コンパクト空間

し, ∩

i∈I E_i^c =∅ ⇔^族{E_λ^c}λ∈Λ が有限交叉性をもたない.

X の部分集合E が開集合であることとE^c が閉集合であることは同値であることに注 意すればよい.

Example 3.5.5. 密着位相空間はコンパクトである. 開集合はX と∅^{だけだから}. Example 3.5.6. X を離散位相空間とすると, Xがコンパクト⇔ X が有限集合. Example 3.5.7. n次元ユークリッド空間R^{nはコンパクトではない}. 実際,{Un(0)}n∈N

はRⁿの開被覆であるが有限部分被覆をもたない. ただし0∈R^nは原点. 同様にして次がわかる.

Proposition 3.5.8. 距離空間のコンパクト部分集合は有界閉集合である. Proof. X^{を距離空間}, A ⊂X^{をコンパクトとする}.

まずAが有界であることを示す. x∈X をひとつとる. A⊂∪

n∈NU_n(x)だから, ある N ∈N^{が存在して}A ⊂UN(x)となりAは有界.

Aが閉集合,すなわち,A^cが開集合であることを示そう. x ∈A^c, つまりx̸∈Aとする.

∪

r>0

E_r(x) = ∪

r>0

{y∈X d(x, y)> r}=X − {x} ⊃A

だから{E_r(x)}r>0はAの開被覆. Aはコンパクトだから有限個のE_ri(x), i= 1, . . . nで 覆われる. ε= minriとおけばε >0で

A ⊂

∪n i=1

Er_i(x) = Eε(x) となり

Uε(x)⊂Eε(x)^c ⊂A^c.

より一般にHausdorff空間のコンパクト部分集合は閉集合であることを後で示す. ユークリッド空間では逆も成り立つ. まず1次元の場合を示そう. 後でコンパクト空間 の性質を用いてn次元の場合を示す.

Theorem 3.5.9 (Heine-Borel). 1次元ユークリッド空間Rの有界閉集合はコンパクト である. とくに有界閉区間はコンパクトである.

Proof. A ⊂ R ^{を有界閉集合とし}, A の閉集合族 {F_λ}λ∈Λ が有限交叉性をもつとする

（Λ̸=∅のときを考えればよい）と, a:= inf

{

max∩

i∈I

Fi ∅ ̸=I ⊂Λ, ♯I <∞ }

とおけば, 任意のλ∈Λに対し a = inf

{

max∩

i∈I

Fi λ ∈I ⊂Λ, ♯I < ∞ }

∈Fλ

ゆえ∩

λ∈ΛF_λ ̸=∅^となり, Aはコンパクトである.

もう少し丁寧に書いてみよう. Rの空でない有界閉集合は最大元, 最小元をもつことに 注意する(Cor. 2.8.7).

P ={I ⊂Λ I ̸=∅, ♯I <∞}^とおき, λ∈Λ^に対しPλ={I ∈P λ∈I}^とおく. またI ∈P に対し

FI = ∩

i∈I

Fi, aI = maxFI ∈FI

とおく. （A がR^{の有界閉集合なので}F_I もR^{の有界閉集合で}, 仮定より I が有限集合 のときはF_I ̸= ∅^{であるから}F_I には最大元が存在する.）I ⊂ J のとき F_I ⊃ F_J だから aI ≥aJ であることに注意する. さらに

a= inf

I∈Pa_I, a_λ= inf

I∈Pλ

a_I

とおく. （Λ̸=∅^だからP ̸=∅^であり, aI ∈AでAは有界だからこの下限は存在する.） I ∈Pλのとき, λ ∈IだからFI ⊂FλゆえaI ∈Fλである. よって

a_λ= inf{a_I I ∈P_λ} ∈ {a_I I ∈P_λ}^a⊂F_λ^a =F_λ. したがって, 任意の λ ∈ Λ に対し, a = aλであることを示せば, a ∈ ∩

λ∈ΛFλ ̸= ∅^が分 かる.

P_λ ⊂P だからa_λ≥aである.

一方, 任意のI ∈P に対し, I ⊂I ∪ {λ} ∈Pλであるから, aλ ≤a_I∪{λ} ≤ aI となり, aλ≤ inf

I∈PaI =a.

