Метрическое пространство — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(Свойства открытых множеств)
(Замкнутое множество)
Строка 85: Строка 85:
 
Если в X выделен класс множеств <tex> \tau </tex>, удовлетворяющий всем трем свойствам, то пара <tex>(X, \tau)</tex> называется '''топологическим пространством'''(ТП). В этом смысле МП {{---}} частный случай ТП.
 
Если в X выделен класс множеств <tex> \tau </tex>, удовлетворяющий всем трем свойствам, то пара <tex>(X, \tau)</tex> называется '''топологическим пространством'''(ТП). В этом смысле МП {{---}} частный случай ТП.
  
==Замкнутое множество==
+
== Замкнутые множества ==
  
F является замкнутым в МП<tex>(X, \rho)</tex>, если <tex> \overline F = X \backslash F </tex> - открыто.
+
Множество F называется замкнутым в МП<tex>(X, \rho)</tex>, если <tex> \overline F = X \backslash F </tex> - открыто.
  
Применяя закон де Моргана, видим что <tex> \tau </tex> двойственен классу замкнутых множеств.
+
Применяя закон де Моргана, видим что класс открытых множеств <tex> \tau </tex> двойственен классу замкнутых множеств.
  
Свойства замкнутых множеств:
+
=== Свойства замкнутых множеств ===
# <tex> X = \varnothing </tex> - замкнуто
+
# <tex> X, \varnothing </tex> {{---}} замкнуты
# <tex> F_{\alpha} </tex> - замкнуто, <tex> \alpha \in A \Rightarrow \bigcup\limits_{\alpha \in A} F_{\alpha} </tex> - замкнуто  
+
# Если <tex>\ F_{\alpha} </tex> {{---}} замкнуто <tex>\forall \alpha \in A </tex>, то <tex>\bigcup\limits_{\alpha \in A} F_{\alpha} </tex> {{---}} замкнуто  
# <tex> F_1 \dots F_n </tex> - замкнуты <tex> \Rightarrow \bigcap\limits_{j = 1}^n F_j </tex> - замкнуто
+
# Если <tex>F_1 \dots F_n </tex> {{---}} замкнуты, то <tex> \Rightarrow \bigcap\limits_{j = 1}^n F_j </tex> {{---}} замкнуто
  
 
==Пределы(если кто знает, как адекватнее назвать, назовите)==  
 
==Пределы(если кто знает, как адекватнее назвать, назовите)==  

Версия 07:16, 21 ноября 2010

Эта статья находится в разработке!

Метрика и метрическое пространство

Пусть X — абстрактное множество.

[math] X \times X = \{ (x_1, x_2): x_i \in X \} [/math] — прямое произведение множества X на себя


Определение:
Отображение [math] \rho : X \times X \rightarrow \mathbb{R^+} [/math] — называется метрикой на X, если выполняются аксиомы
  1. [math] \rho (x, y) \ge 0 ;\ \rho (x, y) = 0 \iff x = y [/math]
  2. [math] \rho (x, y) = \rho (y, x) [/math]
  3. [math] \rho (x, y) \le \rho (x, z) + \rho (z, y) [/math] — неравенство треугольника


Если на X определена метрика, то пара [math](X, \rho)[/math] называется метрическим пространством, аббревиатура — МП.

Примеры

Числовая ось: [math] X = \mathbb{R}; x, y \in X \Rightarrow \rho (x, y) = |x - y| [/math]

[math] X = R^n = \underbrace{R \times R \times \dots \times R}_{n} ; \overrightarrow{x} = (x_1, \dots, x_n) [/math]

  1. [math] \rho_1 (x, y) = \sum\limits_{k = 1}^n |x_k - y_k| [/math]
  2. [math] \rho_2 (x, y) = \max\limits_{k = 1 \dots n} |x_k - y_k| [/math]

То есть, одно и то же множество можно по-разному превращать в метрическое пространство.

Открытые шары

Для метрических пространств основное значение имеют открытые шары.


Определение:
Пусть [math] (X, \rho) [/math] — метрическое пространство, пусть [math]\ \ r \in \mathbb{R},\ r \gt 0,\ a \in X [/math], тогда открытый шар радиуса [math]\ r\ [/math] в точке [math]\ a\ [/math] — это множество [math] V_r(a) = \{x \in X| \rho(x, a) \lt r \} [/math]


Пример

[math] X = R: V_r(a) = (a - r; a + r) [/math]

Свойства шаров

Теорема (Основное свойство шаров):
Пусть [math] b \in V_{r1}(a_1) \cap V_{r2}(a_2)[/math]. Тогда [math] \exists r \gt 0:\ V_r(b) \subset \ V_{r1}(a_1) \cap V_{r2}(a_2)[/math]
Простым языком: Если два открытых шара пересекаются, то существует открытый шар, лежащий в их пересечении.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Замечание: для X = R это очевидно(переcечение двух интервалов есть интервал).

