Реальное координатное пространство - Real coordinate space

Декартова структура произведения р2 на Декартова плоскость из заказанные пары (Икс, у). Синие линии обозначают оси координат, горизонтальные зеленые линии целое число у, вертикальные голубые линии - целые числа Икс, коричнево-оранжевые линии показывают полуцелое число Икс или же у, пурпурный и его оттенок кратны одна десятая (лучше всего видно при увеличении)

В математика, а реальное координатное пространство из измерение п, написано рп (/ɑːrˈɛп/ ар-EN ) или же п, это координатное пространство над действительные числа. Это означает, что это набор п- пары действительных чисел (последовательности п действительные числа). При покомпонентном сложении и скалярном умножении это реальное векторное пространство.

Обычно Декартовы координаты элементов Евклидово пространство образуют реальные координатные пространства. Это объясняет название координатное пространство и тот факт, что геометрический термины часто используются при работе с координатными пространствами. Например, р2 это самолет.

Координатные пространства широко используются в геометрия и физика, поскольку их элементы позволяют находить точки в евклидовых пространствах и выполнять с ними вычисления.

Определение и структуры

Для любого натуральное число п, то набор рп состоит из всех п-кортежи из действительные числа (р). Это называется "п-мерное реальное пространство »или« реальное п-Космос".

Элемент рп таким образом п-tuple, и пишется

где каждый Икся это действительное число. Итак, в многомерное исчисление, то домен из функция нескольких действительных переменных и содомен настоящего векторная функция находятся подмножества из рп для некоторых п.

Реальный п-space имеет несколько дополнительных свойств, а именно:

Эти свойства и структуры рп сделать его фундаментальным почти во всех областях математики и областях их применения, таких как статистика, теория вероятности, и многие части физика.

Область определения функции нескольких переменных

Любая функция ж(Икс1, Икс2, … , Иксп) из п вещественные переменные можно рассматривать как функцию от рп (то есть с рп как его домен ). Использование настоящего п-пространство вместо нескольких переменных, рассматриваемых по отдельности, может упростить обозначения и предложить разумные определения. Считайте, что для п = 2, а функциональная композиция следующего вида:

где функции грамм1 и грамм2 находятся непрерывный. Если

Икс1 ∈ р : ж(Икс1, ·) непрерывно (по Икс2)
Икс2 ∈ р : ж(·, Икс2) непрерывно (по Икс1)

тогда F не обязательно непрерывно. Непрерывность - более сильное условие: непрерывность ж в естественном р2 топология (обсуждается ниже ), также называемый многомерная непрерывность, что достаточно для непрерывности композиции F.

Векторное пространство

Координатное пространство рп образует п-размерный векторное пространство над поле действительных чисел с добавлением структуры линейность, и часто все еще обозначается рп. Операции на рп как векторное пространство обычно определяются как

В нулевой вектор дан кем-то

и Противоположное число вектора Икс дан кем-то

Эта структура важна, потому что любая п-мерное вещественное векторное пространство изоморфно векторному пространству рп.

Матричные обозначения

В стандартной матрица обозначение, каждый элемент рп обычно записывается как вектор столбца

а иногда как вектор строки:

Координатное пространство рп можно тогда интерпретировать как пространство всех п × 1 вектор-столбец, или все 1 × п векторы-строки с обычными матричными операциями сложения и скалярное умножение.

Линейные преобразования из рп к рм тогда можно записать как м × п матрицы, которые действуют на элементы рп через оставили умножение (когда элементы рп являются векторами-столбцами) и на элементах рм посредством умножения справа (когда они являются векторами-строками). Формула умножения слева, частный случай матричное умножение, является:

Любое линейное преобразование - это непрерывная функция (видеть ниже ). Кроме того, матрица определяет открытая карта из рп к рм если и только если ранг матрицы равно м.

