4). Метри́ческим простра́нством называется непустое множество, в котором между любой парой элементов, обладающих определенными свойствами, определено расстояние, называемое ме́трикой.
Метрическое пространство есть пара ( X , d ) , где X — множество, а d — числовая функция, которая определена на декартовом произведении X × X , принимает значения в множестве вещественных чисел, и такова, что
d ( x , y ) = 0 ⇔ x = y (аксиома тождества).
d ( x , y ) = d ( y , x ) (аксиома симметрии).
d ( x , z ) =< d ( x , y ) + d ( y , z ) (аксиома треугольника или неравенство треугольника).
При этом
множество X называется подлежащим множеством метрического пространства.
элементы множества X называются точками метрического пространства.
функция d называется метрикой.
Замечания
Из аксиом следует неотрицательность функции расстояния, поскольку
0 = d ( x , x ) =< d ( x , y ) + d ( y , x ) = 2 ⋅ d ( x , y ) .
Если неравенство треугольника представить в виде
d ( x , y ) =< d ( x , z ) + d ( y , z ) ,
тогда из аксиомы тождества и неравенства треугольника следует аксиома симметрии.
Пусть L [ a , b ] , R [ a , b ] , C [ a , b ] — пространства функций на отрезке [ a , b ] , соответственно интегрируемых по Лебегу, интегрируемых по Риману, и непрерывных. В них расстояние можно определить по формуле:
d ( f 1 , f 2 ) = ∫ab | f 1 ( x ) − f 2 ( x ) | d x .
Для того, чтобы эта функция стала метрикой, в первых двух пространствах необходимо отождествить функции, отличающиеся на множестве меры 0. В противном случае эта функция будет всего лишь полуметрикой. (В пространстве функций, непрерывных на отрезке, функции, отличающиеся на множестве меры 0, и так совпадают.)
В пространстве k раз непрерывно дифференцируемых функций C k [ a , b ] метрика вводится по формуле:
d k ( f 1 , f 2 ) = max { d 0 ( f1 , f2 ) , d 0 ( f 1 ′ , f 2 ′ ) , … , d 0 ( f 1 ( k ) , f 2 ( k ) ) } ,
где d0 — метрика равномерной сходимости на C [ a , b ]
Любое нормированное пространство можно превратить в метрическое, определив функцию расстояния
d ( x , y ) = ‖ y − x ‖
Конечномерные пространства такого типа называются пространством Минковского;
в случае если размерность равна двум то плоскостью Минковского.