一般の距離空間

[トピック一覧:一般の距離空間]
A: 距離・距離関数・距離空間(例:離散距離・離散距離空間/ユークリッド距離・ユークリッド空間
  擬距離・擬距離空間/直積距離空間/部分距離空間
B: 点集合/ε近傍・開球/除外ε近傍
  内点/外点/境界点/内部/外部/境界/閉包/稠密/集積点/孤立点/開集合/閉集合/直径/有界な集合/有界閉集合    
※関連ページ:距離空間のイントロダクション/距離空間(R,d)/距離空間(R2,d)/距離空間(Rn,d)/位相空間/一般の距離空間の位相 
参考文献総目次

定義:距離関数、距離metric、距離空間metric space  (距離の公準・距離空間の公理)

定義

Xを任意の集合とする(数の集合にかぎらない。なんでもよい。)。
 P,Q,RXにたいして、     
   以下の4要件を満たす(ならば、どんな)非負実数値関数d:X×XR+(であれ、それ)を、 
 集合X上の距離関数metric,distanced(P,Q)P,Q間の距離と呼ぶ。 
   (i) 正値性:  任意のP,QXに対して、d(P,Q)≧0  
   (ii)     任意のP,QXに対して、d(P,Q)=0P=Q  
          つまり、P=Qのときd(P,Q)=0、
           また、d(P,Q)= 0になるのは、P=Qのときだけ。   
   (iii) 対称性:  任意のP,QXに対して、d(P,Q)=d(Q,P)      
   (iv) 三角不等式 triangle inequality: 
            任意のP,Q,RXに対して、d(P,R)d(P,Q)d(Q,R)
            つまり、
            Q経由でPからRまで測った値は直接PRを測った値以上。  

[文献]

 ・志賀『位相への30講』第10講;
 ・松坂『集合・位相入門』6章§1A (pp.234-5);
 ・佐久間『集合・位相』3.3節 (pp.56-8); 
 ・斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』4.5.1節(pp.125);
 ・ 矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離p.2
 ・彌永・彌永『集合と位相II』pp.135-141.
 ・『岩波数学辞典(第三版)』項目92距離空間(pp.253-256);
 ・吹田新保『理工系の微分積分学』pp.154-157;
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』pp.131-148;
 ・西村『経済数学早わかり』第6章1.3-1.4節(pp.278-280);
 ・二階堂『現代経済学の数学的方法』§11(p.79)

定義

・ 距離dが定義された集合Xを「距離空間」とよび、
       距離空間(X,d)
 と書く。  
 このことを、「Xに距離distanceまたは計量metricがあたえられた」という。

Cf. 距離空間のイントロダクション距離空間(R,d)、距離空間(R2,d)、距離空間(Rn,d)、位相空間 

※距離の活用例:ε近傍定義有界な集合直径
        点列の収束の定義写像の極限の定義写像の連続性の定義

定義

Xを距離空間(X,d)のsupportと呼ぶ。


→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

距離と距離空間の例

定義

[離散距離と離散距離空間discrete metric space ]

 ・X任意のでない集合、P,QXとして、
      ┌P=Qのとき、d(P,Q)=0  
      └PQのとき、d(P,Q)=1  
    と、d(P,Q)を定義すると、d(P,Q)は集合X上の距離関数となる。
    これで定義した距離離散距離
    これで定義された距離を与えた集合X離散距離空間と言う。


[文献]

 ・矢野『距離空間と位相構造』1.1.1距離p.3;
 ・佐久間『集合・位相』3.3節問1(pp.57-8)
 ・

 cf. Rにおける距離R2における距離Rnにおける距離 

定義

[ユークリッド距離とユークリッド空間]
  →実数全体の集合R2におけるユークリッド距離とユークリッド空間  
  →実数全体の集合Rnにおけるユークリッド距離とユークリッド空間


定義

[変分ノルムから導かれる距離]  
 

定義

[supノルムから導かれる距離]


   

→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:擬距離pseudodistance、擬距離空間pseudometric space  

