コンパクト化

コンパクト化は数学の一分野である位相空間論の概念である。

1. 概要
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位相空間//X// のコンパクト化とは、//X// をコンパクトな位相空間に稠密に埋め込む操作を指す。//X// を数学的に取り扱いやすいコンパクトな空間へ埋め込むと、//X// の性質を調べやすくする事ができる。

厳密な定義は以下のとおりである。

埋め込み写像を強調して、組の事を//X// のコンパクト化という事もある。 また文脈からが自明な時は を略してを//X// のコンパクト化という。

例えば//X// を上の縁を含まない単位円盤としたとき、縁を含んだ単位円盤は包含写像を埋め込み写像とする//X// のコンパクト化である。一方半径3の縁を含んだ円盤を//K// とすると、//X// は//K//の中で稠密ではないので、//K//は包含写像に対する//X// のコンパクト化ではない。

//X// は によりそのコンパクト化//K// に埋め込まれているので、//K// はいわば//X//のに「点を付け加えて」コンパクト化したものとみなす事ができる。実応用上、こうした「付け加えた点」は直観的には無限の彼方にあるとみなせるケースが多いので、 をコンパクト化 の無限遠境界といい、無限遠境界上の点を無限遠点という事がある。

//X// をコンパクト化する方法は一意とは限らず、複数のコンパクト化の方法がある事がある。したがって実用上は//X// の構造を保つなど、//X// の性質が調べやすくなるコンパクト化の方法を選ぶ必要がある。

位相空間 のコンパクト化 、 に対し、同相写像 が存在し、 となるとき と は同値であるという。

著名なコンパクト化の方法として、アレクサンドロフの一点コンパクト化とストーン・チェックのコンパクト化という両極端なものがある。前者はその名の通り、１点付け加えるだけで任意の空間//X// をコンパクト化する方法である。これはいわば「最小の」コンパクト化で、//X// の任意のコンパクト化//K// に対し、アレクサンドロフの一点コンパクト化は必ず//K// の商空間になる。より直観的にいえば、//K// の無限遠境点を一点に潰したものがアレクサンドロフの一点コンパクト化に一致する。。

一方ストーン・チェックのコンパクト化は逆の極端で、//X// の任意のハウスドルフなコンパクト化//K// に対し、//K// はストーン・チェックのコンパクト化の商空間になる。すなわち//K// はストーン・チェックのコンパクト化の無限遠境点を適当な同値関係で割ったものとしてできあがる。したがってストーン・チェックのコンパクト化はいわばハウスドルフな中では「もっとも大きな」コンパクト化である。ストーン・チェックのコンパクト化は//X// がチコノフ空間であるときにその存在が証明されている。しかし//X// がT1空間でありさえすればその類似物が作れる事が知られている。

2. 基本事項
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位相空間がハウスドルフなコンパクト化を持つ必要十分条件はその位相空間がチコノフ空間であること。
ハウスドルフ空間 のハウスドルフなコンパクト化 に対し、 が の開部分集合となる必要十分条件は が局所コンパクトであること。
をハウスドルフ空間 のハウスドルフなコンパクト化とするとき、 の濃度 は高々 である。

3. アレクサンドロフの一点コンパクト化
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3.1. 定義
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をコンパクトでない位相空間とし、 を 上に存在しない一点とし、 に以下の位相を入れたものを考える。

 さらに を包含写像とする。この時、 はコンパクトである事が示せ、しかもが で稠密である事も示せるので、はコンパクト化の条件を満たす。の事を//X// の一点コンパクト化という。

3.2. 分離性
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アレクサンドロフの一点コンパクト化は以下の性質を満たす事が知られている：

多様体や単体的複体などの幾何学の代表的な研究対象はハウスドルフ性と局所コンパクト性を満たすので、その一点コンパクト化はハウスドルフ性を満たす。

しかし無限次元ヒルベルト空間をはじめ解析学の研究対象には局所コンパクトではないものも多く、一点コンパクトのハウスドルフ性が保証されない。この為このような研究分野では一点コンパクトの適応範囲は限定的になる。

3.3. 普遍性
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コンパクトではない空間の一点コンパクト化がハウスドルフ空間であれば以下の性質を満たす事が知られている：

なお前述のように、 がハウスドルフになる必要十分条件は が局所コンパクトなハウスドルフ空間である事である。

3.4. 一点コンパクト化の例
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n次元ユークリッド空間 の一点コンパクト化は、n次元球面 と同相である。特にリーマン球面 は複素平面 の一点コンパクト化として与えられる。
自然数全体 の一点コンパクト化は に最大元 を付け加えた順序集合 の順序位相と同相になる。

