Метрическое пространство

Не следует путать с метрическим тензором — квадратичной формой, которая задает скалярное произведение.

Метри́ческое простра́нство — множество вместе со способом измерения расстояния между его элементами — метрикой. Является центральным понятием геометрии и топологии. Впервые понятие ввёл в 1906 году Морис Фреше в связи с рассмотрением функциональных пространств.

Определения

Пара $(M,\;d)$, состоящая из множества $M$ и функции $d\colon M\times M\to \mathbb {R}$ из его декартова квадрата в множество вещественных чисел, называется метрическим пространством, если:

1. $d(x,y)=0\Leftrightarrow x=y$ (аксиома тождества);
2. $d(x,y)\geqslant 0$ (аксиома положительности);
3. $d(x,y)=d(y,x)$ (аксиома симметричности);
4. $d(x,z)\leqslant d(x,y)+d(y,z)$ (аксиома треугольника или неравенство треугольника).

В этом случае:

• множество $M$ называется подлежащим множеством или носителем метрического пространства;
• функция $d$ называется метрикой или функцией расстояния;
• элементы множества $M$ называются точками метрического пространства;
• иногда дополнительно предполагается, что множество $M$ непусто.

Требование неотрицательности значений метрики является избыточным, оно следует из аксиом:

$0=d(x,x)\leqslant d(x,y)+d(y,x)=2\cdot d(x,y)$.

Аксиомы тождества и данного неравенства треугольника вместе взятые, эквивалентны следующему варианту неравенства треугольника:

$d(x,y)\leqslant d(x,z)+d(y,z)$.

Эти условия выражают интуитивные понятия о концепции расстояния и поэтому называются аксиомами расстояния. Например, что расстояние между различными точками положительно и расстояние от $x$ до $y$ то же самое, что и расстояние от $y$ до $x$. Неравенство треугольника означает, что расстояние от $x$ до $z$ через $y$ не меньше, чем прямо от $x$ до $z$.

Обозначения

Обычно расстояние между точками $x$ и $y$ в метрическом пространстве $M$ обозначается $d(x,y)$ или $\rho (x,y)$.

В метрической геометрии принято обозначение $|xy|$ или $|xy|_{M}$, если необходимо подчеркнуть, что речь идёт о $M$. Также употребляются обозначения $|x-y|$ и $|x-y|_{M}$ (несмотря на то, что выражение $x-y$ для точек $x$ и $y$ не имеет смысла).

В классической геометрии приняты обозначения $XY$ или $|XY|$ (точки обычно обозначают заглавными латинскими буквами).

Связанные определения

Биекция между различными метрическими пространствами $(X,d_{X})$ и $(Y,d_{Y})$, сохраняющая расстояния, называется изометрией. В этом случае пространства $(X,d_{X})$ и $(Y,d_{Y})$ называются изометричными.

Если $x_{n}\in X$, $x\in X$ и $d(x_{n},x)\to 0$ при $n\to \infty$, то говорят, что $x_{n}$ сходится к $x$: $x_{n}\to x$.

Если $M$ подмножество множества $X$, то, рассматривая сужение $d_{M}=d_{X}|_{M}$ метрики $d_{X}$ на множество $M$, можно получить метрическое пространство $(M,d_{M})$, которое называется подпространством пространства $(X,d)$.

Метрическое пространство называется полным, если любая фундаментальная последовательность в нём сходится к некоторому элементу этого пространства.

Метрика $d$ на $M$ называется внутренней, если любые две точки $x$ и $y$ в $M$ можно соединить кривой с длиной, произвольно близкой к $d(x,y)$. Пространство называется геодезическим если любые две точки $x$ и $y$ в $M$ можно соединить кривой с длиной, равной $d(x,y)$.

Любое метрическое пространство обладает естественной топологией, базой для которой служит множество открытых шаров, то есть множеств следующего типа:

$B(x;r)=\{y\in M\mid d(x,y)<r\}$,

где $x$ есть точка в $M$ и $r$ — положительное вещественное число, называемое радиусом шара. Иначе говоря, множество $O$ является открытым, если вместе с любой своей точкой оно содержит открытый шар с центром в этой точке.

Две метрики, определяющие одну и ту же топологию, называются эквивалентными.

Топологическое пространство, которое может быть получено таким образом, называется метризируемым.

Расстояние $d(x,S)$ от точки $x$ до подмножества $S$ в $M$ определяется по формуле:

$d(x,S)=\inf\{d(x,s)\mid s\in S\}$.

