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𝐐 ≅ 𝐐\{0}𝐐 は䞀点抜いおも同盞

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前回の蚘事で匕っ越しを機にアりトプットを増やしたいず蚀っおから既に 2 クォヌタヌ分が経過したしたUDA ですちなみに富山倧孊は䞀郚孊郚を陀き前期埌期制から移行し 4 クォヌタヌ制が採甚されおいたす䞋の孊幎は既に 4Q 制で授業が進んでおり今はちょうど過枡期にありたすたぁこの四月に赎任したばかりの私は前期埌期制だった時代の事情も䜕も知らない蚳でありたすが

Q は䞀点抜いおも同盞

さおアりトプットを増やすため Q の話をしたすクォヌタヌのこずではないです有理数党䜓が為す空間 Qの話です

実は䜍盞空間 Q ずそこから䞀点を抜いた Q∖{0} は同盞ですトポロゞヌに慣れおいないず「え そうなの 流石に違くない」ず思うかもしれたせんが実は正しく成り立぀のです䞻匵にギョッずした人はすみたせんが蚘事の趣旚は盎芳的な説明をするこずではなくどう蚌明するかずいう点になりたす元ネタは盞倉わらず Twitter 眺めおたら流れおきた話題です元は Haru さんのツむヌト でこれに Alwe さんが「埀埩論法定期」 ず空䞭リプで反応しおいたしたなお空䞭リプラむずはリプラむも匕甚もせずに特定の話題に蚀及するツむヌト圢態を指すものずしたすえ リポスト X なんですかそれは

Haru さんが蚀っおいた飛び道具を䜿う方も気になるずは思いたすが今回の蚘事は Alwe さんが教えおくれた「埀埩論法」による蚌明をちゃんず曞き起こしお解説を぀けるのが目的です

実際に瀺しおいく定理の䞻匵

Q ず Q∖{0} は同盞であるただしいずれもナヌクリッド盎線の暙準的な䜍盞からの盞察䜍盞を考えるものずする

蚌明したいのは䞊蚘ですがちょっずだけ匷い以䞋の圢でこれを蚌明したす

数の間の暙準的な倧小関係に関する順序を考え順序空間ずしお Q ず Q∖{0} は同型であるすなわちQ ず Q∖{0} の間に連続か぀順序を保぀党単射であっお逆写像も連続か぀順序を保぀ようなものが存圚する

順序空間ずしお同型ならば圓然それらは䜍盞空間ずしお同型同盞ですここでの順序空間ずいうのは単に䜍盞特にこの堎合は順序䜍盞が入った順序集合のこずですが本質ではないので以埌この甚語は登堎したせんなお順序空間ずしおの同型ずいうのはもちろん順序を保぀連続写像を射ずする圏における同型のこずなんですがその皋床のこずで圏を登堎させるず圏論ナヌザヌからも非圏論ナヌザヌからも怒られるので取り䞊げたせん滝ガレ構文いやこれもう十分喋っちゃったなたぁ順序空間ずいう甚語にも諞説あったりしたすが本圓に関係ないので本圓に省略したす順序䜍盞に぀いおは蚌明のあずで軜く補足したす

蚘法ず定矩

蚌明する前に蚀葉ず蚘法の定矩だけしおおきたす有限数列ず無限数列を同時に扱いたい堎面があるので順序数に慣れおいない人には少しトリッキヌな蚘法をわざわざ採甚しおいるように芋えるかもしれたせんが我慢しおください逆に順序数を知っおいる人にはおかしな蚀い回しをしおいるように芋えるかもしれたせんが知らない人向けに最䜎限の甚語を導入しおいるず思っお我慢しおください

順序数ただしωたで

各自然数 n ずフォン・ノむマン構成の自然数 {0,1,
,n−1} を以埌同䞀芖するω={0,1,2,
} で自然数党䜓の為す集合を衚すα,β∈ω∪{ω} に察しα⊆β のずき順序 α≀β が成り立぀ず定矩する

0 は自然数です自然数党䜓の集合が N ではなく ω になっおいるのは単に Alwe さんからいただいた解説ツむヌトをなぞった蚘法にしただけですもちろん先述のように有限数列ず無限数列を同時に扱いたい堎面もあっお埌々䟿利だから「順序数」を䜿っおいるずいうのもありたす「順序数」の間の順序に぀いおは以埌「α≀ω ⇔ α<ω有限たたは α=ω無限」の短瞮圢ずしおだけ出お来たす

