В метрической геометрии метрическая оболочка или плотная оболочка метрического пространства M является инъективным метрическим пространством , в которое может быть вложено M. В некотором смысле она состоит из всех точек «между» точками M , аналогично выпуклой оболочке множества точек в евклидовом пространстве . Плотная оболочка также иногда известна как инъективная оболочка или гипервыпуклая оболочка M . Она также называется инъективной оболочкой , но ее не следует путать с инъективной оболочкой модуля в алгебре , концепцией с похожим описанием относительно категории R -модулей , а не метрических пространств.
Плотный промежуток был впервые описан Исбеллом (1964), и он был изучен и применен Хольштынским в 1960-х годах. Позднее он был независимо переоткрыт Дрессом (1984) и Хробаком и Лармором (1994); см. Chepoi (1997) для этой истории. Плотный промежуток является одной из центральных конструкций Т-теории .
Определение
Плотную область метрического пространства можно определить следующим образом. Пусть ( X , d ) — метрическое пространство, а T ( X ) — множество экстремальных функций на X , где мы говорим, что экстремальная функция на X означает функцию f из X в R, такую, что
Для любых x , y из X , d ( x , y ) ≤ f ( x ) + f ( y ), и
Для каждого x в X , f(x) = sup{ d(x,y) - f(y):y в X }. [1] : 124
В частности (принимая x = y в свойстве 1 выше) f ( x ) ≥ 0 для всех x . Один из способов интерпретации первого требования выше заключается в том, что f определяет набор возможных расстояний от некоторой новой точки до точек в X , которые должны удовлетворять неравенству треугольника вместе с расстояниями в ( X , d ). Второе требование гласит, что ни одно из этих расстояний не может быть уменьшено без нарушения неравенства треугольника.
Плотная оболочка (X,d) — это метрическое пространство (T(X),δ), где
аналогично метрике, индуцированной нормой ℓ ∞ . (Если d ограничено, то δ — метрика подпространства, индуцированная метрикой, индуцированной нормой ℓ ∞ . Если d не ограничено, то каждая экстремальная функция на X неограничена и поэтому Независимо от этого будет верно, что для любых f,g в T(X) разность принадлежит , т. е. ограничена.)
Эквивалентные определения экстремальных функций
Для функции f из X в R , удовлетворяющей первому требованию, следующие версии второго требования эквивалентны:
Для каждого x в X , f(x) = sup{ d(x,y) - f(y):y в X }.
f является поточечно минимальной относительно вышеупомянутого первого требования, т. е. для любой функции g из X в R такой, что d(x,y) ≤ g(x) + g(y) для всех x,y в X , если g≤f поточечно, то f=g . [2] : 93, Предложение 4.6.2 [Примечание 1] [Примечание 2] [3] : Лемма 5.1
Основные свойства и примеры
Для всех x в X ,
Для каждого x из X , является экстремальным. (Доказательство: используйте симметрию и неравенство треугольника .) [Примечание 3]
Если X конечно, то для любой функции f из X в R , удовлетворяющей первому требованию, второе требование эквивалентно условию, что для каждого x из X существует y из X , такой что f ( x ) + f ( y ) = d ( x , y ). (Если , то оба условия верны. Если , то супремум достигается, и первое требование подразумевает эквивалентность.)
Скажем, |X|=2, и выберем различные a, b, такие, что X={a,b}. Тогда — выпуклая оболочка {{(a,1),(b,0)},{(a,0),(b,1)}}. [Добавить рисунок. Подпись: Если X={0,1}, то — выпуклая оболочка {(0,1),(1,0)}. ] [4] : 124
Каждая экстремальная функция f на X является функцией Катетова : [5] [6] : Раздел 2 f удовлетворяет первому требованию и или, что эквивалентно, f удовлетворяет первому требованию и (является 1- липшицевой ), или, что эквивалентно, f удовлетворяет первому требованию и [2] : Доказательство предложения 4.6.1 [Примечание 4]
Не каждая функция Катетова на X является экстремальной. Например, пусть a , b различны, пусть X = {a,b}, пусть d = ([x≠y]) x,y в X — дискретная метрика на X , и пусть f = {(a,1),(b,2)}. Тогда f является функцией Катетова, но не экстремальной. (Почти сразу становится ясно, что f является функцией Катетова. f не является экстремальной, потому что она не удовлетворяет свойству в третьем пункте этого раздела.)
