Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
Manifold series, part 17: the conditions on a distance function, the topology a distance makes, continuity and closed sets stated with distances, and telling the metric of a topological space apart from the metric tensor of relativityManifold 시리즈 17편: 거리 함수의 조건과 거리가 만드는 위상, 연속과 닫힌집합을 거리로 말하는 법, 위상 공간의 거리와 상대성이론의 메트릭 텐서 구별
Manifold series매니폴드 시리즈Part 17 of 1818편 중 17번째
- Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
- Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
- Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
- Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
- Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
- Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
- Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
- Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
- Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
- Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
- Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
- Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
- Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
- Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
- Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
- Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
- Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
- Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차
- 왜 거꾸로 거슬러 올라갈까요?
- 거리 함수의 조건
- 거리가 만드는 위상
- 거리 없이도 정해지는 평면의 위상
- 연속의 두 정의가 같다
- 닫힌집합과 수열의 극한
- 상대성이론의 메트릭과 구별하기
- Why go backwards?
- The conditions on a distance function
- The topology a distance makes
- The plane has a topology even without a distance
- The two definitions of continuity agree
- Closed sets and limits of sequences
- Telling it apart from the metric of relativity
XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 17강 Metric Spaces에 해당합니다. 지난 편에서 몫공간으로 뫼비우스 띠를 만들었다면, 이번 편은 한 걸음 물러나 위상보다 먼저 태어난 거리 공간을 봅니다.
왜 거꾸로 거슬러 올라갈까요?
위상을 처음 배울 때는 대개 거리 공간에서 시작합니다. 거리로 열린 공을 만들고, 열린 공으로 열린집합을 만들고, 열린집합으로 위상을 얻는 순서입니다. 이 시리즈는 반대로 위상을 먼저 정의했습니다. 지금 보면 위상이 더 근본적인 생각이고, 현대적인 접근도 위상에서 출발합니다. 하지만 역사에서는 거리가 먼저였습니다.
집합의 두 원소가 가깝다거나 멀다고 말하고 싶을 때, 위상은 그것을 열린집합과 분리 공리로 추상적으로 말합니다. 거리는 두 원소에 실수 하나를 붙여서 문자 그대로 말합니다. 평면에서 두 점 사이에 거리가 있다는 생각을 임의의 집합으로 옮긴 것이 거리 공간입니다.
거리 함수의 조건
집합 위의 거리 함수는 두 원소를 받아 실수를 내놓는 함수 이고, 모든 에 대해 네 조건을 지킵니다.
- . 음의 거리는 없습니다.
- 이면 이고, 그 역도 성립합니다. 같은 점일 때만 거리가 0입니다.
- . 가는 거리와 오는 거리가 같습니다.
- . 이것을 삼각부등식이라고 합니다. 삼각형의 한 변은 나머지 두 변의 합보다 길 수 없습니다.
모두 평면 기하의 거리를 글자 그대로 옮긴 조건입니다. (1번은 나머지 셋에서 따라 나옵니다. 이기 때문입니다. 이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
아무 집합에나 거리 함수를 줄 수 있는 것은 아닙니다. 어떤 위상 공간에 거리 함수가 있을 수 있는지는 메트릭화 정리들이 다루고, 강의는 증명 없이 이름만 짚습니다. 반대 방향은 항상 됩니다. 거리 함수가 있는 집합에는 언제나 위상이 하나 생깁니다.
예를 셋 보겠습니다.
- 유클리드 거리: 에서 . 평면 기하에서 가져온 것이라 네 조건을 지킵니다.
- 허브 거리: 평면에 기준점(허브) 하나를 정합니다. 허브를 라고 하겠습니다. 두 점이 를 지나는 한 직선 위에 있으면 보통의 거리를 쓰고, 그렇지 않으면 로 정합니다. 큰 도시를 반드시 거쳐 가야 하는 기차 노선망과 같고, 네 조건을 하나씩 확인할 수 있습니다.
- 이산 거리: 이고 이면 항상 . 자기 자신과 다른 모든 점이 똑같이 1만큼 떨어져 있습니다.
거리가 만드는 위상
거리 함수가 있으면 중심 , 반지름 인 열린 공을 정의할 수 있습니다.
