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English

「閉集合が尽きない」と言いかえる有限交叉性とコンパクト性

コンパクト性の定義は、開被覆から有限部分被覆をとる形で書かれます。これを補集合に置きかえると、閉集合だけの言葉になる[1]

有限個をとるかぎり交わりが空にならない閉集合の族は、全部集めても交わりが空にならない。これがコンパクト性の言いかえです。

有限交叉性

集合の族 が有限交叉性を持つとは、有限個をどう選んでも交わりが空でないことです[1,4]

全体の交わりが空でないことは要求しません。そこが要点です。

の部分集合 を考えます。有限個の交わりはいちばん大きい のぶんが残るので空でない。ところが全部の交わりは空です[4]

2 つずつでは足りない

有限交叉性は、 つずつの交わりだけでは決まりません[1]

つをとる。どの つも交わるのに、 つ全部の交わりは空です。

「有限個をどう選んでも」の「どう選んでも」が効いている。 個以上の組も全部見る必要があります。

コンパクト性の言いかえ

位相空間 について、次の つが同値です[1,4]

はコンパクトである。
有限交叉性を持つ閉集合の族は、全体の交わりも空でない。

証明は補集合をとるだけで済みます。 を閉集合の族とし、 とおく。

の全交わりが空であることと、 を覆うことは、ド・モルガンの法則で言いかえられます。

の有限交わりが空でないことと、 の有限部分族が を覆わないことも同じ関係です。

つまり「有限部分被覆がない開被覆」と「有限交叉性を持つが全交わりが空な閉集合族」は、たがいの補集合になっています。片方がなければ、もう片方もない。

例:カントールの区間縮小法

コンパクト空間で、空でない閉集合の減少列 をとります[1,3]

有限個を選べば、いちばん番号の大きいものがそのまま交わりになる。空でないので、有限交叉性を持ちます。

したがって全体の交わりも空ではありません。区間縮小法の定理が、この形で出ます。

が縮んでいく閉区間の列なら、共通点が必ず残る。実数の完備性から示す証明が普通ですが、コンパクト性からも同じ結論になります。

上段の閉区間はどれだけ縮んでも端点を持ったままで、まん中の点が残ります。下段の開区間は左端が入っていないので、縮みきると行き先がない。

閉集合が減っていく列をとる

有限個の交わりは、いちばん小さいものそのもの

コンパクトなら、全部の交わりも空でない

開いていると崩れる

同じ議論を開集合でやると失敗します。 は減少列で、どの有限個の交わりも空でない。

それでも全部の交わりは空です。 が入っていないので、どの点も残らない。

閉であることが効いている、と分かります。定理が閉集合について述べられているのは、この事情によります。

コンパクトでないと崩れる

をとります。どれも閉集合で、減少列。

有限個の交わりはいちばん大きい のぶんが残るので、空になりません。ところが全部の交わりは空です。

がコンパクトでないためです。有限交叉性を持つ閉集合族で、全交わりが空になるものが作れてしまう。

コンパクトな空間

有限交叉性を持てば、全体の交わりも空でない。閉集合が尽きない

コンパクトでない空間

有限交叉性を持ちながら、全体の交わりが空になる族がある

例:フレシェフィルター

無限集合 の補有限部分集合を全部集めたものを、フレシェフィルターといいます[1]

有限個の交わりは、有限個を除いた残りなので空になりません。有限交叉性を持ちます。

ところが全体の交わりは空です。どの点 も、 に入っていないので落ちます。

コンパクトでない空間の上で、有限交叉性が全体へ届かない典型例になります。

フィルターへ広げる

有限交叉性を持つ族は、フィルターの土台になります[4]

有限交わりを全部足し、それを含む集合も足すと、フィルターができる。空集合が入らないのは、有限交叉性のおかげです。

さらにツォルンの補題を使えば、極大なフィルターに広げられます。これを超フィルターと呼ぶ。

超フィルターを使うと、コンパクト性がもう 度言いかえられます。どの超フィルターも収束するとき、そしてそのときにかぎりコンパクト[4]

チホノフの定理への道

超フィルターによる特徴づけは、チホノフの定理の証明で効きます[4]