定義

P,Q,RXとして、     
 以下の4要件を満たす(ならば、どんな)非負実数値関数d:X×XR+(であれ、それ)を、 
 集合X上の擬距離pseudodistanceと呼ぶ。 
   (i) 正値性:  任意のP,QXに対して、d(P,Q)≧0  
   (ii)     任意のP,QXに対して、P=Q d(P,Q)= 0  
          つまり、P=Qのときd(P,Q)= 0でなければならないが、
           また、P=Qでないときに、d(P,Q)= 0になってもよい。   
   (iii) 対称性:  任意のP,QXに対して、d(P,Q)=d(Q,P)      
   (iv) 三角不等式 triangle inequality: 
            任意のP,Q,RXに対して、d(P,R)d(P ,Q)d(Q ,R)     
             つまり、Q経由でPからRまで測った値は直接PRを測った値以上。

[文献]

 ・『岩波数学辞典(第三版)』項目92距離空間B(p.254)


定義

・擬距離dが定義された集合Xを「擬距離空間pseudometric space」とよび、
  (X,d)
 と書く。



→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:直積距離空間direct product metric space, product metric space 

定義

n個の距離空間 (X1,d1),(X2,d2),…(Xn,dn)があるとする。 
 この直積Xとおく。
 すなわち、
  XX1×X2××Xn { (x1,x2,…,xn) | x1X1かつ x2X2かつかつxnXn } 
 集合Xの2点P(p1,p2,…,pn),Q(q1,q2,…,qn)をとる。
         (p1,q1X1 , p2,q2X2,…, pn,qnXn) 
 PQ距離d ( (p1, p2,…,pn) , (q1, q2,…, qn) )を、 

 

d1(p1,q1)2 d2(p2,q2)2 +…+dn(pn,qn)2    
 と定めると、(X,d)は距離空間となる。
 これを、(X1,d1),(X2,d2),…,(Xn,dn)の直積距離空間という。  
   例:ユークリッド空間Rnは、
       距離d(x,y)=|x-y|と定義された、実数全体の距離空間(R,d)
     のn個の直積距離空間。

[文献]

 ・松坂『集合・位相入門』第6章F(pp.243-4);
 ・『岩波数学辞典(第三版)』項目92距離空間B(p.254)
 ・彌永『集合と位相II』p.147
 ・矢野公一『距離空間と位相構造』第1章距離空間1.1節距離(pp.2-25)



→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:部分距離空間 metric subspace  


ある集合X
集合X上の任意の2点P,Q間の距離を与える距離関数d(P,Q)が、
すでに定義されているとする。
つまり、距離空間(X,d)がすでに定義されているとする。
 * * * 
X'X任意の部分集合とする。  
X'上の任意の2点P',Q'にたいして値をとる関数d'(P',Q')を、
  X上の距離関数d(P,Q) (P,QX) を用いて、つぎのように定義する。 
      d'(P',Q')d(P',Q') 
        ※P',Q'X'P,QXX'Xとなっていることに注意。
このd'(P',Q')は、
X'上の任意の2点P',Q'間の距離を与える距離関数となり、(距離関数の要件を満たすことを確認せよ) 
(X',d')は、距離空間となるが、
このようにしてつくった距離空間(X',d')を、
もとの距離空間 (X,d)の部分距離空間metric subspaceと呼ぶ。 

[文献]

 ・松坂『集合・位相入門』第6章F(p.243);
 ・斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』第四章§5問題3(p.133);
 ・彌永『集合と位相II』p.147
 ・『岩波数学辞典(第三版)』項目92距離空間B(p.254)

 

→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:点集合 


距離空間(X,d)のにおける点集合とは、
  距離空間(X,d)のである集合X部分集合のこと。
・幾何学的表現においては、
 普遍集合Ωを空間spaceと呼び、
 Ωのを点point、Ωの部分集合を点集合point setと呼ぶ。

[文献]

 ・『岩波数学辞典』項目162B(p.429)

