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第二章:度量空间基础

度量空间是拓扑学和分析学的重要概念,它为抽象的拓扑概念提供了具体的"距离"内涵。在度量空间中,我们可以精确地测量点与点之间的"距离",这使得许多几何直观在抽象空间中得以保持。

2.1 度量空间的定义

距离的抽象化

在日常生活中,我们习惯用尺子测量两点间的距离。度量函数就是这个概念的数学抽象。

定义 2.1.1(度量函数) 是非空集合,函数 称为 上的度量(或距离函数),如果它满足:

  1. 非负性与同一性
  2. 对称性
  3. 三角不等式

度量空间

几何直观

  • 非负性:距离总是非负的,相同的点距离为0
  • 对称性:从A到B的距离等于从B到A的距离
  • 三角不等式:直线距离最短,绕道会增加距离

经典的度量空间例子

例 2.1.1(欧几里得空间) 上,欧几里得度量定义为:

例 2.1.2(离散度量) 在任意集合 上,离散度量定义为:

例 2.1.3(-度量) 上,-度量()定义为:

特别地:

  • :曼哈顿度量
  • :欧几里得度量
  • :上确界度量

2.2 度量空间中的拓扑概念

开球与闭球

定义 2.2.1(开球与闭球) 是度量空间,

  • 开球
  • 闭球
  • 球面

注意

在一般度量空间中,闭球不一定是开球的闭包!例如在离散度量空间中。

度量诱导的拓扑

定义 2.2.2(度量拓扑) 是度量空间。称集合 开集,如果对任意 ,存在 使得

所有开集构成的集合族记为 ,称为由度量 诱导的拓扑

定理 2.2.1 确实构成 上的一个拓扑。

证明思路: 需要验证拓扑的三个公理。关键是利用开球的性质来证明开集族对并和有限交运算封闭。

2.3 开核、闭包与导集

开核(内部)

定义 2.3.1(开核) 是度量空间,开核(或内部)定义为:

理解

开核是集合 中所有"内点"构成的集合。内点就是那些"完全被 包围"的点。

定理 2.3.1(开核的性质)

  1. 是包含在 中的最大开集
  2. 是开集当且仅当

闭包

定义 2.3.2(闭包) 是度量空间,闭包定义为:

等价地, 是包含 的最小闭集。

定理 2.3.2(闭包的性质)

  1. 是闭集当且仅当

导集(聚点集)

定义 2.3.3(聚点与导集) 是度量空间,

  • 聚点(或极限点),如果 的每个邻域都包含 中异于 的点
  • 的所有聚点构成的集合称为 导集,记为

定理 2.3.3(闭包与导集的关系)

证明: 需要证明两个包含关系。

,则 的每个邻域与 相交。

  • ,则
  • ,则 的每个邻域都包含 中异于 的点,所以

显然 。若 ,则 的每个邻域与 相交,故

2.4 度量空间中开集和闭集的刻画

开集的等价刻画

定理 2.4.1 是度量空间,。以下条件等价:

  1. 是开集
  2. 对任意 ,存在 使得
  3. 可以表示为开球的并集

闭集的等价刻画

定理 2.4.2 是度量空间,。以下条件等价:

  1. 是闭集
  2. 包含其所有聚点
  3. 是开集

2.5 重要概念补充

稠密集

定义 2.5.1(稠密集) 是度量空间,。称 稠密,如果

例 2.5.1 有理数集 在实数集 中稠密。

可分空间

定义 2.5.2(可分空间) 度量空间 称为可分的,如果它包含一个可数的稠密子集。

连通性

定义 2.5.3(连通空间) 度量空间 称为连通的,如果它不能表示为两个非空不相交开集的并。

2.6 经典例题与证明

例题1:开球是开集

例题 2.6.1 证明:在度量空间中,开球 是开集。

证明:,则

。我们证明

对任意 ,有 。由三角不等式:

因此 ,所以

这证明了 是开集。

例题2:闭包的性质

例题 2.6.2 证明:在度量空间中,,并举例说明等号不一定成立。

证明:,则 的每个邻域都与 相交。

因为 ,所以 的每个邻域都与 相交,也都与 相交。

因此 ,即

反例: 中,取 。 则 ,所以 。 但 ,所以

例题3:导集的性质

例题 2.6.3 证明:

证明:,则 的每个邻域都包含 中异于 的点。

的某个邻域 满足 ,则 。 由于 ,必有 ,所以

类似可证,若 的某个邻域与 不相交,则

的每个邻域都与 都相交,则

显然 ,所以 。类似地

2.7 练习题

练习 2.1 证明在离散度量空间中,每个子集都既是开集又是闭集。

💡 提示

在离散度量中, 当且仅当 ,否则 。考虑开球 的结构。

📝 答案

证明: 在离散度量空间 中,对任意 ,考虑开球

由于离散度量的定义:

因此 (单点集)。

每个子集都是开集:,对任意 ,有 。 因此 是开集。

每个子集都是闭集: 由于每个子集都是开集,所以每个子集的补集也是开集。 因此每个子集都是闭集。□

练习 2.2 是度量空间,。证明:

💡 提示

利用内部和闭包的定义,以及开集与闭集的对偶关系。证明两个包含关系。

📝 答案

证明:

第一个包含关系:

,则存在 使得 。 这意味着 。 因此 不是 的聚点,所以 ,即

第二个包含关系:

,则 。 由闭包的定义,存在 的邻域 使得 。 即存在 使得 ,因此 。 所以

综合两个包含关系,等式成立。□

练习 2.3 的欧几里得度量下,求下列集合的内部、闭包和导集:

💡 提示

对于 :这是开单位圆盘。对于 :这是可数集,考虑其聚点的位置。

📝 答案

对于 (开单位圆盘):

  • 内部:

    因为 本身就是开集。

  • 闭包:

    包括边界圆周

  • 导集:

    每个内部点和边界点都是聚点。

对于

  • 内部:

    因为 是可数集,任何点的邻域都包含不可数多个点不在 中。

  • 闭包:

    包括所有聚点。

  • 导集:

    坐标轴上的点 和原点 都是聚点。□

小结

本章介绍了度量空间的基础理论:

  • 度量函数:为抽象集合提供"距离"概念的函数
  • 度量拓扑:由度量诱导的拓扑结构
  • 开核与闭包:描述集合"内在"和"包围"特性的重要概念
  • 导集:刻画集合"聚集性"的工具

度量空间为拓扑概念提供了具体的几何内容,使得抽象的拓扑理论有了直观的解释。理解这些概念是学习分析学和拓扑学的重要基础。