Тогда $d(x,S)=0$, только если $x$ принадлежит замыканию $S$.

Примеры

Дискретная метрика: $d(x,y)=0$, если $x=y$, и $d(x,y)=1$ во всех остальных случаях.

Вещественные числа с функцией расстояния $d(x,\;y)=|y-x|$ и евклидово пространство являются полными метрическими пространствами.

Расстояние городских кварталов: $d(\mathbf {p} ,\mathbf {q} )=\|\mathbf {p} -\mathbf {q} \|=\sum _{i=1}^{n}|p_{i}-q_{i}|$, где $\mathbf {p} =(p_{1},p_{2},\dots ,p_{n})$, $\mathbf {q} =(q_{1},q_{2},\dots ,q_{n})$ — векторы.

В пространстве $F(X,Y)$ непрерывных и ограниченных отображений из топологического пространства $X$ в метрическое пространство $Y$ расстояние между двумя отображениями $f_{1}$ и $f_{2}$ определяется как:

$d_{F}(f_{1},f_{2})=\sup\{d_{Y}(f_{1}(x),f_{2}(x))\colon x\in X\}$.

Сходимость отображений по этой метрике равнозначна их равномерной сходимости на всём пространстве $X$.

В частном случае, когда $X$ — компактное пространство, $Y$ — числовая прямая, получается пространство $C(X)$ всех непрерывных функций на пространстве $X$ с метрикой равномерной сходимости.

Пусть $L([a,b])$, $R([a,b])$, $C([a,b])$ — пространства функций на отрезке $[a,b]$, соответственно интегрируемых по Лебегу, интегрируемых по Риману, и непрерывных. В них расстояние можно определить по формуле:

$d(f_{1},f_{2})=\int \limits _{a}^{b}|f_{1}(x)-f_{2}(x)|\,dx$.

Для того, чтобы эта функция стала метрикой, в первых двух пространствах необходимо отождествить функции, отличающиеся на множестве меры 0. В противном случае эта функция будет всего лишь полуметрикой. (В пространстве функций, непрерывных на отрезке, функции, отличающиеся на множестве меры 0, и так совпадают.)

В пространстве $k$ раз непрерывно дифференцируемых функций $C^{k}([a,b])$ метрика вводится по формуле:

$d_{k}(f_{1},f_{2})=\max\{d_{0}(f_{1},f_{2}),\;d_{0}(f'_{1},f'_{2}),\;\ldots ,\;d_{0}(f_{1}^{(k)},f_{2}^{(k)})\}$,

где $d_{0}$ — метрика равномерной сходимости на $C([a,b])$ (см. выше).

Любое нормированное пространство можно превратить в метрическое, определив функцию расстояния

$d(x,y)=\|y-x\|$.

Конечномерные пространства такого типа называются пространством Минковского. В случае размерности, равной двум — плоскостью Минковского.

Если $(p_{n})_{n\in N}$ является последовательностью полунорм, определяющих (локально выпуклое) топологическое векторное пространство $E$, то:

$d(x,y)=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{n}}}{\frac {p_{n}(x-y)}{1+p_{n}(x-y)}}$

является метрикой, определяющей ту же топологию. (Можно заменить ${\frac {1}{2^{n}}}$ на любую суммируемую последовательность $(a_{n})$ строго положительных чисел.)

Любое связное риманово многообразие $M$ можно превратить в метрическое пространство, определив расстояние как точную нижнюю грань длин путей, соединяющих пару точек.

Множество вершин любого связного графа $G$ можно превратить в метрическое пространство, определив расстояние как минимальное число рёбер в пути, соединяющем вершины. Более общо: если каждому ребру графа приписать положительное число (длину ребра), расстояние между вершинами можно определить как минимальную сумму длин рёбер вдоль любых путей из одной вершины в другую. Частным случаем является так называемая французская железнодорожная метрика, которую нередко приводят в качестве примера метрики, не порождённой нормой.

Расстояние редактирования графа определяет функцию расстояния между графами.

Расстояние Хэмминга применяется в теории кодирования.

Строковые метрики, такие как расстояние Левенштейна и другие расстояния редактирования текста определяют расстояние над строками.

