Metrikus tér
A metrikus tér olyan halmaz , amelyben bármely elempár között távolság van meghatározva .
Definíciók
A metrikus tér egy pár , ahol egy halmaz, és egy numerikus függvény, amely a derékszögű szorzaton van definiálva , értéket vesz fel a nem negatív valós számok halmazában, és olyan, hogy
- ( identitás axiómája ).
- ( szimmetria-axióma ).
- ( háromszög axióma vagy háromszög egyenlőtlenség ).
Ahol
- a halmazt a metrikus tér mögöttes halmazának nevezzük .
- a halmaz elemeit a metrikus tér pontjainak nevezzük .
- a függvényt metrikának nevezzük .
Jegyzetek
- Az axiómákból következik, hogy a távolságfüggvény nem negatív, hiszen
.
- Ha a háromszög egyenlőtlenséget úgy ábrázoljuk
mindenkinek , és _
akkor az azonosság axiómájából és a háromszög egyenlőtlenségből következik a szimmetriaxióma.
- Ezek a feltételek intuitív elképzeléseket fejeznek ki a távolság fogalmáról, ezért távolság-axiómáknak nevezik őket . [1] Például, hogy a különböző pontok közötti távolság pozitív, és a távolság -tól megegyezik a -tól -ig terjedő távolsággal . A háromszög-egyenlőtlenség azt jelenti, hogy a távolság -tól -ig nem kisebb, mint egyenes -tól -ig .
Jelölés
A pontok közötti távolságot és a metrikus térben általában vagy jelöli .
- A metrikus geometriában a vagy jelölést fogadjuk el , ha hangsúlyozni kell, hogy ról van szó . A és a szimbólumokat is használják (annak ellenére, hogy a pontok kifejezésének nincs értelme ).
- A klasszikus geometriában a vagy jelölések elfogadottak (a pontokat általában latin nagybetűkkel jelölik).
Kapcsolódó definíciók
- A különböző metrikus terek közötti bijekciót , amely megőrzi a távolságokat, izometriának nevezzük ;
- Ebben az esetben a és tereket
izometrikusnak nevezzük .
Ha , és -re , akkor azt mondjuk, hogy a következőhöz konvergál : [2] .
Ha a halmaz egy részhalmaza , akkor a metrika halmazra való korlátozását figyelembe véve egy metrikus teret kaphatunk , amelyet a tér alterének nevezünk .
Egy metrikus teret akkor nevezünk teljesnek , ha bármely alapvető sorozat ennek a térnek valamely eleméhez konvergál.
- Az on metrikát belsőnek nevezzük, ha bármely két pont és in összekapcsolható egy görbével, amelynek hossza tetszőlegesen közel van -hez .
- Egy teret geodéziainak nevezünk, ha bármely két pont és in összeköthető egy görbével, amelynek hossza egyenlő .
- Bármely metrikus térnek természetes topológiája van , amely nyitott golyók halmazán , azaz a következő típusú halmazokon alapul:
ahol egy pont és egy pozitív valós szám, amelyet a labda sugarának neveznek. Más szóval, egy halmaz nyitott, ha bármely pontjával együtt egy nyitott labdát tartalmaz, amelynek középpontja az adott pont.
- Két metrikát, amelyek ugyanazt a topológiát határozzák meg , egyenértékűnek mondják .
- Az így nyerhető topológiai teret metrizálhatónak mondjuk .
- Egy pont és egy részhalmaz távolságát a következő képlet határozza meg:
.
Ezután csak akkor, ha
a lezáráshoz tartozik .
Példák
A leképezések konvergenciája ehhez a mérőszámhoz képest megegyezik a teljes térben való egyenletes konvergenciájukkal .
Abban a konkrét esetben, amikor egy kompakt tér és egy valós egyenes, akkor megkapjuk az összes folytonos függvények terét egy téren az egyenletes konvergencia metrikájával.
- Legyen , , a függvények terei az intervallumon , rendre Lebesgue integrálható, Riemann integrálható és folytonos. Ezekben a távolság a következő képlettel határozható meg:
Ahhoz, hogy ez a függvény metrikává váljon, az első két térben olyan függvényeket kell azonosítani, amelyek különböznek a
0 mértékhalmazon . Ellenkező esetben ez a függvény csak félmetrikus lesz. (Az intervallumon folytonos függvények terében a 0 mértékhalmazon eltérő függvények amúgy is egybeesnek.)
- A folyamatosan differenciálható függvények időterében a mérőszámot a következő képlet vezeti be:
,
ahol az egyenletes konvergencia mutatója (lásd fent).
