Metriskt rum

Inom matematiken är ett metriskt rum en mängd X tillsammans med en avståndsfunktion eller metrik $d: X \times X \rightarrow \mathbb{R}$ sådan att följande villkor gäller

1. $d\left(x,y\right) \ge 0$
2. $d\left(x,y\right) = d\left(y,x\right)$
3. $d\left(x,y\right) = 0 \Leftrightarrow x = y$
4. $d\left(x,y\right) \le d\left(x,z\right) + d\left(z,y\right)$

för alla element x, y och z från X.

Avståndsfunktionen betecknas vanligen d eller ρ, och kallas metrik. Om ekvivalensen i tredje villkoret ersätts med en vänsterimplikation får man en pseudometrik.

För punkter i $\mathbb{R}^3$ med den vanliga metriken är villkoren (1)-(4) uppenbara. Villkor (1) motsvarar att avståndet mellan punkter i det euklidiska rummet är positivt. Villkor (3) motsvarar att två punkter P och Q har avstånd 0 om och endast om P=Q. Villkor (4) är den så kallade triangelolikheten: för tre punkter P, Q och R gäller att avståndet mellan P och R är mindre eller lika med summan av avståndet mellan P och Q samt avståndet mellan Q och R.

Exempel

• Varje mängd kan göras till ett metriskt rum genom att tilldela den den diskreta metriken $d_0$:

$d_0(x, y) := \left\{ \begin{array}{cc} 0 & \mathrm{om}\ x = y \\ 1 & \mathrm{om}\ x \neq y \end{array} \right.$

• $\mathcal{C}[0, 1]$, klassen av alla kontinuerliga funktioner definierade på $[0, 1]$, blir med metriken $d(f, g) = \sup\{|f(x) - g(x)|, x \in [0, 1]\}$ (metriken inducerad från supremumnormen) ett metriskt rum. Med samma metrik är $\mathcal{C}[a,b]$ ett metriskt rum för alla kompakta intervall.

• Mängden av reella tal (betecknad $\mathbb{R}$) är ett metriskt rum med avståndsfunktionen $d(x,y) = |x-y|$.

• Mängden $\mathbb{R}^3$ består av alla 3-tupler (x,y,z) där x, y och z samtliga är reella tal. Denna mängd ses konkret som punkter i det tredimensionella rummet, där 3-tupeln (a,b,c) motsvarar punkten med x-koordinat a, y-koordinat b samt z-koordinat c.

Mängden $\mathbb{R}^3$ är ett metriskt rum med avståndsfunktionen

$d( (x_1,y_1,z_1),\ (x_2,y_2,z_2) ) = \sqrt{ (x_1-x_2)^2 + (y_1-y_2)^2 + (z_1-z_2)^2 }$.

Denna avståndsfunktion är det avstånd som fås i rymdgeometrin genom användande av Pythagoras sats.

• Allmännare har varje reellt inre produktrum V en metrik som ges av normen på rummet:

d(u,v) = ||u - v|| för alla vektorer u och v i V.

I ovanstående exempel angavs bara en metrik för varje mängd. Samma mängd kan dock ofta på ett naturligt sätt ges olika metriker. Exempelvis har $\mathbb{R}^3$ inte bara den ovan beskrivna metriken, utan också den som ges av dess L¹-norm:

$d_1 ( (x_1,y_1,z_1),\ (x_2,y_2,z_2) ) = \mathopen| x_1-y_1\mathclose| + \mathopen| x_1-y_1\mathclose| + \mathopen| x_1-y_1\mathclose|\,.$

Eftersom det är mängden och metriken tillsammans som definierar ett metriskt rum, är exempelvis $(\mathbb{R}^3,d)$ och $(\mathbb{R}^3,d_1)$ två olika metriska rum, men med samma "underliggande mängd" $\mathbb{R}^3$.

Ett annat exempel på att en mängd kan ha många olika naturliga metriker ges av de p-adiska metrikerna på mängden Z av heltal. För varje primtal p kan vi införa en metrik d_p på Z genom föreskriften att d_p(m,n) skall vara p^-r, omm och n är två olika heltal, och r är det största naturliga talet med egenskapen att p^r delar skillnaden m-n, och att d_p(m,m) = 0. (Exempelvis är alltså d₂(233,137) = 2^-5 = 0,03125 men d₃(233,137) = 3^-1 = 0,33333…, eftersom 233 - 137 = 96 = 2⁵·3¹.)

Kompletta metriska rum

Ett metriskt rum (X,d) är komplett eller fullständigt om varje cauchykonvergent punktföljd i rummet är konvergent. Detta betyder, att om följden $\mathcal{F} = (x_n)_{n=1}^\infty = (x_1, x_2, x_3, x_4, \ldots)$ (där alla x_n ligger i X) uppfyller att punkterna x_m ligger närmare och närmare varandra för större och större index m, så finns det säkert någon punkt x i X, som punkterna x_m närmar sig när m växer. Detta kan formellt uttryckas så här:

$\bigl( \forall \epsilon > 0 \; \exists N \in \mathbf N \; \forall m,n > N \text{ gäller att } d(x_m,x_n) < \epsilon \bigr) \Rightarrow \bigl( \exists x \in X \; \forall \epsilon > 0 \; \exists N \in \mathbf N \; \forall m>N \text{ gäller att } d(x_m,x) < \epsilon \bigr) \,.$

Ett metriskt rum (X,d) som inte är komplett kan alltid inbäddas i ett större rum som är komplett, kompletteringen av X. Kompletteringen bestäms av både mängden X och metriken d tillsammans. Exempelvis ger kompletteringen av (Z,d_p) för ett visst primtal p de p-adiska heltalen Z_p; och dessa är olika för olika p. (Z₂ är alltså en helt annan mängd än exempelvis Z₇.)

Topologi

Den metriska topologin i ett metriskt rum X kan definieras i form av en bas, genom att basen definieras som alla öppna bollar:

$B_r(x) = \{y: d(x,y)<r\} \,$

där $r > 0$.

Den inducerade topologin i X är alltså de mängderna som är unioner av öppna bollar:

$\Omega_X = \{A\subseteq X: A = \bigcup_i B_{r_i}(\alpha_i),\ r_i\in\mathbb R_+,\ \alpha_i\in X\}.$

Detta kan även formuleras som att en mängd U är öppen i den metriska topologin om det kring varje x i U existerar en öppen boll som är en delmängd till U.

Metriska rum med den metriska topologin är parakompakta Hausdorffrum. Den metriska topologin är den grövsta topologin på ett metriskt rum så att metriken $d: X \times X \to \R$ är kontinuerlig.