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第一可算公理と第二可算公理〜近傍の列と基底で位相の大きさを測る

では、点 が の閉包に入ることと、 の点列が に収束することが同値になります。一般の位相空間では、この同値が崩れる[4]。

崩れない空間を切り分ける条件が第一可算公理です。もう つ、空間全体の大きさを測る第二可算公理があり、こちらのほうが強い[2]。

局所基底

点 における局所基底とは、 を含む開集合の族 で、次をみたすものです[4]。

どの も を含む。
を含むどの開集合 にも、 となる がある。

のまわりの開集合を全部調べる代わりに、 の中だけ調べればよくなる。近傍のふるまいを、少数の代表で言いかえる仕組みです。

なら が局所基底になります。もっと絞れる。

こちらは可算個しかありません。どんな開区間が来ても、 を大きくすれば中に入る。

第一可算公理

どの点にも可算な局所基底があるとき、その空間は第一可算だといいます[1,4]。

距離空間はすべて第一可算です。半径 の球を並べれば足りる。

ゾルゲンフライ直線も第一可算になります。 の局所基底として をとればよい[4]。

離散空間も第一可算。 が開なので、 の 個で済みます。

局所基底は入れ子にとれる

可算な局所基底があれば、だんだん小さくなるものにとりかえられます[4]。

に対して とおく。有限交叉なので開集合で、 となります。

入れ子にしておくと、点列を作るときに便利です。 から点を つずつ拾えば、自動的に へ近づく。

点列で閉包が分かる

第一可算な空間では、 であることと、 の点列で に収束するものがあることが同値になります[1,4]。

証明の向きは片方だけが問題になります。 から点列を作るところ。

入れ子の局所基底 をとり、各 から の点 を拾う。 が閉包にいるので、どの も と交わります。

作った点列は に収束します。逆向きは第一可算でなくても成り立つ。

例:点列では足りない空間

に補可算位相を入れます。補集合が可算な集合と空集合を開集合とする位相です[4]。

この位相で収束する点列は、最終的に定数になるものだけ。定数でない値を無限個とる点列は、それらを除いた補可算開集合に引っかかります。

とすると、 です。 を含むどの開集合も補可算なので、 の点をふくむ。

ところが の点列で に収束するものはありません。点列だけでは閉包を捉えきれない、という実例です。

この空間は第一可算ではない。同じことが、非可算集合の補有限位相でも起こります[4]。

極限が 1 つならハウスドルフ

ハウスドルフ空間では収束先が 点に決まります。逆は一般には成り立たない。

補可算位相がその反例です。収束する点列の極限は つなのに、空でない開集合が必ず交わるのでハウスドルフになりません[4]。

第一可算を足すと逆が通ります。第一可算で極限がいつも つなら、その空間はハウスドルフ[4]。

証明は対偶で進みます。分離できない 点 があるとき、入れ子の局所基底から の点を拾えば、 と の両方に収束する点列ができる。

第二可算公理

空間全体に可算な基底があるとき、その空間は第二可算だといいます[2]。

局所基底が点ごとの条件だったのに対して、こちらは空間全体の条件です。 つの可算族で、すべての開集合を和として書けることを要求する。

が典型例。中心が有理点、半径が有理数の開球を全部集めれば可算個で、これが基底になります[2]。

半径と中心をどちらも有理数に絞っても、基底としての働きは落ちません。可算個で足りる。それがここでの主張になります。

第二可算から出るもの

第二可算な空間は、いくつかの性質を自動的に持ちます[2,3]。

第二可算

第一可算・可分・リンデレフ

どれも逆向きには戻らない

第一可算になるのは、可算基底のうち を含むものだけ集めれば局所基底になるためです。可分になるのは、各基本開集合から点を つずつ拾えば可算稠密集合ができるため。

リンデレフになるのは、開被覆から基本開集合を経由して可算部分被覆を作れるためです。

例:非可算離散空間

非可算集合 に離散位相を入れます。第一可算なのは先に見たとおり[2]。

第二可算ではありません。基底はどれも、すべての 点集合をふくむ必要がある。 が非可算なので、基底も非可算になります。

可分でもない。稠密部分集合は 自身しかないためです。

第一可算から第二可算へは戻れない、という反例になります。

例:ゾルゲンフライ直線

に の形の区間を基底として入れた空間です[3]。下限位相とも呼ばれます。

第一可算で、可分で、リンデレフ。それでも第二可算ではありません[2]。

