Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Real n-space )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Декартово произведение структура R 2 на декартовой плоскости из упорядоченных пар ( х ,  у ) . Синие линии обозначают оси координат , горизонтальные зеленые линии - целое число y , вертикальные голубые линии - целое число x , коричнево-оранжевые линии показывают полуцелое число x или y , пурпурный и его оттенок показывают кратные одной десятой (лучше всего видно при увеличении)

В математике , А реальный координатное пространство от размерности п , написанной R п ( / ɑːr ɛ н / ар- РУ ) или , является координатным пространством над действительными числами . Это означает, что это набор из n наборов действительных чисел (последовательности из n действительных чисел). С покомпонентным сложением и скалярным умножением это реальное векторное пространство .

Обычно декартовы координаты элементов евклидова пространства образуют реальное координатное пространство. Это объясняет название координатного пространства и тот факт, что геометрические термины часто используются при работе с координатными пространствами. Например, R 2 - это самолет .

Координатные пространства широко используются в геометрии и физике , поскольку их элементы позволяют находить точки в евклидовых пространствах и проводить с ними вычисления.

Определение и структуры [ править ]

Для любого натурального числа п , тем множество R п состоит из всех п - кортежи из действительных чисел ( R ). Его называют « n- мерным реальным пространством» или «реальным n- пространством».

Таким образом, элемент R n представляет собой n -набор, и записывается

где каждый x i - действительное число. Так, в многофакторном исчислении , то домен из функции нескольких действительных переменных и кообласть реального значной функции вектора являются подмножества из R п для некоторого п .

У реального n -пространства есть еще несколько свойств, а именно:

  • С покомпонентным сложением и скалярным умножением это реальное векторное пространство . Каждое n- мерное вещественное векторное пространство изоморфно ему.
  • С скалярным произведением (сумма пословного произведения компонентов) это внутреннее пространство продукта . Каждое n- мерное реальное внутреннее пространство продукта изоморфно ему.
  • Как и любое внутреннее пространство продукта, это топологическое пространство и топологическое векторное пространство .
  • Это евклидово пространство и реальное аффинное пространство , и каждое евклидово или аффинное пространство изоморфно ему.
  • Это аналитическое многообразие , и может рассматриваться как прототип всех многообразий , так как, по определению, многообразие, вблизи каждой точки, изоморфно открытому подмножеству в R п .
  • Это алгебраическое многообразие , и каждое вещественное алгебраическое многообразие является подмножеством R n .

Эти свойства и структуры R n делают его фундаментальным почти во всех областях математики и областях их приложений, таких как статистика , теория вероятностей и многие разделы физики .

Область определения функции нескольких переменных [ править ]

Любую функцию f ( x 1 ,  x 2 ,…,  x n ) от n вещественных переменных можно рассматривать как функцию на R n (то есть с R n в качестве области определения ). Использование реального n -пространства вместо нескольких переменных, рассматриваемых по отдельности, может упростить обозначения и предложить разумные определения. Рассмотрим, п = 2 , А функция композиции следующего вида:

где функции г 1 и г 2 являются непрерывными . Если

x 1  ∈  R  : f ( x 1 , ·) непрерывно (по x 2 )
x 2  ∈  R  : f (·,  x 2 ) непрерывно (по x 1 )

тогда F не обязательно непрерывно. Непрерывность является более сильным условием: непрерывность F в естественной R 2 топологии ( обсуждается ниже ), также называемое многопараметрические непрерывностями , которая является достаточной для обеспечения непрерывности композиции F .

Векторное пространство [ править ]

Координатное пространство R n образует n -мерное векторное пространство над полем действительных чисел с добавлением структуры линейности и часто по-прежнему обозначается R n . Операции с R n как с векторным пространством обычно определяются следующим образом:

Нулевой вектор задается

а аддитивный обратный к вектору x равен

Эта структура важна, потому что любое n -мерное вещественное векторное пространство изоморфно векторному пространству R n .

Обозначение матрицы [ править ]

В стандартной матричной записи каждый элемент R n обычно записывается как вектор-столбец

а иногда как вектор-строку :

Координатное пространство R n может затем интерпретироваться как пространство всех векторов-столбцов n  × 1 или всех векторов-строк 1 ×  n с обычными матричными операциями сложения и скалярного умножения .

