Метрические пространства
Определение: |
Для некоторого множества
| , отображение — называется метрикой на , если выполняются аксиомы
Определение: |
Последовательность | сходится к в МП (записывают ), если
Некоторые примеры метрических пространств:
-
- этот ряд всегда сходящийся, так как мажорируется убывающей геометрической прогрессией , соответственно, расстояние ограничено единицей.
- первая аксиома: неотрицательность очевидна, равенство метрики нулю в обе стороны очевидно
- вторая аксиома: еще очевиднее
- третья аксиома легко вытекает из следующего утверждения:
. Превращение в МП должно быть связано с желаемой операцией предельного перехода. В случае конечномерного пространства сходимость совпадает с покоординатной сходимостью, хотим того же самого для бесконечномерного. Введем метрику: (стандартный способ превратить в метрическое пространство счетное произведение метрических пространств, коим и является ). Проверим, что эта метрика удовлетворяет аксиомам:
Утверждение: |
Рассмотрим .
|
Утверждение: |
Сходимость в метрике эквивалентна покоординатной. |
Рассматриваем , как и в прошлом утверждении. Пусть . Покажем, что .В прямую сторону: В обратную сторону: подберем такое . Пусть . Тогда . Так как , то , когда , а значит, покоординатная сходимость выполняется. , чтобы . Возьмем таким, чтобы . Тогда . Устремляя к нулю, получаем необходимое. |
- В любом пространстве можно ввести дискретную метрику: . Заметим, что в дискретной метрике сходятся только стационарные последовательности.
- [1]. , то есть множество всех функций из в . Это пространство не метризуется, то есть не существует метрики, в которой сходимость эквивалентна поточечной
Центральную роль в изучении МП играют шары:
Определение: |
Открытым шаром в МП | с радиусом и центром в называют множество . В определении замкнутого шара знак заменяется на .
На базе этих множеств можно МП превратить в ТП.
Определение: |
Для некоторого множества
| , класс множеств называется топологией, если:
Определение: |
Рассмотрим множество Внутренностью (interior) множества называется множество , где — открытые множества.Замыкание (closure) множества Границей (boundary, frontier) множества называется множество , где — замкнутые множества. называется множество . | .
Определение: |
Точка | называется пределом последовательности в топологическом пространстве , если , то есть любое открытое множество, содержащее предел, также содержит все точки последовательности кроме конечного числа.
Определение: |
Множество | называет окрестностью в ТП, если существует открытое : .
Определение: |
Отображение | называют непрерывным в точке , если для любой окрестности существует окрестность : .
Характеристика непрерывных отображений ТП: непрерывно, если для любого , то есть прообраз любого открытого множества также открыт.[2]
Для любого МП
можно ввести метрическую топологию: выделим в семейство открытых множеств множества, являющимися объединениями любого (возможно, несчетного) числа открытых шаров. Покажем, что это семейство удовлетворяет аксиомам ТП:- Очевидно, .
- Очевидно.
- Докажем для пересечения двух множеств, дальше по индукции:
- . (То, что так можно сделать, доказывается включением в обе стороны)
- Рассмотрим : (раньше когда-то доказывали), тогда
В данном случае открытые множества были получены объединением открытых шаров — множеств более узкого класса. Это один из общих приемов превращения произвольного пространства в топологическое, открытые шары здесь — база топологии.
Определение: |
Базой топологии называют некоторый набор открытых множеств | , такой, что , то есть, любое непустое открытое множество можно представить в виде объединения множеств из .
Утверждение: |
, где . |
Пусть . Сначала убедимся в том, что равномерно непрерывна:
Значит, .Аналогично, .Отсюда, , устремляя к нулю, получаем равномерную непрерывность .Обозначим . Понятно, что если некоторая последовательность сходится к , то , и , то есть, по определению , . Значит, , замкнуто.Если , то и . Значит, .Теперь покажем, что для произвольного замкнутого , выполняется .Допустим, это неверно, и , тогда .Значит, ., следовательно, есть последовательность . Начиная с некоторого Но , , и , непусто. — противоречие, . |
Замечание: заметим, что в общем случае в топологических пространствах замыкания не определяются через предел последовательности, в этом смысле метрические пространства удобны.
Метрические пространства удовлетворяют аксиоме нормальности:
Утверждение (нормальность МП): |
Любое МП - нормальное, то есть любые два непересекающихся замкнутых подмножества имеют непересекающиеся окрестности. |
(скопировано из первого курса, в Колмогорове на странице 112 есть доказательство поприятнее и поинтуитивнее) . Т.к. и - замкнуты, то знаменатель не равен 0. Следовательно, корректна и непрерывна в силу непрерывности . При этом: . Рассмотрим на R пару интервалов: и . Т.к. неперывна, то прообраз открытого множества - открытое множество (это другое определение непрерывного отображения, оно почти эквивалентно тому, которое было дано ранее).
|
Следствие: так как одноточечные подмножества в МП являются замкнутыми, МП удовлетворяют аксиоме отделимости Хаусдорфа: любые две различные точки можно отделить открытыми шарами.
