Примеры открытых множеств. Открытые и замкнутые множества
Типы множеств вещественной прямой
Положение точки относительно множества A
Односторонние окрестности
Топология вещественной прямой
Числовые множества
Основные множества чисел это отрезок и интервал (a; b).
Числовое множество A называется ограниченным сверху , если существует такое число M, что a £ M для любого a Î A. Число M в этом случае называется верхней гранью или мажорантой множества.
Супремумом множества A, sup A называется …
… наименьшая из его мажорант;
… число M такое, что a £ M для любого a Î A и в любой окрестности M есть элемент множества A;
Аналогично вводятся понятия «ограниченное снизу », «миноранта » (нижняя грань), и «инфимум » (точная нижняя грань).
Полнота вещественной прямой (равносильные формулировки)
1. Свойство вложенных отрезков. Пусть заданы отрезки É É … É É … Они имеют хотя бы одну общую точку. Если длины отрезков можно выбрать сколь угодно малыми, то такая точка единственна.
Следствие: метод дихотомии для теорем существования . Пусть задан отрезок . Делим его пополам и выбираем одну из половин (так, чтобы она обладала нужным свойством). Эту половину обозначим через . Продолжаем этот процесс неограниченно. Получим систему вложенных отрезков, длины которых приближаются к 0. Значит, они имеют ровно одну общую точку. Осталось доказать, что она и будет искомой.
2. Для любого непустого ограниченного сверху множества существует супремум.
3. Для любых двух непустых множеств, одно из которых лежит левее другого, существует разделяющая их точка (существование сечений).
Окрестности:
U(x) = (a, b), a < x < b; Ue(x) = (x – e; x + e), e > 0;
U(¥) = (–¥; a) U (b; ¥), Ue(¥) = (–¥; –e) U (e; +¥), e > 0;
U(+¥) = (e; +¥); U(–¥) = (–¥; –e).
Проколотые окрестности:
Ǔ(x) = (a, x) U (x, b) = U(x) \ {x}; Ǔe(x) = (x – e; x) U (x; x + e) = Ue(x) \ {x}
Ue–(x) = (x – e; x], e > 0; Ue+(x) = с чебышёвской метрикой сходилась к элементу х этого м.пр., необходимо и достаточно, чтобы функциональная последовательность (x n ) равномерно сходилась к х на [a , b ].
Докажем с помощью критерия равномерной сходимости.
Известно, что фукциональная последовательность (x n ) равномерно сходится да предельной фукции х тогда и только тогда, когда
С учётом определения метрики в м.пр. С [a , b ] получаем равенство
(см. опр. 4 §7)
по метрике
в м.пр. С
[a
,
b
].
Пример 2. x n (t ) = t n t ; n N . известно, что на ;/2 фукциональная последовательность x n (t ) = t n равномерно сходится да предельной фукции x (t ) = 0. Таким образом t ; последовательность (x n ) сходится к функции х = 0 в м.пр. С .
Теорема 4. Если а – предельная точка множества Е метрического пространства (X , ), то существует последовательность (x n ), члены которой принадлежат Е и не равны а , причём (x n ), сходится к а в этом метрическом пространстве.
Доказатьельство аналагично доказатьельству в пространстве R .
Замечание 1. Поскольку любая норма задает метрику,
о (x
,
y
) =
то в нормированном пространстве А также можно определить предел последовательности элементов нормированного пространства.
Замечание 2.
Поскольку предгильбертовое пространство является нормированным пространством с нормой
, то в предгильбертовом пространстве также можно определить предел последовательности элементов предгильбертового пространства.
§9. Полные метрические пространства
Определение 1 . Последовательность (x n ) метрического пространства (Х, ) называется фундаментальной, если
Примером фундаментальной последовательности является любая сходящаяся последовательность точек метрического пространства.
В пространствеR любая фундаментальная последовательность – сходящаяся. Но для любого м.пр. не всякая фундаментальная последовательность метрического пространства (Х, ) сходится в этом пространстве.
Пример 1 . В м.пр. Х = (Q ; = х у ) последовательность – фундаментальная, но с 1 курса известно, что но е X (е I ).
