Matematika · Glosarium

Apa itu ruang metrik lengkap?

Definisi 4.7 Matematika Universitas — Tahun 2 · Bab 4 — Topologi Ruang Metrik

Sebuah barisan (xn)(x_n) disebut Cauchy apabila supp,qNd(xp,xq)0\sup_{p, q \geq N} d(x_p, x_q) \to 0 ketika NN \to \infty. Sebuah ruang metrik disebut lengkap apabila setiap barisan Cauchy konvergen. Konvergen \Rightarrow Cauchy selalu berlaku; himpunan bagian tertutup dari ruang lengkap bersifat lengkap, dan himpunan bagian lengkap dari ruang apa pun bersifat tertutup (buktinya sama seperti pada R\R: jilid Tahun ke-1).

Contoh

Contoh 4.8 (Cauchy tanpa limit)

Di X=QX = \Q dengan jarak biasa, pemotongan desimal 2\sqrt2,

x0=1,x1=1.4,x2=1.41,x3=1.414,x_0 = 1,\quad x_1 = 1.4,\quad x_2 = 1.41,\quad x_3 = 1.414, \quad\dots

memenuhi xpxq10min(p,q)\abs{x_p - x_q} \leq 10^{-\min(p,q)}: jadi Cauchy di Q\Q. Limitnya di Q\Q akan sekaligus menjadi limitnya di R\R, yakni 2Q\sqrt2 \notin \Q: jadi tak ada limitnya di XX. Ketaklengkapan adalah hadirnya “limit hantu” semacam itu; kelengkapan R\R dirancang pada jilid Tahun ke-1 justru untuk memberi rumah bagi setiap barisan Cauchy.

Contoh 4.13 (Sebuah persamaan integral)

Pada X=C([0,1])X = C(\intcc{0}{1}) (yang lengkap, Teorema 4.9), tinjaulah T(f)(x)=1+120xf(t) ⁣dtT(f)(x) = 1 + \frac12 \int_0^x f(t)\,\dd t. Untuk f,gXf, g \in X:

T(f)(x)T(g)(x)120xfg12d(f,g),\abs{T(f)(x) - T(g)(x)} \leq \frac12 \int_0^x \abs{f - g} \leq \frac12\, d_\infty(f, g),

jadi TT adalah kontraksi berkonstanta 12\frac12: ia punya tepat satu titik tetap yang kontinu — yaitu penyelesaian f=f2f' = \frac f2, f(0)=1f(0) = 1, yakni ex/2\eu^{x/2}. Skema ini, setelah diindustrikan, menjadi teorema Cauchy–Lipschitz pada Bab 16.

Contoh 4.14 (Sebuah titik tetap numerik: x=cosxx = \cos x)

Pada X=[0,1]X = \intcc{0}{1} yang lengkap, pemetaan f=cosf = \cos mengirim XX ke dalam [cos1,1]X\intcc{\cos 1}{1} \subseteq X dan merupakan kontraksi: menurut ketaksamaan nilai rata-rata,

cosxcosy(sup[0,1]sin)xy=(sin1)xy,sin10.841<1.\abs{\cos x - \cos y} \leq \bigl(\sup_{\intcc01}\abs{\sin}\bigr) \abs{x - y} = (\sin 1)\abs{x - y}, \qquad \sin 1 \approx 0.841 < 1 .

Menurut Banach: ada tepat satu penyelesaian x=cosxx = \cos x di [0,1]\intcc01 (jadi juga di R\R: sebab setiap titik tetap real terletak di [1,1]\intcc{-1}{1}, lalu di [cos1,1]\intcc{\cos 1}{1} setelah satu penerapan), dan iterasi xn+1=cosxnx_{n+1} = \cos x_n konvergen ke sana dari awal mana pun: x0.739085x_\infty \approx 0.739085, bilangan masyhur yang diperoleh dengan menggenjot tombol kosinus sebuah kalkulator. Batas galatnya meramalkan peluruhan (sin1)n/(1sin1)(\sin1)^n/(1 - \sin1) — kira-kira satu angka tiap 1313 tekanan; adapun batas aposteriori pada soal akhir pekan bab ini (pertanyaan 14) mengesahkan tiap langkahnya secara langsung.

Baca dalam konteks →
Definisi 7.1 Matematika Universitas — Tahun 3 · Bab 7 — Ruang Lengkap: Baire, Ascoli, Stone–Weierstrass

Sebuah ruang metrik disebut lengkap jika setiap barisan Cauchy konvergen (Tahun ke-2: Rn\R^n lengkap; dan C([0,1])\mathcal C(\intcc01) dengan \norm\cdot_\infty lengkap). Himpunan bagian tertutup dari ruang lengkap bersifat lengkap; sedangkan himpunan bagian lengkap dari sembarang ruang metrik bersifat tertutup.

Contoh

Contoh 7.5 (Mengusik identitas)

Misalkan g ⁣:RdRdg \colon \R^d \to \R^d Lipschitz-kk dengan k<1k < 1. Maka φ=id+g\varphi = \mathrm{id} + g merupakan homeomorfisma Rd\R^d pada Rd\R^d. Keinjektifannya, beserta modulus kuantitatifnya:

φ(x)φ(y)xyg(x)g(y)(1k)xy.\norm{\varphi(x) - \varphi(y)} \geq \norm{x - y} - \norm{g(x) - g(y)} \geq (1 - k)\norm{x - y} .

Kesurjektifannya adalah teorema titik tetap: sebab menyelesaikan φ(x)=y\varphi(x) = y berarti x=yg(x)x = y - g(x), sedangkan xyg(x)x \mapsto y - g(x) merupakan kontraksi-kk pada Rd\R^d yang lengkap — jadi ada penyelesaian tunggal x=ψ(y)x = \psi(y) untuk setiap yy. Ketaksamaan yang ditampilkan itu membuat invers ψ\psi bersifat Lipschitz dengan konstanta 11k\frac1{1-k}: jadi sebuah homeomorfisma, dengan batas eksplisit pada kedua modulusnya. Pernyataan yang tampak sepele ini adalah mesin di dalam teorema fungsi invers (Bab 20): sebab di dekat titik tempat DfDf terbalikkan, ff memang berupa pemetaan linear terbalikkan ditambah usikan Lipschitz yang kecil, dan contoh hari ini mengerjakan sisanya. Ia juga mengukur ketegaran numerik: sistem yang diusik kurang dari margin inversnya tetap dapat diselesaikan, dengan penyelesaiannya bergeser paling banyak 11k\frac{1}{1-k} kali usikannya.

Baca dalam konteks →