2. Khoảng cách Euclid; các quả cầu và mặt cầu
1. Khoảng cách Euclid trong
Phù hợp với các định nghĩa chung, khoảng cách Euclid giữa hai điểm và là số
Ta nhắc lại các tính chất chính của nó. Quan hệ tương đương với . Ta có ; với mọi vô hướng , ; với mọi , ; nói cách khác, khoảng cách giữa hai điểm là bất biến qua phép tịnh tiến. Khoảng cách từ gốc đến một điểm cũng được ký hiệu bởi và được gọi là chuẩn Euclid của (hay đơn giản là chuẩn của , khi không có nguy cơ nhầm lẫn; xem Chương IX, § 3, no. 3). Khi đó .
Với , khoảng cách Euclid giữa các điểm của quy về độ dài của các khoảng có và làm đầu mút. Với mọi , ta nói rằng là độ dài của các đoạn có và làm đầu mút.
Khoảng cách Euclid thỏa mãn bất đẳng thức tam giác
(I)
Ta nhắc lại rằng chứng minh của (I) quy về chứng minh bất đẳng thức
điều này lại tương đương với bất đẳng thức Cauchy-Schwarz
vốn là một hệ quả ngay lập tức của đẳng thức Lagrange
Chứng minh này đồng thời cho thấy rằng hai vế của (1) chỉ có thể bằng nhau nếu là một điểm của đoạn có và làm đầu mút.
Từ (1) suy ra bất đẳng thức
Cuối cùng, nếu , ta có
Vì vậy, một tập con của là bị chặn (§ 1, no. 1) khi và chỉ khi
2. Các phép dời hình
Ta nhắc lại một lần nữa rằng các biến đổi afin của lên chính nó, làm bất biến khoảng cách giữa mọi hai điểm [nghĩa là sao cho với mọi ], được gọi là phép dời hình Euclid (hay đơn giản là phép dời hình) (*); chúng tạo thành một nhóm, gọi là nhóm các phép dời hình của . Nhóm này tác động bắc cầu lên ; nói chung hơn, nếu và là hai đa tạp afin tuyến tính bất kỳ cùng chiều trong , thì tồn tại một phép dời hình biến thành . Những phép dời hình giữ nguyên gốc, gọi là phép biến đổi trực giao, tạo thành một nhóm con của nhóm tất cả các phép dời hình. Nhóm con này được gọi là nhóm trực giao theo biến thực; các ánh xạ tuyến tính thuộc nhóm này được đặc trưng bởi việc chúng làm bất biến chuẩn của mọi điểm , hay, tương đương, dạng bậc hai
(*) Nếu chỉ thỏa điều kiện với mọi , thì thực ra phải là affine và tuyến tính, và do đó là một phép dời.
dạng . Tích vô hướng của hai vectơ và của là giá trị của dạng song tuyến tính liên kết với dạng toàn phương ; nó được ký hiệu bởi , hay đơn giản là bởi nếu không có nguy cơ nhầm lẫn. Mọi phép biến đổi trực giao đều giữ bất biến tích vô hướng của bất kỳ hai vectơ nào. Hai vectơ được gọi là trực giao nếu ; hai không gian con vectơ của được gọi là trực giao nếu mỗi đều trực giao với mỗi ; và hai đa tạp affine tuyến tính được gọi là trực giao nếu các không gian con vectơ song song lần lượt với và là trực giao.
3. Các quả cầu và mặt cầu Euclid
Với mỗi số nguyên , ký hiệu là tập hợp tất cả các cặp gồm các điểm của sao cho ; các bất đẳng thức (3) cho thấy các tập tạo thành một hệ cơ bản của các lân cận trong cấu trúc đều của (xem Chương IX, § 2).
Từ sự kiện này và từ bất đẳng thức
Định nghĩa 1
Cho một điểm và một số thực , quả cầu Euclid mở (resp. đóng) có chiều với tâm và bán kính là tập hợp tất cả các điểm sao cho [resp. ]; mặt cầu Euclid chiều với tâm và bán kính là tập hợp tất cả sao cho .