첫 편에서 열린 공을 쓸 때는 거리가 있다고 말없이 가정했습니다. 반지름 을 재려면 거리 함수가 있어야 하기 때문입니다. 이 열린 공들을 베이스로 하는 위상이 거리 위상이고, 평면에서는 열린 공 위상, 곧 보통 위상과 같습니다. 집합과 거리 함수만 주어지면 위상은 거리 위상으로 읽는 것이 관례입니다. 거리가 있는 공간에 다른 위상을 줄 수도 있지만, 그때는 따로 밝혀야 합니다.
아래 장난감에서 거리를 바꿔 보세요. 같은 중심과 반지름인데도 거리에 따라 공의 모양이 달라집니다.
(택시 거리 와 최댓값 거리 는 모양을 비교하려고 장난감에 보탠 거리이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
유클리드 공은 원판, 최댓값 거리의 공은 정사각형, 택시 거리의 공은 마름모입니다. 이 셋은 같은 중심의 공이 서로를 품습니다. 장난감의 점선 원이 그 모습입니다. 어떤 점에서든 한 거리의 공 안에는 다른 거리의 작은 공이 들어 있어서, 열린집합을 판정하는 데 차이가 없고 셋은 같은 위상을 줍니다. (이 포함 관계와 반지름 비율은 이해를 위해 보탠 계산이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
허브 거리와 이산 거리는 사정이 다릅니다. 이산 거리에서 반지름이 1 이하이면 공은 중심 한 점뿐이고, 허브에서 떨어진 점 둘레의 허브 거리 공은 반지름이 작을 때 직선 위의 선분뿐입니다. 어떤 보통 원판도 품지 못하므로 이 둘은 보통 위상과 다른 위상을 줍니다. 강의는 이런 거리에서도 열린 공을 만들 수 있지만 훨씬 이상하다고만 말합니다. (두 거리가 보통 위상과 다르다는 판정은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
Q. 거리 함수가 다르면 위상도 달라지나요?
A. 꼭 그렇지는 않습니다. 위상을 정하는 것은 어떤 열린집합이 생기느냐이고, 거리의 값이 달라도 공이 서로를 품으면 같은 위상이 나옵니다. 유클리드, 택시, 최댓값 거리가 그런 예입니다.
거리 없이도 정해지는 평면의 위상
실수 직선 은 거리 없이도 보통 위상을 줄 수 있습니다. 열린 구간 를 베이스로 삼으면 되고, 이 구간을 정하는 데 필요한 것은 두 끝점 와 뿐입니다. 중심과 반지름으로 쓰는 열린 공은 한 방법일 뿐입니다.
평면 에는 곱 위상이 저절로 따라옵니다. 두 직선의 열린 구간 와 의 쌍은 열린 상자 가 되고, 이런 상자들이 베이스입니다. 강의는 이것을 상자 위상이라고 부릅니다. 여기에는 거리가 한 번도 나오지 않았습니다.
그런데 열린 공 위상과 비교하면 두 위상은 같습니다. 열린 공은 열린 상자들의 합집합으로 쓸 수 있고, 열린 상자도 열린 공들의 합집합으로 쓸 수 있습니다. 상자를 점점 작게 해서 공의 안쪽을 채워 가는 모습을 떠올리면 됩니다. 한 베이스가 다른 베이스를 만들 수 있으면 두 베이스가 만드는 위상은 같습니다.
위상이 같다고 거리가 자동으로 생기지는 않습니다. 에 위상만 있는 공간과, 거기에 거리 함수 까지 얹은 공간은 구조가 다른 공간입니다. 뒤쪽이 더 정교하고, 거리 공간 라고만 쓰면 거리 위상이 딸려 온다고 읽습니다. 매니폴드의 좌표 사상이 가는 은 앞쪽입니다. 보통 위상만 가졌고 거리는 없습니다. 그래서 의 값은 좌표일 뿐이고, 점 사이의 거리는 따로 정한 메트릭이 말해 줍니다.