Стандартная основа

Координатное пространство рп в стандартной комплектации:

Чтобы увидеть, что это базис, обратите внимание, что произвольный вектор в рп можно записать однозначно в виде

Геометрические свойства и использование

Ориентация

Дело в том, что действительные числа в отличие от многих других поля, составляют упорядоченное поле дает структура ориентации на рп. Любой полноправный линейная карта рп самому себе либо сохраняет, либо меняет ориентацию пространства в зависимости от знак из детерминант своей матрицы. Если один переставляет координаты (или, другими словами, элементы основы), итоговая ориентация будет зависеть от четность перестановки.

Диффеоморфизмы из рп или же домены в нем, чтобы избежать нулевого Якобиан, также классифицируются как сохраняющие ориентацию и меняющие ориентацию. Это имеет важные последствия для теории дифференциальные формы, чьи приложения включают электродинамика.

Еще одним проявлением этой структуры является то, что точечное отражение в рп имеет разные свойства в зависимости от ровность п. Даже для п сохраняет ориентацию, а при нечетных п он перевернут (см. также неправильное вращение ).

Аффинное пространство

рп под аффинным пространством понимается то же самое пространство, где рп как векторное пространство действует к переводы. И наоборот, вектор следует понимать как "разница между двумя точками ", обычно отрезок соединение двух точек. Различие говорит, что нет канонический выбор того, где источник должен идти в аффинном п-пространство, потому что его можно перевести куда угодно.

Выпуклость

В п-симплекс (см. ниже ) - стандартное выпуклое множество, которое отображается в любой многогранник, и является пересечением стандартного (п + 1) аффинная гиперплоскость (стандартное аффинное пространство) и стандартное (п + 1) ортант (стандартный конус).

В реальном векторном пространстве, таком как рп, можно определить выпуклый конус, который содержит все неотрицательный линейные комбинации его векторов. Соответствующим понятием в аффинном пространстве является выпуклый набор, что позволяет только выпуклые комбинации (неотрицательные линейные комбинации, сумма которых равна 1).

На языке универсальная алгебра, векторное пространство - это алгебра над универсальным векторным пространством р конечных последовательностей коэффициентов, соответствующих конечным суммам векторов, а аффинное пространство - это алгебра над универсальной аффинной гиперплоскостью в этом пространстве (конечных последовательностей, сумма которых равна 1), конус - это алгебра над универсальной гиперплоскостью. ортодоксальный (конечных последовательностей неотрицательных чисел), а выпуклое множество является алгеброй над универсальным симплекс (конечных последовательностей неотрицательных чисел в сумме до 1). Это геометризует аксиомы в терминах «сумм с (возможными) ограничениями на координаты».

Еще одна концепция выпуклого анализа - это выпуклая функция из рп к действительным числам, что определяется через неравенство между его значением на выпуклой комбинации точки и сумма значений в тех точках с одинаковыми коэффициентами.

Евклидово пространство

В скалярное произведение

определяет норма |Икс| = ИксИкс в векторном пространстве рп. Если каждый вектор имеет свой Евклидова норма, то для любой пары точек расстояние

определяется, обеспечивая метрическое пространство структура на рп в дополнение к его аффинной структуре.

Что касается структуры векторного пространства, то обычно предполагается, что скалярное произведение и евклидово расстояние существуют в рп без особых пояснений. Однако настоящая п-пространство и евклидово п-пространство - это, строго говоря, отдельные объекты. Любой евклидов п-пространство имеет система координат где скалярное произведение и евклидово расстояние имеют вид, показанный выше, называемый Декартово. Но есть много Декартовы системы координат в евклидовом пространстве.

И наоборот, приведенная выше формула для евклидовой метрики определяет стандарт Евклидова структура на рп, но не единственно возможный. Собственно, любой положительно определенная квадратичная форма q определяет свою «дистанцию» q(Иксу), но он не сильно отличается от евклидовой в том смысле, что

Такое изменение метрики сохраняет некоторые ее свойства, например свойство быть метрикой. полное метрическое пространство Отсюда также следует, что любое линейное преобразование полного ранга рп, или его аффинное преобразование, не увеличивает расстояния больше, чем на некоторые фиксированные C2, и не делает расстояния меньше, чем 1 ∕ C1 раз, фиксированное конечное число раз меньше.[требуется разъяснение ]

Упомянутая выше эквивалентность метрических функций остается в силе, если q(Иксу) заменяется на M(Иксу), куда M любой выпуклый положительный однородная функция степени 1, т.е. векторная норма (видеть Расстояние Минковского за полезные примеры). Из-за того, что любая «естественная» метрика на рп не особо отличается от евклидовой метрики, рп не всегда отличается от евклидова п-пространство даже в профессиональных математических работах.

