background image

Kierunek Informatyka i Ekonometria

ANALIZA MATENATYCZNA

Przestrzenie metryczne

1. Pojęcia podstawowe

Dany jest niepusty zbiór X.

Definicja 1. Dowolną funkcję % X

× X −→ [0, ∞, która dla x, y, z ∈ X spełnia warunki:

1. %(x, y) = 0 wtedy gdy x y
2.

%

(x, y) = %(y, x(własność symetrii)

3.

%

(x, y)

¬ %(x, z) + %(z, y(nierówność trójkąta)

nazywamy metryką lub odległością w zbiorze X, a parę (X, %nazywamy przestrzenią
metryczną
.

Uwaga 1. Jeśli (X, %jest przestrzenią metryczną to dla dowolnego niepustego zbioru E

⊂ X

para (E, %jest przestrzenią metryczną.

Niech u

∈ X i niech r > 0. Wówczas zbiór

K

(u, r) =

{x ∈ X %(x, u< r} nazywamy kulą otwartą o środku w punkcie i promieniu r.

Niech E

⊂ X będzie zbiorem niepustym. Wówczas:

Mówimy, że jest zbiorem otwartym gdy dla dowolnego u

∈ E istnieje r > 0 takie że K(u, r

E

.

Mówimy, że jest zbiorem domkniętym gdy zbiór E

0

X

\ E jest zbiorem otwartym.

Mówimy, że punkt x

∈ E jest punktem wewnętrznym zbioru gdy istnieje r > 0 takie, że

K

(x, r)

⊂ E. Zbiór wszystkich punktów wewnętrznych zbioru nazywamy wnętrzem zbioru

E

i oznaczamy int E.

Mówimy, że punkt x

∈ X jest punktem brzegowym zbioru gdy dla dowolnego r > 0 zbiór

K

(x, r) ma punkty wspólne z i z jego uzupełnieniem E

0

X

\ E.

Zbiór wszystkich punktów brzegowych zbioru nazywamy brzegiem zbioru i oznaczamy
∂E

. Jest to zbiór domknięty.

Zbiór EE

S

∂E

nazywamy domknięciem zbioru E.

Zbiór jest domknięty wtedy, gdy zawiera swój brzeg.
Mówimy, że punkt x

∈ X jest punktem skupienia zbioru gdy dla dowolnego r > 0 zbiór

K

(x, r) zawiera punkty zbioru różne od x. Zbiór punktów skupienia zbioru oznaczamy E

d

i nazywamy także pochodną zbioru E. Jest to zbiór domknięty. Ponadto EE

S

E

d

.

Mówimy, że punkt x

∈ E jest punktem izolowanym zbioru gdy istnieje r > 0 takie, że

K

(x, r)

∩ E {x}.

2. Ciągi punktów w przestrzeni metrycznej

(X, %)

Niech

{x

k

= 123, ... będzie ciągiem punktów z przestrzeni X, niech x ∈ X będzie

ustalone.

Definicja 2. Jeśli lim

k

→∞

%

(x

k

, x

) = 0 to mówimy, że ciąg punktów

{x

k

} jest zbieżny do punktu

x

i piszemy

lim

k

→∞

x

k

x.

Uwaga 2. lim

k

→∞

x

k

x wtedy gdy dla dowolnego ε > istnieje m

takie, że dla k > m

mamy x

k

∈ K(x, εa więc kula K(x, εzawiera prawie wszystkie wyrazy ciągu {x

k

}.

1

background image

Uwaga 3. Każdy podciąg ciągu zbieżnego do punktu x jest zbieżny do x.

Twierdzenie 1. Zbiór E

⊂ X jest domknięty wtedy i tylko wtedy gdy dla dowolnego ciągu

punktów

{x

k

} ⊂ E zbieżnego do punktu x mamy x ∈ E, to znaczy granica każdego zbieżnego

ciągu punktów z E należy do E.

Twierdzenie 2. Punkt x

∈ X jest punktem brzegowym zbioru E wtedy gdy istnieją dwa ciągi

punktów

{x

k

} ⊂ E i {y

k

} ⊂ E

0

X

\ E zbieżne do punktu x.

Twierdzenie 3. Punkt x

∈ X jest punktem skupienia zbioru E wtedy gdy istnieje ciąg {x

k

} ⊂

E

\ {x} zbieżny do punktu x.

Liczbę δ(E) = sup

{%(x, y) : x ∈ E i y ∈ E} nazywamy średnicą zbioru E.