4. ストーン・チェックのコンパクト化
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チコノフ空間 には以下の性質を満たすコンパクト化が存在する事が知られており、しかもそのようなコンパクト化は同値を除いて１つしかない事も知られている。この性質を満たすをのストーン・チェックのコンパクト化という



4.1. 普遍性
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ストーン・チェックのコンパクト化は以下の性質を満たす事が知られている。 なお、この性質を満たすコンパクト化は同値を除いてストーン・チェックのコンパクト化に限る事が知られているので、この性質はストーン・チェックのコンパクト化を特徴づける。



4.2. 関数空間によるストーン・チェックのコンパクト化の構成
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チコノフ空間 について を 上の有界実関数全体とする。 このとき自然な埋め込み を と定義する。このとき は同相写像となる。 さらに がチコノフの定理からコンパクトとなることからその閉部分集合 はコンパクトである。

以上から はハウスドルフなコンパクト化になっている。

を のハウスドルフなコンパクト化とする。このとき から自然な埋め込み が誘導され、さらにそこから自然な射影 が誘導される。 さらに から への自然な埋め込みを とすると が成り立ち、 写像の連続性や像の稠密性及び空間のコンパクト性やハウスドルフ性から となる。

以上から が同相写像であることに注意すると が を満たすことが分かる。

4.3. 連続写像の拡張
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このことはストーン・チェックのコンパクト化を得る操作がコンパクトハウスドルフ空間の圏からチコノフ空間の圏への忘却関手の左随伴関手であることを示している。 この意味でストーン・チェックのコンパクト化はチコノフ空間から「自由に生成された」コンパクト空間と見ることが出来る。

5. ウォールマンのコンパクト化
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T1空間には超フィルターを使ってストーン・チェックコンパクト化の類似物を構成することができる。これをウォールマンのコンパクト化といい、T1なコンパクト化になっている。

正規ハウスドルフ空間に対してはウォールマンのコンパクト化はストーン・チェックのコンパクト化と同値になる。数理論理学や周辺分野ではウォールマンのコンパクト化のことをストーン・チェックのコンパクト化といい、 のように表すことが多い。

5.1. ウォールマンのコンパクト化の構成
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T1空間 に対し を 上の空でない閉部分集合全体とし、包含関係で自然に順序を入れる。 このとき を 上の超フィルター全体とする。 今 の閉部分集合 に対し、 を と定義し、 とする。 このとき から が開基の公理を満たすので、そこから に自然に位相が定まる。

相異なる について、超フィルターの一般論から、ある が存在して 。 このとき とすると かつ となって、 はT1空間。

を 上の有限交叉的な閉集合族とする。このとき が閉基であることから、 上の有限交叉的な閉集合族 で となるものが存在。 ここで を を含む超フィルターとすると の定義から 。 よって はコンパクト。

写像 を と定義する。 このとき から は単射。 から 及び がいえ は同相。

以上から はT1なコンパクト化である。 をウォールマンのコンパクト化という。

がチコノフ空間のとき上記の を閉集合ではなくゼロ集合全体とするとストーン・チェックのコンパクト化になる。

5.2. 連続写像の拡張
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これは にたいし と定義することで構成できる。

6. 関数空間とコンパクト化
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チコノフ空間 とそのハウスドルフなコンパクト化 に対して 上の関数空間 を考える。 このとき自然な写像 は像への同相写像となる。 さらに関数空間によるストーン・チェックのコンパクト化の構成と同様の議論により はコンパクトでありしかも と同相。 以上のことからハウスドルフなコンパクト化は関数空間を適切に制限することで関数空間によるストーン・チェックのコンパクト化の構成と同様の方法で与えることが出来る。

この方法は種々のコンパクト化を構成する上で基本的な方法論となっている。

7. 様々なコンパクト化
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スミノフのコンパクト化 : 有界な一様連続関数全体から定まる一様空間上のコンパクト化。
ヒグソンのコンパクト化 : ヒグソン関数全体から定まるcoarse空間上のコンパクト化。
ボーアのコンパクト化 :有界な一様概周期関数全体から定まる位相群上のコンパクト化。

8. 関連項目
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位相空間
コンパクト空間
完備化

9. 注釈
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10. 参考文献
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