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Espac¸os Me´tricos Ma´rcio Nascimento da Silva 8 de janeiro de 2009 Resumo Dado um conjunto na˜o vazio, podemos definir uma maneira de “medir a distaˆncia” entre os seus elementos, o que chamamos de me´trica. Assim, o conjunto passa a ser um espac¸o me´trico. Este trabalho e´ apenas uma apresentac¸a˜o a` este importante conceito (de grande utilidade em ana´lise funcional, por exemplo). Um estudo, de fato, necessita de um semestre, de prefereˆncia com uma certa familiaridade com ana´lise real. 1 Me´tricas Seja X um conjunto na˜o vazio. Uma me´trica em X e´ uma func¸a˜o d : M ×M −→ R (x, y) 7−→ d(x, y) que satisfaz: (i) d(x, x) = 0 (ii) Se x 6= y enta˜o d(x, y) > 0 (iii) d(x, y) = d(y, x) (iv) d(x, z) ≤ d(x, y) + d(y, z) Exemplo 1.1 Seja M um conjunto qualquer na˜o vazio e defina a func¸a˜o: d : M ×M −→ R (X, Y ) 7−→ d(X, Y ) = { 0 se X = Y 1 se X 6= Y (i) Pela pro´pria definic¸a˜o, d(X,X) = 0 para qualquer X ∈M . (ii) Tambe´m por definic¸a˜o, d(X,Y ) = 1 > 0 sempre que X 6= Y . (iii) Claramente d(X, Y ) = d(Y,X) uma vez que X = Y ⇐⇒ Y = X e X 6= Y ⇐⇒ Y 6= X. 1 (iv) Sejam X,Y, Z elementos quaisquer em M . Enta˜o d(X,Z) = 0 ou d(X,Z) = 1 d(X, Y ) = 0 ou d(X, Y ) = 1 d(Y, Z) = 0 ou d(Y, Z) = 1 Da´ı d(X, Y ) + d(Y, Z) = 0 ou d(X, Y ) + d(Y, Z) = 1 ou d(X,Y ) + d(Y, Z) = 2 E de toda forma, d(X,Z) ≤ d(X,Y ) + d(Y, Z) Desta maneira, temos uma me´trica, chamada me´trica zero-um. Na verdade, acabamos de ver que em qualquer conjunto na˜o vazio podemos definir uma me´trica. ¥ Exemplo 1.2 Considere o conjunto dos nu´meros reais R e a func¸a˜o d : R× R −→ R (x, y) 7−→ d(x, y) = |x− y| (i) d(x, x) = |x− x| = 0 (ii) Se x 6= y enta˜o x− y 6= 0 e portanto, |x− y| > 0, isto e´, d(x, y) > 0. (iii) d(x, y) = |x− y| = |(−1).(y − x)| = | − 1|.|y − x| = 1.|y − x| = d(y, x) (iv) Sejam x, y, z nu´meros reais quaisquer. Sabemos da desigualdade triangular que |x− z| ≤ |x− y|+ |y − z| ¥ Exemplo 1.3 Considerando M = Rn = {(x1, x2, . . . , xn) ; xi ∈ R} , ha´ treˆs me´tricas “naturais” definidas em M : d : Rn × Rn −→ R (X,Y ) 7−→ d(X, Y ) =√(x1 − y1)2 + (x2 − y2)2 + . . .+ (xn − yn)2 d′ : Rn × Rn −→ R (X, Y ) 7−→ d′(X, Y ) = |x1 − y1|+ |x2 − y2|+ . . .