可算基底 があったとすると、各 について となる がとれる。 の最小元は なので、 は単射です。

が非可算なので、 も非可算でなければならない。矛盾します。

空間第一可算第二可算
はいはい
非可算離散空間はいいいえ
ゾルゲンフライ直線はいいいえ
非可算集合の補有限位相いいえいいえ

遺伝と積

どちらの公理も部分空間へ遺伝します[1,2]。基底や局所基底を交わりで制限すれば、可算性はそのまま残る。

可算個の積でも保たれます。座標ごとの可算基底から、有限個の座標だけを制限した箱を作れば可算個で足りる。

非可算個の積では壊れる。非可算個の座標に非自明な位相が乗ると、基本開集合の族が非可算になります。

可分性が第二可算ほど素直でないのは、この積の場面です。可分性は連続体濃度個までの積で保たれ、第二可算より粘り強い。

距離空間では 3 つが一致する

一般には別々だった つが、距離空間では同値になります[2,3]。

一般の位相空間

第二可算 可分、第二可算 リンデレフ。逆はどちらも成り立たない

距離空間

第二可算、可分、リンデレフの つが同値。 つ示せば残りも出る

可分な距離空間から可算基底を作る手順は短い。可算稠密集合 をとり、中心が 、半径が有理数の球を全部集めれば基底になります。

ゾルゲンフライ直線が可分なのに第二可算でないのは、距離化できない空間だからです。

ウリゾーンの距離化定理

第二可算で正則なハウスドルフ空間は距離化可能です[2]。

第二可算がかなり強い条件だと分かります。分離公理を少し足すだけで、距離が入ってしまう。

逆は成り立ちません。非可算離散空間は距離化可能ですが、第二可算ではない。距離化可能で第二可算な空間は、可分な距離空間と同じものになります。

つの公理はハウスドルフが 年に導入しました[3]。位相空間の定義と同じ論文に、可算性の条件が並んで置かれています。

当時の定義は近傍系から出発する形で、局所基底の可算性は最初から前提の つだった。

例:長い直線

順序数 を使って作る長い直線は、第一可算でありながら第二可算ではありません[2]。

各点のまわりは とそっくりで、局所的には可算な近傍列がとれる。ところが全体が長すぎて、可算基底が届きません。

局所の条件と大域の条件が、はっきり分かれる例になります。

可算な稠密部分集合を持つ空間のうち、第二可算でないものはどれですか。

  • ゾルゲンフライ直線
  • 可算離散空間
__RESULT__

ゾルゲンフライ直線は有理数が稠密なので可分ですが、可算基底を持ちません。 は可算基底があり、可算離散空間は 点集合が可算個しかないので第二可算です。

よくある誤り

第一可算と第二可算を同じ条件だと思う。前者は点ごと、後者は空間全体の条件です。
点列で閉包が決まると考える。補可算位相では、閉包の点へ収束する点列がありません。
可分なら第二可算だと思う。ゾルゲンフライ直線が反例です。
距離空間での経験を一般の空間へ持ちこむ。 つが一致するのは距離空間にかぎります。
離散空間はいつも第二可算だと考える。台集合が非可算なら成り立ちません。
第二可算が積で必ず保たれると思う。可算個の積までです。
ウリゾーンの定理の逆が成り立つと思う。距離化可能でも第二可算とはかぎりません。

第一可算は点列を使えるようにする条件、第二可算は空間そのものを小さく抑える条件。どちらの話をしているかを分けておくと、反例の位置がすぐ見えます。

参考文献

[1] が第一可算の定義と点列による特徴づけ、[2] が第二可算からの含意・反例・距離化定理、[3] がハウスドルフによる導入とゾルゲンフライ直線の位置づけ、[4] が局所基底の扱いと補可算位相の詳しい反例です。

First-countable space. Wikipedia(英語).
Second-countable space. Wikipedia(英語).
Abzählbarkeitsaxiom. Wikipedia(ドイツ語).
Ivan Khatchatourian. *5. Sequences, weak T-axioms, and first countability*. MAT327 Introduction to Topology, University of Toronto, 2018.
$\mathbb{R}$ では点列が閉包を言い当てますが、補可算位相では $7$ が閉包にいるのに収束する点列がありません。この差を埋めるのが第一可算公理。各点に可算な局所基底があれば、点列だけで閉包も連続性も追えます。第二可算公理は空間全体に可算基底を要求する強い条件で、第一可算・可分・リンデレフがまとめて出る。ゾルゲンフライ直線は可分でも第二可算ではありません。距離空間なら $3$ つが同値になる理由と、ウリゾーンの距離化定理まで見ました。