Затем линейные преобразования из R n в R m могут быть записаны как матрицы размера m  ×  n, которые действуют на элементы R n посредством умножения слева (когда элементы R n являются векторами-столбцами) и на элементы R m посредством умножения справа (когда они являются векторами-строками). Формула умножения слева, особый случай умножения матриц , такова:

Любое линейное преобразование - это непрерывная функция (см. Ниже ). Кроме того, матрица определяет открытое отображение от R n до R m тогда и только тогда, когда ранг матрицы равен m .

Стандартная основа [ править ]

Координатное пространство R n имеет стандартную основу:

Чтобы убедиться, что это базис, заметим, что произвольный вектор в R n можно однозначно записать в виде

Геометрические свойства и использование [ править ]

Ориентация [ править ]

Тот факт, что действительные числа , в отличие от многих других полей , составляют упорядоченное поле, дает структуру ориентации на R n . Любой полный ранг линейного отображения R п к себе либо заповедной или полностью изменяет ориентацию пространства в зависимости от знака этого определителя его матрицы. Если переставить координаты (или, другими словами, элементы базиса), результирующая ориентация будет зависеть от четности перестановки .

Диффеоморфизмы из R н или домены в ней , их силе , чтобы избежать нулевого Якобиана , также отнесены к сохраняющей ориентации и меняющей ориентации. Это имеет важные последствия для теории дифференциальных форм , приложения которой включают электродинамику .

Другое проявление этой структуры состоит в том, что точечное отражение в R n имеет разные свойства в зависимости от четности n . Для четного n он сохраняет ориентацию, а для нечетного n - наоборот (см. Также неправильное вращение ).

Аффинное пространство [ править ]

R n, понимаемый как аффинное пространство, - это то же самое пространство, где R n как векторное пространство действует посредством переводов . И наоборот, вектор следует понимать как « разницу между двумя точками», обычно изображаемую направленным отрезком линии, соединяющим две точки. Это различие говорит о том, что нет канонического выбора того, гдедолжно быть начало координат в аффинном n -пространстве, потому что оно может быть переведено куда угодно.

Выпуклость [ править ]

П -симплекс (см ниже ) является выпуклой стандартный набор, который отображает к каждому многогранника, и является пересечением стандарта ( п + 1) аффинная гиперплоскость (стандартное аффинное пространство) и стандарт ( п + 1) ортант (стандарт конус).

В реальном векторном пространстве, таком как R n , можно определить выпуклый конус , который содержит все неотрицательные линейные комбинации его векторов. Соответствующим понятием в аффинном пространстве является выпуклое множество , которое допускает только выпуклые комбинации (неотрицательные линейные комбинации, сумма которых равна 1).

На языке универсальной алгебры векторное пространство - это алгебра над универсальным векторным пространством R конечных последовательностей коэффициентов, соответствующих конечным суммам векторов, а аффинное пространство - это алгебра над универсальной аффинной гиперплоскостью в этом пространстве ( конечных последовательностей, суммирующих до 1), конус - это алгебра над универсальным ортантом (конечных последовательностей неотрицательных чисел), а выпуклое множество - это алгебра над универсальным симплексом (конечных последовательностей неотрицательных чисел, суммирующих до 1). Это геометризует аксиомы в терминах «сумм с (возможными) ограничениями на координаты».

Другая концепция из выпуклого анализа - это выпуклая функция от R n до действительных чисел, которая определяется через неравенство между ее значением на выпуклой комбинации точек и суммой значений в этих точках с одинаковыми коэффициентами.

Евклидово пространство [ править ]

Скалярное произведение

определяет норму | х | = xx в векторном пространстве R n . Если каждый вектор имеет свою евклидову норму , то для любой пары точек расстояние

определен, обеспечивая структуру метрического пространства на R n в дополнение к его аффинной структуре.

Что касается структуры векторного пространства, то обычно предполагается, что скалярное произведение и евклидово расстояние существуют в R n без специальных пояснений. Однако, строго говоря , реальное n- пространство и евклидово n -пространство являются разными объектами. Любое евклидово n -пространство имеет систему координат, в которой скалярное произведение и евклидово расстояние имеют форму, показанную выше, называемую декартовой . Но в евклидовом пространстве существует множество декартовых систем координат.

