Wykład 1

1. Podstawowe pojęcia w przestrzeni metrycznej ( X, d):

Definicja 1. Kula otwarta o środku w x 0 i promieniu r to zbiór:

K( x 0 , r) = Kr( x 0) = {x ∈ X : d( x, x 0) < r} .

Kula domknięta to zbiór:

¯

K( x 0 , r) = ¯

Kr( x 0) = {x ∈ X : d( x, x 0) ¬ r} .

Wiele dalszych pojęć będzie bazować na pojęciu kuli.

Przykłady:

1. Metryki w N ∪ { 0 }: odziedziczona z R, tzn. d( m, n) = |m − n|, vs. zadająca topologię ciągu 1 , tzn. ρ( m, n) = | 1 − 1 | dla m, n 6= 0, ρ(0 , m) = 1 .

n

m

n

m

2. Metryki w

n

R

pochodzące od norm: taksówkowa d 1, euklidesowa d 2 i maksimum d∞.

Jak wyglądają kule w tych metrykach w

2

R ?

3. Standardowa metryka w C([0 , 1]): d∞( f, g) = kf − gk∞ = sup

|

x∈[0 , 1] f ( x) − g( x) |. Jak

wygląda kula?

4. Inna metryka w C([0 , 1]): d 1( f, g) = R |f − g|d λ. Kule są znacząco inne niż w po-przedniej metryce!

Dalej rozważamy abstrakcyjną przestrzeń metryczną ( X, d). Najpierw zestaw definicji

uogólniających znane pojęcia dotyczące zbiorów.

Definicja 2. Średnicą zbioru A ⊂ X nazywamy liczbę

diam( A) = sup {d( x, y) : x, y ∈ A}

Średnicę często oznacza się też przez δ( A).

Definicja 3. Odstępem punktu x od zbioru A nazywamy liczbę

d( x, A) = inf {d( x, y) : y ∈ A}

(własności na ćwiczeniach)

Definicja 4. Zbiór A nazywamy ograniczonym, gdy istnieje kula Kr( x 0) taka, że A ⊂

Kr( x 0).

Równoważnie można zażądać, by średnica była skończona, ale powyższą definicję lepiej

będzie później uogólniać.

Powyższe definicje można używać także w kontekście przestrzeni, np. przestrzeń (N ∪

{ 0 }, ρ) z przykładu pierwszego jest ograniczona, a jej średnicą jest 1.

Definicja 5. Niech ( X, dX ) i ( Y, dY ) będą przestrzeniami metrycznymi. Funkcja f : X → Y

jest ograniczona, gdy zbiór dY ( f ( X)) jest ograniczony (równoważnie diam( f ( X)) < ∞).

1

Definicja 6. -otoczenie zbioru A (kula uogólniona) to zbiór

K( A) = {x : d( x, A) < }.

2. Zbieżność w przestrzeniach metrycznych

Definicja 7. Ciąg ( xn) elementów przestrzeni ( X, d) jest zbieżny, gdy lim n→∞ d( xn, x) = 0.

Punkt x nazywamy wtedy granicą ciągu ( xn). Oznaczamy lim n xn = x lub xn → x.

Równoważnie, xn → x, gdy dla każdego > 0 istnieje n 0 takie, że dla wszystkich n > n 0

zachodzi xn ∈ K( x, ). Tę definicję będzie się w przyszłości wygodnie uogólniać.

Twierdzenie 1. Każdy ciąg zbieżny jest ograniczony.

Dowód. Wystarczy wziąć kulę K( x, 1), gdzie x jest granicą rozważanego ciągu ( xn), znaleźć n 0, począwszy od którego wszystkie wyrazy ciągu zawierają się w K( x, 1), a nastepnie zauważyć, że cały ciąg zawiera się w kuli K( x, r), gdzie r = max { 1 , d( x, x 1) , ..., d( x, xn ) }.

0

Twierdzenie 2. Każdy ciąg zbieżny (w przestrzeni metrycznej) ma dokładnie jedną gra-

nicę.

Dowód. Gdyby były dwie granice x i y, to dla r = 1 d( x, y) kule K( x, r), K( y, r) nie 2

mogłyby być rozłączne, gdyż każda zawiera prawie wszystkie elementy ciągu. Inaczej, jeśli

xn → x i xn → y, to

0 ¬ d( x, y) ¬ d( x, xn) + d( xn, y) .

|

{z

}

|

{z

}

n→∞

n→∞

−→ 0

−→ 0

Twierdzenie 3. Każdy ciąg stały jest zbieżny.

Twierdzenie 4. Każdy podciąg ciągu zbieżnego do x jest zbieżny do tej samej granicy x.

Dowody oczywiste.

Twierdzenie 5. Jeżeli każdy podciąg ciągu ( xn) zawiera podciąg zbieżny do x, to xn → x.

Dowód. Przypuśćmy niewprost, że ( xn) nie jest zbieżny do x mimo, iż spełnia założenie.

Wtedy istnieje r takie, że nieskończenie wiele wyrazów ciągu ( xn) nie należy do K( x, r).

Te wyrazy tworzą podciąg, który nie zawiera podciągu zbieżnego do x.

Przykłady

1. W metryce dyskretnej zbieżne są tylko ciągi stałe.

2. W metryce ρ na N ∪ { 0 } z poprzedniego wykładu każdy podciąg ciągu N jest zbieżny do zera.

3. Co można powiedzieć o ciagach funkcji fn( x) = 1 x, g

n

n( x) = nx, hn( x) = xn w

przestrzeni C([0 , 1])?

2

Definicja 8. Ciąg ( xn) spełnia warunek Cauchy’ego (jest Cauchy’ego, jest podstawowy), gdy dla każdego > 0 istnieje n 0 ∈ N takie, że dla dowolnych m, n > n 0 zachodzi d( xm, xn) < .

Twierdzenie 6. Każdy ciąg zbieżny spełnia warunek Cauchy’ego.

Dowód. Ustalmy > 0. korzystając z definicji zbieżności znajdźmy n 0 dla 1 (zamiast ).

2

Dla m, n > n 0 mamy

d( xm, xn) ¬ d( xm, x) + d( x, xn) <

+

= .

2

2

Odwrotne twierdzenie nie zachodzi, choć jesteśmy przyzwyczajeni do równoważności

warunku Cauchy’ego i zbieżności w

n

R (nawet w R ). Przykład: xn = − 1 w metryce „mur”.

n

3