- A távolságfüggvény definiálásával bármely normált tér metrikussá alakítható
.
egy metrika, amely ugyanazt a
topológiát határozza meg . ( Tetszőleges , szigorúan
pozitív számok összegzhető sorozatával helyettesíthető .)
- Bármely összekapcsolt Riemann-sokaság metrikus térré alakítható, ha a távolságot a pontpárt összekötő utak hosszának legkisebb értékének definiáljuk.
- Bármely összefüggő gráf csúcsainak halmaza metrikus térré alakítható, ha a távolságot a csúcsokat összekötő útvonal minimális élszámaként határozzuk meg. Általánosabban fogalmazva, ha a gráf minden éléhez pozitív szám (élhossz) van hozzárendelve, akkor a csúcsok közötti távolság az egyik csúcstól a másikig tartó tetszőleges útvonal mentén az élhosszak minimális összegeként definiálható.
- Az előző példa speciális esete az úgynevezett francia vasúti mérőszám , amelyet gyakran hivatkoznak egy olyan mérőszámra, amelyet nem a norma generál .
- A grafikonszerkesztési távolság határozza meg a grafikonok közötti távolságfüggvényt .
- Bármely metrikus tér kompakt részhalmazai metrikus térré tehetők, ha a távolságot az úgynevezett Hausdorff-metrikával határozzuk meg . Ebben a metrikában két részhalmaz közel van egymáshoz, ha az egyik halmaz bármely pontjára lehetséges egy közeli pontot találni a másik részhalmazban. Íme a pontos meghatározás:
.
Konstrukciók
- A metrikus terek derékszögű szorzata sokféleképpen felruházható egy metrikus tér szerkezetével, például:
Ezek a mutatók egyenértékűek egymással.
Tulajdonságok
- Egy metrikus tér akkor és csak akkor kompakt , ha tetszőleges pontsorozatból lehetséges konvergens részsorozatot választani (szekvenciális tömörség).
- Előfordulhat, hogy a metrikus térnek nincs megszámlálható bázisa , de mindig kielégíti a megszámlálhatóság első axiómáját – minden pontban van megszámlálható bázisa.
- Sőt, minden metrikus térben található kompakt készletnek megszámlálható szomszédsági bázisa van.
- Sőt, minden metrikus térben van olyan bázis, hogy a tér minden pontja csak elemeinek megszámlálható halmazához tartozik - egy pontszámlálható bázishoz (de ez a tulajdonság még parakompaktság és Hausdorffness jelenlétében is gyengébb a metrizálhatóságnál ).
- a rövid leképezésű metrikus terek egy kategóriát alkotnak , általában Met -nek jelölik .
Változatok és általánosítások
- Egy adott halmaz esetén egy függvényt pszeudometrikusnak vagy szemimetrikusnak nevezünk , ha bármely pontja megfelel a következő feltételeknek
:
- ;
- ( szimmetria );
- ( háromszög egyenlőtlenség ).
Vagyis a metrikától eltérően a különböző pontok nulla távolságra lehetnek. A pszeudometria természetesen meghatároz egy metrikát a
hányadostéren , ahol .
- Egy adott halmaz esetén egy függvényt kvázimetrikának nevezünk , ha bármely pontra , , teljesíti a következő feltételeket:
- ;
- ( kvázi-szimmetria );
- (általánosított háromszög egyenlőtlenség).
- Egy tér metrikáját ultrametrikusnak nevezzük, ha kielégíti az erős háromszög egyenlőtlenséget :
Mindenkinek , és . _
- Néha célszerű figyelembe venni -metrics , azaz értékekkel rendelkező mérőszámokat . Bármely -metrikához létre lehet hozni egy véges metrikát, amely ugyanazt a topológiát határozza meg. Például,
vagy
Ezenkívül egy ilyen tér bármely pontjára a tőle véges távolságra lévő pontok halmaza egy közönséges metrikus teret alkot, amelyet metrikus komponensnek neveznek . Konkrétan minden -metrikus teret tekinthetünk közönséges metrikus terek halmazának, és a különböző terekben lévő bármely pontpár közötti távolság definiálható .
- Néha a kvázimetrikát olyan függvényként határozzák meg, amely kielégíti egy metrika összes axiómáját, a szimmetria kivételével [3] [4] . Ennek az általánosításnak a neve még nem teljesen kidolgozott [5] . Smith [4] könyvében „szemimetriának” nevezi őket. Ugyanezt a kifejezést gyakran használják a metrikák két másik általánosítására is.