И наоборот, приведенная выше формула для евклидовой метрики определяет стандартную евклидову структуру на R n , но не единственно возможную. Фактически, любая положительно определенная квадратичная форма q определяет свое собственное «расстояние» q ( x - y ) , но оно не сильно отличается от евклидовой в том смысле, что

Такое изменение метрики сохраняет некоторые ее свойства, например, свойство быть полным метрическим пространством . Это также означает, что любое линейное преобразование R n полного ранга или его аффинное преобразование не увеличивает расстояния больше, чем на некоторый фиксированный C 2 , и не делает расстояния меньше, чем 1 ∕  C 1 раз, фиксированное конечное число раз меньше . [ требуется разъяснение ]

Вышеупомянутая эквивалентность метрических функций остается в силе, если q ( x - y ) заменить на M ( x - y ) , где M - любая выпуклая положительная однородная функция степени 1, то есть векторная норма ( полезные примеры см. В расстоянии Минковского ) . Из-за того факта, что любая «естественная» метрика на R n не особо отличается от евклидовой метрики, R n не всегда отличается от евклидова n -пространства даже в профессиональных математических работах.

В алгебраической и дифференциальной геометрии [ править ]

Хотя определение многообразия не требует, чтобы его модельное пространство было R n , этот выбор является наиболее распространенным и почти исключительным в дифференциальной геометрии .

С другой стороны, теоремы вложения Уитни утверждают, что любое вещественное дифференцируемое m -мерное многообразие может быть вложено в R 2 m .

Другие выступления [ править ]

Другие структуры, рассматриваемые на R n, включают в себя псевдоевклидово пространство , симплектическую структуру (четное n ) и контактную структуру (нечетное n ). Все эти структуры, хотя и могут быть определены бескоординатным образом, допускают стандартные (и достаточно простые) формы в координатах.

R n также является вещественным векторным подпространством C n, которое инвариантно к комплексному сопряжению ; см. также комплексирование .

Многогранники в R n [ править ]

Есть три семейства многогранников, которые имеют простые представления в пространствах R n для любого n и могут использоваться для визуализации любой аффинной системы координат в реальном n -пространстве. Вершины гиперкуба имеют координаты ( x 1 ,  x 2 ,…,  x n ), где каждый x k принимает одно из двух значений, обычно 0 или 1. Однако можно выбрать любые два числа вместо 0 и 1 для пример -1 и 1. n -гиперкуб можно рассматривать как декартово произведение nидентичные интервалы (например, единичный интервал [0,1] ) на реальной прямой. Как n- мерное подмножество его можно описать системой из 2 n неравенств :

Каждая вершина поперечного многогранника имеет, в течение некоторых к , то х к координате равна ± 1 , а все остальные координаты равна 0 (таким образом, что он является к - я стандартного базисного вектора до знака ). Это двойственный многогранник гиперкуба. Как n- мерное подмножество его можно описать одним неравенством, которое использует операцию абсолютного значения :

но это также можно выразить с помощью системы из 2 n линейных неравенств.

Третий многогранник с просто перечислимыми координатами - это стандартный симплекс , вершинами которого являются n стандартных базисных векторов и начало координат (0, 0,…, 0) . Как n- мерное подмножество описывается системой n + 1 линейных неравенств:

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

Топологические свойства [ править ]

Топологическая структура из R п (называемой стандартной топологии , евклидовой топологии , или обычной топологии ) может быть получена не только из декартова произведения . Он также идентичен естественной топологии, индуцированной евклидовой метрикой, обсужденной выше : множество открыто в евклидовой топологии тогда и только тогда, когда оно содержит открытый шар вокруг каждой из своих точек. Кроме того, R n является линейным топологическим пространством (см. Непрерывность линейных отображенийвыше), и существует только одна возможная (нетривиальная) топология, совместимая с ее линейной структурой. Поскольку существует множество открытых линейных отображений из R n в себя, которые не являются изометриями , может быть много евклидовых структур на R n, которые соответствуют одной и той же топологии. На самом деле, это не сильно зависит даже от линейной структуры: существует множество нелинейных диффеоморфизмов (и других гомеоморфизмов) R n на себя или на его части, такие как открытый евклидов шар или внутренность гиперкуба ).

R n имеет топологическую размерность n . Важный результат о топологии R n , далеко не поверхностный, -это инвариантность области по Брауэру . Любое подмножество R n (с его топологией подпространства ), гомеоморфное другому открытому подмножеству R n , само открыто. Прямым следствием этого являетсячто R м не гомеоморфно к R п , если тп - интуитивно «очевидный» результат, который, тем не менее, трудно доказать.

