距離関数の修正
定理 1.
写像 が以下を充たすとする。
| (1) | |||
| (2) | |||
| (3) | |||
| (4) |
このとき距離空間については距離関数でとは同じ位相を誘導する。
証明.
とする。まずが距離関数であることを示そう。明らかにであり、条件から
が分かる。または明らかである。三角不等式を示そう。まず、について
が成り立つ。そしての単調性と部分加法性から
となり、が三角不等式を充たすことがわかった。
最後にとの位相が両立することを見よう。はで連続なのでを任意に与えた時を適切に選べば
よって任意のについて
である。
ところでを任意に与えと置くと条件よりである。ここでもしかつとなるが存在すると仮定すると単調性からとなるのでに反する。よって
であるので結局任意のについて
以上からとは同じ位相を誘導する。 ∎
例 2.
に対して
この例2からどんな距離空間にも有界な距離で同じ位相を誘導するものが存在すると言える。
例 3.
に対して
例 4.
例 5.
例 6.
に対して
証明.
まず例5について、条件以外は自明である。まずについて
が成り立ちよって対数を取って
次に例6について、条件(4)以外は自明である。まずについて、まず
が成り立つことに注意する。さて、
であり、であるから
が分かる。そして最初の注意から
となるので結局
が分かるので、
がわかる。これで条件が成立ことが分かった。 ∎
上で挙げた例はすべて連続であるが、ここで、定義1を充たす関数で、不連続なものは存在するのかという疑問が湧いてくる。結果からいうと、定義1の条件を満たす関数はすべて連続である。手法としては距離関数が連続であることの証明と大体同様である。さらに連続性だけではなく、一様連続性を持つこともわかる。まとめると次のことが成り立つ。
定理 7.
条件を充たす関数は一様連続である。
証明.
任意にを与える。このときにおける連続性からが存在し、
を充たす。(定義域と地域がともにであることに注意せよ。)
さて今、任意に点を与える。すると
を充たす。(もちろんここで、上の式のはの元であることを仮定している。)
実際、で、を充たしているとすると単調性と部分加法性及びから
が分かり、からとなる。の場合も同様である。 ∎
References
- [1] ジョン・L・ケリー著,児玉之宏訳,位相空間論,吉岡書店,1968