- ( pozitívum )
- ( pozitív határozottság )
- d ( x , y ) = d ( y , x )( a szimmetria áthúzva)
- ( háromszög egyenlőtlenség )
A kvázimetrikák példáival a való életben is találkozhatunk. Például egy hegyi falvak halmaza esetén az elemek közötti gyaloglási idő kvázi metrikát képez, mivel a felfelé haladás tovább tart, mint a lefelé járás. Egy másik példa az egyirányú utcákkal rendelkező várostömbök topológiája, ahol a ponttól pontig tartó út
eltérő utcakészletből áll, mint a tól ig tartó út .
- A metametriában a metrika összes axiómája érvényes, kivéve, hogy az azonos pontok közötti távolság nem feltétlenül nulla. Más szavakkal, a metametriák axiómái a következők:
- ebből következik (de nem fordítva.)
- .
A metametria megjelenik a
Gromov-féle hiperbolikus metrikus terek és határaik vizsgálatában. Az ilyen téren lévő vizuális metametria kielégíti a határon lévő pontok egyenlőségét , de egyébként megközelítőleg egyenlő a határtól való távolsággal . A metametriát először Jussi Väisälä határozta meg
[6] .
- Az utolsó három axióma gyengülése egy premetrika fogalmához vezet , vagyis egy olyan függvényhez, amely kielégíti a feltételeket:
A kifejezés nem ülte meg, néha más metrikák általánosítására is használják, mint például a pszeudoszemimetria
[7] vagy a pszeudometrika
[8] . Az orosz nyelvű irodalomban (és az orosz fordításokban) ez a kifejezés néha "prametrikus"-ként jelenik meg
[9] [10] .
Bármely premetrika a következő módon vezet topológiához. Pozitív valós golyó esetén egy pontban középre állított -golyót a következőképpen határozzuk meg
. Egy halmazt nyitottnak nevezünk, ha a halmaz bármely pontjához létezik egy középpontú -golyó, amely a halmazban található. Bármely premetrikus tér topologikus tér, és valójában
szekvenciális tér . Általában maguknak a -golyóknak nem kell nyílt halmazoknak lenniük ennek a topológiának megfelelően. Ami a mérőszámokat illeti, a két és halmaz közötti távolság a következőképpen van meghatározva
.
Ez meghatároz egy premetrikot a premetrikus tér
logikai értékén. Ha egy (pszeudo-fél)metrikus térrel kezdünk, akkor egy ál-félmetrikát, azaz szimmetrikus premetrikot kapunk. Bármilyen premetrikus elvezetés
az előzáró operátorhoz :
.
- Az ál- , kvázi- és fél - előtagok kombinálhatók, például az álkvazimetrikus (néha hemimetrikusnak is nevezik ) gyengíti mind a megkülönböztethetetlenségi axiómát, mind a szimmetria-axiómát, és egyszerűen egy premetrika, amely kielégíti a háromszög-egyenlőtlenséget. Az álkvazimetrikus terek esetében a nyílt golyók képezik a nyílt halmazok alapját. A pszeudokvazimetrikus tér legegyszerűbb példája egy olyan halmaz , amelynek premetrikája olyan függvény által adott , hogy és . A kapcsolódó topológiai tér a Sierpinski tér .
A kiterjesztett pszeudokvazimetriával felszerelt halmazokat
William Lover "általánosított metrikus terekként" tanulmányozta
[11] [12] .
Kategorikus szempontból a kiterjesztett pszeudometrikus terek és a kiterjesztett pszeudokvazimetrikus terek a hozzájuk tartozó
nem bővülő leképezésekkel együtt teljesítenek a legjobban a metrikus terek kategóriáiban.
Tetszőleges szorzatokat és társtermékeket vehetünk, és egy adott kategóriával
hányados objektumot alkothatunk . Ha kihagyjuk a "kiterjesztett" szót, akkor csak véges termékeket és társtermékeket vehetünk fel. Ha a "pszeudo" ki van hagyva, a faktorobjektumok nem szerezhetők be.
A megközelítési terek olyan metrikus terek általánosítása, amelyek figyelembe veszik ezeket a jó kategorikus tulajdonságokat.
- Lineáris teret lineáris metrikus térnek nevezünk, ha az elemei közötti távolság adott, és az algebrai műveletek a metrikájában folytonosak, azaz [2] :
- Példa: Az összes összetett sorozat lineáris tere átalakítható lineáris metrikus térré, ha bevezetjük az elemei közötti távolságot a képlet segítségével:
- A hipermetrikus tér olyan metrikus tér, amelyben hipermetrikus egyenlőtlenségek érvényesülnek. vagyis
minden olyan pontra és egész számra , hogy .
[13]
- Vegye figyelembe, hogy és esetén a hipermetrikus egyenlőtlenség a szokásos háromszög-egyenlőtlenséggé válik
- Példa hipermetrikus térre: -space .