Несмотря на различие в топологической размерности и вопреки наивному восприятию, можно непрерывно и сюръективно отобразить реальное пространство меньшей размерности [ требуется пояснение ] на R n . Возможна непрерывная (хотя и не гладкая) кривая, заполняющая пространство (образ R 1 ). [ требуется разъяснение ]

Примеры [ править ]

n ≤ 1 [ редактировать ]

Случаи 0 ≤ n ≤ 1 не предлагают ничего нового: R 1 - это вещественная строка , тогда как R 0 (пространство, содержащее пустой вектор-столбец) - это одноэлемент , понимаемый как нулевое векторное пространство . Однако полезно включить их как тривиальные случаи теорий, описывающих различные n .

n = 2 [ редактировать ]

Оба гиперкуба и кросс-многогранник в R 2 являются квадратами , но координаты вершин расположены по- разному

n = 3 [ редактировать ]

Куб (гиперкуб) и октаэдр (кросс-многогранник) R 3 . Координаты не отображаются

n = 4 [ редактировать ]

R 4 можно представить, используя тот факт, что 16 точек ( x 1 ,  x 2 ,  x 3 ,  x 4 ) , где каждый x k равен 0 или 1, являются вершинами тессеракта (на рисунке), 4-гиперкуба (см. выше ).

Первое основное использование R 4 - это модель пространства-времени : три пространственных координаты плюс одна временная . Обычно это связывают с теорией относительности , хотя со времен Галилея для таких моделей использовались четыре измерения . Выбор теория приводит к различной структуре, хотя: в относительности Галилея т координат привилегированный, но в эйнштейновской теории относительности это не так . Специальная теория относительности установлена ​​в пространстве Минковского . Общая теория относительности использует искривленные пространства, которые можно представить как R 4 с искривленной метрикой.для большинства практических целей. Ни одна из этих структур не дает (положительно определенной) метрики на R 4 .

Евклидова R 4 также привлекает внимание математиков, например, из-за его связи с кватернионами , 4-мерной реальной алгеброй . См. Некоторые сведения о вращениях в 4-мерном евклидовом пространстве .

В дифференциальной геометрии n = 4 - единственный случай, когда R n допускает нестандартную дифференциальную структуру : см. Экзотический R 4 .

Нормативы на R н [ редактировать ]

На векторном пространстве R n можно определить множество норм . Вот некоторые общие примеры:

  • р-норма , определенная для всех , где является положительным целым числом. Случай очень важен, потому что это в точности евклидова норма .
  • -норме или максимальная норма , определенная для всех R п . Это предел всех р-нормы : .

Действительно удивительный и полезный результат состоит в том, что каждая норма, определенная на R n , эквивалентна . Это означает, что для двух произвольных норм и на R n вы всегда можете найти положительные действительные числа , такие что

для всех .

Это определяет отношение эквивалентности на множестве всех норм на R n . С этим результатом вы можете проверить, что последовательность векторов в R n сходится с тогда и только тогда, когда она сходится с .

Вот набросок того, как может выглядеть доказательство этого результата:

Из-за отношения эквивалентности достаточно показать, что каждая норма на R n эквивалентна евклидовой норме . Пусть - произвольная норма на R n . Доказательство делится на два этапа:

  • Мы показываем, что существует такое , что для всех . На этом этапе вы используете тот факт , что каждый может быть представлен в виде линейной комбинации стандартной основы : . Тогда с неравенством Коши – Шварца , где .
  • Теперь нам нужно найти такой , чтобы для всех . Допустим, такого нет . Тогда существует для каждого a такое, что . Определите вторую последовательность с помощью . Эта последовательность ограничена, потому что . Итак, по теореме Больцано – Вейерштрасса существует сходящаяся подпоследовательность с пределом R n . Теперь покажем, что, но , противоречие. Это потому, что и так . Это подразумевает , так . С другой стороны , потому что . Это никогда не может быть правдой, поэтому предположение было ложным и такое существует .

См. Также [ править ]

  • Экспоненциальный объект , для теоретического объяснения надстрочной записи
  • Реальное проективное пространство

Сноски [ править ]

Ссылки [ править ]

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