数え䞊げ

X を高々可算な集合x:α→X (α≀ω) を写像ずするx が党単射であるずきx を X の芁玠の数え䞊げず呌ぶ

芁玠の数え䞊げ x による i∈α の写像先は xi ず䞋付き添え字で曞くものず玄束したす本皿では高々可算な集合の数え䞊げしかしないので可算集合に限っおいたす

順序同型

(X,≀), (Y,≀) を順序集合ずしf:X→Y を写像ずするf が順序を保぀ずは党おの x,x′∈X に察しお x≀x′ ならば f(x)≀f(x′) が成り立぀こずであるf が順序同型写像であるずはf が順序を保぀党単射であっお逆写像 f−1 も順序を保぀こずであるX ず Y の間の順序同型写像が存圚する時X ず Y は順序同型であるずいう

蚌明で䜿うので順序同型も䞀応定矩しおおきたした

点列の順序同型

α≀ω ずし順序集合 (X,≀) の点列 (xi)i∈α ず順序集合 (Y,≀) の点列 (yi)i∈α を考えそれぞれ点列の芁玠は重耇しないものず仮定する察応 xi↩yi が郚分順序集合 {xi∣i∈α} ず {yi∣i∈α} の間の順序同型を䞎えるずき点列 (xi)i∈α ず (yi)i∈α は順序同型であるず呌ぶこずにする

芁玠が重耇しないずいうこずは぀たり郚分的な数え䞊げです芁玠の数え䞊げ方が所䞎であるずきに数え䞊げず敎合する写像方法に限定した特別な順序同型を扱うための甚語を定矩したずいうこずですこれは以䞋の蚌明で甚いるためのここだけの甚語です

定理の蚌明

さおQ も Q∖{0} も可算なので数え䞊げが取れたすその数え䞊げを元に別の䞊手い数え䞊げを䜜り芁玠間の察応関係により順序空間同型を䜜る方針で定理を蚌明しおいきたす

Q ず Q∖{0} はいずれも可算無限集合なのでそれぞれ芁玠の数え䞊げ p:ω→Q, q:ω→Q∖{0} を取る

Q の数列 x ず Q∖{0} の数列 y を順序同型ずなるよう構成しおいくたずx0:=p0, y0:=q0 ず定める各 k∈ωに察し亀互再垰的に数列 (xi)i∈ω, (yi)i∈ω を以䞋で定矩する

  1. x2k ず y2k たで定たっおいるずきpn が x0,
,x2k のいずれずも異なるような最小の n を遞んで x2k+1:=pn ず定める
  2. x2k+1 ず y2k たで定たっおいるずき(x0,
,x2k+1) ず (y0,
,y2k,qn) が点列ずしお順序同型ずなるような最小の n を遞んで y2k+1:=qn ず定める
  3. x2k+1 ず y2k+1 たで定たっおいるずきqn が y0,
,y2k+1 のいずれずも異なるような最小の n を遞んで y2k+2:=qn ず定める
  4. x2k+1 ず y2k+2 たで定たっおいるずき(x0,
,x2k+1,qn) ず (y0,
,y2k+2) が点列ずしお順序同型ずなるような最小の n を遞んで x2k+2:=pn ず定める

党おの i∈ω に察しお(x0,
,xi) ず (y0,
,yi) はそれぞれ重耇しない芁玠から為り (∵(i), (iii)) か぀順序同型である (∵(ii), (iv)) こずが分かる特に党おの i,j∈ω に察しおxi≀xj であるこずず yi≀yj であるこずは必芁十分であるゆえに数列党䜓 x ず y は数え䞊げを為し点列ずしお順序同型である察応 xi↩yi (i∈ω) で写像 f:Q→Q∖{0} を定矩すれば順序同型ずなる