Множество компактных подмножеств $K(M)$ любого метрического пространства $M$ можно превратить в метрическое пространство, определив расстояние с помощью так называемой метрики Хаусдорфа. В этой метрике два подмножества близки друг к другу, если для любой точки одного множества можно найти близкую точку в другом подмножестве. Точное определение:

$D(X,Y)=\inf \left\{r\;\left|\;{\begin{matrix}\forall x\in X\;\exists y\in Y\colon d(x,y)<r\\\forall y\in Y\;\exists x\in X\colon d(x,y)<r\end{matrix}}\right.\right\}$.

Множество всех компактных метрических пространств (с точностью до изометрии) можно превратить в метрическое пространство, определив расстояние с помощью так называемой метрики Громова — Хаусдорфа.

Метрика Васерштейна определяет расстояние между двумя распределениями вероятностей.

Конструкции

Декартово произведение метрических пространств может быть наделено структурой метрического пространства многими способами, например:

$d_{X\times Y}((x_{1},y_{1}),(x_{2},y_{2}))=d_{X}(x_{1},x_{2})+d_{Y}(y_{1},y_{2})$,

$d_{X\times Y}((x_{1},y_{1}),(x_{2},y_{2}))={\sqrt {d_{X}(x_{1},x_{2})^{2}+d_{Y}(y_{1},y_{2})^{2}}}$,

$d_{X\times Y}((x_{1},y_{1}),(x_{2},y_{2}))=\max\{d_{X}(x_{1},x_{2}),d_{Y}(y_{1},y_{2})\}$.

Эти метрики эквивалентны друг другу.

Свойства

Метрическое пространство компактно тогда и только тогда, когда из любой последовательности точек можно выбрать сходящуюся подпоследовательность (секвенциальная компактность).

Метрическое пространство может не иметь счётной базы, но всегда удовлетворяет первой аксиоме счётности — имеет счётную базу в каждой точке. Более того, каждый компакт в метрическом пространстве имеет счётную базу окрестностей. Сверх того, в каждом метрическом пространстве существует такая база, что каждая точка пространства принадлежит лишь счётному множеству её элементов — точечно-счётная база (но это свойство слабее метризуемости даже в присутствии паракомпактности и хаусдорфовости).

Метрические пространства с короткими отображениями образуют категорию, обычно обозначаемую Met.

Вариации и обобщения

Для данного множества $M$, функция $d\colon M\times M\to \mathbb {R}$ называется псевдометрикой или полуметрикой на $M$ если для любых точек $x,\;y,\;z$ из $M$ она удовлетворяет следующим условиям:

$d(x,x)=0$;

$d(x,y)=d(y,x)$ (симметрия);

$d(x,z)\leqslant d(x,y)+d(y,z)$ (неравенство треугольника).

То есть, в отличие от метрики, различные точки в $M$ могут находиться на нулевом расстоянии. Псевдометрика естественно определяет метрику на факторпространстве $M/{\sim }$, где $x\sim y\iff d(x,y)=0$.

Для данного множества $M$ функция $d\colon M\times M\to \mathbb {R}$ называется квазиметрикой, если для любых точек $x$, $y$, $z$ из $M$ она удовлетворяет следующим условиям:

$d(x,x)=0$;

$d(x,y)\leqslant c\cdot d(y,x)$ (квазисимметрия);

$d(x,z)\leqslant c\cdot (d(x,y)+d(y,z))$ (обобщённое неравенство треугольника).

Метрика на пространстве называется ультраметрикой, если она удовлетворяет сильному неравенству треугольника:

Для всех $x$, $y$ и $z$ в $M$ $d(x,z)\leqslant \max(d(x,y),d(y,z))$.

Иногда удобно рассматривать $\infty$-метрики, то есть метрики со значениями $[0;\infty ]$. Для любой $\infty$-метрики можно построить конечную метрику, которая определяет ту же топологию. Например,

$d'(x,y)={\frac {d(x,y)}{1+d(x,y)}}$ или $d''(x,y)=\min {(1,d(x,y))}$.

Также для любой точки $x$ такого пространства множество точек, находящихся от неё на конечном расстоянии, образует обычное метрическое пространство, называемое метрической компонентой $x$. В частности, любое пространство с $\infty$-метрикой можно рассматривать как набор обычных метрических пространств и определить расстояние между любой парой точек в разных пространствах равным $\infty$.

Иногда квазиметрика определяется как функция, удовлетворяющая всем аксиомам для метрики за возможным исключением симметрии. Название этого обобщения не вполне устоялось. В своей книге Смит называет их «полуметриками». Тот же термин используется часто также для двух других обобщений метрик.

