Cauchy 列全体を とし、 で同値関係を定めます。 とし、

で距離を定めます。(定値列)で埋め込みを定義します。

完備化の普遍性

完備化は次の普遍性を満たします。

の完備化とする。任意の完備距離空間 と任意の一様連続写像 に対して、一様連続写像 を満たすものが一意に存在する。

図式で書くと、

となり、 を経由して一意に拡張されます。

一意性の証明

完備化が同型を除いて一意であることを示します。

の完備化とします。

は等長写像なので一様連続です。 は完備なので、普遍性により を満たすものが存在します。

同様に を満たすものが存在します。

合成 を考えると、

となります。 で稠密であり、一様連続写像の拡張の一意性から です。

同様に なので、 は互いに逆写像であり、 です。

等長同型としての一意性

上の証明をより詳しく見ると、 は等長写像です。

が等長であることと、稠密部分集合上で距離が決まることから、 も等長となります。したがって、2つの完備化は等長同型です。

標準的同型の意味

一意性の証明で構成された同型 は、埋め込みと整合的です。すなわち、 の点は両方の完備化で「同じ場所」に対応します。

この同型は の稠密性と拡張の一意性から自動的に定まるので、「標準的」あるいは「自然」な同型と呼ばれます。構成の詳細に依存しない同型です。

他の完備化の例

有理数 の通常の距離による完備化は です。

進距離 による完備化は 進数体 です。異なる距離からは異なる完備化が得られます。

一意性が成り立たない場合

普遍性を満たさない構成では、一意性が成り立たないことがあります。

例えば、「 を含む完備距離空間」という条件だけでは一意になりません。 を含む完備距離空間として もありえます。「稠密に埋め込む」という条件が一意性に本質的です。

同型を除いて一意

条件を満たす対象がすべて同型。同型の取り方は一意でないかもしれない。

普遍性による一意

条件を満たす対象間に標準的な同型が存在。同型が自然に定まり、構成に依存しない。完備化、局所化、テンソル積などが典型例。