Mówimy, że zbiór jest ograniczony gdy jego średnica δ(E) jest skończona, (to znaczy, że
zbiór jest zawarty w pewnej kuli).

Dla x

∈ X liczbę %(x, E) = inf{%(x, y) : y ∈ E} nazywamy odległością punktu od

zbioru E.

Jeśli jest niepustym podzbiorem to liczbę %(E, B) = inf

{%(x, y) : x ∈ E i y ∈ B}

nazywamy odległością zbiorów B.

3. Zupełność, zwartość i spójność

Dana jest przestrzeń metryczna (X, %) i niepusty zbiór A

⊂ X.

Definicja 3. Mówimy, że ciąg punktów

{x

k

} ⊂ X spełnia warunek Cauchyego gdy dla dowolnego

ε >

istnieje l

takie, że dla m, n > l mamy %(x

m

, x

n

< ε.

Twierdzenie 4. Każdy ciąg zbieżny w przestrzeni metrycznej spełnia warunek Cauchyego.

Definicja 4. Mówimy, że przestrzeń metryczna X jest zupełna gdy każdy ciąg punktów tej
przestrzeni spełniający warunek Cauchyego jest zbieżny do pewnego punktu x

∈ X.

Definicja 5. Mówimy, że zbiór A jest zwarty gdy każdy ciąg punktów

{x

k

} ⊂ A zawiera podciąg

{x

k

n

} zbieżny do pewnego punktu x ∈ A.

Twierdzenie 5. Jeśli zbiór A jest zwarty to jest ograniczony i domknięty.

Twierdzenie 6. Każdy odcinek domknięty [a, b]

jest zwarty.

Twierdzenie 7. Zbiór liczb rzeczywistych

jest przestrzenią zupełną.

Definicja 6. Mówimy, że zbiór A jest spójny gdy nie istnieją zbiory otwarte i rozłączne U i
V

takie, że A

T

U

6∅, A

T

V

6∅ i A ⊂ U

S

V

. W przeciwnym przypadku zbiór A nazywamy

niespójnym.

Twierdzenie 8. Zbiór A

jest spójny wtedy gdy jest przedziałem..

4. Przekształcenia ciągłe przestrzeni metrycznych

Dana są przestrzenie metryczne (X, %

1

) i (Y, %

2

) i funkcja X

−→ Y nazywana także

przekształceniem lub odwzorowaniem .

Definicja 7. Mówimy, że przekształcenie f jest ciągłe w punkcie x

∈ X gdy dla dowolnego ciągu

punktów x

k

przestrzeni X jeśli lim

k

→∞

x

k

x to lim

k

→∞

f

(x

k

) = (x). Jeśli f jest ciągłe w każdym

punkcie x

∈ X to mówimy, że f jest przekształceniem ciągłym przestrzeni X w Y .

2

background image

Zbiór przekształceń ciągłych przestrzeni oznaczamy C(X, Y ), a zbiór przekształceń
ciągłych przestrzeni w zbiór liczb rzeczywistych

oznaczamy C(X).

Twierdzenie 9. Przekształcenie f jest ciągłe w punkcie x

0

∈ X wtedy gdy dla dowolnego ε > 0

istnieje δ > (zależna od x

0

) taka, że dla każdego x

∈ K(x

0

, δ

mamy f (x)

∈ K(f(x

0

), ε), to

znaczy f (K(x

0

, δ

))

⊂ K(f(x

0

), ε).

Twierdzenie 10. Jeśli f X

−→ Y jest ciągłe i A jest zwartym podzbiorem X to jego obraz

f

(Ajest zwartym podzbiorem Y .

Twierdzenie 11. Jeśli f X

−→ Y jest ciągłe i A jest spójnym podzbiorem X to jego obraz

f

(Ajest spójnym podzbiorem Y .

Uwaga 4. Ciągły obraz zbioru zwartego (spójnego) jest zbiorem zwartym (spójnym).

5. Funkcje o wartościach rzeczywistych

Dana jest przestrzeń metryczna (X, %) i niech będzie niepustym podzbiorem X. Załóżmy,

że dana jest funkcja

f

E

−→ . Wprowadzamy oznaczenia:

zbiór wartości funkcji na zbiorze E(E) = W

f

(E) =

{f(x) : x ∈ E}.

kres dolny i kres górny wartości funkcji na E:

m

f

(E) = inf W

f

(E) = inf

{f(x) : x ∈ E}

M

f

(E) = sup W

f

(E) = sup

{f(x) : x ∈ E}.

poziomica funkcji to zbiór

P

s

() =

{x ∈ E f(x) = s} f

1

(

{s}) dla s ∈ .