Khi không có nguy cơ nhầm lẫn, ta chỉ nói "quả cầu" (resp. "mặt cầu") thay cho "quả cầu Euclid" (resp. "mặt cầu Euclid"). Khi , một quả cầu hai chiều được gọi là một đĩa, và một mặt cầu một chiều được gọi là một đường tròn. Khi , quả cầu mở (resp. đóng) có tâm và bán kính là khoảng (resp. ); mặt cầu có tâm và bán kính là tập gồm hai đầu mút của các khoảng này.
Từ những điều đã nói, các quả cầu (mở hay đóng) có tâm (hoặc chỉ những quả cầu có bán kính , trong đó chạy qua tập các số nguyên ) tạo thành một hệ cơ bản các lân cận của điểm .
Mệnh đề 1
Mọi quả cầu mở (resp. đóng) của đều là một tập hợp mở (resp. compact). Bao đóng của một quả cầu mở là quả cầu đóng có cùng tâm và cùng bán kính; phần trong của một quả cầu đóng là quả cầu mở có cùng tâm và cùng bán kính.
Quả cầu mở (resp. đóng) có tâm và bán kính là ảnh ngược của khoảng ] (resp. ]) qua hàm liên tục ; do đó nó là mở (resp. đóng và bị chặn, nên compact). Nếu , và nếu () là một điểm của đoạn mở có hai đầu mút và , ta có , và nhỏ tùy ý; suy ra nằm trong bao đóng của quả cầu mở có tâm và bán kính . Lại nữa, nếu () là một điểm của tia mở có gốc và vectơ chỉ phương , ta có
Hệ quả
Mọi mặt cầu Euclid đều là một tập compact và là biên của các quả cầu mở và đóng có cùng tâm và cùng bán kính.
Ánh xạ biến mặt cầu (resp. quả cầu mở, quả cầu đóng) có tâm và bán kính thành mặt cầu (resp. quả cầu mở, quả cầu đóng) có tâm và bán kính ; mặt cầu này được ký hiệu bởi và được gọi là mặt cầu đơn vị trong . Tương tự, quả cầu đóng có tâm và bán kính được ký hiệu bởi và được gọi là quả cầu đơn vị trong . Do đó, việc khảo sát tôpô của một mặt cầu có chiều (resp. một quả cầu đóng có chiều) được quy về việc khảo sát (resp. ). Đối với các quả cầu mở, ta có mệnh đề sau:
Mệnh đề 2
Mọi quả cầu mở -chiều đều đồng phôi với .
Thật vậy, ánh xạ liên tục trên và ánh xạ lên quả cầu mở có tâm và bán kính ; hơn nữa, từ suy ra , nên ánh xạ là song ánh và song liên tục.
Ký hiệu là phần bù của trong .
Mệnh đề 3
Không gian đồng phôi với tích của và không gian của các số thực .
Mọi điểm đều có thể được viết duy nhất dưới dạng , với và , vì suy ra và . Vì liên tục trên tích và do đó a fortiori trên , và vì và liên tục trên , mệnh đề được chứng minh.
Đánh xạ được gọi là phép chiếu tâm của lên . Người ta cũng định nghĩa theo cùng một cách phép chiếu tâm của phần bù của một điểm lên một mặt cầu tâm .
Hệ quả 1
Mặt cầu* đồng phôi với thương của theo quan hệ tương đương mà các lớp là các tia mở có gốc .
Những lớp này cũng có thể được định nghĩa là các lớp quỹ đạo, khác , của nhóm các phép vị tự tỉ số .
Hệ quả 2
Không gian* đồng phôi với .
Vì đồng phôi với (Chương IV, § 4, No. 1, Mệnh đề 1).
Nhận xét
Những mệnh đề này không chỉ riêng đối với các quả cầu Euclid, mà còn có thể được mở rộng cho cả một lớp các lân cận compact của trong (xem Bài tập 12).
