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1.3: Espacios métricos

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  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    La noción de espacio métrico proporciona una forma rigurosa de decir: “podemos medir distancias seguras entre puntos”. Es decir, en vez de (i) en la Sección 1.1, podemos decir “El plano euclidiano es un espacio métrico”.

    Definición

    Dejar\(\mathcal{X}\) ser un conjunto no vacío y\(d\) ser una función que devuelve un número real\(d(A, B)\) para cualquier par\(A, B \in \mathcal{X}\). Entonces\(d\) se llama métrica en\(\mathcal{X}\) si por alguna\(A, B, C \in \mathcal{X}\), se cumplen las siguientes condiciones:

    a) Positividad:

    \[d(A, B) \ge 0.\]

    b)\(A = B\) si y sólo si

    \[d(A, B) = 0.\]

    c) Simetría:

    \[d(A, B) = d(B, A)\]

    d) Desigualdad triangular:

    \[d(A, C) \le d(A, B) + d(B, C).\]

    Un espacio métrico es un conjunto con una métrica en él. De manera más formal, un espacio métrico es un par\((\mathcal{X}, d)\) donde\(\mathcal{X}\) es un conjunto y\(d\) es una métrica encendido\(\mathcal{X}\).

    Los elementos de\(\mathcal{X}\) se denominan puntos del espacio métrico. Dados dos puntos\(A, B \in \mathcal{X}\), el valor\(d(A, B)\) se llama distancia de\(A\) a\(B\).

    Ejemplo\(\PageIndex{1}\) Discrete metric

    \(\mathcal{X}\)Déjese ser un conjunto arbitrario. Para cualquiera\(A, B \in \mathcal{X}\), establezca\(d(A, B) = 0\) si\(A = B\) y de\(d(A, B) = 1\) otra manera. La métrica\(d\) se llama métrica discreta en\(\mathcal{X}\).

    Ejemplo\(\PageIndex{2}\) Real line

    Conjunto de todos los números reales (\(\mathbb{R}\)) con métrica\(d\) definida por

    \[d(A, B) := |A - B|.\]

    Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

    Mostrar que no\(d(A, B) = |A - B|^2\) es una métrica en\(\mathbb{R}\).

    Métricas en el plano. Supongamos que\(\mathbb{R}^2\) denota el conjunto de todos los pares\((x, y)\) de números reales. Asumir\(A = (x_A, y_A)\) y\(B = (x_B, y_B)\). Considere las siguientes métricas sobre\(\mathbb{R}^2\):

    • Métrica euclidiana, denotada por\(d_2\), y definida como
      \[d_2(A, B) = \sqrt{(x_A - x_B)^2 + (y_A - y_B)^2}.\]
    • Métrica de Manhattan, denotada por\(d_1\) y definida como
      \[d_1(A, B) = |x_A - x_B| + |y_A - y_B|.\]
    • Métrica máxima, denotada por\(d_{\infty}\) y definida como
      \[d_{\infty}(A, B) = \max \{|x_A - x_B|, |y_A - y_B|\}.\]
    Pista

    Verifique la desigualdad del triángulo para\(A = 0\),\(B = 1\) y\(C = 2\).

    Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

    Demostrar que las siguientes funciones son métricas sobre\(\mathbb{R}^2\):

    a)\(d_1\);
    b)\(d_2\);
    c)\(d_{\infty}\).

    Contestar

    Sólo la desigualdad triangular requiere una prueba — el resto de condiciones en la Definición 1.1 son evidentes. Vamos\(A = x_A, y_A)\),\(B = (x_B, y_B)\), y\(C = (x_C, y_C)\). Set

    \(x_1 = x_B - x_A\),\(y_1 = y_B - y_A\),
    \(x_2 = x_C - x_B\),\(y_2 = y_C - y_B\).

    a). La desigualdad

    \[d_1(A, C) \le d_1(A, B) + d_1(B, C)\]

    se puede escribir como

    \[|x_1 + x_2| + |y_1 + y_2| \le |x_1| + |y_1| + |x_2| + |y_2|.\]

    Esto último sigue desde\(|x_1 + x_2| \le |x_1| + |x_2|\) y\(|y_1 + y_2| \le |y_1| + |y_2|\).

    b). La desigualdad

    \[d_2(A, C) \le d_2 (A, B) + d_2(B, C)\]

    se puede escribir como

    \[\sqrt{(x_1 + x_2)^2 + (y_1 + y_2)^2} \le \sqrt{x_1^2 + y_1^2} + \sqrt{x_2^2 + y_2^2}.\]

    Toma el cuadrado de los lados izquierdo y derecho, simplifica, vuelve a tomar el cuadrado y vuelve a simplificar. Deberías obtener la siguiente desigualdad

    \[0 \le (x_1 \cdot y_2 - x_2 \cdot y_1)^2,\]

    lo que equivale a 1.3.9 y evidentemente cierto.

    c). La desigualdad

    \[d_{\infty} (A, C) \le d_{\infty} (A, B) + d_{\infty} (B, C)\]

    se puede escribir como

    \[\max \{|x_1 + x_2|, |y_1 + y_2|\} \le \max \{|x_1|, |y_1|\} + \max \{|x_2|, |y_2|\}.\]

    Sin pérdida de generalidad, podemos suponer que

    \[\max \{|x_1 + x_2|, |y_1 + y_2|\} = |x_1 + x_2|.\]

    Además,

    \[|x_1 + x_2| \le |x_1| + |x_2| \le \max \{|x_1|, |y_1|\} + \max \{|x_2|, |y_2|\}.\]

    De ahí que siga 1.3.13.


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