本質的には上の議論と同じであるが, a ∈Fλを示すのは以下のようにしてもよい. （２ ０１２年度の講義では以下の議論を用いた.^）

任意の ε > 0 に対し, [a, a +ε)∩ F_λ ̸= ∅ であることを示せばよい. （このとき a ∈ F_λ^a = Fλ となるから.）a は下限だから, ある有限部分集合 I ⊂ Λ が存在し,

a_I < a+εとなる. I∪ {λ}^{は有限集合で}I を含むので a ≤a_I∪{λ} ≤aI < a+ε となりa_I∪{λ} ∈[a, a+ε). また

a_I∪{λ} ∈FI∪λ ⊂Fλ

ゆえa_I∪{λ} ∈[a, a+ε)∩F_λ̸=∅.

Remark . 一般の距離空間では有界閉ならコンパクトなんてことはない. (0,1)とか離散

距離空間とか．．．

exercise 174. Z をR^にZariski位相をいれた位相空間とする. 1. Z はコンパクトであることを示せ.

2. Z のコンパクト部分集合はどのようなものか？

コンパクト空間の性質を調べよう.

Proposition 3.5.10. A₁, A₂ ⊂X がコンパクトならばA₁∪A₂ もコンパクトである. Proof. {O_λ}λ∈Λを部分集合A₁∪A₂の開被覆,すなわち,O_λはXの開集合で,A₁∪A₂ ⊂

∪Oλであるとする. あきらかに{Oλ}^はAiの開被覆であり, 仮定よりAiはコンパクト なのである有限部分集合Ji ⊂Λ^{が存在して}Ai ⊂∪

j∈JiOj となる. J =J1∪J2 ⊂Λ^は 有限集合でありA₁∪A₂ ⊂∪

j∈JO_j となる, つまり, {O_j}j∈J は{O_λ}λ∈Λの有限部分被 覆である. よってA1∪A2はコンパクトである.

Theorem 3.5.11. コンパクト空間の閉部分集合はコンパクトである.

Proof. X をコンパクト空間とし, A ⊂X を閉部分集合とする. {O_λ}λ∈ΛをAの開被覆, すなわちOλはX の開集合で,A ⊂∪

Oλであるとする. このとき{Oλ} ∪ {A^c}^はX の 開被覆である. X はコンパクトなので, ある有限部分集合I ⊂ Λ で, X = ∪

i∈I O_i∪A^c となるものがある. あきらかにA ⊂∪

i∈IO_i である.

Theorem 3.5.12. コンパクト空間の連続写像による像はコンパクトである.

Proof. X, Y を位相空間, f: X → Y を連続写像とし, X はコンパクトであるとする. f(X) がコンパクトであることを示そう. {Oλ}λ∈Λ をf(X)の開被覆, すなわちOλ は Y ^{の開集合で}, f(X) ⊂ ∪

λ∈ΛOλ であるとする. X ^{の部分集合族} {f⁻¹(Oλ)}λ∈Λ を 考える. f は連続だから f⁻¹(O_λ) はX の開集合である. また, f(X) ⊂ ∪

O_λ だから X ⊂ f⁻¹(∪

Oλ) = ∪

f⁻¹(Oλ). よって {f⁻¹(Oλ)} ^は X の開被覆である. X はコ

ンパクトだから, ある有限部分集合 I ⊂ Λ で, X = ∪

i∈If⁻¹(O_i) となるものがある. f(X) =f(∪

i∈If⁻¹(Oi))

⊂∪

i∈I Oi.

Remark . コンパクト集合の連続写像による逆像はコンパクトとは限らない. 例えばR^上

の定数関数を考えてみよ.

Corollary 3.5.13. コンパクト性は位相的性質である.

Corollary 3.5.14. コンパクト空間上の実数値連続関数は最大値と最小値をとる.

Proof. X をコンパクト, f: X → R^{を連続関数とすると}, 像f(X)はR^{のコンパクト集} 合だから有界閉集合. よってf(X)には最大元, 最小元が存在する.

Corollary 3.5.15. 有界閉区間上の連続関数は最大値と最小値をとる. Theorem 3.5.16. X, Y ともにコンパクトならX×Y もコンパクト. Proof. {Oλ}λ∈ΛをX ×Y の開被覆とする.