Определение: |
МП | называется полным, если в нем любая сходящаяся в себе последовательность сходится к элементу .
Утверждение (принцип вложенных шаров): |
Пусть — полное. — замкнутые шары. , . Тогда , и состоит из одной точки. |
Пусть — центр соответствующего шара, тогда из вложенности , то есть последовательность центров сходится в себе, так как , тогда по полноте пространства последовательность центров сходится к .Покажем, что оно содержит предел этой последовательности и . Также, кроме , то есть . Для любого шар содержит все точки последовательности , кроме конечного числа. Тогда оставшаяся последовательность центров содержится в и также сходится к , а так как — замкнутое множество, в пересечение ничего входить не может: пусть в него еще входит точка ,тогда , возьмем шар в пересечении радиусом меньше (такой есть по стремлению радиусов к ), но в нем может лежать только одна из точек . |
Определение: |
Если в пространстве существует счетное всюду плотное множество, такое пространство называют сепарабельным. нигде не плотно в , если . В смысле метрических пространств это значит, что в любом шаре есть шар, не содержащий точек .
| всюду плотно в , если
Определение: |
Подмножество | топологического пространства имеет I категорию по Бэру в пространстве если оно является не более чем счетным объединением нигде не плотных в множеств. В противном случае оно имеет II категорию по Бэру.
Теорема (Бэр): |
Полное МП является множеством II категории в себе. |
Доказательство: |
Пусть | — полное и является множеством I категории, то есть представимо как , где — нигде не плотно в . Возьмем замкнутый шар , например, радиуса 1. Так как нигде не плотно в , оно также нигде не плотно в , а, значит, существует замкнутый шар радиуса меньше , содержащийся в и не пересекающийся с ( ). Аналогично, нигде не плотно в , и так далее действуя таким образом, построим систему вложенных замкнутых шаров ( ) со стремящимся к нулю радиусом. В силу теоремы о вложенных шарах пересечение этих шаров должно содержать какую-то точку , но эта точка не может лежать ни в одном из множеств по построению, то есть, получили противоречие, и не является множеством первой категории.
Утверждение (следствие из т. Бэра): |
Полное МП без изолированных точек несчетно. |
Пусть | — МП без изолированных точек (то есть в любой окрестности любой точки найдутся точки, отличные от нее). Пусть — счетно, то есть можно занумеровать его элементы как и представить как . Но одноточечные множества нигде не плотны в , тогда оно является множеством I категории, что противоречит теореме Бэра. Следовательно, должно быть несчетно.
Это следствие объясняет природу несчетности вещественной оси.
Определение: |
Замкнутое | называют компактом, если из любой последовательности точек в можно выделить сходящуюся подпоследовательность.
Определение: |
называют вполне ограниченным, если для него при любом существует конечная -сеть, то есть . |
Теорема (Хаусдорф): |
В полном метрическом пространстве множество является компактом тогда и только тогда, когда оно замкнуто и вполне ограничено. |
Доказательство: |
Теорема_Хаусдорфа_об_ε-сетях |
Утверждение: |
Пример: — полное. |
TODO: Это было упражнение. Solved by --Мейнстер Д. 07:22, 7 января 2013 (GST) Нужно установить равносильность сходимости и ее сходимости в себе.: Пусть .Так как , и при каждое из слагаемых в правой части стремится к , то сходится в себе по определению.: Пусть сходится в себе. Так же, как в предыдущих доказательствах, обозначим . Так как , а , то сходится в себе также и покоординатно.Но по полноте Так как покоординатная сходимость в метрике , каждая из последовательностей по отдельной координате сходится: . равносильна просто сходимости, то . |
Утверждение (компактность прямоугольника в R^infty): |
— компакт в . |
, где , также . Таким образом, для каждого можно выбрать номер координаты , такой что все координаты с большими номерами суммарно влияют на метрику не больше, чем на . Расмотрим — для него можно составить конечную -сеть (понятно что по каждой координате это сделать легко, а дальше возьмем декартово произведение). Сделаем сеть для следующим образом: к каждой -мерной точке из допишем произвольные координаты .
|
А еще зачем-то можно рассмотреть для пространства с мерой на сигма-алгебре
пространство измеримых на вещественнозначных функций. Если ввести на нем метрику , то сходимость последовательности функций в ней будет равносильна сходимости по мере.Примечания
- ↑ Кому интересно: метрическое пространство удовлетворяет первой аксиоме счетности, а она не может выполняться в Why is not first countable? , которое понятно как сводится к :
- ↑ В конспекте только в прямую сторону, но вообще, вроде, это критерий. Док-во есть в Колмогорове, элементы теории функции и функана, 6 издание, страница 107.