Cf.Rnにおける点集合についての諸概念/平面R2における点集合についての諸概念/距離空間一般における点集合についての諸概念 

定義:点Pのε近傍 ε-neighborhood・開球  Uε(P) U(P,ε) 


(はじめに読むべき定義)

・「点Pのε近傍」とは、
 「点Pからの距離がε以内の点」をすべてあつめた集合のこと。
     ただし、εは正ならばどんなに小さくてもよいとする。

(正確な定義)

・ (X,d)を距離空間PXの点とする。    
  Uε(P)≡{ QX | d(P,Q)<ε }  (ただし、半径εは任意の正の実数)
 で定義される集合を、「Pのε近傍」「Pを中心とする開球」と呼ぶ。
cf. Rにおけるε近傍R2におけるε近傍Rnにおけるε近傍

[文献]

 ・志賀『位相への30講』第11講
 ・小平『解析入門I』pp.54-65.
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.154;
 ・『岩波数学辞典』項目92距離空間C(p.254)
 ・松坂『集合・位相入門』第6章B(p.237);
 ・斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』第四章§5項目4.5.2(p.125);
 ・彌永『集合と位相』§1.3(p.147);
 ・『岩波数学辞典(第三版)』項目92距離空間B(p.254)

※利用例:内点外点境界点開集合の定義/集積点の定義/点列の収束の定義/写像の極限の定義/写像の連続性の定義    
ε近傍と位相


→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:点Pの除外ε近傍 a deleted ε-neighborhood of P    U*ε(P)  

定義

・「Pの除外ε近傍」とは、
  点Pε近傍から、点Pを除外したもの。     
   U*ε(P)={ Q | 0<d(P,Q)<ε} 半径εは正ならばどんなに小さくてもよい。

[文献]

 ・杉浦『解析入門I』p.113;
 ・Fischer Intermediate Real Analysis,207.
 ・


cf. Rにおけるε近傍R2におけるε近傍Rnにおける除外ε近傍 ※活用例:写像の極限の定義


→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次


定義:内点inner point 


・εの値を加減して、様々な大きさの「点Pのε近傍Uε(P)」をつくる。
 そのなかに、
 点集合Eにすっぽり含まれるようなUε(P)が、「ひとつでも」つくれれば、 
     点P点集合E内点であるという。 
     すなわち、
     点P点集合E内点「ある」Uε(P)に対して、Uε(P)E 
              「ある」ε>0に対して、Uε(P)E  

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.56;
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』pp.154-155;
 ・奥野鈴村『ミクロ経済学I』p.262

利用例: 内部の定義/開集合の定義


Rにおける内点/R2における内点/Rnにおける内点


→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:外点 exterior point 


・εの値を加減して、様々な大きさの点Pのε近傍Uε(P)をつくる。
 そのなかに、点集合Eと共有点を持たないUε(P)が「ひとつでも」つくれれば、
 P点集合E外点であるという。
 すなわち、
 点Pが点集合E外点「ある」Uε(P)に対して、Uε(P)Eφ

[文献]

 ・吹田・新保『理工系の微分積分学pp.154-155.
 ・奥野鈴村『ミクロ経済学I』p.262
 ・


Rにおける外点Rnにおける外点      利用例:外部の定義


→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:境界点boundary point  


点集合E内点でも外点でもない点を「点集合E境界点」という。
 点Pが「点集合E境界点」であるための必要十分条件は、
 どんな風にεをとっても、点Pの「すべての」ε近傍Uε(P)が、
 E属す点もE属さない点も含むこと。   
 すなわち、
 点P点集合E境界点
   Pの「任意」のUε(P)に対して、
       Uε(P)右の部分集合ではないE, Uε(P)E≠φ   
   Pの「任意」のUε(P)に対して、 
       Uε(P)E≠φかつUε(P)Ec≠φ 

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.56
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』pp.154-155
 ・奥野鈴村『ミクロ経済学I』p.262