U ={U ×V U ∈ OX, V ∈ OY,∃λ∈Λ : U ×V ⊂O_λ}

とすると U ^も X ×Y の開被覆である. （X ×Y の開集合は, X の開集合とY の開 集合の直積の和集合として表されるのであった.）U が有限部分被覆をもつことを示そ う. x ∈ X をひとつとる. {x} × Y は Y と同相だからコンパクト. よって U ^の有 限個の元 U_x1 × V_x1, . . . , U_xnx ×V_xnx が存在し, {x} × Y ⊂ ∪nx

i=1U_xi × V_xi となる. {x} ×Y ∩Uxi×Vxi ̸=∅^{としてよい}. Wx =∩nx

i=1Uxi とおくと（有限個の開集合の共通 部分なので）WxはX の開集合でありx∈Wxである. また

Y =p₂({x} ×Y)⊂p₂ (_n

∪x

i=1

U_xi×V_xi )

=

n_x

∪

i=1

p₂(U_xi×V_xi) =

n_x

∪

i=1

V_xi だから

W_x×Y =W_x×

nx

∪

i=1

V_xi =

nx

∪

i=1

W_x×V_xi ⊂

nx

∪

i=1

U_xi×V_xi

である（絵を描いてみよ）. 各x ∈ X に対しこのようにして Wx をとればX の開被覆 {Wx}x∈X がえられる. X はコンパクトだからある有限個の点x1, . . . , xm∈ X^が存在し, X =∪m

i=1W_xi となる. よって X×Y =

∪m i=1

Wx_i×Y ⊂

∪m i=1

n∪_xi

j=1

Ux_ij×Vx_ij

となり U の有限部分被覆がえられた. 各i, j に対しU_xij ×V_xij ⊂ O_λij となるλ_ij ∈ Λ を選べばX×Y ⊂∪

ijOλ_ij となり{Oλ}の有限部分被覆がえられる.

Remark . 上の証明では選択公理をこっそり使っているが, うまく工夫すれば選択公

理を使わないように出来る. 無限個の直積の場合も同様なことが成り立つ（チコノフ

(Tikhonov)の定理）が,こちらは選択公理が必要（選択公理と同値）であり証明はもう少

し面倒.

exercise 175. X ̸=∅, Y ̸=∅, X×Y ^{コンパクトとする}. ^このとき,X,Y ^{ともにコンパ} クトであることを示せ.

これから次が示せる.

Theorem 3.5.17 (Heine-Borel). ユークリッド空間Rⁿ の部分集合がコンパクトである ための必要十分条件は有界閉集合であること.

Proof. コンパクトなら有界閉集合であることは既に示した.

A ⊂ Rⁿ が有界閉集合であるとする. 有界であるからある K ∈ R ^{が存在して}, A ⊂[−K, K]ⁿとなる. Thm. 3.5.9より[−K, K]はコンパクトであるから, Thm. 3.5.16 より[−K, K]ⁿもコンパクトである. （R^nとR× · · · ×R^は同相,問題集196参照.）Aは コンパクト空間[−K, K]ⁿの閉集合であるからThm.3.5.11よりコンパクトである. Example 3.5.18 (cf. exe 140). S¹ から[0,1)への連続な全射は存在しない. とくにS¹ と[0,1)^{は同相ではない}. S^{1 は}R² の有界閉集合だからコンパクトであり, [0,1)^はR^の 閉集合ではないのでコンパクトではないから.

コンパクトHausdorff空間について調べよう.

Theorem 3.5.19. Hausdorff空間のコンパクト集合は閉集合である.

Proof. X をHausdorff空間, A ⊂X をコンパクト部分集合, x ∈A^c とする. xがA^c の 内点であることを示そう.

a ∈ A とすると, x ̸= aであり, X がHausdorffなので, x の開近傍Ua とaの開近傍 V_aでU_a∩V_a =∅^{となるものが存在する}. 各a∈Aに対しこのような組U_a, V_aをひとつ 選ぶ. （あるいはこのような組全てを考える等すれば選択公理はいらない, 例えば

Λ = {(a, V) a∈A, V: open, a∈V, x∈V^e}

）{V_a}a∈A はAの開被覆であり, A はコンパクトなので, あるa₁, . . . a_n ∈ Aが存在し, A ⊂ ∪n

i=1Va_i となる. U := ∩n

i=1Ua_i とおけば, U はx の開近傍であり, U ∩Va_i ⊂

ドキュメント内 幾何学序論講義ノート (ページ 194-200)