$d(x,y)\geqslant 0$ (положительность)

$d(x,y)=0\iff x=y$ (положительная определённость)

d(x, y)=d(y, x) (симметрия вычеркнута)

$d(x,z)\leqslant d(x,y)+d(y,z)$ (неравенство треугольника)

Примеры квазиметрики встречаются в реальной жизни. Например, если дано множество $X$ горных сёл, время прогулки между элементами $X$ образует квазиметрику, поскольку восхождение вверх занимает больше времени, чем спуск вниз. Другим примером является топология городских кварталов, имеющих улицы с односторонним движением, когда путь из точки $A$ в точку $B$ состоит из различного набора улиц по сравнению с путём из $B$ в $A$.

В метаметрике все аксиомы метрики выполняются, за исключением того, что расстояние между идентичными точками не обязательно равно нулю. Другими словами, аксиомами для метаметрики являются:

$d(x,y)\geqslant 0$

из $d(x,y)=0$ следует $x=y$ (но не наоборот.)

$d(x,y)=d(y,x)$

$d(x,z)\leqslant d(x,y)+d(y,z)$.

Метаметрики появляются при изучении гиперболических метрических пространств Громова и их границ. Визуальная метаметрика на таком пространстве удовлетворяет равенству $d(x,x)=0$ для точек $x$ на границе, но в противном случае $d(x,x)$ примерно равно расстоянию от $x$ до границы. Метаметрики первым определил Юсси Вяйсяля.

Ослабление последних трёх аксиом ведёт к понятию преметрики, то есть функции, удовлетворяющей условиям:

$d(x,y)\geqslant 0$

$d(x,x)=0$

Термин не устоялся, иногда он используется для обобщения других метрик, таких как псевдополуметрики или псевдометрики. В русскоязычной литературе (и в переводах с русского) этот термин иногда появляется как «праметрика».

Любая преметрика приводит к топологии следующим образом. Для положительного вещественного $r$ определяется $r$-шар с центром в точке $p$ как:

$B_{r}(p)=\{x\mid d(x,p)<r\}$.

Множество называется открытым, если для любой точки $p$ в множестве существует $r$-шар с центром в $p$, который содержится в множестве. Любое преметрическое пространство является топологическим пространством и, фактически, секвенциальным пространством. В общем случае сами $r$-шары не обязаны быть открытыми множествами согласно этой топологии. Как и для метрик, расстояние между двумя множествами $A$ и $B$ определяется как:

$d(A,B)=\inf _{x\in A,\;y\in B}d(x,y)$.

Это определяет преметрику на булеане преметрического пространства. Если начинать с (псевдополу-)метрического пространства, то получается псевдополуметрика, то есть, симметричную преметрика. Любая преметрика приводит к оператору предзамыкания $\operatorname {cl}$:

$\operatorname {cl} (A)=\{x\mid d(x,A)=0\}$.

Префиксы псевдо-, квази- и полу- могут комбинироваться, например, псевдоквазиметрика (иногда называемая гемиметрикой) ослабляет как аксиому неразличимости, так и аксиому симметрии, и является просто преметрикой, удовлетворяющей неравенству треугольника. Для псевдоквазиметрических пространств открытые $r$-шары образуют базис открытых множеств. Простейшим примером псевдоквазиметрического пространства служит множество $\{0,1\}$ с преметрикой, задаваемой функцией $d$, такой что $d(0,1)=1$ и $d(1,0)=0$. Ассоциированное топологическое пространство является пространством Серпинского.

Множества, оснащённые расширенной псевдоквазиметрикой, изучал Уильям Ловер как «обобщённые метрические пространства». С категорной точки зрения расширенные псевдометрические пространства и расширенные псевдоквазиметрические пространства вместе с их соответствующими нерасширяющимися отображениями лучше всего ведут себя на категориях метрических пространств. Можно взять произвольные произведения и копроизведения и образовать фактор-объект с данной категорией. Если опустить слово «расширенная», можно взять только конечные произведения и копроизведения. Если опустить «псевдо», нельзя будет получить фактор-объекты. Пространства подходов являются обобщением метрических пространств, учитывающим эти хорошие категориальные свойства.

Линейное пространство $V(F)$ называется линейным метрическим пространством, если в нём задано расстояние между его элементами и алгебраические операции непрерывны в его метрике, то есть:

$x_{n}\to x,y_{n}\to y\Rightarrow x_{n}+y_{n}\to x+y$

$x_{n}\to x,\lambda _{n}\to \lambda \Rightarrow \lambda _{n}x_{n}\to \lambda x$

Пример: линейное пространство всех комплексных последовательностей можно превратить в линейное метрическое пространство при помощи введения расстояния между его элементами с помощью формулы:

$d(x,y)=\sum _{i=1}^{\infty }{\frac {1}{2^{i}}}{\frac {|x_{i}-y_{i}|}{1+|x_{i}-y_{i}|}}$.

