En las matemáticas, un espacio métrico es un determinado donde una noción de la distancia (llamado un métrico) entre los elementos del sistema se define.

El espacio métrico que corresponde lo más de cerca posible a nuestra comprensión intuitiva del espacio es el espacio euclidiano de 3 dimensiones. De hecho, la noción del " metric" es una generalización métrico euclidiano que se presenta de las cuatro características sabidas largas de la distancia euclidiana. El métrico euclidiano define la distancia entre dos puntos como la longitud de la línea recta que los conecta.

Las características geométricas del espacio dependen del haber elegido métrico, y usando un diverso métrico podemos construir las geometrías No-Euclidianas interesante tal como ésos usados en la teoría de la relatividad general .

Un espacio métrico también induce las características topológicas como el abierto y el cerrado fija que lleve al estudio de los espacios topológicos aún más abstracto

Historia

Espacios métricos introducidos de Mauricio Fréchet en el suyo fonctionnel, Rendic de Sur quelques points du calcul del del trabajo. Palermo 22 (1906) 1– 74.

¡Definition

Un espacio métrico es un Tuple ( M, d ) donde está un el M determinado y el d es un métrico en el M, es decir, una función

d : M \ épocas M \ rightarrow \ mathbb {R}

tales que   del ≥ 0 del d ( x, y ) del

;     (no-negatividad del )

  • d ( x, y ) = 0   si y solamente si   de ; x =   del y ;     (identidad del de los indiscernibles )
  • d ( x, y ) =   del d ( y, x );     (simetría del )
  • d ( x, y ) del ≤ del d ( x, z ) +   del d ( y, z );     (desigualdad del triángulo).

    El d de la función también se llama la función de distancia del o simplemente la distancia del . El d se omite a menudo y uno apenas escribe el M para un espacio métrico si está claro del contexto se utiliza qué métrico. Relajando el segundo requisito, o la eliminación del tercer o del cuarto, lleva a los conceptos de un espacio de Pseudometric, de un espacio de Quasimetric, o de un espacio de Semimetric.

    El primer de estas cuatro condiciones sigue realmente de los otros tres, desde entonces: d ( x, y ) del

    2 del = d ( x, y ) + d ( x, x ) del ≥ del d ( y, x ) = 0.

    Es más correctamente una característica de un espacio métrico, pero una que muchos textos incluyen en la definición.

    Algunos autores requieren el M del sistema ser no vacío.

    Espacios métricos como espacios topológicos

    El tratamiento de un espacio métrico como espacio topológico es tan constante que casi es una parte de la definición.

    Sobre cualquier x del punto en un M del espacio métrico definimos la bola abierta del del r (>0) del radio sobre el x como el
    B ( x del
    del
    del sistema; r ) = { y en el M : d ( x, y ) < r }. Estas bolas abiertas generan una topología en el M, que le hace un el espacio topológico . Explícitamente, un subconjunto del M se llama el ''' abierto del ''' si es una unión (finito o infinitamente muchos) de bolas abiertas. El complemento de un sistema abierto se llama el ''' cerrado ''' . Un espacio topológico que puede presentarse de esta manera de un espacio métrico se llama un espacio metrizable del ; ver el artículo sobre los teoremas de Metrization para otros detalles.

    Puesto que los espacios métricos son espacios topológicos, uno tiene una noción de la función continua entre los espacios métricos. Esta definición es equivalente a la definición generalmente del épsilon-delta de la continuidad (que no refiere a la topología), y se puede también definir directo usar límites de secuencias.

    Espacios métricos completos

    Un espacio métrico X reputa el completo si cada secuencia de Cauchy converge en X. Es decir: ese d (x_n,) \ del x_m a 0 implica que hay algunos y con el d (x_n, y) \ a 0.

    Características topológicas

    Cada espacio métrico es:
    primer contable
    Paracompact
    normal perfectamente
    Hausdorff
  • Otras características topológicas llegan a ser equivalentes en espacios métricos. Particularmente,
    el countability segundo, la posibilidad de separación y la característica son toda de Lindelöf equivalentes.
    la compacticidad, la compacticidad secuencial, y la compacticidad contable son todo equivalentes.