Q. 열린 공으로 만든 위상과 열린 상자로 만든 위상이 같다면, 평면에는 이미 거리가 들어 있다고 봐도 되나요?
A. 위상이 같을 뿐 거리는 따로 정해 줘야 하는 구조입니다. 거리를 하나 골라 넣어야 열린 공을 재는 반지름이 생깁니다. 상자는 거리 없이 만들어집니다.
연속의 두 정의가 같다
앞에서 본 연속의 정의는 위상으로 말합니다. 위상 공간 사이의 함수 는 의 모든 열린집합 에 대해 원상 가 에서 열려 있으면 연속입니다. 위상이 정리되기 전에 쓰던 정의는 거리로 말합니다. 거리 공간 , 사이의 함수가 연속이라는 것은 다음과 같습니다.
모든 점 와 모든 에 대해, 어떤 이 있어서 이면 입니다.
입실론-델타 정의라고 부릅니다. 열린 공으로 읽으면 입니다. 두 공간에 거리 위상을 주면 두 정의는 같다는 것이 이 절의 결론이고, 양쪽 방향을 보입니다.
위상의 정의에서 입실론-델타로 가려면 점 와 을 잡고 시작합니다. 은 열린집합이므로 그 원상이 열려 있고 를 품습니다. 열린집합은 안의 모든 점 둘레에 작은 열린 공을 품으니, 어떤 가 원상 안에 들어갑니다. 곧 이면 입니다.
입실론-델타에서 위상의 정의로 가려면 의 열린집합 와 원상 안의 점 를 잡습니다. 이고 는 열려 있으므로 어떤 입니다. 입실론-델타가 주는 로 를 만들면 이 공의 점은 모두 으로 가므로 로 갑니다. 그러니 이고, 원상의 모든 점이 둘레에 공을 품으므로 원상은 열려 있습니다.
Q. 입실론-델타 정의에서 는 이나 점 가 바뀌면 달라져도 되나요?
A. 됩니다. 순서가 먼저, 나중입니다. 점마다, 마다 맞는 를 하나 찾을 수 있으면 충분합니다.
이 연결이 중요한 까닭은 매니폴드를 다루는 글에서 연속 함수와 위상동형사상이 끊임없이 나오기 때문입니다. 위상동형사상은 연속이고, 역함수도 연속인 일대일 대응입니다.
닫힌집합과 수열의 극한
거리가 있으면 닫힌집합도 극한으로 말할 수 있습니다. 점들의 수열 이 점 로 수렴한다는 것은, 임의의 에 대해 어떤 이 있어서 이면 이라는 뜻입니다. 이때 을 극한이라고 합니다. 여기서 말하는 것은 0에 닿는 일이 없이 임의로 작은 크기까지 좁혀 들어가는 것이고, 무한소 수학의 중요한 사실들이 이 좁히기로 증명됩니다.
닫힌집합은 여집합이 열린 집합입니다. 거리 공간에서는 이렇게도 말합니다.
집합 가 닫혀 있다는 것은, 안의 점으로 이루어진 수렴하는 수열의 극한이 항상 에 들어 있다는 것과 같은 말입니다.
경계가 밖에 있는 집합이라면 안의 수열이 경계로 다가가서 극한이 밖에 놓입니다. 그래서 닫힌집합이 아닙니다. 닫힌집합은 자기의 경계점을 모두 품은 집합입니다. 수렴하지 않는 수열은 따지지 않습니다. 홀수 번째 항만 계속 튀는 수열처럼 괴상한 것은 수렴하는 부분수열로 말하는 책도 있고, 수렴하는 수열만 보는 책도 있습니다.
이 동치를 두 방향으로 보입니다.
여집합이 열려 있다고 하고, 안의 수열이 로 수렴한다고 합시다. 이 밖에 있다면 열린 여집합 안에 어떤 가 통째로 들어갑니다. 그러면 안의 수열의 모든 항은 에서 이상 떨어져 있어서 로 수렴할 수 없습니다. 모순이므로 입니다.
반대로 가 모든 극한을 품는데 여집합이 열려 있지 않다고 합시다. 그러면 여집합의 어떤 점 가 있어서, 둘레의 어떤 공 도 와 만납니다. 각 마다 안에서 의 점 을 하나씩 고르면, 이 수열은 안에 있고 로 수렴합니다. 가 극한을 모두 품으니 이고, 가 여집합의 점이라는 것과 모순입니다. 그래서 여집합은 열려 있습니다.
