In dieser Lerneinheit zur Vollständigkeit wird gezeigt, wie man eine metrischen Raum vervollständigen kann. Diese Grundidee ist aus der Zahlbereichsweiterung von rationalen Zahlen auf die reellen Zahlen bekannt. Dabei kann man eine Gleichung mit Zahlenwerten in formulieren, die aber in keine Lösung besitzt (. Die Konzept der Vervollständigung von auf wir hier allgemein auf metrische Räume übertragen.
Jeder metrische Raum mit einer Metrik kann vervollständigt werden, das heißt, es gibt einen vollständigen metrischen Raum mit einer Metrik und einer Isometrie, so dass dicht in liegt. Der Raum heißt Vervollständigung von . Da alle Vervollständigungen von isometrisch isomorph sind, spricht man auch von der Vervollständigung von .
Ein uniformen Raum ist vollständig, wenn jedes Cauchy-Netz in auch konvergiert. Dabei verallgemeinert eine uniforme Struktur über Nachbarschaftbeziehungen zwischen Elementen in . In metrischen Räumen wird die Nachbarschaft von zwei Element unimittelbar über die Metrik definiert
Der folgende Beweis gliedert sich in die Konstruktion der Vervollständiung von über den Cauchy-Folgenraum auf . Danach wird im Beweis gezeigt, dass jede Cauchy-Folge in in konvergiert. zunächst wird konstruiert und mit einer Metrik versehen.
Wenn man z.B. zwei konvergente Folgen und in gegeben hat, so gilt und beide haben den gleichen Grenzwert . lassen sich durch die Metrik auf nicht trennen, denn es gilt . Über die Anwendung der Dreiecksungleichung von erhält man:
Definition einer Relation auf dem Cauchy-Folgenraum
Betrachtet man die Teilmenge der konvergenten Folgen in Menge der Cauchy-Folgen , so sind die zwei konvergente Folgen in der gleichen Äquivalenzklasse in , wenn diesen den gleichen Grenzwert in besitzen. Die Äquivalenzklasse besteht aus allen konvergenten Folgen mit dem Grenzwert . Dabei werden über eine Abbildung der Äquivalenzklasse der konvergenten Folgen zugeordnet. Insbesondere enthält die Äquivalenzklasse die stationäre Folge .
Da eine Pseudometrik ist, ist auch eine Pseudometrik. Durch Bildung von Äquivalenzklassen bzgl. für identifiziert man nicht trennbare Cauchy-Folgen in und wird zu einem metrischen Raum.
Bei einer konstanten Folge sind alle Folgenglieder gleich. Bei einer stationären Folge gibt es eine Indexschranke , ab der alle Folgenglieder gleich ist. Damit ist jede konstante Folge eine stationäre Folge aber nicht umgekehrt.
Konstante Folgen als Repräsentanten für den Grundraum
Man kann jedem Element die stationäre Folge zuordnen, denn ist eine Cauchy-Folge. Die Äquivalenzklasse liegt in . Auf diese Weise lässt sich der ursprüngliche metrische Raum in einbetten. besteht aus allen konvergenten Folgen gegen
Sei ein beliebige Cauchy-Folge gegeben. Wir erzeugen nun ein Folge von konstanten Folgen in , die bzgl. gegen konvergiert. Nach Konstruktion gibt es zu jedem ein sodass für gilt
Das Bild alles konstanten Folgen liegt also dicht in bzgl. , und das lässt sich auf übertragen.
Vollständigkeit des Cauchy-Folgen-Äquivalenzklassenraumes
Im folgenden wird eine Fallunterscheidung in stationäre und nicht-stationäre Äquivalenzklassenfolgen vorgenommen.
(stationär) Äquivalenzklassenfolge ist stationär, wenn sich ab einer Indexschranke die Folgenglieder sich nicht mehr verändern d.h. für alle .
(nicht stationär) bei einer nicht-stationäre Äquivalenzklassenfolge findet man zu für jedem Index einen größeren Index in der Äquivalenzklassenfolge mit . Damit müssen sich auch die Repräsentanten unterscheiden .
