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English

ハイネ・ボレル、有界閉集合とコンパクトが一致する条件

では、コンパクトであることと、有界な閉集合であることが同値になります[1]。ハイネ・ボレルの定理です。

この同値は だけの話。距離空間を一般にとると、有界閉集合がコンパクトにならない例がいくらでも出てきます[3]

コンパクトの定義

位相空間 がコンパクトであるとは、どの開被覆にも有限部分被覆があることです[4]

開被覆とは、和が になる開集合の族。そこから有限個だけ選んでも、まだ を覆えるかどうかを問います。

有界とも閉とも書いていない点に注意が向きます。定義は覆いかたの話で、大きさの話ではありません。

例:有界でもコンパクトでない

の部分空間として見ます。有界ですが、コンパクトではない[4]

この族は の開被覆です。どの点 も、 となる をとれば覆われる。

有限個だけ選ぶと、 の最大値 で止まります。覆えるのは までで、左側が残る。

閉じていないことが効いています。 を足して にすると、この被覆はそもそも を覆えなくなる。

主張

について、次の つが同値です[1,2]

はコンパクトである。
は有界で、しかも閉集合である。

多変数の微分積分では、こちらの 番目をコンパクトの定義として習うことがあります。同値なので困りませんが、定義そのものではない。

にじり寄る証明

まず がコンパクトなことを示します[4]。左から少しずつ攻めていく証明です。

開被覆 をとります。 の有限個で覆えるような を全部集めて、 とおく。

は明らか。 で上に有界なので、上限 があります。この だと言えれば終わりです。

が言えます。 を含む をとると、 となる がある。

上限の定義から に点 があり、 は有限個で覆えます。そこへ 枚足せば が覆える。

次に なら、もっと右まで進めることを見ます。 を含む の中で少し右へ動いた点 をとれば、同じ有限個で が覆えます。

だとすると、 からさらに右の がとれてしまう。 が上限であることに反します。よって です。

コンパクトなら有界で閉

逆向きを つに分けます[4] がコンパクトだとする。

有界性は、 で覆えば出ます。有限個で足りるなら、最大の について です。

閉であることは、ハウスドルフ性から出ます。ハウスドルフ空間のコンパクト部分集合は、いつでも閉集合になる[4]

がハウスドルフなので、コンパクトな部分集合は閉。ここでハウスドルフを使っている点が、あとの反例につながります。

有界で閉ならコンパクト

が有界なら、ある です。

はコンパクト。閉集合を含む向きでは、コンパクト空間の閉部分集合はコンパクトになります[4]

の閉部分集合なので、コンパクトです。

高次元は二分法で

のコンパクト性は、立方体を割っていく方法で示せます[4]

有限部分被覆がないと仮定します。各辺を半分にして 個の小立方体に分けると、そのうち少なくとも つは有限個で覆えない。

その つをまた 個に割り、同じことを続けます。辺の長さが の入れ子の立方体列ができる。

から点を つずつとるとコーシー列になり、ある に収束します。 を覆う 枚あり、 を大きくすれば になる。

が有限個で覆えないという仮定に反します。 枚で覆えてしまうので。

系:最大値と最小値

コンパクト空間の上の連続な実数値関数は、有界で、最大値と最小値をとります[4]

上の連続関数についての最大値・最小値の定理が、この系にあたる。微分積分で習う定理の位相的な理由がここにあります。

距離空間では崩れる

同値が成り立つのは にかぎります[2,3]

無限集合に離散距離を入れると、どの部分集合も閉で有界です。ところがコンパクトなのは有限集合だけ[3] 点集合の被覆に有限部分被覆がありません。

の中で をとると、 の中では閉で有界です。それでもコンパクトではない。完備でないところに穴があります。

無限次元のノルム空間では、閉単位球がコンパクトになりません[2]。実数係数の多項式全体の空間が、その例として挙げられます。

の場合

有界かつ閉が、コンパクトと同値になる。次元が有限であることが効いている

一般の距離空間

有界かつ閉でも、コンパクトとはかぎらない。完備性と全有界性が別に要る

正しい一般化

距離空間では、コンパクト性は次と同値になります[1,3]