Если d ограничено, то каждое f в T(X) ограничено. Фактически, для каждого f в T(X) , (Примечание ) (Следует из третьего эквивалентного свойства в предыдущем разделе.)
Если d неограничен, то каждое f в T(X) неограничено. (Следует из первого требования.)
замкнуто относительно точечных пределов. Для любого точечно сходящегося
Если (X,d) компактно, то (T(X),δ) компактно. [7] [2] : Предложение 4.6.3 (Доказательство: Теорема об экстремальных значениях подразумевает, что d , будучи непрерывным как функция , ограничено, поэтому (см. предыдущий пункт) является ограниченным подмножеством C(X). Мы показали, что T(X) равностепенно непрерывно, поэтому теорема Арцела–Асколи подразумевает, что T(X) относительно компактно . Однако предыдущий пункт подразумевает, что T(X) замкнуто относительно нормы, поскольку сходимость подразумевает поточечную сходимость. Таким образом, T(X) компактно.)
Для любой функции g из X в R , удовлетворяющей первому требованию, существует f в T(X) такая, что f≤g поточечно. [2] : Лемма 4.4
Для любой экстремальной функции f на X , [2] : Предложение 4.6.1 [Примечание 5]
Для любого f,g из T(X) разность принадлежит , т.е. ограничена. (Используйте маркер выше.)
Пусть f в T(X) . Для любого a в X , если f(a)=0 , то f=e(a). [3] : Лемма 5.1 (Для любого x в X имеем Из минимальности (вторая эквивалентная характеристика в предыдущем разделе) f и того факта, что удовлетворяет первому требованию, следует, что )
(X,d) является гиперболическим тогда и только тогда, когда (T(X),δ) является гиперболическим. [3] : Теорема 5.3
Свойства гипервыпуклости
(T(X),δ) и оба являются гипервыпуклыми . [2] : Предложение 4.7.1
Для любого Y такого, что не является гипервыпуклым. [2] : Предложение 4.7.2 (« (T(X),δ) является гипервыпуклой оболочкой (X,d) ».)
Пусть — гипервыпуклое метрическое пространство с и . Если для всех I с не является гипервыпуклым, то и (T(X),δ) изометричны . [2] : Предложение 4.7.1 («Каждая гипервыпуклая оболочка (X,d) изометрична с (T(X),δ). »)
Примеры
Скажем, |X|=3, выберите различные a, b, c так, чтобы X={a,b,c}, и пусть i=d(a,b), j=d(a,c), k=d(b,c). Тогда где [Добавьте рисунок. Подпись: Если X={0,1,2}, то T(X)=conv{(,,),(,,)} u conv{(,,),(,,)} u conv{(,,),(,,)} имеет форму буквы Y.] (Ср. [4] : 124 )
На рисунке показано множество X из 16 точек на плоскости; чтобы сформировать конечное метрическое пространство из этих точек, мы используем манхэттенское расстояние ( расстояние ℓ 1 ). [8] Синяя область, показанная на рисунке, является ортогональной выпуклой оболочкой , множеством точек z , таких что каждый из четырех замкнутых квадрантов с z в качестве вершины содержит точку X. Любая такая точка z соответствует точке плотного промежутка: функция f ( x ), соответствующая точке z, равна f ( x ) = d ( z , x ). Функция этой формы удовлетворяет свойству 1 плотного промежутка для любого z в манхэттенской метрической плоскости по неравенству треугольника для манхэттенской метрики. Чтобы показать свойство 2 плотного промежутка, рассмотрим некоторую точку x в X ; мы должны найти y в X такой, что f ( x )+ f ( y )= d ( x , y ). Но если x находится в одном из четырех квадрантов, имеющих z в качестве вершины, то y можно взять как любую точку в противоположном квадранте, так что свойство 2 также выполняется. Обратно, можно показать, что каждая точка плотного промежутка соответствует таким образом точке в ортогональной выпуклой оболочке этих точек. Однако для множеств точек с манхэттенской метрикой в более высоких размерностях и для плоских множеств точек с несвязными ортогональными оболочками плотный промежуток отличается от ортогональной выпуклой оболочки.
