§ 1.3. Метрика на множестве.
Пусть М - произвольное множество. Метрикой на множестве
M называется такая вещественная функция
, определенная на множестве всевозможных пар
элементов множества М:
: M M
R1, (x,y)
(x,y),
что выполнены четыре условия:
(1) функция
принимает только неотрицательные значения:
(x,y) 0
для любых х,y из М,
(2) (x,x) = 0 для любого элемента х из М, и если
(х,у) = 0, то
обязательно х = у,
(3) (x,y) = (y,x) для любых х,у из М
(4) (x,z)
(х,у) +
(y,z) для любых х, у, z из М.
Множество М с
фиксированной метрикой
называется метрическим
пространством и обозначается (М,
) или просто М, если ясно, о какой
метрике идет речь. элементы множества М называются точками
пространства (М,). Значение метрической функции
на паре элементов х, у называется
расстоянием между точками х, у. Условия (1) - (4) называются аксиомами метрики.
Они выражают основные свойства расстояния:
(1) Неотрицательность: расстояние между двумя точками всегда неотрицательно.
(2) Аксиома тождества: расстояние между двумя точками равно нулю тогда и только, когда точки совпадают.
(3) Симметричность: расстояние от точки х до точки у равно расстоянию от точки у до точки х.
(4) Условие (4) называется неравенством треугольника, поскольку
аналогично тому факту, что длина любой стороны треугольника меньше
суммы длин двух других его сторон.
Рассмотрим несколько простейших примеров метрических
пространств.
- Возьмем в качестве множества М множество всех вещественных
чисел. Определим метрику
по формуле
(x,y) = |x-y| для любы x,y M.
Легко убедиться в том, что функция
удовлетворяет свойствам (1)-( 4).
Это стандартная метрика на прямой.
Полученное таким образом метрическое пространство называется числовой прямой
и обозначается R1.
- Пусть M - произвольное множество. Определим метрику на M по
правилу: (x,y) = 0 при x = y, (x,y) = 1 при
x y. Полученная метрика называется дискретной метрикой на М.
- Пусть М - совокупность всех вещественных функций, определенных
и непрерывных на отрезке [а, b] числовой прямой R1. Введем в М метрику
, полагая для любых функций f(t) и g(t) из М, что
. Полученное таким образом метрическое
пространство (М,) называется пространствам непрерывных функций
и обозначается С [а,b].
Неограниченное количество дальнейших примеров дает следующий прием. Пусть (М,) - метрическое пространство и А - любое подмножество М.
Тогда А с той же функцией (х,у), которую мы теперь считаем определенной для
х и у из А, тоже является метрическим пространством (А,); оно называется подпространством пространства М.
Пусть М - метрическое пространство, а - его точка, r - положительное число.
Множество точек пространства М, удаленных от точки а на расстояние, не большее г, называется замкнутым шаром пространства М с
центром в точке а и радиусом r и обозначается символом Dr(a).
Множество точек, удаленных от точки а на расстояние, меньшее r, называется открытым шаром и обозначается
Br(a).
Множество точек, расположенных на расстоянии r от точки а, называется сферой и обозначается Sr(a)).
Таким образом,
.
Открытый шар радиуса ε > 0 с центром в данной точке часто называется ε-окрестностью этой точки.
В метрическом пространстве (М, ) естественно вводятся понятия,
обобщающие начальные понятия математического анализа. Отображение
, множества натуральных чисел N в метрическое пространство М называется
последовательностью точек этого пространства и обозначается {xn}.
Говорят, что последовательность {xn}
сходится к точке а (имеет предел а), если для всякого ε > 0 найдется натуральное число
n0=n0(ε) такое, что (а,xn) < ε для всех
. То есть во всякой ε-окрестности точки а содержатся все точки
последовательности {xn}, начиная с некоторого номера n0(ε).
Опишем теперь некоторую выделенную топологическую структуру, которая существует во всяком метрическом
пространстве М. Пусть Ω(М) -семейство всех множеств U, которые вместе с каждой своей точкой х содержат некоторую
ее шаровую окрестность, то есть
.
 Пустое множество тоже считается принадлежащим семейству Ω(М).
Теорема 1.2 Для совокупности Ω(М) выполнены аксиомы топологического пространства.
Доказательство. Аксиома (а) очевидна. Все пространство М принадлежит совокупности Ω(М),
так как с каждой своей точкой содержит все ее шаровые окрестности. Пустое множество
тоже принадлежит совокупности Ω(М). Проверим аксиому (б). Пусть
- произвольное семейство множеств из совокупности Ω(М).
Чтобы доказать, что их объединение
тоже принадлежит Ω(М), найдем для произвольной точки
некоторую ее шаровую окрестность V,
содержащуюся в .
Так
как точка для некоторого α'из I,
то найдется шаровая окрестность V этой точки, принадлежащая множеству Ua'.
Тем более, V содержится во множестве и, значит,
является искомой. Для проверки аксиомы (в)
рассмотрим произвольное конечное семейство множеств из Ω(М) и
докажем, что пересечение , тоже принадлежит Ω(М). Фиксируем
произвольную точку .
Пусть множество Ui
содержит εi-окрестность точки а. Обозначим .
Тогда ε-окрестность точки а содержится в каждом множестве Ui и,
следовательно, в их пересечении . Теорема доказана.
Мы проверили, что совокупность Ω(M) задает топологию на множестве М,
которая называется метрической топологией.
О метрической топологии часто говорят как о топологии, которую порождает метрика.
Пусть (X,Ω) - топологическое пространство. Если топология Q, порождается некоторой метрикой во множестве X,
то топологическое пространство (X,Ω) называется метризуемым. Две метрики, порождающие одну и ту же топологию, называются
эквивалентными.
|