+ |xn − yn| = n∑ i=1 |xi − yi| 2 d′′ : Rn × Rn −→ R (X,Y ) 7−→ d′′(X, Y ) = max{|x1 − y1|, . . . , |xn − yn|} = max 1≤i≤n {|xi − yi|} As condic¸o˜es (i), (ii), (iii) que caracterizam uma me´trica podem ser facilmente provadas para d, d′, d′′. A condic¸a˜o (iv) e´ imediata para d′ e d′′, ja´ para d, a condic¸a˜o (iv) sera´ vista mais adiante. ¥ 2 Espac¸os Me´tricos Dado um conjunto na˜o vazio M e uma me´trica d definida em M , o par (M,d) sera´ chamado espac¸o me´trico. Quando na˜o houver du´vida quanto a me´trica definida, diremos simplesmente que M e´ um espac¸o me´trico. Num espac¸o me´trico (M,d), a me´trica d tambe´m e´ chamada distaˆncia. Exemplo 2.1 O conjunto das matrizes M(m,n) com entradas reais e a me´trica zero-um. Exemplo 2.2 O espac¸o euclidiano Rn com a me´trica d(X,Y ) = √ (x1 − y1)2 + (x2 − y2)2 + . . .+ (xn − yn)2 onde X = (x1, x2, . . . , xn), Y = (y1, y2, . . . , yn). Geometricamente, esta me´trica repre- senta a distaˆncia euclidiana entre os pontos X e Y . d x x y y 1 1 2 2 Figura 1: Me´trica d. Essa me´trica nos da´ a distaˆncia usual entre dois pontos do espac¸o Rn e e´ chamada me´trica euclidiana. ¥ 3 3 1 2 |x −y ||x −y | 1 |x −y |2 3 Figura 2: Me´trica d′ em R3. Exemplo 2.3 O espac¸o euclidiano Rn com a me´trica d′ : Rn × Rn −→ R (X,Y ) 7−→ d(X, Y ) = |x1 − y1|+ |x2 − y2|+ . . .+ |xn − yn| Geometricamente, a distaˆncia entre dois pontos e´ considerada como a soma das distaˆncias em cada direc¸a˜o. A Figura 2 traz um exemplo em R3. Exemplo 2.4 O espac¸o euclidiano Rn com a me´trica d′′ : Rn × Rn −→ R (X, Y ) 7−→ d(X,Y ) = max 1≤i≤n {|xi − yi|} Esta me´trica da´ uma outra maneira de calcular a distaˆncia entre dois pontos, que e´ considerando a maior distaˆncia entre as distaˆncias em todas as direc¸o˜es, como mostra a Figura 3 Proposic¸a˜o 2.1 Sejam d, d′, d′′ as me´tricas naturais definidas em Rn. Para quaisquer X, Y ∈ Rn, temos: d′′(X,Y ) ≤ d(X, Y ) ≤ d′(X, Y ) ≤ n.d′′(X, Y ) Prova: Sejam X = (x1, x2, . . . , xn), Y = (y1, y2, . . . , yn) ∈ Rn. Enta˜o d′′(X, Y ) = max 1≤i≤n {|xi − yi|} = |xk − yk| para algum k ∈ {1, 2, . . . , n}. Como |xk − yk| = √ (xk − yk)2 ≤ √ (x1 − y1)2 + . . .+ (xk − yk)2 + . . .+ (xn − yn)2 = d(X,Y ) 4 3 1 2 |x −y ||x −y | 1 |x −y |2 3 d’’ Figura 3: Me´trica d′′ em R3. segue que d′′(X, Y ) ≤ d(X,Y ) Observe ainda que d′′(X, Y ) = max 1≤i≤n {|xi − yi|} = |xk − yk| implica que |xi − yi| ≤ |xk − yk| para todo i ∈ {1, 2, . . . , n} e d′(X, Y ) = |x1 − y1|+ |x2 − y2|+ . . .+ |xn − yn| ≤ |xk − yk|+ |xk − yk|+ . . .+ |xk − yk| = n.|xk − yk| = n.d′′(X,Y ) Resta ver que d(X, Y ) ≤ d′(X, Y ) para isso, note que [d(X, Y )]2 = (x1 − y1)2 + . . .+ (xn − yn)2 enquanto [d′(X, Y )]2 = [|x1 − y1|+ . . .+ |xn − yn|]2 = |x1 − y1|2 + 2.|x1 − y1|. [ n∑ i=2 |xi − yi| ] + [ n∑ i=2 |xi − yi| ]2 = |x1 − y1|2 + [ n∑ i=2 |xi − yi| ]2 + 2.|x1 − y1|. [ n∑ i=2 |xi − yi| ] 5 Desenvolvendo [ n∑ i=2 |xi − yi| ]2 , teremos [ n∑ i=2 |xi − yi| ]2 = [|x2 − y2|+ . . .