В алгебраической и дифференциальной геометрии

Хотя определение многообразие не требует, чтобы его пространство модели было рп, этот вариант является наиболее распространенным и практически эксклюзивным в дифференциальная геометрия.

С другой стороны, Теоремы вложения Уитни заявляют, что любой настоящий дифференцируемый м-мерное многообразие возможно встроенный в р2м.

Другие выступления

Другие конструкции, рассмотренные на рп включить один из псевдоевклидово пространство, симплектическая структура (четное п), и структура контактов (странный п). Все эти структуры, хотя и могут быть определены безкоординатным образом, допускают стандартные (и достаточно простые) формы в координатах.

рп также является вещественным векторным подпространством в Cп который инвариантен к комплексное сопряжение; смотрите также комплексирование.

Многогранники в Rп

Есть три семейства многогранники которые имеют простые представления в рп пространства, для любых п, и может использоваться для визуализации любой аффинной системы координат в реальном п-Космос. Вершины а гиперкуб иметь координаты (Икс1, Икс2, … , Иксп) где каждый Иксk принимает одно из двух значений, обычно 0 или 1. Однако можно выбрать любые два числа вместо 0 и 1, например −1 и 1. п-гиперкуб можно рассматривать как декартово произведение п идентичный интервалы (такой как единичный интервал [0,1]) на реальной линии. Как п-мерное подмножество его можно описать система 2п неравенство:

(за [0,1])     (за [−1,1])

Каждая вершина кросс-многогранник для некоторых k, то Иксk координата равна ±1 а все остальные координаты равны 0 (так что это kth стандартный базисный вектор вплоть до знак ). Это двойственный многогранник гиперкуба. Как п-мерное подмножество его можно описать одним неравенством, которое использует абсолютная величина операция:

но это можно выразить с помощью системы 2п линейные неравенства.

Третий многогранник с просто перечислимыми координатами - это стандартный симплекс, вершины которого п стандартные базисные векторы и Происхождение (0, 0, … , 0). Как п-мерное подмножество описывается системой п + 1 линейные неравенства:

Замена всех «≤» на «<» дает внутренности этих многогранников.

Топологические свойства

В топологическая структура из рп (называется стандартная топология, Евклидова топология, или же обычная топология) можно получить не только из декартова произведения. Он также идентичен естественная топология индуцированный Евклидова метрика, обсуждаемая выше: набор есть открыто в евклидовой топологии если и только если он содержит открытый мяч вокруг каждой из его точек. Также, рп это линейное топологическое пространство (видеть непрерывность линейных отображений выше), и существует только одна возможная (нетривиальная) топология, совместимая с ее линейной структурой. Поскольку существует много открытых линейных карт из рп себе, которые не изометрии, может быть много евклидовых структур на рп которые соответствуют той же топологии. Собственно, даже от линейной структуры это не сильно зависит: существует множество нелинейных диффеоморфизмы (и другие гомеоморфизмы) рп на себя или на его части, такие как открытый евклидов шар или внутренность гиперкуба ).

рп имеет топологическая размерность пВажный результат о топологии рп, что далеко не поверхностно, Брауэр с неизменность домена. Любое подмножество рп (с этими топология подпространства ) то есть гомеоморфный к другому открытому подмножеству рп сам по себе открыт. Непосредственным следствием этого является то, что рм не является гомеоморфный к рп если мп - интуитивно «очевидный» результат, который, тем не менее, трудно доказать.