P

s

()

6∅ ⇐⇒ s ∈ W

f

(E).

Definicja 8. Funkcja f przyjmuje w punkcie x

0

∈ E wartość największą (najmniejszą)

w zbiorze E gdy dla dowolnego

x

∈ E mamy f(x¬ f(x

0

(f (x)

­ f(x

0

)).

Uwaga 5. Jeśli funkcja f

przyjmuje w punkcie x

0

∈ E wartość największą (najmniejszą) w

zbiorze E to M

f

(E) = (x

0

)

(m

f

(E) = (x

0

)).

Definicja 9. Mówimy, że funkcja f ma maksimum (minimum) w punkcie P

∈ E gdy istnieje

r >

takie, że dla każdego

x

∈ K(P, r)

T

E

mamy f ()

­ f(x(f(¬ f(x)). Jeśli

funkcja f ma maksimum lub minimum w punkcie P to mówimy, że f ma ekstremum w P .

Definicja 10. Mówimy, że funkcja f ma maksimum (minimum) właściwe w punkcie P

∈ E

gdy istnieje r > takie, że dla każdego

x

∈ K(P, r)

T

E

i x

6P mamy f(> f(x)

(f (< f (x)). Jeśli funkcja f ma maksimum lub minimum właściwe w punkcie P to mówimy,
że f ma ekstremum właściwe w P .

Twierdzenie 12. Jeśli E jest zbiorem zwartym i f

∈ C(Eto M

f

(Ei m

f

(Esą skończone

i są jednocześnie odpowiednio wartością największą i najmniejszą funkcji f na zbiorze E.

Twierdzenie 13. Jeśli E jest zbiorem zwartym i spójnym oraz f

∈ C(Eto

W

f

(E) = [m

f

(E), M

f

(E)].

Wniosek 1. Niech a, b

∈ . Jeśli f : [a, b−→

jest ciągłe to f ([a, b]) jest domkniętym

odcinkiem w , którego końcami są najmniejsza i największa wartość funkcji f na [a, bodpowiednio.

Twierdzenie 14. Jeśli P jest przedziałem w

i f P

−→

jest ciągłe to f (jest

odcinkiem w

, którego końcami są odpowiednio kres dolny i kres górny zbioru wartości funkcji

f

na P .

3

background image

6. Przekształcenia jednostajnie ciągłe

Dana są przestrzenie metryczne (X, %

1

) i (Y, %

2

) i funkcja X

−→ Y .

Definicja 11. Mówimy, że przekształcenie f jest jednostajnie ciągłe gdy dla dowolnych ciągów
punktów u

k

i v

k

przestrzeni X jeśli lim

k

→∞

%

1

(u

k

, v

k

) = 0 to lim

k

→∞

%

2

((u

k

), f (v

k

)) = 0.

Twierdzenie 15. Przekształcenie f jest jednostajnie ciągłe wtedy gdy dla dowolnego ε > 0
istnieje δ > (zależna tylko od ε) taka, że dla dowolnego x

∈ X mamy f(K(x, δ)) ⊂ K(f(x), ε).

Wniosek 2. Jeśli przekształcenie f jest jednostajnie ciągłe to jest ciągłe.

Twierdzenie 16. Jeśli X jest zwarta i przekształcenie f jest ciągłe to f jest jednostajnie ciągłe.

7. Zbieżność punktowa i jednostajna ciągów funkcyjnych

Dana jest przestrzeń metryczna (X, %) i niech będzie niepustym podzbiorem X.
Niech



(E)

oznacza zbór funkcji określonych na o wartościach rzeczywistych. Dla

f, g



(E) określamy

M

(f, g) = M

|f −g|

(E) = sup

{|f(x− g(x)x ∈ E}

Załóżmy, że dany jest ciąg funkcji f

n



(E) i funkcja f



(E).

Definicja 12. Mówimy, że ciąg f

n

jest zbieżny punktowo do funkcji f na zbiorze E jeśli dla

dowolnego x

∈ E mamy

lim

n

→∞

f

n

(x) = (xi piszemy f

n

→ f.

Definicja 13. Mówimy, że ciąg f

n

jest zbieżny jednostajnie do funkcji f na zbiorze E jeśli

lim

n

→∞

M

(f

n

, f

) = 0 i piszemy f

n



f

na E.