+ |xn − yn|]2 = |x2 − y2|2 + 2.|x2 − y2|. [ n∑ i=3 |xi − yi| ] + [ n∑ i=3 |xi − yi| ]2 Repetindo o processo, teremos [d′(X, Y )]2 = |x1 − y1|2 + . . .+ |xn − yn|2 + Γ onde Γ ≥ 0. Desta forma, [d′(X,Y )]2 = [d(X, Y )]2 + Γ e portanto [d(X, Y )]2 ≤ [d′(X, Y )]2 que implica em d(X, Y ) ≤ d′(X, Y ) uma vez que d, d′ sa˜o na˜o negativos. ¥ 2.1 Algumas considerac¸o˜es sobre os nu´meros reais Um subconjunto X dos nu´meros reais chama-se limitado superiormente quando existe b ∈ R tal que b ≥ x para qualquer x ∈ R. O nu´mero b e´ chamado uma cota superior para X. b X Figura 4: Conjunto limitado superiormente. Analogamente, se X e´ um subconjunto de R tal que a ≤ x para qualquer x ∈ X, enta˜o X e´ dito limitado inferiormente. O nu´mero a e´ chamado uma cota inferior para X. Veja que quando b e´ uma cota superior para X, enta˜o qualquer B > b, tambe´m e´ uma cota superior para X. Da mesma forma, se a e´ uma cota inferior para X, qualquer nu´mero A < a tambe´m e´ uma cota inferior para X. Vale ressaltar que uma cota (superior ou inferior) de um conjunto X na˜o precisa ser elemento de X. No entanto, dado um conjunto X limitado superiormente, podemos tomar a menor cota dentre todas as cotas superiores. Esta cota e´ chamada supremo de X, isto e´: 6 X a Figura 5: Conjunto limitado inferiormente. (1) Considere o conjunto formado por todas as cotas superiores de X, digamos S; (2) Tome o menor elemento de S, digamos, β (3) Supremo de X = β. Notac¸a˜o: β = supX. Por exemplo, se X = [0, 1), enta˜o qualquer elemento em [1,+∞) e´ uma cota superior para X no entanto, o supremo de X e´ o menor elemento de [1,+∞), isto e´, supX = 1. De maneira ana´loga definimos o ı´nfimo de um conjunto X ⊂ R sendo a maior das cotas inferiores de X, isto e´: infX = max{a ∈ R ; a ≤ x, x ∈ X} Voltando ao conjunto X = [0, 1), vemos que infX = 0. E´ claro que nem todo subconjunto de X possui supremo e/ou ı´nfimo. Por exemplo, o conjunto X = [0,+∞) na˜o e´ limitado superiormente, portanto, na˜o existem cotas superiores nem supremo para X. Da mesma forma o conjunto X = (−∞, 1) na˜o e´ limitado inferiormente e portanto na˜o possui cotas inferiores, o que implica na na˜o existeˆncia de ı´nfimo. O conjunto R na˜o e´ limitado nem inferiormente nem superiormente. Exemplo 2.5 Seja Ω um conjunto na˜o vazio. Dizemos que uma func¸a˜o f : Ω −→ R e´ limitada quando existe um k > 0 tal que |f(x)| ≤ k para todox ∈ Ω. Considere o conjunto de todas as func¸o˜es definidas em Ω e limitadas: B(Ω;R) = {f : Ω −→ R ; f limitada} Vamos definir a seguinte me´trica em B(Ω;R): d(f, g) = sup x∈X |f(x)− g(x)| Geometricamente, d da´ o comprimento da maior corda vertical ligando os dois gra´ficos, como mostra a Figura 6 Esta me´trica e´ conhecida como me´trica do sup. Verifiquemos que, de fato, se trata de uma me´trica em B(Ω;R). (i) d(f, f) = sup x∈X |f(x)− f(x)| = sup x∈X 0 = 0 (ii) Se f 6= g, enta˜o existe x0 ∈ X tal que f(x0) 6= g(x0), da´ı, |f(x0)− g(x0)| > 0. Como sup x∈X |f(x)− g(x)| ≥ |f(x0)− g(x0)|, segue que d(f, g) > 0. 7 f g X d(f,g) Figura 6: Me´trica do sup para o conjunto B(Ω;R). (iii) Como |f(x)− g(x)| = |g(x)− f(x)|, temos, d(f, g) = sup x∈X |f(x)− g(x)| = sup x∈X |g(x)− f(x)| = d(g, f) (iv) Sejam f, g, h ∈ B(Ω;R). Enta˜o d(f, g) = sup x∈X |f(x)− g(x)| d(g, h) = sup x∈X |g(x)− h(x)| Como |f(x)− g(x)| e |g(x)− h(x)| sa˜o nu´meros positivos, enta˜o sup x∈X |f(x)− g(x)|+ sup x∈X |g(x)− h(x)| = sup x∈X {|f(x)− g(x)|+ |g(x)− h(x)|} Por outro lado, pela desigualdade triangular, |f(x)− h(x)| ≤ |f(x)− g(x)|+ |g(x)− h(x)| para qualquer x ∈ X. Da´ı, sup x∈X |f(x)− h(x)| ≤ sup x∈X {|f(x)− g(x)|+ |g(x)− h(x)|} isto e´ d(f, h) ≤ d(f, g) + d(g, h) ¥ Exemplo 2.6 Considere o conjunto C[a, b] das func¸o˜es cont´ınuas definidas no intervalo [a, b]. Defina em C[a, b] a func¸a˜o d(f, g) = ∫ b a |f(t)− g(t)|dt Tal func¸a˜o e´ uma me´trica. Com efeito, 8 (i) d(f, f) = ∫ b a |f(t)− f(t)|dt = ∫ b a 0.dt = 0 (ii) Se f 6= g, enta˜o existe x ∈ [a, b] tal que f(x) 6= g(x) e portanto f(x)− g(x) 6= 0. Da´ı d(f, g) = ∫ b a |f(t)− g(t)|dt > 0 (iii) Como |f(x)− g(x)| = |g(x)− f(x)| para qualquer x ∈ X, enta˜o d(f, g) = ∫ b a |f(t)− g(t)|dt = ∫ b a |g(t)− f(t)|dt = d(g, f) (iv) Dadas f, g, h ∈ C[a, b], temos |f(x)− h(x)| = |f(x)− g(x) + g(x)− h(x)| ≤ |f(x)− g(x)|+ |g(x)− h(x)| para qualquer x ∈ [a, b]. Sendo as func¸o˜es |f(x)−h(x)| e |f(x)−g(x)|+|g(x)−h(x)| cont´ınuas (portanto, integra´veis), segue que |f(x)− h(x)| ≤ |f(x)− g(x)|+ |g(x)− h(x)| implica em∫ b a |f(t)−h(t)|dt ≤ ∫ b a [|f(t)−g(t)|+|g(t)−h(t)|]dt = ∫ b a |f(t)−g(t)|dt+ ∫ b a |g(t)−h(t)|dt ou seja d(f, h) ≤ d(f, g) + d(g, h) Logo, com a me´trica dada, C[a, b] e´ um espac¸o me´trico. ¥ 2.2 Espac¸os Vetoriais Normados Seja V um espac¸o vetorial real. Uma norma em V e´ uma func¸a˜o real η : V −→ R v 7−→ η(v) que associa a cada elemento v ∈ V o nu´mero real η(v) chamado norma de v e ale´m disso satisfaz: (N1) Se v 6= −→0 V enta˜o η(v) 6= 0. (N2) Se α ∈ R enta˜o η(α.v) = |α|.η(v) (N3) η(u+ v) ≤ η(u) + η(v) 9 E´ mais comum usarmos a notac¸a˜o ||v|| em vez de η(v). Quando no espac¸o vetorial V puder ser definida uma norma, dizemos que (V, || ||) e´ um espac¸o vetorial normado, ou simplesmente V e´ um espac¸o vetorial normado. Exemplo 2.7 (Normas em Rn) Considere o espac¸o vetorial Rn = {X = (x1, x2, . . . , xn) ; xi ∈ R} e as func¸o˜es ||X|| = √ x21 + x 2 2 + . . .