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English

近づいているのに行き先がない、完備性とコーシー列

距離空間 の点列 がコーシー列であるとは、先へ進むほど項どうしが近づくことをいいます[1]

定義に極限が出てこない点が大事です。「どこへ向かうか」を持ち出さずに、「たがいに寄り集まっているか」だけを見ている。

ノルム空間なら と読み替えます。差のノルムが小さくなる、という形。

収束すればコーシー、逆は空間による

収束列は必ずコーシー列になります。極限 を経由して三角不等式を使うだけ。

逆は成り立つとは限りません。項どうしが寄り集まっていても、寄り集まった先の点が空間になければ収束できない[3]

この逆がいつでも成り立つ空間を完備といいます[2]。「すき間がない」と言い換えられる性質です。

例:有理数には穴があいている

が完備でないことを、いちばん短い例で見ます。 の小数展開を切り詰めた列をとる[1]

なら差が 以下なので、コーシー列です。ところが極限 は有理数ではありません。

漸化式で書く作り方もあります[3] とすると、有理数のまま へ近づく。

例:開区間にも穴がある

に通常の距離を入れます。 はコーシー列ですが、極限 が区間に属しません[2]

端の 1 点を欠いただけで完備性が壊れる。 に替えると完備になります。

例:関数の空間でも起きる

穴のあき方は数直線に限りません。 上の連続関数の全体に を入れると、完備になりません[4]

真ん中で から へ立ち上がる連続関数を、傾きを急にしながら並べます。差のノルムは重なっていない部分の面積で、いくらでも小さくなる。

極限は階段関数で、連続ではありません。同じ集合でも、入れるノルムを に替えると完備になります[4]

もうひとつの例が、有限個しか でない数列の全体 です[4] ノルムを入れると、 に迫る列がコーシーなのに、極限が の外へ出ます。

完備な例

に sup ノルム、。有限次元ならノルムによらず完備

完備でない例

、開区間 ノルム、 ノルム

完備な空間の部分集合は、閉なら完備

完備な空間 の部分集合 について、 が完備であることと が閉であることは同値です[1]

閉なら完備なのは、 のコーシー列が で収束し、その極限が閉集合の性質から に入るから。逆は、 の点に収束する列を持ってくれば分かります。

この事実があるので、完備性の確認が閉集合の確認に化けます。 が完備で が完備でないのも、閉かどうかの違い。

が完備であることを知っている

が閉であることを確かめる

も完備だと分かる

完備性は位相の性質ではない

見落としやすいところです。同相な 2 つの空間で、片方が完備でもう片方が完備でない、ということが起きます[3]

と開区間 で同相です。ところが は完備、 は完備でない。

完備性が距離に依存する性質だからです[2]。位相だけを見ていては判定できません。

完備化という直し方

完備でない空間は、あとから穴を埋められます[2] を稠密な部分集合として含む完備な空間 が、等長を除いてただひとつ定まる。

作り方はコーシー列の同値類です。距離が に近づく 2 つのコーシー列を同じものと見なし、その類を新しい点とする。 を完備化すると になります。

普遍性の形でも書けます[3] から完備な空間 への一様連続写像は、 上の一様連続写像へただひとつ延びる。

ノルム空間を完備化するとバナッハ空間になります。 ノルムで完備化すると 、これが測度論を経由して得られる空間と一致する。

完備化してから使う

穴を埋めた空間で議論する。 空間はこの立場で作られている

最初から完備な空間を選ぶ

に sup ノルム、 など。関数解析はこちらを舞台にすることが多い

完備性から出てくる 2 つの定理

完備性は、それ自体が結論を生む条件でもあります。

ベールのカテゴリー定理がそのひとつ。完備距離空間は、可算個の疎な集合の合併では覆えません[1]。一様有界性原理や開写像定理は、この定理の上に立っています。

もうひとつが縮小写像の不動点定理です[3]。完備な空間の上の縮小写像には、不動点がただひとつ存在する。微分方程式の解の存在は、この形で示されます。

どちらも完備性を外すと成り立たない。「すき間がない」という条件が、存在を言うための足場になっています。

と開区間 について正しいものはどれですか。

  • 同相なので、どちらも完備
  • 同相だが、完備なのは だけ
  • 同相でないので、比べられない
__RESULT__

が同相写像を与えます。それでも では がコーシー列なのに極限が外にある。完備性は距離に依存する性質です。

よくある誤り

コーシー列の定義に極限を持ち込む。項どうしの距離だけで書かれています。
コーシー列なら必ず収束すると思う。収束するのは完備な空間の中でだけです。
完備性を位相の性質だと思う。同相でも完備性が食い違う例があります。
が完備でない理由を「無限小数だから」と説明する。極限が空間の外にあることが理由です。
完備な空間の部分集合はすべて完備だと思う。閉であることが要ります。
関数空間の完備性がノルムによらないと思う。 は sup ノルムで完備、 ノルムで完備でありません。
完備化すると元の空間が消えると思う。稠密な部分集合として残ります。

参考文献

Complete metric space. Wikipedia(英語).
Vollständiger Raum. Wikipedia(ドイツ語).
Espace complet. Wikipédia(フランス語).
J. K. Hunter, B. Nachtergaele. *Applied Analysis*, Chapter 5: Banach Spaces. University of California at Davis.
項どうしがいくらでも近づく。コーシー列の条件はそれだけで、定義に極限は出てきません。$\sqrt{2}$ に迫る有理数列、端を欠いた開区間、$L^1$ ノルムを入れた連続関数の空間で穴があく様子を並べ、部分集合が完備であることと閉であることが同値になるところまで見ます。$\mathbb{R}$ と $(-1, 1)$ は同相なのに完備性が食い違う、という距離依存の性質。完備化の作り方と、ベールと不動点定理への効き方まで。