利用例:境界の定義閉包の定義閉集合の定義 
Rにおける境界点/R2における境界点/Rnにおける境界点
       

→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:内部interior 


点集合E内点全体からなる集合をE内部と呼ぶ。 記号:Int E

Rにおける内部/R2における内部/Rnにおける内部/位相空間一般における開核

[文献]

 ・奥野鈴村『ミクロ経済学I』p.262



定義:外部 exterior  


点集合E外点全体からなる集合をE外部と呼ぶ。 記号:Ext E

Rにおける外部/Rnにおける外部/距離空間一般における外部  

[文献]

 ・奥野鈴村『ミクロ経済学I』p.262


→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:境界boundary  


点集合E境界点全体からなる集合を、E境界と呼ぶ。。 記号:Bd E      

Rにおける境界/R2における境界/Rnにおける境界、   

[文献]

 ・小平『解析入門Ip.56
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学p.155.
 ・奥野鈴村『ミクロ経済学I』p.262


定義:閉包closure 

定義

点集合E閉包とは、
 「点集合E」と「点集合E境界」との合併集合のことをいう。

R/R2/Rnにおける閉包

[文献]

 ・小平『解析入門Ip.56
 ・岡田『経済学・経営学のための数学』定義4.5(p.159)


→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:稠密 dense 

定義


[文献]

 ・小平『解析入門Ip.58


定義:集積点 accumulating point 

定義

・どんな風にεをとっても、点Pの「すべての」ε近傍Uε(P)が、
 点集合Eの点を無限個含むとき、すなわち、Uε(P)E無限集合となるとき、
 点Pを「点集合E集積点という。

[文献]

 ・小平『解析入門Ip.58
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学p.155.
 ・矢野『距離空間と位相構造』1.3.5(p.47)


定義:孤立点 isolated point 

定義

点集合E属すP点集合E集積点でないとき、PEの孤立点という。

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.58
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.155.

定義:離散集合 discrete set 

    [小平『解析入門Ip.58;.] 


→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:開集合 open set  

定義

(はじめに読むべき定義)

点集合E境界点はどれも点集合E属さず、
 点集合E属す点が全て点集合E内点であるとき、 
 点集合E開集合であるという。

(正確な定義)

・(X,d)を距離空間EXの部分集合とする。    
 E距離空間(X,d)の開集合
   PEに対してPE内点 
    (PE) (Uε(P) ) ( Uε(P)E )  (∵内点の定義) 

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.58;
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p. 155;
 ・佐久間『集合・位相』3.4開集合と閉集合(p.61)
 ・松坂『集合・位相入門』第6章B(p.237)
 ・斉藤『数学の基礎:集合・数・位相』第四章§5項目4.5.2(p.125);

Rにおける開集合/R2における開集合/Rnにおける開集合   
距離空間上の開集合と位相 

注意

 X全体、空集合φも、開集合である。
  ※理由→佐久間『集合・位相』3.4開集合と閉集合(p.61)
      松坂『集合・位相入門』第4章§1D(pp.145-6);


定義:閉集合closed set 


点集合Eの境界点はすべてEに属すとき、Eは閉集合であるという。

Rにおける閉集合/R2における閉集合/Rnにおける閉集合

[文献]

 ・小平『解析入門I』p.58
 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.155



→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:直径 diameter 

定義

・距離空間Xの部分集合Eに対して、sup{d(P,Q)|P,QE}をEの直径という。

[文献]

 ・『岩波数学辞典(第三版)』項目92距離空間(pp.253-256)

Rにおける区間の長さ/R2における直径/Rnにおける直径

    