    Ejemplos de espacios métricos

    Los números verdaderos con el d ( x, y ) de la función de distancia = | x del − del y | dado por el valor absoluto, y más generalmente el '' n euclidiana '' - espaciar con la distancia euclidiana, son espacios métricos completos .
    Los números racionales con la misma función de distancia son también un espacio métrico, pero no completo.
    Espacio hiperbólico .
    Cualquier espacio de vector de Normed es un espacio métrico definiendo el d ( x, y ) = || x del − del y ||, ver también. (Si tal espacio es completo, lo llamamos un espacio de Banach ). Ejemplo: la norma de Manhattan da lugar a la distancia de Manhattan, donde la distancia entre cualquier dos puntos, o los vectores, son la suma de las distancias entre los coordenadas correspondientes.
    La norma máxima da lugar a la distancia de Chebyshev o la distancia del tablero de ajedrez, el número mínimo de movimientos que un rey del ajedrez llevaría el recorrido del x al y .
    Está un ejemplo simple pero importante, y se puede aplicar el métrico discreto, donde el d ( x, y ) =1 para todo el x no igual al y y al d ( x, y ) =0 de otra manera, a todos los sistemas no vacíos. Esto, particularmente, demuestra eso para el sistema no vacío, allí es siempre un espacio métrico asociado a él.
    El carril británico métrico (también llamado la oficina de correos métrica o la SNCF métrica) en un espacio de vector de Normed, dado por el style=" d ( x, y ) = || x || + || y || para el distinto x de los puntos y el y, y style=" d ( x, x ) = 0. Más generalmente ||. || se pueden substituir por un f de la función llevar un arbitrario S del sistema los reals no negativos y tomar el valor 0 a lo más una vez: entonces el métrico es definido en el S por el style=" d ( x, y ) = f ( x ) + f ( y ) para el distinto x de los puntos y el y, y style=" d ( x, x ) = 0. El nombre refiere a la tendencia de viajes ferroviarios (o de letras) a proceder vía el Londres (o el París ) con independencia de su destinación final.
    Si el X es un cierto sistema y el M es un espacio métrico, después el sistema de todo el f de las funciones limitadas : El M (es decir esas funciones del → del X cuya imagen es un subconjunto limitado del M ) se puede dar vuelta en un espacio métrico definiendo el d ( f, g ) = el x del sup en el d ( f ( x ), g ( x ) del X ) para cualquie f de las funciones limitadas y el g . Si el M es completo, después este espacio es completo también.
    La distancia de Levenshtein, también llamada del carácter corrige la distancia, es una medida de la desemejanza entre el u de dos secuencias y el v . La distancia es el número mínimo de canceladuras de carácter, de inserciones, o de substituciones requeridas para transformar el u en el v .
    Si el X es un espacio topológico (o métrico) y el M es un espacio métrico, después el sistema de todo el limitado continuo funciona del X a las formas del M un espacio métrico si definimos el métrico como arriba: d ( f, g ) = x del sup en el d ( f ( x ), g ( x ) del X ) para cualquie limitado f de las funciones continuas y el g . Si el M es completo, después este espacio es completo también.
    Si el M es un múltiple Riemannian conectado del, después podemos dar vuelta al M en un espacio métrico definiendo la distancia de dos puntos como el Infimum de las longitudes de las trayectorias (el continuamente diferenciable curva que lo conecta.
    Si el G es un gráfico conectado sin señas, después el V del sistema de cimas del G se puede dar vuelta en un espacio métrico definiendo el d ( x, y ) para ser la longitud del Shortest-Path que conecta el x de las cimas y el y .
    Semejantemente (aparte de los detalles matemáticos): Para cualquier sistema de caminos y de terrenos la distancia entre dos localizaciones se puede definir como la longitud de la ruta más corta. Para ser un métrico allí no debe ser caminos unidireccionales. Los ejemplos incluyen alguno mencionado anteriormente: la norma de Manhattan, el carril británico métrico, y la distancia del tablero de ajedrez.
    Más generalmente, para cualquie sistema de caminos y de terrenos, con velocidad posible máxima dada en cualquie localización, el " distance" entre dos localizaciones se pueden definir como el tiempo las tomas de la ruta más rápida. Para ser un métrico allí no debe ser caminos unidireccionales, y la velocidad máxima no debe depender de la dirección. La dirección en el A a el B se puede definir, no no necesario únicamente, como la dirección del " shortest" ruta, es decir, en la cual el " distance" reduce 1 segundo por segundo al viajar a la velocidad máxima.
    Semejantemente, en 3D, las métricas en la superficie de un poliedro incluyen el métrico ordinario, y la distancia sobre la superficie; está uno un tercer métrico en los bordes de un poliedro donde el " paths" son los bordes. Por ejemplo, la distancia entre las cimas opuestas de un cubo de unidad es √3, √5, y 3, respectivamente.
    Si el M es un espacio métrico, podemos dar vuelta al K ( M ) del sistema de todos los subconjuntos compactos del M en un espacio métrico definiendo el d ( X, Y ) de la distancia de Hausdorff = inf { r : para cada x en el X existe un y en el Y con el d ( x, y ) < el r y para cada y en el Y existe un x en el X tales que el d ( x, y ) < el r )}. En este métrico, dos elementos son cierre el uno al otro si cada elemento de un sistema está cercano a un cierto elemento del otro sistema. Uno puede demostrar que el K ( M ) es completo si el M es completo.
    El sistema de todos los (las clases isometry de) espacios métricos compactos forma un espacio métrico con respecto a la distancia de Gromov-Hausdorff.
    Dado un espacio métrico ( X, d ) y un cada vez mayor f de la función cóncava: tales que '' f '' (x)=0 si y solamente si '' x '' =0, entonces '' f '' o '' d '' es también un métrico en '' X ''. * Dado un f de la función inyectiva de cualquie A a un espacio métrico ( X, d ), d ( f ( x ), f ( y ) del sistema) define un métrico en el A .
    Usar la T-teoría, el palmo apretado de un espacio métrico es también un espacio métrico. El palmo apretado es útil en varios tipos de análisis.
    El sistema de todo el n por las matrices del m sobre un campo finito es un espacio métrico con respecto al d ( X, Y ) de la distancia de la fila = fila ( Y - X ).

