设 B[a,b] 为定义在 [a,b] 上的所有有界函数. 若 x,y∈B[a,b], 定义
d∞(x,y)=t∈[a,b]sup∣x(t)−y(t)∣.
求证:
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d∞ 为 B[a,b] 上的度量;
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C[a,b] 赋子度量 d∞ 为 B[a,b] 的闭集;
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B[a,b] 为不可分度量空间;
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B[a,b] 为完备度量空间.
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
1. d∞ 为 B[a,b] 上的度量
任取 x,y,z∈B[a,b]。
- 非负性:∣x(t)−y(t)∣≥0 对所有 t∈[a,b] 成立,故 d∞(x,y)=supt∣x(t)−y(t)∣≥0。若 x=y,则 supt∣x(t)−y(t)∣=0;反之,若 d∞(x,y)=0,则对每个 t 有 ∣x(t)−y(t)∣=0,即 x(t)=y(t),故 x=y。
- 对称性:d∞(x,y)=supt∣x(t)−y(t)∣=supt∣y(t)−x(t)∣=d∞(y,x)。
- 三角不等式:对任意 t∈[a,b],
∣x(t)−z(t)∣≤∣x(t)−y(t)∣+∣y(t)−z(t)∣≤d∞(x,y)+d∞(y,z).
两边取上确界得 d∞(x,z)≤d∞(x,y)+d∞(y,z)。
因此 d∞ 是 B[a,b] 上的度量。
2. C[a,b] 为 B[a,b] 的闭集
设 {xn}⊂C[a,b] 且 xn→x 于 (B[a,b],d∞),即 d∞(xn,x)→0。则 {xn} 一致收敛于 x。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 x∈C[a,b]。下面给出严格证明:
任取 t0∈[a,b],ε>0,存在 N 使得 n≥N 时 d∞(xn,x)<ε/3。取定 n=N,由于 xN 连续,存在 δ>0 使得当 ∣t−t0∣<δ 时 ∣xN(t)−xN(t0)∣<ε/3。于是当 ∣t−t0∣<δ 时,
∣x(t)−x(t0)∣≤∣x(t)−xN(t)∣+∣xN(t)−xN(t0)∣+∣xN(t0)−x(t0)∣<3ε+3ε+3ε=ε.
故 x 在 t0 连续,因此 x∈C[a,b]。所以 C[a,b] 是 B[a,b] 的闭子集。
3. B[a,b] 为不可分度量空间
假设 B[a,b] 可分,则存在可数稠密子集 D⊂B[a,b]。构造一簇不可数个函数:对每个 r∈[a,b],定义
xr(t)={1,0,t=r,t=r.
显然 xr∈B[a,b],且当 r=s 时,∣xr(r)−xs(r)∣=1,故 d∞(xr,xs)=1。
因为 D 稠密,对每个 r 可选 yr∈D 使得 d∞(xr,yr)<21。若 r=s,则
d∞(yr,ys)≥d∞(xr,xs)−d∞(xr,yr)−d∞(xs,ys)>1−21−21=0,
从而 yr=ys。于是 r↦yr 是从不可数集 [a,b] 到可数集 D 的单射,矛盾。因此 B[a,b] 不可分。
4. B[a,b] 为完备度量空间
设 {xn} 是 B[a,b] 中的 Cauchy 序列,即对任意 ε>0,存在 N 使得当 n,m≥N 时 d∞(xn,xm)<ε。于是对每个固定的 t∈[a,b],
∣xn(t)−xm(t)∣≤d∞(xn,xm)<ε,
故 {xn(t)} 是 R 中的 Cauchy 序列,从而收敛。定义函数 x(t)=limn→∞xn(t)。
先证 xn 一致收敛于 x。对上述 ε 及 n≥N,令 m→∞ 得
∣xn(t)−x(t)∣≤ε(∀t∈[a,b]).
因此 supt∣xn(t)−x(t)∣≤ε,即 d∞(xn,x)≤ε。故 d∞(xn,x)→0。
再证 x 有界。取 ε=1,存在 N 使 d∞(xN,x)≤1,于是
tsup∣x(t)∣≤tsup∣xN(t)∣+tsup∣x(t)−xN(t)∣≤∥xN∥∞+1<∞,
故 x∈B[a,b]。
综上所述,B[a,b] 中的每个 Cauchy 序列都收敛于 B[a,b] 中元素,所以 (B[a,b],d∞) 是完备度量空间。