定義:有界boundedな集合  


距離空間Xの部分集合E直径上に有界であるとき、部分集合E有界であるという。
        [『岩波数学辞典(第三版)』項目92距離空間(pp.253-256)] 
つまり、  
・「距離空間Xの部分集合E有界である」とは、
    ある実数Mとある点PEが存在して、
    任意の点QEに対して、d(P,Q)<M
    が成立することをいう。[ルディン『現代解析学』2.20-i (p.33)] 
あるいは、     
・<点集合S属す任意の点>をP 、 原点をOとおく。     
 <点集合S属す任意の点>と<原点>との距離 d(P,O)が上に有界 であるとき、  
 点集合S有界boundedであるという。     
 点集合S有界  PS に対して、d(P,O)が上に有界 ,   
            [小平『解析入門Ip.61.] 
 ところが、実のところは、 
    「Rmの部分集合Bは、
     ある点bを中心とする十分大きなM>0を半径とする開球U(b,M)
     含まれるとき有界であるという。
     ここでbを特定の点たとえば原点0としてもよい。[杉浦『解析入門I』p.55.]」 
 ということで、上のどちらでもよい。

Rにおける有界な集合/R2における有界な集合/Rnにおける有界な集合 
        

→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

定義:有界閉集合 

定義

・有界閉集合とは、
 有界集合かつ閉集合である集合のこと。

[文献]

 ・
 ・
 ・


定義:被覆covering

       →詳細  

定義:コンパクト集合

 

定義


[文献]

 ・
 ・
 ・

定義



定義







→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次


II.距離空間(R,d) 

A.距離・距離空間
・集合Rの元x, yにたいして、d(x,y)=|x-y|をとると、d距離の公準を満たし、(R,d)は距離空間となる。 
   →つづき 
B.
・定義:点aRのε近傍 Uε(a) 点aRからの距離がε以内の点からなるR部分集合
   →つづき
・定義:点aRの除外ε近傍U*ε(a) 点aε近傍から、点aを除外したもの。
   →つづき
C.数直線Rにおける点集合についての諸概念 
Rにおける点集合 :数直線R部分集合つづき 
R上の集合Eの内点: Uε(a)Eを満たすUε(a)が存在する点a。  
  →詳しい解説       
R上の集合Eの外点: Uε(a)Eφを満たすUε(a)が存在する点a  
  →詳しい解説         
Rにおける集合Eの境界点:その集合の内点でも外点でもない点→詳しい解説    
Rにおける集合Eの内部: Eの内点全体からなる集合→詳しい解説  
Rにおける集合Eの外部:集合の外点全体からなる集合→詳しい解説  
Rにおける集合の境界: 境界点「全体」からなる集合。(a,b)、[a,b]ではa,bの2点。
     →詳しい解説  
・閉包→説明  
Rにおける集合の集積点:→説明  
Rにおける開集合: 集合Eの境界点の「どれも」Eに属さ「ない」とき、Eは開集合であるという。  
    →詳しい解説 
Rにおける閉集合: 集合Eの境界点は「すべて」Eに属すとき、Eは閉集合であるという。
    →詳しい解説 
区間 →説明
 ・(a,b) 開区間→説明  
 ・[a,b] 閉区間→説明  
 ・(a,b] 左半開区間→説明   
 ・[a,b) 右半開区間→説明  
 ・有限区間・無限区間→説明   
幅・長さ →説明
Rにおける上に有界な集合       →説明 
Rにおける下に有界な集合       →説明 
Rにおける「有界」な集合       →説明  


→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

 

III. 距離空間 (R2,d)   

  R2 :「実数全体の集合R」と「実数全体の集合R」の直積R×R)のこと。
  平面: 集合R2、すなわち「実数全体の集合R」と「実数全体の集合R」の直積R×R)をさす。
  点 : 平面R2の要素、すなわち、(x,y)∈R×R  
A. 平面R2における距離と距離空間  →説明  
     ・ユークリッド距離   
     ・2次元ユークリッド空間  
B.
平面R2における点Pのε近傍(ε-neighborhood) Uε(P)   →説明 
平面R2における点Pの除外ε近傍U*ε(P)   →説明   
C. 平面R2における点集合についての諸概念 
・点集合 :の集合。つまり、平面R2部分集合(点集合SR2) 
平面R2における集合の内点   →説明 
・境界点  →説明    
・境界  →説明  
・閉包  →説明
・稠密  →説明 
・集積点  →説明 
・孤立点  →説明 
・離散集合  →説明 
・開集合  →説明 
・閉集合  →説明 
R2上の区間  →説明  
R2上の閉区間・閉矩形  →説明  
・「有界」な集合  →説明  
直径  →説明  
連結  →説明
領域  →説明
閉領域  →説明
開核  →説明
→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次

