位相群の完備性は、群演算から定まる一様構造によって調べることができる。一方、位相空間としての完備性を群の一様構造と結び付けるには、可算性条件の役割も明らかにする必要がある。Čech 完備群は、位相空間としての完備性と群の一様構造に関する完備性を比較するための基本的な対象である。本記事では、Čech 完備群の基本的な性質と代表的な例を解説する。
1 定義
定義 1.1. Hausdorff 位相群が、位相空間として Čech 完備であるとき、を Čech 完備群 (Čech-complete group) という。
定義 1.2. 位相群が、位相空間として§E2.27 定義 1.1のポーランド空間であるとき、を ポーランド群 (Polish group) という。
補題 1.3.を Čech 完備群とする。このとき、次が成り立つ。
- の任意の閉部分群は、部分空間位相に関して Čech 完備群である。
- の任意のコンパクト部分群に対して、左剰余類の空間は商位相に関して Čech 完備である。さらにが正規部分群ならば、は Čech 完備群である。
証明.主張 (1)を示す。は Hausdorff 位相群であり、§E2.26 系 2.9 (1)により Čech 完備である。
主張 (2)を示す。はコンパクトであるから、§E14.1 系 4.3 (3)により商写像は完全である。は Hausdorff であるから、§E2.19 命題 6.4によりは閉集合であり、§E14.3 系 2.9 (3)によりは T3½ 空間である。も§E14.3 系 1.3により T3½ 空間である。
完全写像の定義域と終域はともに T3½ 空間なので、§E2.26 定理 2.8 (2)によりは Čech 完備である。が正規ならば、§E14.1 系 4.4によりは商群として Hausdorff 位相群でもあるから、Čech 完備群である。▨
2 可算型性と Raikov 完備性
補題 2.1.を Raikov 完備な Hausdorff 位相群、をのコンパクト部分群とし、をの開集合からなるの可算近傍基とする。このとき
はの完全な開被覆列である。
証明. 各はを含む開集合であり、なので、任意のに対してである。したがって各は開被覆である。
有限交差性をもつの部分集合族が、各の少なくとも一つの元を含むとする。の元の空でない有限族の共通部分はフィルター基をなす。§E2.50 命題 1.3により、この基が生成するフィルターを取り、さらに§E2.50 定理 2.4により、を含む超フィルターを取る。単位元の任意の近傍に対して、§E14.1 系 2.2を反復して、かつを満たす単位元の開近傍を取る。
はを含む開集合なので、を満たすが存在する。このに対して
となるを取る。のコンパクト性により、有限個の元とをから取り、
とすることができる。したがって
§E2.50 補題 2.2 (2)により、を満たす添字が存在する。実際、どの集合も属さなければ、すべての補集合ととの共通部分が空集合となり、フィルターの公理に反する。に対して
である。よって、§E14.25 補題 2.2 (3)によりは両側 Cauchy フィルターである。
の Raikov 完備性により、はあるに収束する。の任意の近傍と任意のはともにに属するので、である。なので、である。したがっては§E2.26 定義 2.5の意味で完全である。▨
定理 2.2.を Hausdorff 位相群とする。このとき、次の条件は同値である。
- は Čech 完備である。
- は可算型群であり、Raikov 完備である。
証明.(1)(2)を示す。§E2.29 系 4.5と§E14.26 定理 2.3によりは可算型群である。
§E14.25 定理 3.1により、をその Raikov 完備化の稠密部分群と同一視する。Hausdorff 位相群は§E14.3 系 1.3により T3½ 空間なので、§E2.26 定理 2.10 (1)により
を満たすの開集合の列が存在する。
を任意に取る。各は稠密部分群を含むので稠密であり、左平行移動による像もで稠密な開集合である。したがってはで稠密な開集合である。実際、の開集合がを満たすならば、は空でない開集合であり、稠密集合と交わる。
§E2.28 定理 4.1によりは Baire 空間なので、
はで稠密であり、特に空でない。を取ると、あるに対してであるからとなる。任意のがに属するのでであり、は Raikov 完備である。
(2)(1)を示す。§E14.26 定理 2.3と§E14.26 定理 1.1により、可算近傍基をもつコンパクト部分群が存在する。§E2.29 補題 1.3により、の可算近傍基はの開集合からなるものに取ることができる。は Raikov 完備なので、補題 2.1により完全な開被覆列をもつ。さらに§E14.3 系 1.3によりは T3½ 空間であるから、§E2.26 補題 2.6により Čech 完備である。▨
注意 2.3. Čech 完備群はパラコンパクトである。実際、定理 2.2により Čech 完備群は可算型群であり、§E14.26 系 1.5によりパラコンパクトである。
3 例
例 3.1. 任意の局所コンパクト Hausdorff 位相群は、§E2.26 補題 2.2 (3)により Čech 完備である。したがって定理 2.2により、可算型群であり、Raikov 完備である。
例 3.2. Hausdorff 位相群の位相と両立する完備距離が存在するならば、§E2.26 系 3.3によりは Čech 完備である。
逆に、が距離化可能な Čech 完備群ならば、§E2.26 系 3.3により、の位相と両立する完備距離が存在する。したがって、距離化可能な Hausdorff 位相群では、Čech 完備性、完備距離化可能性、および Raikov 完備性が同値である。Raikov 完備性との同値は次による。§E2.13 命題 4.2によりは第一可算であるから、§E14.3 定理 4.2 (2)により、距離一様構造が左一様構造に等しい左不変距離が存在する。したがって、が Raikov 完備ならば、§E14.25 命題 1.8 (3)によりは完備距離化可能である。逆に、が Čech 完備ならば、定理 2.2によりは Raikov 完備である。
例 3.3. 通常の相対位相をもつ有理数加法群は、距離化可能なので、§E14.26 例 3.1により可算型群である。一方、§E2.28 系 5.2によりは Čech 完備でない。したがって、可算型という条件だけでは Čech 完備性は従わない。また、定理 2.2によりは Raikov 完備でない。