積空間の超フィルターを各座標へ落とすと、そこでも超フィルターになる。成分がコンパクトなら、それぞれ収束先を持ちます。

座標ごとの収束先を集めた点へ、もとの超フィルターが収束する。積がコンパクトだと言えました。

被覆を直接あつかう証明より、はるかに短い。有限交叉性から始まる道具立てが、ここで報われます。

超フィルターの存在にはツォルンの補題が要ります。チホノフの定理は選択公理と同値であることが知られている。

ハウスドルフ空間にかぎった形なら、より弱い超フィルター補題と同値になる。

例:完全なコンパクトハウスドルフ空間は非可算

孤立点を持たない空でないコンパクトハウスドルフ空間は、非可算になります[1]

可算だとして と並べます。空でない開集合を、閉包が入れ子で、 番目が を避けるようにとっていく。

閉包の族は有限交叉性を持つので、交わりに点が残ります。その点はどの とも違う。

並べ切れていなかったことになり、矛盾です。区間縮小法の議論を、点の除外に使った形になります。

可算個だけに絞ると

有限交叉性を可算な族にかぎると、弱い条件が出てきます[4]

可算な開被覆に有限部分被覆があるとき、その空間を可算コンパクトといいます。閉集合の言葉では、可算個の減少列について交わりが空でないこと。

可算コンパクトは、無限部分集合が集積点を持つことと同値になります[4]。ボルツァーノ・ワイエルシュトラスの定理が言っていた性質です。

点列コンパクトな空間は可算コンパクトになります。逆は成り立たない。順序数 に順序位相を入れた空間は、点列コンパクトなのにコンパクトではありません[4]

強い有限交叉性

有限個の交わりが、空でないどころか無限集合になるとき、強い有限交叉性といいます[1]

包含で全順序になる無限集合の族は、これを持ちます。減少列の交わりは、途中で有限にならないためです。

超フィルターの構成や、独立族の議論で使われます。有限交叉性を一段強めた条件になる。

とした族について、正しいものはどれですか。

  • 有限交叉性を持たない
  • 有限交叉性を持つが、全体の交わりは空
  • 全体の交わりが空でない
__RESULT__

有限個をとれば、いちばん大きい がそのまま交わりになるので空ではありません。ところが、どの実数もある より小さいので、全部の交わりは空になります。 がコンパクトでないことの現れです。

よくある誤り

有限交叉性を「どの つも交わる」だと思う。 つ以上の組も見る必要があります。
有限交叉性から全体の交わりが空でないと結論する。コンパクト性が前提に要ります。
開集合の族にも同じ定理が使えると思う。 で崩れます。
減少列でないと使えないと思う。定理は任意の族について述べられています。
フレシェフィルターの交わりが空でないと思う。どの点も 回は外されます。
超フィルターの存在を無条件だと思う。ツォルンの補題が要ります。

コンパクト性を開被覆で考えるか、閉集合の交わりで考えるか。証明の見通しは、その選び方でずいぶん変わります。

参考文献

[1] が有限交叉性の定義・同値な特徴づけ・応用例、[2] が閉集合による定式化と区間縮小法、[3] がコンパクト性の同値条件の整理、[4] がフィルターと超フィルターによる証明の詳細です。

Finite intersection property. Wikipedia(英語).
Kompakter Raum. Wikipedia(ドイツ語).
Compacité (mathématiques)). Wikipédia(フランス語).
Ivan Khatchatourian. *17. Tychonoff's Theorem, and properties related to compactness*. MAT327 Introduction to Topology, University of Toronto, 2018.
$\{1,2\}$、$\{2,3\}$、$\{1,3\}$ はどの $2$ つも交わるのに、$3$ つそろうと空になります。有限個をどう選んでも交わりが残ることを有限交叉性という。コンパクト性は「有限交叉性を持つ閉集合族なら、全部の交わりも空でない」と言いかえられます。証明は補集合をとるだけ。区間縮小法がこの形で出る一方、$[n, \infty)$ の族はコンパクトでない空間で崩れます。フレシェフィルター、超フィルターによるチホノフの定理の証明、可算コンパクト性まで扱いました。