Несмотря на разницу в топологическом измерении и вопреки наивному представлению, можно отобразить менее размерный[требуется разъяснение ] реальное пространство непрерывно и сюръективно на рп. Непрерывный (хотя и не плавный) кривая заполнения пространства (изображение р1) возможно.[требуется разъяснение ]

Примеры

Реальный 0-space.svg
Пустой вектор-столбец
единственный элемент р0
Реальный 1-пространство, orthoplex.svg
р1

п ≤ 1

Случаи 0 ≤ п ≤ 1 не предлагаю ничего нового: р1 это реальная линия, в то время как р0 (пространство, содержащее пустой вектор-столбец) является одиночка, понимаемый как нулевое векторное пространство. Однако полезно включить их как банальный случаи теорий, которые описывают различные п.

п = 2

И гиперкуб, и кросс-многогранник в р2 находятся квадраты, но координаты вершин устроены иначе

п = 3

Куб (гиперкуб) и октаэдр (кросс-многогранник) р3. Координаты не отображаются

п = 4

4-куб 3D.png

р4 можно представить, используя тот факт, что 16 точки (Икс1, Икс2, Икс3, Икс4), где каждый Иксk 0 или 1, являются вершинами тессеракт (на фото), 4-гиперкуб (см. над ).

Первое крупное использование р4 это пространство-время модель: три пространственные координаты плюс одна временный. Обычно это связано с теория относительности, хотя для таких моделей использовались четыре размера, поскольку Галилей. Однако выбор теории приводит к иной структуре: в Галилея относительность то т координата является привилегированной, но в теории относительности Эйнштейна это не так. Специальная теория относительности установлена ​​в Пространство Минковского. Общая теория относительности использует искривленные пространства, которые можно рассматривать как р4 с изогнутая метрика для большинства практических целей. Ни одна из этих структур не обеспечивает (положительно-определенного) метрика на р4.

Евклидово р4 также привлекает внимание математиков, например, из-за его связи с кватернионы, 4-мерный действительная алгебра самих себя. Видеть вращения в 4-мерном евклидовом пространстве для некоторой информации.

В дифференциальной геометрии п = 4 это единственный случай, когда рп допускает нестандартный дифференциальная структура: видеть экзотический R4.

Нормы по рп

Можно определить много норм на векторное пространство рп. Некоторые общие примеры:

  • то p-норма, определяется для всех рп куда положительное целое число. Дело очень важно, потому что именно Евклидова норма.
  • то -norm или максимальная норма, определяется для всех рп. Это предел всех р-нормы: .

Действительно удивительный и полезный результат заключается в том, что каждая норма, определенная на рп является эквивалент. Это означает, что для двух произвольных норм и на рп вы всегда можете найти положительные действительные числа , так что

для всех рп.

Это определяет отношение эквивалентности по набору всех норм на рп. С помощью этого результата вы можете проверить, что последовательность векторов в рп сходится с тогда и только тогда, когда он сходится с .

Вот набросок того, как может выглядеть доказательство этого результата:

Из-за отношение эквивалентности достаточно показать, что каждая норма на рп эквивалентен Евклидова норма . Позволять - произвольная норма на рп. Доказательство делится на два этапа:

  • Покажем, что существует , так что для всех рп. На этом этапе вы используете тот факт, что каждый рп можно представить как линейную комбинацию стандартных основа: . Затем с Неравенство Коши – Шварца , куда .
  • Теперь нам нужно найти , так что для всех рп. Предположим, что такого . Тогда существует для каждого а рп, так что . Определите вторую последовательность к . Эта последовательность ограничена, потому что . Так что из-за Теорема Больцано – Вейерштрасса существует сходящаяся подпоследовательность с лимитом рп. Теперь покажем, что но , что противоречит. это , потому что и , так . Из этого следует , так . С другой стороны , потому что . Это никогда не может быть правдой, поэтому предположение было ложным и существует такое .

Смотрите также

Сноски

Рекомендации

  • Келли, Джон Л. (1975). Общая топология. Springer-Verlag. ISBN  0-387-90125-6.
  • Мункрес, Джеймс (1999). Топология. Прентис-Холл. ISBN  0-13-181629-2.