Гиперметрическое пространство — метрическое пространство в котором выполнены гиперметрические неравенства. То есть:

$\sum _{i<j}b_{i}\cdot b_{j}\cdot |x_{i}-x_{j}|\leq 0$

для любых точек $x_{1},\dots ,x_{n}$ и целых чисел $b_{1},\dots ,b_{n}$ таких, что $\sum b_{i}=1$. При $b_{1}=b_{2}=1$ и $b_{3}=-1$ гиперметрическое неравенство превращается в обычное неравенство треугольника:

$|x_{1}-x_{2}|-|x_{1}-x_{3}|-|x_{2}-x_{3}|\leq 0.$

Пример гиперметрического пространства: $\ell _{1}$-пространство.

Литература

• Бураго Д. Ю., Бураго Ю. Д., Иванов С. В. Курс метрической геометрии. — 2004. — ISBN 5-93972-300-4.
• Васильев Н. Метрические пространства. — Квант. — 1990. — № 1.
• Васильев Н. Метрические пространства. — Квант. — 1970. — № 10.
• Метрика // Математическая энциклопедия (в 5 томах). — М.: Советская Энциклопедия, 1982. — Т. 3. — 1184 с.
• Скворцов В. А. Примеры метрических пространств // Библиотека «Математическое просвещение» Архивная копия от 12 января 2014 на Wayback Machine. — 2001. — Выпуск 9.
• Шрейдер Ю. А. Что такое расстояние? // «Популярные лекции по математике». — М.: Физматгиз, 1963 г. — Выпуск 38. — 76 с.
• Lawvere, F. William (2002), "Metric spaces, generalized logic, and closed categories" (PDF), Reprints in Theory and Applications of Categories (1): 1—37, MR 1925933; reprinted with added commentary from Lawvere, F. William (1973), "Metric spaces, generalized logic, and closed categories", Rendiconti del Seminario Matematico e Fisico di Milano, 43: 135–166 (1974), doi:10.1007/BF02924844, MR 0352214
• Ruben Aldrovandi, J. G. Pereira. An introduction to geometrical physics : [англ.]. — Singapore : World Scientific, 1995. — 699 с. — ISBN 9810222327. — ISBN 9789810222321.
• Rolewicz, Stefan (1987), Functional Analysis and Control Theory: Linear Systems, Springer, ISBN 90-277-2186-6
• Smyth, M. (1987), "Quasi uniformities: reconciling domains with metric spaces", in Main, M.; Melton, A.; Mislove, M.; Schmidt, D. (eds.), 3rd Conference on Mathematical Foundations of Programming Language Semantics, Lecture Notes in Computer Science, vol. 298, Springer-Verlag, pp. 236—253, doi:10.1007/3-540-19020-1_12
• Steen, Lynn Arthur; Seebach, J. Arthur Jr. (1995) [1978], Counterexamples in Topology, Dover, ISBN 978-0-486-68735-3, MR 0507446
• Väisälä, Jussi (2005), "Gromov hyperbolic spaces" (PDF), Expositiones Mathematicae, 23 (3): 187—231, doi:10.1016/j.exmath.2005.01.010, MR 2164775
• Vickers, Steven (2005), "Localic completion of generalized metric spaces, I", Theory and Applications of Categories, 14 (15): 328—356, MR 2182680 Архивная копия от 26 апреля 2021 на Wayback Machine
• Архангельский А. В., Федорчук В. В. Итоги науки и техники. Современные проблемы математики. Фундаментальные направления. Том 17. — ВИНИТИ, 1988. — 232 с.
• Булдыгин В. В., Козаченко Ю. В. Метрические характеристики случайных величин и процессов. — Киев : ТВіМС, 1998. — 290 с.
• Хелемский А. Я. Лекции по функциональному анализу (рус.). — Москва: МЦНМО, 2004. — ISBN 5-94057-065-8.

Ссылки

• Hazewinkel, Michiel, ed. (2001), "Metric space", Encyclopedia of Mathematics, Springer, ISBN 978-1-55608-010-4
• Far and near — several examples of distance functions at cut-the-knot.