最埌にQ ず Q∖{0} の䜍盞はいずれも順序䜍盞(※)であるから順序同型写像が順序䜍盞を保぀こずより f は同盞であるこずが分かる

数列の亀互再垰的定矩に぀いお補足しおおきたすたずどのステップでも条件を満たすような最小の n を遞んで数列の次の有理数を決めお行っおいたす(i), (iii) は pn,qn を消費しおただ远加するだけずいうむメヌゞですこの操䜜で片方芁玠数が増えお長くなりたす(ii), (iv) は盎前に远加した方ず同じ順序配眮になるよう pn,qn を远加しお長さを再び揃えたす(ii), (iv) の順序同型ずいう条件は「远加芁玠は既存のいずれの芁玠ずも異なる」ずいう (i), (iii) ず同様の条件を含んでいるこずに泚意しおください小さい方の n から優先しお取り出しおいくので4k 回の远加埌は k 以䞋の党おの添え字 n に぀いお pn,qn が消費枈みでなければなりたせん無限に繰り返すので取り残されおしたう有理数が出るこずはありたせん有理数の皠密性により (ii), (iv) で「条件を満たす芁玠が取れない」ずいうこずもありたせん盎前に远加した芁玠ず順序が敎合する芁玠が垞に存圚しおいたすしたがっおこれらのルヌルで繰り返し数列に芁玠を远加しおいけば䜙すこずなく党おの有理数y の方は 0 を陀くを取り尜くし新たな数え䞊げを構成できたす

※順序䜍盞

最埌に蚌明の〆の順序䜍盞に぀いおも補足しおおきたす党順序集合 (X,≀) の順序䜍盞ずはX 䞊の党おの開区間から生成される䜍盞のこずですここで開区間ずは郚分集合 (a,b)={x∈X∣a<x<b} のこずでa=−∞ や b=∞ の堎合の半無限開区間も蚱すものずしたす順序䜍盞を考える際は䜍盞が先にあっお「開」区間ず蚀っおいるのではなく順序が先にあっお順序から定たる特定の圢の郚分集合を「開」区間ず呌んでいるずいうこずに泚意しおください

なぜ開区間から生成される䜍盞が順序同型で保たれるかずいうず順序のみに䟝っお開基が定たっおいるからです実際f:(X,≀)→(Y,≀) を党順序集合の間の順序同型ずするずX ず Y の開区間党䜓の集合の間に f による党単射が自然に定たりたす぀たりf[(a,b)]=(f(a),f(b)) ず f−1[(a,b)]=(f−1(a),f−1(b)) が成り立ちたす半無限開区間の堎合も同様の察応が成り立ちたすこれがたさに開基の間の䞀察䞀察応になっおいたすから順序䜍盞に関しお f は X ず Y の間の同盞写像ずいうこずになりたす

たたQ の䜍盞はナヌクリッド盎線 R の暙準䜍盞からの盞察䜍盞ずしおいたしたが実は順序䜍盞ず䞀臎したすたずR の暙準䜍盞も順序䜍盞ですしたがっおQ での盞察䜍盞は Q∩{x∈R∣a<x<b} (a,b∈R) ずいう圢の集合党䜓から生成されたす䞀方でQ 䞊の開区間は {x∈Q∣a<x<b} (a,b∈Q) なので䞀芋するず順序䜍盞の方が粗い開基が「少ない」ようにみえたすしかし䞋端䞊端 a,b いずれかが無理数である堎合の開集合 Q∩{x∈R∣a<x<b} は䞋端䞊端がずもに有理数であるような Q 䞊の開区間のある可算無限和ずしお衚すこずが垞にできたすから結局盞察䜍盞ず順序䜍盞は䞀臎したす䞀点を抜いおも同じです

終わりに

おかしい Alwe さんの 2 ツむヌト分の蚌明 を曞き出すだけだから䞀瞬だず思っおいたのにやたらず長くなっおしたいたした亀互再垰的定矩の芁件を正確に曞き出そうずしお点列順序同型のくだりを導入する矜目になったのが敗因です順序䜍盞の補足を曞き始めたのもいかんかったなたぁ正確になる分にはいっか

そういう蚳で今回はせっかくなのでず教えおもらった蚌明方針を枅曞しおみたした構成自䜓は具䜓的ずはいえ埗られた順序同型はカノニカルな分かりやすい圢をしおいる蚳ではないので盎芳的にむメヌゞしづらいずいう人もいるず思いたすうたく飲み蟌んでくださいずもかく無事 Q から䞀点抜いおも同盞であるこずが分かりたしたねなお孊生諞氏におかれたしおは 1 クォヌタヌも抜かさずちゃんず頑匵っおください

投皿日2024幎8月15日
OptHub AI Competition

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バッチを莈っお投皿者を応揎しよう

バッチを莈るず投皿者に珟金やAmazonのギフトカヌドが還元されたす。

投皿者

UDA です応甚数孊をしおいたす

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読み蟌み䞭
  1. $\mathbf{Q}$ は䞀点抜いおも同盞
  2. 実際に瀺しおいく定理の䞻匵
  3. 蚘法ず定矩
  4. 定理の蚌明
  5. ※順序䜍盞
  6. 終わりに