完備である

かつ全有界である

コンパクトになる

全有界とは、どの についても、半径 の球を有限個ならべれば覆いきれることです。有界より強い条件になります。

では、有界であることと全有界であることが一致します。だから「有界かつ閉」で足りる。閉であることが、完備な空間の中で完備性を保証します。

離散距離の空間は完備ですが全有界ではありません。 の閉区間は全有界ですが完備ではない。それぞれ片方だけを欠いています。

リースの定理

ノルム空間で閉単位球がコンパクトになるのは、有限次元のときにかぎります[2]

無限次元だと、互いの距離が 以上ある点列を無限にとれる。そこから収束する部分列は選べません。

有限次元でしか成り立たない、というハイネ・ボレルの限界が、この定理で言い切られています。

歴史

1852
ディリクレの講義

閉区間の開被覆から有限部分被覆をとる議論を、証明の中で暗黙に使っていた。公表は 年。

1872
ハイネの一様連続性

同じ手法が、閉区間上の連続関数が一様連続であることの証明に使われた。

1895
ボレルの定理

可算な被覆について、はじめて定理の形で述べた。同じ年にクザンが別の形で扱っている。

1898
ルベーグによる一般化

任意の被覆へ広げた。シェーンフリースが 年に整理し、現在の形になった。

ハイネ・ボレル性

有界閉集合がすべてコンパクトになる距離空間を、ハイネ・ボレル性を持つといいます[3]

はこの性質を持ちます。無限次元のバナッハ空間は、どれも持ちません。

性質に名前が付いているのは、成り立たない空間のほうが多いためです。

が特別なのは、有界性がそのまま全有界性になるからです。次元が有限だと、球を有限個の小さな球で埋められる。

次元が上がるほど必要な球の数は増えるが、有限であるかぎり止まる。無限次元では止まらない。

有界と全有界の距離が、そのまま定理の適用範囲になっています。

無限集合に離散距離を入れた空間で、コンパクトな部分集合はどれですか。

  • 有界な部分集合すべて
  • 有限な部分集合だけ
  • 閉集合すべて
__RESULT__

離散距離ではどの部分集合も閉で有界です。 点集合による被覆を考えると、有限部分被覆がとれるのは有限集合のときだけになります。

よくある誤り

コンパクトの定義を「有界かつ閉」だと思う。定義は開被覆のほうで、同値になるのは だけです。
どの距離空間でも同値が成り立つと考える。離散距離や で崩れます。
有界と全有界を同じ条件だと思う。一致するのは のような空間だけです。
閉であることを忘れる。 は有界でもコンパクトではありません。
無限次元でも閉単位球がコンパクトだと思う。リースの定理でそうならないと分かります。
部分集合が閉かどうかを、外側の空間を決めずに判定する。 の中と の中で答えが違います。

有界かつ閉、という覚え方はどこで通じるか。 の中だけ、と押さえておけば、距離空間へ進んだときに迷いません。

参考文献

[1] が定理の証明と距離空間への一般化、[2] が無限次元での反例とリースの定理、[3] が離散距離の反例とハイネ・ボレル性、[4] がにじり寄る証明と二分法による証明の詳細です。

Heine–Borel theorem. Wikipedia(英語).
Théorème de Borel-Lebesgue. Wikipédia(フランス語).
Satz von Heine-Borel. Wikipedia(ドイツ語).
Ivan Khatchatourian. *16. Compactness*. MAT327 Introduction to Topology, University of Toronto, 2018.
$(0,1)$ は有界なのにコンパクトではありません。$\left(\tfrac{1}{n}, 1\right)$ で覆うと、有限個ではどうしても左端が残る。$\mathbb{R}^n$ でだけ「有界かつ閉」がコンパクトと同値になります。$[0,1]$ のコンパクト性は、覆えた区間を右へにじり寄らせる証明で示せる。高次元は立方体を $2^n$ 個に割る二分法です。離散距離や $\mathbb{Q}$ では同値が崩れ、正しい一般化は完備かつ全有界。無限次元で閉単位球がコンパクトにならないリースの定理まで見ました。