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
を 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
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。 が の有限個で覆えるような を全部集めて、 とおく。
は明らか。 は で上に有界なので、上限 があります。この が 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 を 枚足せば が覆える。
次に で 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 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]。
は 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。

各 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 が 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
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。
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
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
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
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。
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。
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。
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
よくある誤り
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。










離散距離ではどの部分集合も閉で有界です。1 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。