상대성이론의 메트릭과 구별하기
강의는 마지막에 한 가지를 당부합니다. 여기서 말한 거리 함수 는 위상 공간을 다룰 때 쓰는 메트릭이고, 일반 상대성이론에서 시공간 매니폴드에 얹는 메트릭 텐서 와는 다릅니다. 메트릭 텐서는 두 벡터를 받아 값을 내놓는데, 그 값이 0 이하일 수 있고, 0이 되어도 두 벡터가 같지 않을 수 있습니다. 그래서 위의 조건 중 1번과 2번이 무너지고, 대칭 조건만 남습니다. 이런 메트릭을 유사 리만 메트릭이라고 부릅니다.
두 가지를 섞어서 공부하면 안 됩니다. 매니폴드 위의 점 사이의 거리는 메트릭 텐서가 정하고, 좌표를 담는 에는 거리가 없습니다. 둘 사이에 연결은 있지만 매우 어색하게 이어진다고 강의는 말합니다.
다음 편에서는 위상에서 한 걸음 더 나아가 대수적 위상수학의 첫걸음인 호모토피를 다룹니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 17 of the playlist, Metric Spaces. After making a Möbius strip as a quotient space in the last post, this time we step back and look at the metric space, which was born before topology.
Why go backwards?
Topology is usually learned starting from metric spaces. A distance gives open balls, open balls give open sets, and open sets give a topology. This series did it the other way and defined a topology first. Looking back, the topology is the more fundamental idea, and the modern approach starts from it. In history, though, the distance came first.
When we want to say that two elements of a set are close or far, topology says it abstractly with open sets and separation axioms. A distance says it literally, by attaching one real number to the two elements. A metric space carries the idea that two points in the plane have a distance over to an arbitrary set.
The conditions on a distance function
A distance function (metric) on a set is a function that takes two elements and gives a real number, and for all it satisfies four conditions.
- . There is no negative distance.
- implies , and the converse holds. The distance is 0 only for the same point.
- . The distance there equals the distance back.
- . This is called the triangle inequality. One side of a triangle cannot be longer than the sum of the other two.
All of them are the distance of plane geometry carried over word for word. (Condition 1 follows from the other three, because . This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)
We cannot give a distance function to just any set. Which topological spaces can have a distance function is the subject of the metrization theorems, which the lecture names without proof. The other direction always works. A set with a distance function always gets a topology.
Here are three examples.
- Euclidean distance: on , . It comes from plane geometry, so it satisfies the four conditions.
- Hub distance: pick one reference point (the hub) in the plane and call it . If two points lie on one line through , use the usual distance. Otherwise set . It is like a rail network where every trip must pass through a big city, and we can check the four conditions one by one.
- Discrete distance: , and for always . Every point other than itself is exactly 1 away.
The topology a distance makes
With a distance function we can define the open ball of center and radius .
When the first post used open balls, it assumed without saying that a distance existed, because we cannot measure a radius without a distance function. The topology that has these open balls as a base is the metric topology, and on the plane it equals the open ball topology, that is, the usual topology. By convention, when a set and a distance function are given, the topology is read as the metric topology. A space with a distance can be given another topology, but then it has to be stated separately.
Change the distance in the toy below. Even for the same center and radius, the shape of the ball depends on the distance.
(The taxicab distance and the maximum distance are distances added to the toy to compare shapes, and were not covered in the lecture.)
The Euclidean ball is a disc, the ball of the maximum distance is a square, and the ball of the taxicab distance is a diamond. For these three, balls with the same center contain each other, as the dotted circles in the toy show. Around any point, a ball of one distance contains a small ball of another distance, so they make no difference in deciding which sets are open, and the three give the same topology. (This containment and the ratios of the radii are a computation added for understanding and were not covered in the lecture.)
The hub distance and the discrete distance are different. In the discrete distance, a ball of radius 1 or less is the single center point, and for a point away from the hub, a hub-distance ball of small radius is only a segment on a line. It contains no ordinary disc, so these two give a topology different from the usual one. The lecture only says that open balls can be made from such distances but they are much weirder. (The verdict that these two distances differ from the usual topology is added for understanding and was not covered in the lecture.)
Q. If the distance function differs, does the topology differ too?
A. Not necessarily. What fixes a topology is which open sets arise, and even when the values of the distance differ, balls that contain each other give the same topology. The Euclidean, taxicab, and maximum distances are examples.
