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度量空间

以下内容由 DeepSeek v3.2 Speciale 辅助整理

1. 度量空间的定义及例子

定义(度量)

设 为集合, 是映射。若满足以下四条公理:

  1. 非负性:;
  2. 非退化性:;
  3. 对称性:;
  4. 三角不等式:,

则称 是 上的一个度量(或距离),并称序对 为度量空间。在不引起混淆时,也简称 为度量空间。

若 ,则 限制在 上也是 上的度量,此时 称为 的子空间。

常见例子

  • 数集:,。
  • 上的 -度量:对 ,; 时,。
  • 连续函数空间: 上定义 。
  • 离散度量空间:。
  • 数列空间:
    • :所有数列,;
    • :有界数列,;
    • ():-阶可和数列,。
  • 乘积空间: 的乘积 上可定义 。

Hölder 不等式和 Minkowski 不等式

定理 1.1 (Hölder 不等式) 设 且 ,,,则 且 当 时也有类似不等式:若 ,则

定理 1.2 (Minkowski 不等式) 设 ,,则 Minkowski 不等式保证了 满足三角不等式,从而 是度量空间。

广义三角不等式

由度量公理可推出:,

2. 开集和闭集

设 为度量空间。

球

  • 开球:,其中 , 。
  • 闭球:。
  • 球面:。

内点、内部、开集

  • 内点: 称为 的内点,若存在 使得 。
  • 内部: 称为 的内部。
  • 开集:若 ,则称 是开集。

开集的性质

  1. 和 是开集。
  2. 任意多个开集的并是开集。
  3. 有限多个开集的交是开集。

闭集

  • 闭集: 称为闭集,如果其补集 是开集。

闭集的性质

  1. 和 是闭集。
  2. 任意多个闭集的交是闭集。
  3. 有限多个闭集的并是闭集。

聚点、导集、闭包

  • 聚点: 称为 的聚点,如果 ,有 。
  • 导集: 称为 的导集。
  • 闭包: 称为 的闭包。

定理 2.1 设 是度量空间,,则

  1. 当且仅当存在序列 使得 。
  2. 是闭集当且仅当 ,也当且仅当对于任意收敛序列 ,若 ,则 。
  3. 是包含 的最小闭集。

连续映射

设 是度量空间,映射 。

  • 连续映射:称 在 处连续,若 ,当 时,有 。若 在 上每一点都连续,则称 是连续映射。

连续映射的等价刻画:

  • 连续 对于 中任意开集 ,其原像 是 中的开集。
  • 连续 对于 中任意闭集 ,其原像 是 中的闭集。

稠密与可分

  • 稠密: 称为稠密的,如果 。等价地, 使得 。
  • 可分: 称为可分的,如果存在可数子集 且在 中稠密。

性质:若 可分,则其任意子空间 (赋予子空间度量)也是可分的。

3. 收敛性、完备性及紧性

收敛序列

  • 收敛:序列 收敛于 ,若 ,记作 。

收敛与闭包的关系已在定理 2.1 中给出。

柯西列与完备性

  • 柯西列:序列 称为柯西列,如果 ,使得当 时,有 。
  • 完备:若 中每个柯西列都收敛(收敛到 中的点),则称 是完备的度量空间。

定理 3.1 设 是完备度量空间,,则

  • 若 完备,则 是 中的闭集。
  • 反之,若 是闭集,则 完备。

等价度量

  • 等价度量:设 和 是集合 上的两个度量。如果存在常数 使得 则称 和 是等价的。

等价度量产生相同的开集、闭集、收敛序列和连续映射。

紧性

  • 紧度量空间:度量空间 称为紧的,如果 中任意序列都有收敛子列(子列收敛到 中的点)。
  • 紧集: 称为紧集,如果子空间 是紧的。
  • 相对紧集: 称为相对紧的,如果 是紧集(等价地, 中任意序列都有在 中收敛的子列)。

-网与完全有界性

  • -网:设 ,。若对任意 ,存在 使得 ,即 ,则称 是 的一个 -网。
  • 完全有界集: 称为完全有界的,如果对任意 ,存在 的有限 -网。

完全有界集必是有界集。

定理 3.2(紧集的性质)设 是度量空间。

  1. 若 是紧集,则 是有界闭集。
  2. 若 是紧空间,则 是紧集当且仅当 是闭集。
  3. 相对紧 紧。
  4. 完全有界 中任意序列都有柯西子列。
  5. 若 相对紧,则 完全有界;反之,若 完备且 完全有界,则 相对紧。
  6. 是紧集当且仅当 完备且完全有界。

最佳逼近元

  • 最佳逼近元:设 ,。若存在 使得 则称 为 在 中的最佳逼近元。

4. Banach 不动点定理及其应用

压缩映射

  • 压缩映射:设 是度量空间,映射 。若存在常数 满足 ,使得 则称 是( 上的)压缩映射, 称为压缩系数。

Banach 不动点定理(压缩映射原理)

定理 4.1 (Banach 不动点定理) 设 是非空完备度量空间, 是压缩映射,则 在 中存在唯一的不动点,即存在唯一的 使得 。而且,对任意初始点 ,迭代序列 收敛到 ,其中 表示 的 次复合。

定理 4.2 设 是非空完备度量空间,。若存在正整数 使得 是压缩映射,则 有唯一的不动点。