Определение 2 . Метрическое пространство называется полным метрическим пространством , если любая фундаментальная последовательность точек этого пространства сходится в нем.
Пример 2 . Метрическое пространство R – полное метрическое пространство, т.к. любая фундаментальная последовательность сходится к числу, из пространства R . Это следует из критерия Коши (см. 1 курс).
Пример 3 . Докажем, что пространство R m - полное метрическое пространство.
Пусть последовательность(x n = x 1 (n ) , x 2 (n ) ,…, x m (n )) (1)
любая фундаментальная последовательность пространстваR m . Покажем, что эта последовательность сходящаяся и её предел принадлежит пространству R m .
Па определению фундаментальной последовательности и определению метрики в пространствеR m
0
N(
)
N
p,n >N
(x
p
,x
n
)
Согласно доказатьельству теоремы 1 §8 Таким образом, была доказана фундаментальност числовых последовательностей (x 1 ( n ) ), (x 2 ( n ) ),…, (x m ( n ) ), а значит и их сходимость (по критерию Коши).
Пусть
Рассмотрим точку а = (а 1 , а 2 , …, а m ). Т.к. а 1 , а 2 , …, а m R , то а R m . По теореме 1 §8 получаем, что в м.пр. R m последовательность (x n ) сходится к а R m . Это означает, что пространствоR m полное метрическое пространство.
Пример 4 . Докажем, что метрическое пространство С [a , b ] является полным.
Пусть (x n ) – любая фундаментальная последовательность в м.пр. С [a , b ] , её члены – непрерывные на [a , b ] фукции.
Докажем, что последовательность (x n ) сходится в метрическом пространстве С [ a , b ] . Сначала покажем, что она сходится к предельной фукции х на отрезке [a , b ].
По определению фундаментальной последовательности
Это означает, что
t
[a
,
b
] (фиксируем t
) фундаментальной является числовая последовательность (x
n
(t
)
). Значит она имеет предел, который обозначим через
для каждого фиксированного t
[a
,
b
].
Покажем, что предельная фукция x (t ) непрерывная на [a , b ]. Для этого в неравенстве (2) §прейдём к пределу при m . Получим
x (t ) x n (t ) n>N t [a,b ].
Таким образом, мы доказали, что
0N N m,n > N x (t ) x n (t ) t [a,b ].
А это значит, что последовательность (x n ) равномерно сходится к фукции х на [a , b ]. Т.к. все члены последовательности (x n ) непрерывные на [a , b ] фукции, то предельная фукция также непрерывная на этом отрезке, т.е является элементом метрического пространства С [ a , b ]. По теореме 2 §8 в этом пространстве последовательность (x n ) сходится к х . Значит пространствоС [ a , b ] – полное метрическое пространство.
Определение 3. Полное нормированное пространство называется Банохав ым пространство м .
Банохавыми пространствоми, являются пространства:
R
п
с нормами
,
;
l 2 с нормой векторов x = (x n ) = (x 1 , x 2 , … )
C [a
,
b
] с нормой функций x
(t
)
.
А пространство C 1 [a , b ] с нормой не является баноховым.
Определение 2 . Полное предгильбертовое пространство относительно нормы (2) §3 называется гильбертовым пространством .
Примерами гильбертовых пространств являются перечисленные пространства из примеров §4. Предгильбертовое пространство из примера 3 §4 не является полным относительно нормы (2) и поэтому не является гильбертовым.
Информатики, 4 курс, 1-2 модуль) Определение метрического пространства (м.п.). Примеры . Открытые и замкнутые множества в м.п. Сходимость... линейные отображения нормированных пространств . Примеры . Нормированное пространство линейных отображений. Теорема...
Лекция № 3 Метрические пространства Открытые и замкнутые множества
Лекция... пространств . Определение 4. Метрическое пространство называется полным, если в нем любая фундаментальная последовательность сходится (к элементу этого пространства! ). Примеры . 9) В пространстве ...
К ИЗУЧЕНИЮ МЕТРИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВ
ДокументЧто получаем эквивалентное определение метрического пространства . 4. Докажите, что для произвольного метрического пространства áX, rñ эквивалентны утверждения... непрерывные отображения метрических пространств непрерывны. Покажите на примере , что...