The plane has a topology even without a distance
The real line gets its usual topology without any distance. Take the open intervals as a base, and all we need to specify such an interval is the two endpoints and . An open ball given by a center and a radius is only one way.
The plane comes with the product topology automatically. A pair of open intervals and of the two lines becomes an open box , and these boxes are a base. The lecture calls this the box topology. No distance appeared anywhere.
Compared with the open ball topology, the two topologies are the same. An open ball can be written as a union of open boxes, and an open box can be written as a union of open balls. Picture making the boxes smaller and smaller to fill the inside of a ball. If one base can make the other, the topologies the two bases make are the same.
The same topology does not automatically bring a distance. The space with only a topology and the space with a distance function added on top have different structure. The latter is more elaborate, and when we only write the metric space we read it as carrying the metric topology. The that a coordinate map of a manifold goes to is the former. It has only the usual topology and no distance. So the values in are just coordinates, and the distance between points is told by a separately chosen metric.
Q. If the topology from open balls and the topology from open boxes are the same, doesn’t the plane already have a distance?
A. The topology is the same, but a distance is structure that has to be given separately. We have to pick and add one distance to get the radius that measures an open ball. The boxes are made without a distance.
The two definitions of continuity agree
The definition of continuity we saw earlier speaks in terms of topology. A function between topological spaces is continuous if for every open set of the preimage is open in . The definition used before topology was sorted out speaks in terms of distances. A function between metric spaces and is continuous as follows.
For every point and every there is some such that implies .
This is called the epsilon-delta definition. Read with open balls it says . The conclusion of this section is that when both spaces carry the metric topology the two definitions agree, and we show both directions.
To go from the topological definition to epsilon-delta, fix a point and an . The ball is open, so its preimage is open and contains . An open set contains a small open ball around each of its points, so some lies inside the preimage. That is, implies .
To go from epsilon-delta to the topological definition, take an open set of and a point in the preimage. Since and is open, some . Build with the that epsilon-delta gives. Every point of this ball goes into , hence into . So , and since every point of the preimage has a ball around it inside, the preimage is open.
Q. In the epsilon-delta definition, may change when or the point changes?
A. Yes. The order is first and after. It is enough to find one suitable for each point and each .
This link matters because writing about manifolds keeps bringing up continuous functions and homeomorphisms. A homeomorphism is a continuous one-to-one correspondence whose inverse is also continuous.
Closed sets and limits of sequences
With a distance, closed sets can be described by limits too. A sequence of points converges to a point if for any there is some such that implies . Then is called the limit. This does not mean reaching 0. It means squeezing into an arbitrarily small size, and important facts of infinitesimal mathematics are proved by this squeezing.
A closed set is a set whose complement is open. In a metric space we can say it this way too.
A set is closed exactly when the limit of every convergent sequence of points in lies in .
If the boundary lies outside , a sequence in can approach the boundary and its limit lands outside . So such a set is not closed. A closed set contains all of its boundary points. We ignore sequences that do not converge. Some books handle odd sequences, such as one whose odd terms keep jumping away, by speaking of convergent subsequences, and other books look only at convergent sequences.
We show the equivalence in two directions.
Suppose the complement is open, and a sequence in converges to . If were outside , some would lie entirely in the open complement. Then every term of the sequence in would be at least away from , so it could not converge to . This is a contradiction, so .
Conversely, suppose contains all its limits but the complement is not open. Then some point of the complement has the property that every ball around it meets . For each , pick a point of inside . This sequence lies in and converges to . Since contains all its limits, , which contradicts being a point of the complement. So the complement is open.
Telling it apart from the metric of relativity
The lecture ends with one request. The distance function here is the metric used when dealing with topological spaces, and it differs from the metric tensor placed on the spacetime manifold in general relativity. The metric tensor takes two vectors and gives a value, and that value can be 0 or less, and it can be 0 even when the two vectors are not equal. So conditions 1 and 2 above collapse and only symmetry remains. Such a metric is called a pseudo-Riemannian metric.
The two should not be mixed up when studying. The distance between points on a manifold is fixed by the metric tensor, and the that holds the coordinates has no distance. The lecture says there is a connection, but a very awkward one.
In the next post we go one step beyond topology to the first step of algebraic topology, homotopy.
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