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习题 1.25

为定义在 上的所有有界函数. 若 , 定义 求证:

  1. 上的度量;

  2. 赋子度量 的闭集;

  3. 为不可分度量空间;

  4. 为完备度量空间.

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

1. 上的度量

任取

  • 非负性: 对所有 成立,故 。若 ,则 ;反之,若 ,则对每个 ,即 ,故
  • 对称性:
  • 三角不等式:对任意 两边取上确界得

因此 上的度量。


2. 的闭集

,即 。则 一致收敛于 。由数学分析中的经典结论:一致收敛的连续函数序列的极限函数连续,故 。下面给出严格证明:

任取 ,存在 使得 。取定 ,由于 连续,存在 使得当 。于是当 时, 连续,因此 。所以 的闭子集。


3. 为不可分度量空间

假设 可分,则存在可数稠密子集 。构造一簇不可数个函数:对每个 ,定义 显然 ,且当 时,,故

因为 稠密,对每个 可选 使得 。若 ,则 从而 。于是 是从不可数集 到可数集 的单射,矛盾。因此 不可分。


4. 为完备度量空间

中的 Cauchy 序列,即对任意 ,存在 使得当 。于是对每个固定的 中的 Cauchy 序列,从而收敛。定义函数

先证 一致收敛于 。对上述 ,令 因此 ,即 。故

再证 有界。取 ,存在 使 ,于是

综上所述, 中的每个 Cauchy 序列都收敛于 中元素,所以 是完备度量空间。