Các tập hợp và hiển nhiên bất biến dưới mọi phép biến đổi trực giao. Nếu là một không gian con vectơ chiều trong , tồn tại một phép biến đổi trực giao biến thành một không gian con tọa độ chiều; do đó (tương ứng ) đồng phôi với (tương ứng ).
4. Phép chiếu lập thể
Xét điểm của , và siêu phẳng có phương trình , vuông góc với vectơ . Với mỗi điểm của , khác , ta ứng với điểm là giao điểm của đường thẳng đi qua và với siêu phẳng (Hình 3). Dễ dàng kiểm tra rằng ta có
và
!Sơ đồ minh họa phép chiếu lập thể
Hình 3.
==========
Nếu ký hiệu bởi phần bù của trong , thì các công thức này cho thấy như vậy ta đã xác định một đồng phôi của lên siêu phẳng . Đồng phôi này được gọi là phép chiếu lập thể của lên , hay (theo lối nói quen) của lên ; là đỉnh của phép chiếu, là siêu phẳng chiếu. Tổng quát hơn, nếu là bất kỳ siêu phẳng nào đi qua (một siêu phẳng đường kính của ) và nếu là một trong các điểm giao của với đường thẳng vuông góc với đi qua , ta có thể định nghĩa theo cùng cách phép chiếu lập thể với đỉnh lên siêu phẳng chiếu ; trong mọi trường hợp, phép chiếu này có thể được đưa về phép chiếu trước đó bằng một phép biến đổi trực giao biến thành và thành .
Mệnh đề 4
Nếu , hình cầu Euclid đồng phôi với không gian được làm compact bằng cách ghép thêm một "điểm ở vô cực"*(Chương I, § 9, no. 8, Định lý 4).
Vì phép chiếu lập thể xác định một đồng phôi của phần bù của một điểm trong lên một siêu phẳng của , mà siêu phẳng ấy đồng phôi với .
Hệ quả 1
Hình cầu đồng phôi với không gian thương của quả cầu thu được bằng cách đồng nhất tất cả các điểm của hình cầu *.
Quả cầu là một không gian chính quy (Chương I, § 8, no. 4); do đó không gian thương của thu được bằng cách đồng nhất tất cả các điểm của là Hausdorff (Chương I, § 8, no. 6, Mệnh đề 15). Vì compact, nên cũng compact, và do đó đồng phôi với một quả cầu mở chiều được làm compact bằng cách ghép thêm một điểm ở vô cực, theo định lý của Alexandroff (Chương I, § 9, no. 8, Định lý 4). Kết quả vì thế suy ra từ Mệnh đề 2 và 4.
Hệ quả 2
Đường tròn đồng phôi với xuyến *.
Trong Chương VIII, § 2, no. 1, ta sẽ lại thu được kết quả này như một hệ quả của một định lý chính xác hơn.
Mệnh đề 5
Nếu , hình cầu Euclid liên thông và liên thông địa phương, và mọi điểm của nó đều có một lân cận mở đồng phôi với .
Phần bù của một điểm trong là một tập hợp trù mật liên thông, và do đó (Chương I, § 11, no. 1, Mệnh đề 1) liên thông. Để thấy rằng mỗi điểm đều có một lân cận đồng phôi với , ta chỉ cần chiếu lập thể từ một đỉnh khác với điểm đã cho.
Từ mệnh đề này và từ Mệnh đề 3 của no. 3 suy ra rằng , là tích của hai không gian liên thông, nên liên thông (Chương I, § 11, no. 4, Mệnh đề 8; xem § 1, Bài tập 10).
Giao của với một nửa không gian đóng (tương ứng mở) được xác định bởi một siêu phẳng đường kính của được gọi là một bán cầu đóng (tương ứng bán cầu mở) của . Bằng phép chiếu lập thể lên siêu phẳng đường kính, bán cầu đóng (tương ứng bán cầu mở) không chứa đỉnh chiếu được ánh xạ lên một quả cầu đóng (tương ứng quả cầu mở) chiều, nên do đó nó đồng phôi với nó.
Nếu , ta nói "nửa đường tròn" thay vì "bán cầu".
Bài tập
Xem bài tập cho § 2.
==========