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习题 1.4

设 为度量空间, 令 . 求证: 和 都是 上的度量.

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

1. 是度量

非负性:,故 。
若 ,则 ,从而 ;反之若 ,则 ,这迫使 (因为 ),于是 。

对称性:,所以

三角不等式:需证 。
首先注意函数 ()是单调不减的。由 的三角不等式: 因此 下面证明对任意非负实数 有

  • 若 ,则 。此时必有 且 ,故 ,从而 。
  • 若 ,则 。而 显然成立(因为 且至少有一项不小于 或两项之和至少为 )。严格地:若 ,则必有 且 ,从而 ,与 矛盾。故 。

于是 恒成立。取 得 结合前面不等式即得 综上, 是 上的度量。


2. 是度量

记 ,。显然 ,,且 严格单调递增(导数 )。

非负性:因 ,故 。
若 ,则 ,从而 ;若 ,则 ,由 的性质知 ,于是 。

对称性:,所以

三角不等式:需证 。
由 的三角不等式有 因 单调递增,故 下面证明对任意非负实数 有

直接验证差: 计算其分子(通分后): 通分得公分母 ,分子为 展开: 相减: 因此 ,即 ,等号当且仅当 或 时成立。

取 ,则 于是 综上, 是 上的度量。


因此, 和 均为 上的度量。