+ x 2 n ||X||′ = |x1|+ |x2|+ . . .+ |xn| ||X||′′ = max{|x1|, |x2|, . . . , |xn|} Todas essas func¸o˜es sa˜o normas em Rn. ¥ Exemplo 2.8 No conjunto B(Ω;R)1, defina a func¸a˜o ||f || = sup x∈X |f(x)| Temos ai uma norma, e portanto, B(Ω;R) e´ um espac¸o vetorial normado. ¥ Todo espac¸o vetorial normado (V, || ||) pode se tornar um espac¸o me´trico. Basta definirmos a me´trica da seguinte forma: d(u, v) = ||u− v|| Esta me´trica e´ dita proveniente da norma. Verifiquemos que, de fato, ||u− v|| e´ uma me´trica: (i) d(X,X) = ||X −X|| = ||−→0 || = ||0.−→0 || = |0|.||−→0 || = 0 Da´ı tambe´m temos que 0 = ||X −X|| = ||X + (−X)|| ≤ ||X||+ || −X|| = ||X||+ | − 1|.||X|| = 2||X|| e portanto ||X|| ≥ 0. (ii) Se X 6= Y enta˜o X − Y 6= −→0 , logo, ||X − Y || 6= 0 e portanto d(X, Y ) > 0. (iii) d(X, Y ) = ||X − Y || = ||(−1).(Y −X)|| = | − 1|.||Y −X|| = ||Y −X|| = d(Y,X) (iv) Dados X, Y, Z ∈ V , temos d(X,Z) = ||X−Z|| = ||X−Y +Y −Z|| ≤ ||X−Y ||+ ||Y −Z|| = d(X, Y )+d(Y, Z) 1verifique que se trata realmente de um espac¸o vetorial. 10 2.3 Espac¸os Vetoriais com produto interno Seja V um espac¸o vetorial real. Um produto interno em V e´ uma func¸a˜o 〈, 〉 : V × V −→ R (X,Y ) 7−→ 〈X,Y 〉 que associa a um par de elementos X, Y ∈ V o nu´mero real 〈X, Y 〉 chamado produto interno de X por Y e satisfaz as seguintes condic¸o˜es (1) Se u, v, w ∈ V enta˜o 〈u+ v, w〉 = 〈u,w〉+ 〈v, w〉 (2) Se u, v ∈ V e α ∈ R, enta˜o 〈αu, v〉 = α〈u, v〉 (3) 〈u, v〉 = 〈v, u〉 (4) Se u 6= −→0 V enta˜o 〈u, u〉 > 0 Dessas propriedades, decorrem: 〈u, v + w〉 = 〈u, v〉+ 〈u,w〉 〈u, αv〉 = α〈u, v〉 〈−→0 V , u〉 = 0 A partir de um produto interno, podemos definir uma norma em um espac¸o vetorial (V, 〈, 〉). Basta definir: ||X|| = √ 〈X,X〉 Neste caso dizemos que a norma prove´m de um produto interno. De fato, (N1) Se X 6= −→0 enta˜o ||X|| =√〈X,X〉 > 0 pela condic¸a˜o (4). (N2) ||α.X|| =√〈αX,αX〉 =√(α)2〈X,X〉 = |α|.√〈X,X〉 = |α|.||X|| Para provar (N3), antes precisamos do seguinte resultado: Proposic¸a˜o 2.2 (Desigualdade de Cauchy-Schwarz) |〈X, Y 〉| ≤ ||X||.||Y || Prova: Se X = −→ 0 , enta˜o 〈X,Y 〉 = 0 e ||X|| = 0, o que torna o´bvia a desigualdade. Agora vamos supor X 6= −→0 . Enta˜o ||X|| > 0 e podemos definir o seguinte nu´mero λ = 〈X,Y 〉 ||X||2 Desta forma, se tomarmos o elemento Z = Y − λX, temos 〈Z,X〉 = 〈Y,X〉 − 〈X,Y 〉||X||2 〈X,X〉 = 〈Y,X〉 − 〈X, Y 〉 ||X||2 .