 

III. 距離空間 (Rn,d) 

  彌永『集合と位相II』p.136。杉浦光夫『解析入門I』岩波書店、1980年、pp.37-48;55; 70;. 

→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次


reference

[解析学の文献]
高木貞二『解析概論改訂第三版』岩波書店、1983年、p.14-17.
小平邦彦『解析入門I』 (軽装版)岩波書店、2003年、pp. 13; 21;36; 46;53-65; 73.
杉浦光夫『解析入門I』岩波書店、1980年、pp.37-48;55; 70;.75-79;
吹田・新保『理工系の微分積分学』学術図書出版社、1987年。pp.154-157.
和達三樹『理工系の数学入門コース1:微分積分』岩波書店、1988年、pp.112-113.
ルディン『現代解析学』共立出版、1971年、2.17-2.46(pp.32-44)。
Fischer,Emanuel.Intermediate Real Analysis(Undergraduate Texts in Mathematics),Springer-Verlag New York Heidelberg Berlin,1983,p.207.
Lang,Serge.Undergraduate Analysis(Undergraduate Texts in Mathematics),Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg Tokyo,1983,Chapter 19. Multiple Integrals. (p.468.)。

[位相の文献]
彌永昌吉・彌永健一『岩波講座基礎数学: 集合と位相 I・II』 岩波書店、1977年, pp.135-171。
矢野公一『距離空間と位相構造』共立出版、1997年、第1章距離空間1.1節距離(pp.2-25)、1.3節位相(pp.37-52)。
松坂和夫『集合・位相入門』岩波書店、1968年、第6章距離空間§1距離空間とその位相.A距離関数と距離空間(pp.234-6);B距離空間における位相の導入(pp.236-8);F部分距離空間と直積距離空間(pp.243-4)。
斉藤正彦『数学の基礎:集合・数・位相』東大出版会、2002年、第四章§5距離空間(その1)4.5.1-4.5.10(pp.125-130)。
志賀浩二『位相への30講』朝倉書店、1988年、第10講:距離空間一般の定義(pp.71-6); 第11講:ε近傍と距離空間の例(pp.77-84); 第13講:開集合閉集合、第14講近傍閉包、
佐久間一浩『集合・位相―基礎から応用まで―』共立出版、2004年、第3章集合から位相空間へ3.3距離空間と完備性(pp.56-61)、3.4開集合と閉集合(pp.61-66) 。

[数理経済学の文献]
二階堂副包(ふくかね) 『現代経済学の数学的方法―位相数学による分析入門』岩波書店、1960年、§11Rnにおける収束(p.79)、§12二三の位相的概念(pp.79-89)。
西村和雄『経済数学早わかり』日本評論社、1982年、第6章位相数学§1位相空間とは1.3近さ・遠さ1.4距離空間。(pp.278-280)。§2ユークリッド空間(pp.281-95)卑近な例もまじえつつ、具体的に説明。
神谷和也・浦井憲『経済学のための数学入門』東京大学出版会、1996年、pp.67-76;120-123; 131-148.
奥野正寛、鈴村興太郎『ミクロ経済学I』岩波書店、1985年、pp.261-265.
高橋一『経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、p.5。

[そのほかの文献]
日本数学会編集『岩波数学辞典(第三版)』項目92距離空間(pp.253-256)、項目409ユークリッド幾何学(pp.1225-1229)、項目410ユークリッド空間 (pp.1229-1230).
佐藤坦『はじめての確率論 測度から確率へ』共立出版、1994pp172-186.

→[トピック一覧:一般の距離空間]
総目次