Размер узкого пролета, когдаХконечен
Определение выше встраивает плотный охват T ( X ) множества n ( ) точек в R X , действительное векторное пространство размерности n . С другой стороны, если мы рассмотрим размерность T ( X ) как полиэдрального комплекса , то Девелин (2006) показал, что при подходящем предположении общего положения в метрике это определение приводит к пространству с размерностью между n / 3 и n / 2.
Альтернативные определения
Альтернативное определение, основанное на понятии метрического пространства, направленного на его подпространство, было описано Хольштынским (1968), который доказал, что инъективная оболочка банахова пространства в категории банаховых пространств совпадает (после забывания линейной структуры) с плотной оболочкой. Эта теорема позволяет свести некоторые задачи с произвольных банаховых пространств к банаховым пространствам вида C(X), где X — компактное пространство.
Develin & Sturmfels (2004) попытались дать альтернативное определение плотного промежутка конечного метрического пространства как тропической выпуклой оболочки векторов расстояний от каждой точки до каждой другой точки в пространстве. Однако позднее в том же году они признали в Erratum Develin & Sturmfels (2004a), что, хотя тропическая выпуклая оболочка всегда содержит плотный промежуток, она может не совпадать с ним.
Приложения
Дресс, Хубер и Молтон (2001) описывают применение метода плотного интервала при реконструкции эволюционных деревьев на основе биологических данных.
^ Меллерей, Жюльен (2008). «Некоторые геометрические и динамические свойства пространства Урысона». Топология и ее приложения . 155 (14): 1531–1560. doi : 10.1016/j.topol.2007.04.029 .
^ В двух измерениях манхэттенское расстояние изометрично после поворота и масштабирования до расстояния ℓ ∞ , поэтому с этой метрикой плоскость сама по себе инъективна, но эта эквивалентность между ℓ 1 и ℓ ∞ не выполняется в более высоких измерениях.
^ Хробак и Лармор (1994).
^ Хамси и Кирк используют это условие в своем определении.
^ Доказательство Хамси и Кирка показывает одно следствие эквивалентности условию, приведенному выше. Другое следствие нетрудно показать.
^ То есть, карта Куратовского. Ниже мы представим карту Куратовского.
^ Супремум достигается при y=x .
^ Супремум достигается при y=x .
Ссылки
Чепой, Виктор (1997), «Подход A T X к некоторым результатам по разрезам и метрикам», Успехи в прикладной математике , 19 (4): 453–470, doi : 10.1006/aama.1997.0549.
Chrobak, Marek ; Larmore, Lawrence L. (1994), «Щедрость помогает или 11-конкурентный алгоритм для трех серверов», Журнал алгоритмов , 16 (2): 234–263, doi :10.1006/jagm.1994.1011, S2CID 15169525.
Дресс, Андреас ВМ (1984), «Деревья, плотные расширения метрических пространств и когомологическая размерность некоторых групп», Advances in Mathematics , 53 (3): 321–402, doi : 10.1016/0001-8708(84)90029-X.
Дресс, Андреас В.М.; Хубер , К.Т .; Молтон, В. (2001), «Метрические пространства в чистой и прикладной математике» (PDF) , Documenta Mathematica (Труды по квадратичным формам LSU): 121–139.