Twierdzenie 17. Ciąg f

n

jest zbieżny jednostajnie do funkcji f na zbiorze E wtedy i tylko

wtedy gdy istnieje ciąg liczbowy a

n

zbieżny do i taki, że dla dowolnego x

∈ E i n ∈



mamy

|f

n

(x)

− f(x)| ¬ a

n

Twierdzenie 18. Jeśli ciąg f

n

jest zbieżny jednostajnie do funkcji f na zbiorze E to ciąg f

n

jest zbieżny punktowo do funkcji f na zbiorze E.

Twierdzenie 19. Jeśli ciąg funkcji ciągłych f

n

jest zbieżny jednostajnie do funkcji f na zbiorze

E

to funkcja f jest ciągła na zbiorze E.

Zadania domowe

1. Dana jest funkcja (x) =

x

1 + 4x

dla x

+

= [0,

). Określamy

%

(x, y) =

| f(x− f(y)dla x, y ∈

+

. Wykazać, że jest metryką w

+

i wyznaczyć

kulę o środku = 1 i promieniu = 01 w tej metryce.

2. Dane są funkcje f

1

(x) = sin f

2

(x) = cos określone dla x

∈ [0, π]. Określamy

%

j

(x, y) =

| f

j

(x)

− f

j

(y)

dla x, y ∈ [0, π] oraz = 1.2. Czy %

j

jest metryką w [0, π] .

Wyznaczyć ewntualnie kulę o środku =

π

2

i promieniu = 05 w tej metryce.

3. Dla x, y

określamy %(x, y) =


e

−x

− e

−y


. Wykazać, że jest metryką w

i

wyznaczyć kulę o środku = 0 i promieniu = 1 w tej metryce.

4

background image

4. Dany jest zbiór =

[

n=1



1

2

n+1

;

1

2

n



. Wyznaczyć brzeg, domknięcie i wnętrze

zbioru A. Czy zbiór jest zwarty i spójny.

5. Dany jest zbiór =

[

n=1



n

+

2

n



. Wyznaczyć brzeg, domknięcie i wnętrze

zbioru A. Czy zbiór jest zwarty i spójny.

6. Zbadać jednostajną ciągłość funkcji

a). (x) =

x

1 + 5x

dla x

∈ [0, ∞)

b). (x) =

x

+ 1 dla x

∈ [0, ∞)

c). (x) = e

x

dla x

∈ (−∞, 0) , dla x ∈

d). (x) =

sin x

x

dla x

∈ (0, π) .

7. Zbadać zbieżność punktową i jednostajną danego ciągu funkcyjnego w danym zbiorze

a). f

n

(x) =

nx

2

x

2

n

w [02] i w [0,

)

b). f

n

(x) = sin

x
n

w [0,

)

c). f

n

(x) =

r

x

2

+

1

n

w [03]

d). f

n

(x) = x

2

n

e

−nx

w [0,

) .

8. Dana jest funkcja określona na . Określamy ciąg funkcji

f

n

(x) =

Ent(nf (x))

n

dla

x

∈ . Wykazać, że ciąg f

n

jest zbieżny jednostajnie do funkcji na .

ODP. : 1. K(1; 01) =



1
6

;



2. %

1

nie jest metryką, %

2

jest i K



π

2

; 05



=



π

3

;

2π

3



3. K(0; 1) = (

− ln 2; )

4. ∂A =



0;

1
2



=



0;

1
2



, int =



0;

1
2



jest zbiorem spójnym i nie jest zwarty.

5. ∂A =

{1; 3}

[

[

n=3



n

+

2

n

+ 1



=



1; 3

2
3



[

[

n=4



n

+

2

n



, int ,

A

nie jest zbiorem spójnym i nie jest zwarty.

6. W a). , b). i d). funkcje są jednostajnie ciągłe; c). funkcja jest jednostajnie ciągła

w (

−∞, 0) i nie jest jednostajnie ciągła w

.

7. a). ciąg jest zbieżny jednostajnie do (x) = x

2

w [02] i jest zbieżny punktowo w [0,

)

b). ciąg jest zbieżny punktowo do funkcji (x) = 0 i nie jest zbieżny jednostajnie
c). ciąg jest zbieżny jednostajnie do funkcji (x) = x
d). ciąg jest zbieżny jednostajnie do funkcji (x) = 0 .

Opracował prowadzący przedmiot

dr Wojciech Hyb

Katedra Zastosowań Matematyki

5