Uniform tér

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A matematikában, azon belül a topológia területén használatos fogalom az uniform tér, ami az egyenletes tulajdonságokat (teljesség, egyenletes konvergencia, egyenletesen folytonos) igyekszik megragadni. Egy uniform tér nem más, mint egy uniform struktúrával felruházott halmaz. Erősebb, mint egy topologikus tér (minden uniform tér egyben topologikus tér is), de általánosabb, mint egy metrikus tér vagy egy topologikus csoport.

Története[szerkesztés]

André Weil 1937-es definíciója előtt az egyenletességet, ahogy a teljességet, a metrikus terekre gondolva tárgyalták. Nicolas Bourbaki kiterjesztette a definíciót a Topologie Générale című könyvében, és John Tukey adta a fedéses definíciót. Weil jellemezte is az uniform tereket félmetrikákkal.

Motiváció[szerkesztés]

A metrikus terekben a folytonosság és az egyenletesség fogalmát δ-kkal és ε-okkal definiálják, amik numerikusan írják le a távolságot. Topologikus terekben a folytonosságot nyílt környezetekkel fejezik ki, ahol is az aG kifejezés helyettesíti |xa|<δ-t. Ezzel a folytonosság átvihető topologikus terekre.

Az uniform terekben az |xa|<δ kifejezést aU[x] pótolja. Ezáltal az egyenletesség kiterjeszthető az uniform terekre.

Az uniform struktúra lehetővé teszi a közelség egyenletes, egész térre érvényes definícióját. A környékek axiómái lehetővé teszik a közelség nem numerikus értelmezését, mivel magukban foglalják a háromszög-egyenlőtlenséget, és a halmazok felezését.

Egy uniform fedésben szereplő halmazok ugyanolyan méretűnek számítanak. A finomítás az axiómákkal együtt azt jelenti, hogy minden uniform fedéshez van fele akkora méretű uniform fedés.

Definíció[szerkesztés]

Környékekkel[szerkesztés]

Egy uniform tér egy halmaz-párból áll, , ahol a tér alaphalmaza, Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle \Phi\subseteq 2^{X\times X}} pedig a környékek (franciául entourage) halmaza, a következő feltételekkel:

  1. Minden Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle U\in\Phi} tartalmazza az átlót: Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle \{(x, x): x\in U\}}
  2. Ha , és , akkor
  3. Ha Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle U, V\in\Phi} , akkor Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): {\displaystyle U\cap V\in \Phi }
  4. Ha Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle U\in\Phi} , akkor létezik egy Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): V eleme -nek, hogy valahányszor Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): {\displaystyle (x,y)\in V} és , akkor
  5. Minden -hez annak „tükörképe”, Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle \{(y, x):(y, x)\in U\}} is eleme Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): \Phi -nek.

Uniform fedéssel[szerkesztés]

Az Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle (X, \Theta)} páros uniform tér, ha X alaphalmaz, és Θ fedések egy családja, amikre teljesülnek a következők:

  1. {X} eleme Θ-nak.
  2. Legyenek a P fedés Θ eleme, és legyen Q fedés, hogy minden AP-hez van UQ, hogy U tartalmaz minden P-beli B halmazt, ami nem diszjunkt A-tól. Ezt úgy nevezzük, hogy a P fedés a Q fedés finomítása. Ekkor Q∈Θ.
  3. Ha a P és a Q fedés is eleme Θ-nak, akkor van közös finomításuk Θ-ban.

Θ elemei az uniform fedések, és Θ fedési struktúra.

Tekintve egy P uniform fedést, és egy x eleme X pontot, az x-et tartalmazó P-beli halmazok egyesítése x P méretű környezete. Ez a mérték az egész térre kiterjeszthető.

A két megadási mód könnyen átváltható egymásba. Legyen ugyanis az uniform tér környékekkel megadva. Ekkor egy P fedés uniform, ha minden xX-hez van U[x]⊆A környék, ahol AP. Az ilyen fedések az uniform tér fedési struktúráját adják.

Legyen most az uniform tér fedési struktúrával adva. Ekkor az ∪{A×A: AP}-ket tartalmazó halmazok az adott uniform tér szomszédságai, ahol P végigfut a tér uniform fedésein. Ez a két transzformáció egymás inverze.

Félmetrikával[szerkesztés]

Jelölje X az alaphalmazt, és legyen a Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle d\,:\; X\times X \to \R \;} leképezés félmetrika:

  1. szimmetria
  2. Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle d(x,y)\leq d(x,z)+ d(z,y)} háromszög-egyenlőtlenség

Tekintsük most a következőkben megadott F rendszert:

,

Ez a d félmetrika által definiált rendszer generálja a környékek halmazrendszerét. Környékek lesznek mindazok a részhalmazok, amik tartalmazzák a generátorhalmaz egy elemét. Ha félmetrikák egy családja által definiált fundamentális rendszerről van szó, akkor az így előállt legdurvább uniform struktúra a család által definiált uniform struktúra.

A megszámlálható fundamentális rendszerrel megadott uniform terekből visszanyerhető a pszeudometrika.

Kritériumok környékbázisra[szerkesztés]

Ahhoz, hogy egy Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): {\displaystyle {\mathcal {B}}} halmazrendszer környékbázis legyen, a következő feltételeknek kell eleget tennie:

  1. Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle V_1,V_2 \in \mathcal B} ; ekkor van Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle V_3 \in \mathcal B} , hogy Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle V_3 \subset V_1\cap V_2}
  2. Ha Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): {\displaystyle V\in {\mathcal {B}}} , akkor van hogy
  3. Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle \mathcal B} összemetszve a főátlót adja.

Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle \mathcal B} akkor és csak akkor környezetbázis, ha teljesíti ezeket a feltételeket. Ekkor a Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle \mathcal B} valamely elemét tartalmazó halmazok adják a Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): {\displaystyle {\mathcal {B}}} bázisú uniform tér környékeit.

Kapcsolat más struktúrákkal[szerkesztés]

Bármely Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): {\displaystyle (X,\Phi )} metrikus térhez hozzárendelhető egy uniform struktúra oly módon, hogy egy Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle V\subseteq X\times X} pontosan akkor lesz környék, ha létezik egy valós szám, hogy minden Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): x , Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): y párra, ha Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): {\displaystyle d(x,y)<\varepsilon } , akkor Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): {\displaystyle (x,y)} benne van Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): V -ben.

Egy Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): G topologikus csoport uniform struktúrája úgy definiálható, hogy egy Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): V halmaz pontosan akkor legyen környék, amennyiben létezik az egységelemnek egy Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): U környezete, hogy része -nek.

Minden uniform téren természetes módon értelmezhető egy topologikus struktúra, nevezetesen egy Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): G halmaz pontosan akkor legyen nyílt, ha bármely Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): x\in G -hez létezik egy olyan Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): V környék, hogy Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle V[x]} (-nek -szel vett szelete, azaz Értelmezés sikertelen (MathML SVG vagy PNG tartalékkal (modern böngészők és kisegítő eszközök számára ajánlott): Érvénytelen válasz („Math extension cannot connect to Restbase.”) a(z) /mathoid/local/v1/ szervertől:): {\displaystyle \{y: (x, y)\in V\}} ) része legyen Értelmezés sikertelen (Átalakítási hiba. A szerver („https://hu.wikipedia.org/api/rest_”) a következőt jelentette: „Cannot get mml. Server problem.”): G -nek. Két különböző uniform térnek lehet azonos a topologikus struktúrája.

Topológia[szerkesztés]

Egy X halmazon megadott unitér struktúra topológiát is generál az X halmazon. Ebben egy G halmaz nyílt, ha G tartalmazza minden x pontjának egy V környékét. Az így kapott topologikus térből nem állítható vissza egyértelműen az uniform struktúra; más szóval, több uniform struktúra is adhatja ugyanazt a topologikus teret.

Az így nyert topologikus terek teljes reguláris terek, és bennük bármely két, topologikusan megkülönböztethető pont szeparálható. Két pont topologikusan megkülönböztethető, ha nem minden környezetük azonos. Megfordítva, minden teljes reguláris topologikus térhez van legalább egy uniform struktúra. Egy ilyen az a legdurvább uniform struktúra, amire nézve az összes folytonos függvény egyenletesen folytonos. A kompakt Hausdorff-terekhez ez az egyetlen uniform struktúra.

Egy X uniform tér akkor és csak akkor Kolmogorov-tér, ha az összes környék metszete a főátló. Ekkor X Tyihinov-tér, ezzel Hausdorff-tér is egyben.

Sőt, az X uniformizálható topologikus térre ekvivalensek:

  • X Kolmogorov-tér
  • X Hausdorff-tér
  • X Tyihinov-tér.

Egy Hausdorff-féle uniform tér metrizálható, ha generálható félmetrikák megszámlálható családjával. Ez az uniform struktúra egyetlen félmetrikával is generálható, ami a Hausdorff-tulajdonság miatt metrika. Ez a gondolatmenet félnormákkal is eljátszható.

Egyenletesen folytonos függvények[szerkesztés]

Az egyenletesen folytonos függvények épp azok a függvények, amik környéket környékbe visznek. Ekvivalensen, fedési struktúra ősképe fedési struktúra.

Ahogy a folytonos függvények megtartják a topologikus tulajdonságokat (nyílt, zárt, kompakt, összefüggő), úgy az egyenletesen folytonos függvények megőrzik az uniform struktúrát. A két uniform struktúra közötti izomorfizmusokat uniform izomorfizmusoknak nevezzük.

Teljesség[szerkesztés]

A teljes metrikus terek alapján bevezethetők a teljes uniform terek. Ehhez Cauchy-sorozatok helyett Cauchy-szűrőket használnak.

Az F szűrő Cauchy-szűrő az X uniform térben, ha minden U uniform fedéshez van AF, hogy A×AU. Más szavakkal, egy szűrő Cauchy, ha tartalmaz akármilyen kis méretű halmazokat. A definícióból következik, hogy minden konvergens szűrő Cauchy. Egy Cauchy-szűrő minimális, ha nem tartalmaz durvább Cauchy-szűrőt. Megmutatható, hogy minden Cauchy-szűrő egyértelműen tartalmaz minimális Cauchy-szűrőt; minimális Cauchy-szűrők esetén ez önmaguk. Például az egyes pontok összes környéke minimális Cauchy-szűrő.

Megfordítva, egy uniform tér teljes, ha az összes benne levő Cauchy-szűrő konvergens. Minden kompakt Hausdorff-tér teljes metrikus tér teljes uniform tér is a topológiájához illeszkedő uniform struktúrájával.

Legyenek X és Y uniform terek, és Y ezen kívül még teljes is. Jelölje A X egy sűrű részhalmazát! Ekkor az f: A → Y egyenletesen folytonos függvények egyértelműen kiterjeszthetők az egész X uniform térre.

A teljes uniformizálható terek azok a topologikus terek, amik a topológiájukhoz illeszkedően teljes uniform térré tehetők.

Minden uniform tér egyértelműen teljessé bővíthető.

Források[szerkesztés]

Külső link[szerkesztés]

Modern alkalmazott analízis