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) 设 是非空集合,函数 称为 上的度量(或距离函数),如果它满足:
- 非负性与同一性:
- 对称性:
- 三角不等式:
称 为度量空间。
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) 在 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) 在 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) 设 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) 设 是度量空间。称集合 为开集,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) 设 是度量空间,。 的开核(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)
- 是包含在 中的最大开集
- 是开集当且仅当
闭包
定义 2.3.2(闭包) 设 是度量空间,。 的闭包定义为:
等价地, 是包含 的最小闭集。
定理 2.3.2(闭包的性质)
- 是闭集当且仅当
导集(聚点集)
定义 2.3.3(聚点与导集) 设 是度量空间,,。
- 称 为 的聚点(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 的导集,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。
设 ,则 的每个邻域与 相交。
- 若 ,则
- 若 ,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 设 是度量空间,。以下条件等价:
- 是开集
- 对任意 ,存在 使得
- 可以表示为开球的并集
闭集的等价刻画
定理 2.4.2 设 是度量空间,。以下条件等价:
- 是闭集
- 包含其所有聚点
- 是开集
2.5 重要概念补充
稠密集
定义 2.5.1(稠密集) 设 是度量空间,。称 在 中稠密,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: 设 ,则 。
令 。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: 设 ,则 的每个邻域都与 相交。
因为 且 ,所以 的每个邻域都与 相交,也都与 相交。
因此 且 ,即 。
反例: 在 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: 设 ,则 的每个邻域都包含 中异于 的点。
若 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 。
若 的每个邻域都与 和 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: 设 ,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 设 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:
设 ,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:
设 ,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 在 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。