||X|| 2 = 0 11 Sendo Z = Y − λX, temos Y = Z + λX e 〈Y, Y 〉 = 〈Z,Z〉+ λ〈Z,X〉+ λ〈X,Z〉+ λ2〈X,X〉 isto e´ ||Y ||2 = ||Z||2 + λ2||X||2 + 2λ〈X,Z〉 = ||Z||2 + λ2||X||2 uma vez que 〈Z,X〉 = 0. Da´ı ||Y ||2 = ||Z||2 + λ2||X||2 =⇒ ||Y ||2 ≥ λ2||X||2 Mas λ2||X||2 = (〈X,Y 〉 ||X||2 )2 ||X||2 = (〈X, Y 〉 ||X|| )2 Da´ı ||Y ||2 ≥ (〈X,Y 〉 ||X|| )2 isto e´, 〈X,Y 〉2 ≤ ||X||2||Y ||2 e extraindo a raiz quadrada nos dois membros, temos |〈X, Y 〉| ≤ ||X||.||Y || ¥ Voltando a prova de (N3): ||X + Y ||2 = 〈X + Y,X + Y 〉 = ||X||2 + ||Y ||2 + 2〈X,Y 〉 ≤ ||X||2 + ||Y ||2 + 2.|〈X,Y 〉| ≤ ||X||2 + ||Y ||2 + 2.||X||.||Y || = (||X||+ ||Y ||)2 Observac¸a˜o 2.1 Nem toda norma prove´m de um produto interno! Uma forma de saber se uma dada norma prove´m ou na˜o de um produto interno e´ a seguinte Teorema 2.1 Se uma norma || || num espac¸o vetorial V prove´m de um produto interno, enta˜o vale a lei do paralelogramo: ||X + Y ||2 + ||X − Y ||2 = 2(||X||2 + ||Y ||2) Prova: Suponha que a norma || || prove´m de um produto interno, isto e´, dado X ∈ V , vale: ||X|| = √ 〈X,X〉 Desta forma, temos ||X + Y ||2 + ||X − Y ||2 = 〈X + Y,X + Y 〉+ 〈X − Y,X − Y 〉 = ||X||2 + 2〈X, Y 〉||Y ||2 + ||X||2 − 2〈X,Y 〉+ ||Y ||2 = 2||X||2 + 2||Y ||2 = 2(||X||2 + ||Y ||2) 12 ¥ Desta forma, se na˜o vale a lei do paralelogramo, a norma na˜o prove´m de um produto interno. Exemplo 2.9 Considere o conjunto C[0, 1] e a norma ||f || = sup x∈[0,1] |f(x)| Tome, por exemplo, defina h(x) = 2x− 1 e f(x) = |h(x)| − h(x) 2 g(x) = |h(x)|+ h(x) 2 Desta forma f(x)− g(x) = −h(x) f(x) + g(x) = |h(x)| Portanto, ||f − g|| = sup x∈[0,1] | − h(x)| = 1 ||f + g|| = sup x∈[0,1] ∣∣|h(x)|∣∣ = 1 ||f || = 1, ||g|| = 1 Assim, ||f − g||2 + ||f + g||2 = 2 e 2(||f ||2 + ||g||2) = 4 ¥ Vimos, enta˜o, que num espac¸o vetorial com produto interno, podemos definir uma me´trica a partir do produto interno, uma vez que a partir deste, obtemos uma norma: d(X,Y ) = ||X − Y || = 〈X − Y,X − Y 〉 = ||X||2 + ||Y ||2 − 2〈X,Y 〉 Exemplo 2.10 (Espac¸os vetoriais com produto interno) Considerando o espac¸o ve- torial Rn, dados dois elementos X = (x1, x2, . . . , xn), Y = (y1, y2, . . . , yn), a func¸a˜o 〈X,Y 〉 = x1.y1 + x2.y2 + . . .+ xn.yn e´ um produto interno em Rn.A norma que prove´m desse produto interno e´ ||X|| = √ 〈X,X〉 = √ x21 + x 2 2 + . . .+ x 2 n e a me´trica definida por esse produto interno e´ d(X, Y ) = ||X − Y || = √ (x1 − y1)2 + (x2 − y2)2 + . . .+ (xn − yn)2 ¥ Refereˆncias [1] LIMA, Elon Lages. CURSO DE ANA´LISE, vol. 1. Projeto Euclides, Rio de Janeiro, 1995. [2] LIMA, Elon Lages. ESPAC¸OS ME´TRICOS. Projeto Euclides, Rio de Janeiro, 1993. 13
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