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Matemática · Glossário

O que é espaço métrico?

Definição 4.1 Matemática universitária — Graduação 2 · Capítulo 4 — Topologia dos espaços métricos

Um espaço métrico é um conjunto XX munido de uma aplicação d ⁣:X×X→R+d \colon X \times X \to \R_+ tal que, para todos x,y,zx, y, z:

d(x,y)=0  ⟺  x=y,d(x,y)=d(y,x),d(x,z)≤d(x,y)+d(y,z).d(x,y) = 0 \iff x = y, \qquad d(x,y) = d(y,x), \qquad d(x,z) \leq d(x,y) + d(y,z).

Bolas: B(a,r)={x:d(a,x)<r}B(a, r) = \{x : d(a,x) < r\} (aberta), B‾(a,r)={x:d(a,x)≤r}\overline B(a,r) = \{x : d(a,x) \leq r\} (fechada). Uma parte A⊆XA \subseteq X torna-se um espaço métrico com a distância induzida.

Exemplos

Exemplo 4.2

R\R com ∣x−y∣\abs{x - y}; Rn\R^n com qualquer uma das distâncias

d1(x,y)=∑i∣xi−yi∣,d2(x,y)=(∑i(xi−yi)2)1/2,d∞(x,y)=max⁡i∣xi−yi∣;d_1(x,y) = \sum_i \abs{x_i - y_i}, \quad d_2(x,y) = \Bigl(\sum_i (x_i - y_i)^2\Bigr)^{1/2}, \quad d_\infty(x,y) = \max_i \abs{x_i - y_i};

o conjunto C([a, b])C(\intcc{a}{b}) das funções contínuas com a distância do sup d∞(f,g)=sup⁡[a, b]∣f−g∣d_\infty(f, g) = \sup_{\intcc{a}{b}} \abs{f - g} (finita: f−gf - g é limitada); qualquer conjunto com a distância discreta (d(x,y)=1d(x,y) = 1 para x≠yx \neq y). As distâncias provenientes de normas são o assunto do Capítulo 5.

Exemplo 4.4 (Interior, fecho e fronteira num só conjunto)

Em R\R, seja A=(0, 1]∪{2}A = \intoc{0}{1} \cup \{2\}. Interior: (0, 1)\intoo{0}{1} — em torno de qualquer x∈(0, 1)x \in \intoo01 uma bola pequena permanece em AA; em torno de 11, toda bola (1−r, 1+r)\intoo{1-r}{1+r} vaza para fora de AA pela direita, logo 11 não é interior; e o ponto isolado 22 também não é interior. Fecho: [0, 1]∪{2}\intcc{0}{1} \cup \{2\} (o ponto 00 é limite de AA, e nada mais se acrescenta). Fronteira (fecho menos interior): {0,1,2}\{0, 1, 2\}. Note as assimetrias que vale a pena guardar: uma extremidade pode pertencer a um conjunto sem ser interior (11), pode ser aderente sem pertencer (00), e um ponto isolado é sua própria fronteira (22). A mesma contabilidade roda palavra por palavra em qualquer espaço métrico, com bolas no lugar de intervalos.

Exemplo 4.19 (Distâncias entre conjuntos: a compacidade ganha o pão)

Sejam KK compacto, FF fechado, K∩F=∅K \cap F = \emptyset num espaço métrico. Então

d(K,F)=inf⁡ {d(x,y):x∈K, y∈F}>0:d(K, F) = \inf\,\{d(x, y) : x \in K,\ y \in F\} > 0 :

a função x↦d(x,F)x \mapsto d(x, F) é contínua (Exercício 4.11) e positiva em KK (d(x,F)=0d(x, F) = 0 poria x∈F‾=Fx \in \overline F = F), logo atinge um mínimo positivo no compacto KK (Teorema 4.16 (3)). A compacidade não é decorativa: para dois fechados o ínfimo pode se anular sem ser atingido — em R2\R^2, a hipérbole F1={xy=1}F_1 = \{xy = 1\} e o eixo F2={y=0}F_2 = \{y = 0\} são fechados disjuntos com d(F1,F2)=0d(F_1, F_2) = 0 (os pontos (n,1n)(n, \frac1n) se aproximam do eixo). A fuga para o infinito é exatamente o que a compacidade proíbe.

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