    Nociones de la equivalencia del espacio métrico

    Comparar dos espacios métricos uno puede distinguir varios grados de equivalencia. Para preservar por lo menos la estructura topológica inducida por el métrico, éstos requieren por lo menos la existencia de una función continua entre él ( Morphism que preserva la topología de los espacios métricos).

    Dado dos espacios métricos ( M 1, d 1) y ( M 2, d 2):

    se llaman el homeomórfico (topológico isomorfo) si existe un homeomorfismo entre ellos (es decir, un bijection continuo en ambas direcciones).

    se llaman el uniformic (uniformemente isomorfo) si existe un isomorfismo del uniforme entre ellos (es decir, un bijection uniformemente continuo en ambas direcciones)

    se llaman el similar si existe un constante positivo k > 0 y un Bijective f de la función, llamado la semejanza del tales que el f : M 2 del → del M 1 y d 2 ( f ( x ), f ( y )) = d 1 ( x, y ) de k para todo el x, y en el M 1.

    se llaman el isométrico si existe un Bijective isometry entre ellos. En este caso, los dos espacios son esencialmente idénticos. Un Isometry es un f de la función: M 2 del → del M 1 que preserva distancias: d 2 ( f ( x ), f ( y )) = d 1 ( x, y ) para todo el x, y en el M 1. Isometries es necesario el inyectivo.

    se llaman el (del segundo tipo) similar si existe un Bijective f de la función, llamado la semejanza del tales que el f : M 2 del → del M 1 y d 2 ( f ( x ), f ( y )) = d 2 ( f ( u ), f ( v )) si y solamente si d 1 ( x, y ) = d 1 ( u, v ) para todo el x, y, u, v en el M 1.

    En caso de espacio euclidiano con métrico generalmente las dos nociones de la semejanza son equivalentes.

    ¡Boundedness y compactnessuniverso -->

    Un M del espacio métrico se llama limitado si existe un cierto r del número, tal que el r del ≤ del d ( x, y ) para todo el x y el y en el M . El posible más pequeño tal r se llama el diámetro del del M . El M del espacio se llama el precompact o el total limitado si para cada r > 0 allí existen finito muchas bolas abiertas del r del radio cuya unión cubre el M . Puesto que el sistema de los centros de estas bolas es finito, tiene diámetro finito, de el cual sigue (usar la desigualdad del triángulo) que cada espacio total limitado se limita. El inverso no se sostiene, puesto que el sistema infinito se puede dar el métrico discreto (el primer ejemplo arriba) debajo de las cuales se limita pero se limita no no total. Una caracterización útil de la compacticidad para los espacios métricos es que un espacio métrico es el compacto si y solamente si es completo y limitado total. Esto se conoce como teorema de Heine-Borel. Observar que la compacticidad depende solamente de la topología, mientras que el boundedness depende del métrico.

    Observar que en el contexto de los intervalos durante los números verdaderos y las regiones en un R n del espacio euclidiano un sistema limitado están referidas de vez en cuando como " un interval" finito; o " region" finito;. Sin embargo el boundedness no se debe en general confundir con el " finite", que refiere al número de elementos, no a hasta dónde el sistema extiende; el aspecto finito implica boundedness, pero no no inversamente.

    En un espacio métrico, la compacticidad secuencial, la compacticidad contable y la compacticidad son toda equivalentes.

    Restringiendo el métrico, cualquier subconjunto de un espacio métrico es un espacio métrico sí mismo (un subespacio ) con una topología restringido a ése fijó. Llamamos tal subconjunto completo, limitado, limitado total o compacto si, considerado como espacio métrico, tiene la característica correspondiente. Cada subespacio cerrado de un espacio métrico completo es completo, y cada subespacio completo de un espacio métrico es cerrado. Un subespacio cerrado de un espacio métrico, sin embargo, no necesita ser completo.

