超度量空间

超度量空间是一种特殊的度量空间,其中三角不等式用d(x, z) \leq \max \{ d(x, y), d(y, z) \}来代替。有时相关的度量也称为非阿基米德度量超度量。虽然超度量空间中的一些定理看来奇怪,它们在许多应用中都自然出现。超度量空間在數學上其中一個應用是關於p-進數的研究。

正式定义
集合M的一个超度量d(度量)是一个实值函数:

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

(其中\mathbb{R}是实数集合),使得对于所有M内的x、y和z,都有:

d(x, y) \geq 0,

d(x, y) = 0  当且仅当  x = y,

d(x, y) = d(y, x)  (对称性),

d(x, z) \leq \max \{ d(x, y), d(y, z) \}  (强三角不等式超度量不等式)。

第四個條件可加強為當d(x, y)和d(y, z)不相等時,d(x, z) = \max \{ d(x, y), d(y, z) \},原因如下:

首先,可以不失一般性地假定d(x, y) ,因此d(x, z) \leq \max \{ d(x, y), d(y, z) \}可變為d(x, z) \leq d(y, z),但另一方面,d(y, z) \leq \max \{ d(x, y), d(x, z) \},由於已經假定d(x, y) 之故,因此顯然\max \{ d(x, y), d(x, z) \}不能為d(x, y),因此\max \{ d(x, y), d(x, z) \} = d(x, z),所以有d(y, z) \leq d(x, z),由於d(x, z) \leq d(y, z)和d(y, z) \leq d(x, z)兩者皆成立之故,因此有d(x, z) = d(y, z)。因此d(x, z) = \max \{ d(x, y), d(y, z) \}。

性质
从以上的定义中,我们可以推出超度量空间的一些典型的性质。例如,在超度量空间内,对于所有M内的x、y和z以及\mathbb{R}内的所有r和s,都有:

  • 每一个三角形都是等腰的,也就是说,d(x, y) = d(y, z),或d(x, z) = d(y, z),或d(x, y) = d(z, x)。
  • 球体内的每一点都是它的中心,也就是说,如果d(x, y) ,则B(x; r) = B(y; r)。
  • 相交的球体互相包含,也就是说,如果B(x; r) \cap B(y; s)是非空的,则要么B(x; r) \subseteq B(y; s),要么B(y; s) \subseteq B(x; r)。

在这里,(开)球体的概念和记法与度量空间中的球体一样,也就是说:
: B(x; r) = \{ y \in M \, | \, d(x, y) 。

  • 所有的球体在诱导拓扑中都既是开集又是闭集。也就是说,开球体也是闭球体,闭球体(把换成\leq)也是开球体。

参考文献
*Set Theory and Metric Spaces, I. Kaplansky, AMS Chelsea Publishing (1977). ISBN 0-8218-2694-8

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