Történelem
Maurice Fréchet először a függvényterek figyelembevétele kapcsán vezette be a metrikus tér fogalmát [14] .
Jegyzetek
- ↑ Kudrjavcev L. D. Matematikai elemzés. II köt. - M., Felsőiskola , 1970. - p. 296
- ↑ 1 2 Kerin S. G. Funkcionális elemzés. - M., Nauka , 1972. - p. 22-24
- ↑ Steen, Seebach, 1995 .
- ↑ 12 Smyth , 1987 , p. 236–253.
- ↑ Rolewicz, 1987 .
- ↑ Väisälä, 2005 , p. 187–231.
- ↑ Buldygin, Kozachenko, 1998 .
- ↑ Helemsky, 2004 .
- ↑ Arkhangelsky, Fedorchuk, 1988 , p. harminc.
- ↑ Pereira, Aldrovandi, 1995 .
- ↑ Lawvere, 2002 , p. 1–37.
- ↑ Vickers, 2005 , p. 328–356.
- ↑ MM Deza, M. Laurent, Vágások és metrikák geometriája, Algorithms and Combinatorics, 15, Springer-Verlag, Berlin, 1997.
- ↑ Fréchet M. Sur quelques points du calcul fonctionnel. – Rendiconti del Circolo Matematico di Palermo. - 1906. - 22. - pp. 1-74.
Irodalom
- Burago D. Yu., Burago Yu. D., Ivanov S. V. A metrikus geometria tanfolyama. - 2004. - ISBN 5-93972-300-4 .
- Vasziljev N. Metrikus terek . — Kvantum . - 1990. - 1. sz.
- Vasziljev N. Metrikus terek . — Kvantum . - 1970. - 10. sz.
- Skvortsov V. A. Példák metrikus terekre // Mathematical Education Library Archivált : 2014. január 12. a Wayback Machine -nél . - 2001. - 9. szám.
- Schreider Yu. A. Mi a távolság? // " Népszerű matematikai előadások ". - M . : Fizmatgiz, 1963 - 38. szám. - 76 p.
- Lawvere, F. William (2002), Metrikus terek, általánosított logika és zárt kategóriák , Reprints in Theory and Applications of Categories (1. sz.): 1–37 , < http://tac.mta.ca/tac/reprints /articles/1/tr1.pdf > ; újranyomtatva Lawvere, F. William (1973) megjegyzéseivel, Metrikus terek, általánosított logika és zárt kategóriák , Rendiconti del Seminario Matematico e Fisico di Milano T. 43: 135–166 (1974) , DOI 10.1007/BF029248444
- Ruben Aldrovandi, JG Pereira. Bevezetés a geometriai fizikába ] . - Szingapúr: World Scientific, 1995. - 699 p. — ISBN 9810222327 . — ISBN 9789810222321 .
- Rolewicz, Stefan (1987), Funkcionális elemzés és szabályozás elmélet: Lineáris rendszerek , Springer , ISBN 90-277-2186-6
- Smyth, M. (1987), Kvázi egységességek: tartományok egyeztetése metrikus terekkel , Main, M.; Melton, A. & Mislove, M. et al., 3rd Conference on Mathematical Foundations of Programming Language Semantics , vol. 298, Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag, p. 236-253 , DOI 10.1007/3-540-19020-1_12
- Steen, Lynn Arthur és Seebach, J. Arthur Jr. (1995), Counterexamples in Topology , Dover , ISBN 978-0-486-68735-3
- Väisälä, Jussi (2005), Gromov hyperbolic spaces , Expositiones Mathematicae vol. 23 (3): 187–231, doi : 10.1016/j.exmath.2005.01.010 , < http://www.helsinki.fi/~jvaisala/ grobok.pdf >
- Vickers, Steven (2005), Generalizált metrikus terek lokális kiegészítése, I , Theory and Applications of Categories 14. kötet (15): 328–356 , < https://www.tac.mta.ca/tac/volumes/14 /15/14-15abs.html > Archiválva : 2021. április 26. a Wayback Machine -nél
- Arkhangelsky A. V. , Fedorchuk V. V. A tudomány és a technológia eredményei. A matematika modern problémái. alapvető irányok. 17. évfolyam - VINITI , 1988. - 232 p.
- Buldygin VV, Kozachenko Yu. V. Valószínűségi változók és folyamatok metrikus jellemzői. - K. : TViMS, 1998. - 290 p.
- Helemsky A. Ya. Előadások a funkcionális elemzésről . - Moszkva: MTSNMO , 2004. - ISBN 5-94057-065-8 . (Orosz)
Linkek