    Características de la separación y extensión de funciones continuas

    Los espacios métricos son los espacios de Hausdorff de Paracompact ref> y por lo tanto el normal (del son de hecho perfectamente normales). Una consecuencia importante es que cada espacio métrico admite particiones de la unidad y que cada función con valores reales continua definida en un subconjunto cerrado de un espacio métrico se puede ampliar a un espacio continuo del mapa en general (teorema de la extensión de Tietze). Es también verdad que cada mapa Lipschitz-continuo con valores reales definido en un subconjunto de un espacio métrico se puede extender a un espacio Lipschitz-continuo del mapa en general.

    Distancia entre los puntos y los sistemas

    Una manera simple de construir una función que separa un punto de un sistema cerrado (como sea necesario para un espacio totalmente regular ) es considerar. Si ( M, d ) es un espacio métrico, el S es un subconjunto M y el x es un punto del M, nosotros define la distancia del x al S como d ( x, S ) del = el inf { d ( x, s ): S } del ∈ del s Entonces d ( x, S ) = 0 si y solamente si el x pertenece al encierro S . Además, tenemos la generalización siguiente de la desigualdad del triángulo: d ( x, y ) del ≤ del d ( x, S ) del + d ( y, S ) cuál particularmente demuestra que el x del mapa \ el mapsto d (x, S) es continuos.

    Espacios métricos del producto; métrica normed del producto

    La construcción siguiente es útil de recordar:

    Si el (M_1, d_1), \ los ldots, (M_n, d_n) es espacios métricos, y el N es cualquier norma en el Rn, entonces

    El \ (M_1 \ las épocas \ los ldots \ las épocas M_n, N (d_1, \ ldots, d_n) \ grande) grande es un espacio métrico, donde el producto normed métrico se define cerca N del

    l (d_1,…, d_n) \ grande ((x_1, \ ldots, x_n), (y_1, \ ldots, y_n) \ grande) = N \ (d_1 (x_1, y_1), \ ldots, d_n (x_n, y_n) \ grande) grande,

    y la topología inducida conviene con la topología del producto.

    Semejantemente, un producto contable de espacios métricos se puede obtener usar el métrico siguiente d del

    l (x, ^ del y)= \ del sum_ {i=1} \ infty \ d_i frac1 {2^i} (x_i, y_i) .

    Continuidad de la distancia

    Vale el observar de eso en el caso de un del solo espacio (M, d), el d del mapa de la distancia: M \ los tiempos M \ rightarrow R^+ (de la definición ) es uniformemente continuos con respecto a cualquier N métrico normed del producto (d, d) (y particularmente, continuo con respecto a la topología del producto del M \ de las épocas M).

    Espacios métricos del cociente

    Si el M es un espacio métrico con el métrico d, y el ~ del es una relación de equivalencia en el M, después podemos dotar el determinado M/~ del cociente con (el pseudo) métrico siguiente. Dado dos de equivalencia clase y, nosotros definen

    d'(,) = \ inf \ {d (p_1, q_1) +d (p_2, q_2) +… +d (p_ {n},) \} del q_ {n}

    donde el Infimum se asume el control todo el de las secuencias finitas (p_1, p_2, \ puntea, p_n) y (q_1, q_2, \ puntea, q_n) con =, =, =, i=1,2, \ puntos n-1. En general esto definirá solamente un pseudometric, es decir el d'(,) =0 no implica necesario eso =. Sin embargo para las relaciones de equivalencia agradables (e., ésas dadas pegando juntos poliedros a lo largo de caras), es un métrico. Por otra parte si el M es un espacio del acuerdo, después la topología inducida en el M/~ es la topología del cociente.

    El métrico d del cociente es caracterizado por la característica universal siguiente. Si f: (M, d) \ longrightarrow (, \ delta) de X es un mapa métrico entre los espacios métricos (es decir, \ delta (f (x), f (y)) \ satisfying f ( x ) de le d (x, y) para todo el x, el y ) = el f ( y ) siempre que x \ el sim y, entonces el de la función \ el overline inducidos {f}: M \ sim \ longrightarrow X, dado por el =f del \ del overline {f} () (x), es un del mapa \ un overline métricos {f}: (M \ sim, d') \ longrightarrow (, \ delta de X).

    Ver también

    Glosario de la geometría Riemannian y métrica
    Topología
    Desigualdad del triángulo
    Continuidad de Lipschitz
    Isometry, contracción que traza y el mapa métrico
    Categoría de los espacios métricos
    Norma (matemáticas)
    Introducción básica a las matemáticas del espacio-tiempo curvado

    .

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