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数学 / metric-completion

度量完备化

度量完备化将度量空间等距嵌入完备度量空间,使其像稠密,并恰好补齐缺失的柯西序列极限。

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度量空间完备度量空间稠密集柯西序列等距映射闭包(拓扑学)极限有理数度量完备化

度量空间的度量完备化是一个完备度量空间,其中包含原空间的一个保持距离的副本,且该副本是一个稠密集。完备化为所有柯西序列补充极限,既不改变原有点之间的距离,也不添加与这些极限无关的点。每个度量空间都有完备化;在保持原空间嵌入的等距映射意义下,这个完备化是唯一的。(cis.upenn.edu)

定义与动机

对于度量空间 (X,d)(X,d),其完备化由一个完备度量空间 (X^,d^)(\widehat X,\widehat d) 和一个等距嵌入

i:X⟶X^i:X\longrightarrow\widehat X

组成,满足

d^(i(x),i(y))=d(x,y)且i(X)‾=X^.\widehat d(i(x),i(y))=d(x,y) \quad\text{且}\quad \overline{i(X)}=\widehat X.

上横线表示闭包(拓扑学)。稠密性意味着 X^\widehat X 中的每个点都是 i(X)i(X) 中某个点列的极限。(cis.upenn.edu)

柯西序列的各项在充分靠后时彼此任意接近,但其极限未必属于原空间。例如,在配备通常距离的有理数中,逼近 2\sqrt2 的有理数序列是柯西序列,却没有有理数极限。实数补充了这些缺失的极限。完备性要求每个柯西序列都收敛,而不是要求每个序列都收敛。(jirka.org)

利用柯西序列构造完备化

设 C(X)\mathcal C(X) 为 XX 中所有柯西序列组成的集合。定义一个等价关系:

(xn)∼(yn)⟺lim⁡n→∞d(xn,yn)=0.(x_n)\sim(y_n) \quad\Longleftrightarrow\quad \lim_{n\to\infty}d(x_n,y_n)=0.

完备化就是等价类组成的集合

X^=C(X)/∼,\widehat X=\mathcal C(X)/{\sim},

其上的距离定义为

d^([(xn)],[(yn)])=lim⁡n→∞d(xn,yn).\widehat d([(x_n)],[(y_n)]) =\lim_{n\to\infty}d(x_n,y_n).

这个极限存在,因为

∣d(xn,yn)−d(xm,ym)∣≤d(xn,xm)+d(yn,ym),|d(x_n,y_n)-d(x_m,y_m)| \le d(x_n,x_m)+d(y_n,y_m),

所以由这些距离组成的实数序列是柯西序列。三角不等式还表明,更换代表元不会改变该极限。取等价类保证了完备化中不同点之间的距离为正。(math.gsu.edu)

嵌入将 xx 映到常值序列 (x,x,…)(x,x,\ldots) 所在的等价类。对于每个柯西序列 (xn)(x_n),点列 i(xn)i(x_n) 都收敛于 [(xn)][(x_n)],这就证明了稠密性。为证明完备性,可以用 i(X)i(X) 中的点逼近 X^\widehat X 中一个柯西序列的各项,使误差趋于零,再利用由此得到的 XX 中的柯西序列。因此,即使没有现成的、包含原空间的完备空间,这一构造仍然成立。(math.gsu.edu)

唯一性与映射的延拓

若 (X^1,i1)(\widehat X_1,i_1) 和 (X^2,i2)(\widehat X_2,i_2) 都是 XX 的完备化,则恰好存在一个满射等距映射

U:X^1⟶X^2使得U∘i1=i2.U:\widehat X_1\longrightarrow\widehat X_2 \quad\text{使得}\quad U\circ i_1=i_2.

它的取值由下式唯一确定:

U ⁣(lim⁡ni1(xn))=lim⁡ni2(xn).U\!\left(\lim_n i_1(x_n)\right)=\lim_n i_2(x_n).

因此,唯一性针对的是完备化连同其嵌入,而不是某种特定的集合论表示。(math.uwaterloo.ca)

相应的泛性质是一个延拓定理:对于每个具有一致连续性的映射 f:X→Yf:X\to Y,若 YY 完备,则 ff 可唯一延拓为一致连续映射

f^:X^→Y,f^([(xn)])=lim⁡nf(xn).\widehat f:\widehat X\to Y, \qquad \widehat f([(x_n)])=\lim_n f(x_n).

一致连续性保证柯西序列的像仍是柯西序列,并且等价序列的像具有相同的极限。若 ff 满足常数为 LL 的利普希茨连续性条件,则对其距离不等式取极限可知,f^\widehat f 也满足常数为 LL 的同一条件。(math.uwaterloo.ca)

示例与分析学中的应用

若 XX 等距嵌入完备空间 YY,则它在 YY 中的闭包就是一个完备化。因此,Q\mathbb Q 的完备化是 R\mathbb R,配备通常距离的区间 (0,1)(0,1) 的完备化是 [0,1][0,1]。已经完备的空间不会获得任何新点:它在任意完备化中的像既稠密又闭。(jirka.org)

在泛函分析中,完备化保留与度量相容的线性结构。每个赋范向量空间的完备化都是巴拿赫空间,其中的向量运算在序列代表元上定义,并通过极限延拓。同样,内积空间的完备化是希尔伯特空间。(ocw.mit.edu)

一个具体例子是闭有界区间上的多项式空间,配备一致范数。它的完备化是该区间上的连续函数空间:多项式逼近保证了稠密性,而连续函数的一致极限仍然连续。因此,完备化将一类较简单的逼近对象扩充为包含其所有容许极限的空间。(math.gsu.edu)

对度量的依赖与局限

完备化依赖于度量,而不仅仅依赖于度量所诱导的拓扑学结构。例如,在 X=(0,1)X=(0,1) 上考虑

d(x,y)=∣x−y∣,ρ(x,y)=∣log⁡x1−x−log⁡y1−y∣.d(x,y)=|x-y|, \qquad \rho(x,y)= \left| \log\frac{x}{1-x}-\log\frac{y}{1-y} \right|.

两者都诱导通常的拓扑。然而,配备 dd 的空间的完备化是 [0,1][0,1],而配备 ρ\rho 的空间已经完备:上式中的对数映射是到 R\mathbb R 的满射等距映射。这直接说明,拓扑等价的度量可以具有不同的柯西序列和完备化。(jirka.org)

一般的连续函数未必满足延拓定理的条件。例如,f(x)=1/xf(x)=1/x 在 (0,1)(0,1) 上连续,却无法连续延拓到其通常度量下的完备化 [0,1][0,1],因为它在零点处没有有限极限。这个例子说明了控制柯西序列的行为为何重要。(math.uwaterloo.ca)

完备化也不同于使空间变得紧致。Q\mathbb Q 的完备化是非紧的 R\mathbb R。更一般地,完备化是紧空间,当且仅当原空间是全有界空间:仅有完备性并不能保证紧致性所需的有限覆盖性质。(jirka.org)

参考来源

  1. 9. Completion of a Metric Spacecis.upenn.edu
  2. Functional Analysis Notesmath.gsu.edu
  3. PMath 351 Notesmath.uwaterloo.ca
  4. RA Completeness and compactnessjirka.org
  5. Functional Analysis Lecture Notes, Spring 2020ocw.mit.edu