Пусть [math] y \in V_{r}(b)[/math]
[math] \rho (b, a_j) \lt r_j, j = 1,2 [/math]
[math] \exists r \gt 0: \rho (y, b) \lt r \Rightarrow \rho (y, a_j) \lt r_j, j = 1,2.[/math]
  1. [math] \rho (y, a_1) \le \rho (y, b) + \rho (b, a_1) \lt r_1 \Rightarrow \rho (y, b) \lt r_1 - \rho(b, a_1) = d_1,\ d_1 \gt 0 [/math]
  2. [math] \rho (y, a_2) \le \rho (y, b) + \rho (b, a_2) \lt r_2 \Rightarrow \rho (y, b) \lt r_2 - \rho(b, a_2) = d_2,\ d_2 \gt 0 [/math]
[math] r = min(d_1, d_2) \Rightarrow \rho(y, b) \lt r \Rightarrow y[/math] войдет в оба шара
[math]\triangleleft[/math]

Открытые множества

Определение:
Множество [math] G \subset X [/math] называется открытым в метрическом пространстве, если его можно записать как некоторое объединение открытых шаров (в общем случае объединение может состоять из несчетного числа шаров).
[math] \tau [/math] — класс открытых множеств.
[math] \tau [/math] = { G — открытые в МП [math](X, \rho)[/math] }


Свойства открытых множеств

  1. [math] X, \varnothing \in \tau [/math] — все пространство и пустое множество открыты
  2. [math] G_{\alpha} \in \tau, \alpha \in A \Rightarrow \bigcup\limits_{\alpha \in A} \in \tau [/math] — очевидно
  3. [math] G_1 \dots G_n \in \tau \Rightarrow \bigcap\limits_{j = 1}^n G_j \in \tau [/math]

Доказательство свойства 3:

[math] G_1 = \bigcup\limits_{\alpha}V_{\alpha}; G_2 = \bigcup\limits_{\beta}V_{\beta} [/math]
[math] G_1 \cap G_2 = \bigcup\limits_{\alpha, \beta}(V_{\alpha} \cap V_{\beta}) [/math]
По основному свойству шаров : [math] b \in V_\alpha \cap V_\beta \Rightarrow \exists V(b) \subset V_\alpha \cap V_\beta [/math]
Следовательно [math] V_{\alpha} \cap V_{\beta} [/math] — объединение открытых шаров [math] \Rightarrow G_1 \cap G_2 [/math] — тоже объединение открытых шаров [math] \Rightarrow G_1 \cap G_2 \in \tau[/math] по 2 свойству.

Класс [math] \tau [/math] называется (метрической) топологией на множестве X.

Если в X выделен класс множеств [math] \tau [/math], удовлетворяющий всем трем свойствам, то пара [math](X, \tau)[/math] называется топологическим пространством(ТП). В этом смысле МП — частный случай ТП.

Замкнутые множества

Множество F называется замкнутым в МП[math](X, \rho)[/math], если [math] \overline F = X \backslash F [/math] - открыто.

Применяя закон де Моргана, видим что класс открытых множеств [math] \tau [/math] двойственен классу замкнутых множеств.

Свойства замкнутых множеств

  1. [math] X, \varnothing [/math] — замкнуты
  2. Если [math]\ F_{\alpha} [/math] — замкнуто [math]\forall \alpha \in A [/math], то [math]\bigcup\limits_{\alpha \in A} F_{\alpha} [/math] — замкнуто
  3. Если [math]\ F_1 \dots F_n [/math] — замкнуты, то [math] \Rightarrow \bigcap\limits_{j = 1}^n F_j [/math] — замкнуто

Пределы(если кто знает, как адекватнее назвать, назовите)

Определение:
[math] x_n \rightarrow x [/math] в МП[math](X, \rho)[/math], если [math]\lim\limits_{n \rightarrow \infty} \rho(x_n, x) = 0[/math] , или [math]\forall \varepsilon \gt 0, \exists N \in \mathbb{N}, \forall n \gt N \Rightarrow \rho(x_n, x) \lt \varepsilon [/math]

[math] V_\varepsilon(x) = \{ y: \rho(y, x) \lt \varepsilon \} [/math]

[math]\lim\limits_{n \rightarrow \infty} x_n = x: \forall \varepsilon \gt 0, \exists N \in \mathbb{N}, \forall n \gt N: x_n \in V_\varepsilon(x)[/math]

Теорема (Единственность предела):
[math] x_n \rightarrow x', x_n \rightarrow x'' [/math] в МП[math](X, \rho) \Rightarrow x' = x'' [/math]
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

[math] \rho(x', x'') \lt = \rho(x', x) + \rho(x'', x) \Rightarrow \rho(x', x'') = 0; x' = x'' [/math]

На самом деле, этот факт - свойство МП, состоящее в выполении в нем аксиомы отделимости Хаусдорфа:(в конспектах везде "о делимости", но, погуглив, понятно что это бред) Пусть [math] (X, \tau) [/math] - ТП, тогда если [math] \forall a \ne b: \exists G_1, G_2 \in \tau :[/math]

  1. [math] G_1 \cap G_2 = \varnothing [/math]
  2. [math] a \in G_1; b \in G_2 [/math]

, то в таком ТП выполнима аксиома отделимости Хаусдорфа.

Частный случай на МП:

[math] (X, \rho), a \ne b, \rho(b, a) \gt 0: r = \frac 1 3 \rho(a, b); V_r(a) \cap V_r(b) = \varnothing [/math] , ч.т.д.
[math]\triangleleft[/math]