Bei stationären Äquivalenzklassen-Cauchy-Folgen erhält man die Konvergenz unmittelbar, denn wenn such ab einer Indexschranke die Folgenglieder nicht mehr verändern und für alle gilt, so konvergiert die Cauchy-Folge gegen .
Sei nun eine nicht-stationäre Äquivalenzklassenfolge gegeben, bei der man zu jedem Index einen größeren Index mit finden. Man erzeugt nun für die gegebene Cauchy-Folge in eine duplikatfrei Teilfolge, d.h. zu jedem wählt man so, dass sich diese Folgenglied von allen Vorgängern unterscheidet. Die Folgenglieder der Teilfolge sind dann paarweise verscheiden.
Durch die obige Voraussetzung in Fall 2 ergibt sich, dass zwei aufeinanderfolgende Repräsentanten in nicht zueinander äquivalent sind (d.h. ). Wäre das nämlich nicht der Fall, dann bildet man die duplikatfreie Teilfolge, deren Nachweis der Konvergenz auch die Konvergenz der Ausgangsfolge nach sich zieht; oder die Folge wird stationär , dann ist
Im Folgenden wird an Stelle der Äquivalenzklasse einer ihrer Repräsentanten genommen. Das geht, weil sich die Äquivalenzklasse und dessen Repräsentant unter der Metrik bzw. äquivalent verhalten.
Abstandsfolge von aufeinander folgenden Folgengliedern
Analog kann man zu jedem Folgenglied der gegebenen Cauchy-Folge ein approximierendes mit
.
Analog bildet wieder ein Folgenglied auf die konstante Folge im Cauchy-Folgenraum ab.
Im letzten Schritt des Beweises hätte man ebenfalls auch die Grenzwert-Cauchy-Folge als definieren können. Auch diese Cauchy-Folge wäre ein Repräsentant der gleichen Äquivalenzklasse gewesen.
Damit wird die aus dem Wort „vervollständigt“ resultierende Erwartung „vollständig“ tatsächlich eingelöst,
und die Vervollständigung eines bereits vollständigen Raumes bringt nichts Neues.
Rationale Zahlen - reelle Zahlen Vervollständigung der rationalen
Cantors Konstruktion der reellen Zahlen aus den rationalen ist ein Spezialfall des Satzes zur Vervollständigung eines metrischen Raumes. In Analogie zu dem Satz würde man dazu zunächst einmal eine Metrik auf definiert:
Allerdings sieht man an der Definition, dass die Metrik die Existenz der reellen Zahlen im Wertebereich schon voraussetzt. Daher muss man die Äquivalenzrelation auf dem Folgenraum in dadurch definieren, dass die Differenzfolge zweier Cauchy-Folgen , eine Nullfolge ist.
Vervollständigt man einen normierten Vektorraum, so erhält man einen Banachraum, der den ursprünglichen Raum als dichten Teilraum enthält. Daher erhält man auch einen Hilbertraum, wenn man einen euklidischen Vektorraum vervollständigt, denn die Parallelogrammgleichung bleibt in der Vervollständigung als normierter Raum erfüllt und das vollständige Skalarprodukt ergibt sich dann über die Polarisationsformel.
Gleichmäßig stetige Abbildungen eines metrischen Raumes in einen vollständigen metrischen Raum lassen sich stets eindeutig zu (automatisch ebenfalls gleichmäßig) stetigen Abbildungen auf der Vervollständigung mit Werten in fortsetzen.
Betrachten Sie das Konzept der Gaugefunktionale und erläutern Sie, wie man mit einem topologieerzeugenden System von Gaugefunktionalen eine uniforme Struktur auf topologischen Vektorräumen erzeugen kann.
Kann man eine topologische Algebra analog vervollständigen wie einen topologischen Vektorraum? Ist die Stetigkeit der Multiplikation auf der vervollständigten topologischen Algebra ebenfalls gegeben?
Zeigen Sie, dass der Raum der stetigen Funktionen nicht vollständig ist (siehe Animation)!
Betrachten Sie das Konzept der Gaugefunktionale und erläutern Sie, wie man mit einem topologieerzeugenden System von Gaugefunktionalen eine uniforme Struktur auf topologischen Vektorräumen erzeugen kann.
Kann man eine topologische Algebra analog vervollständigen wie einen topologischen Vektorraum? Ist die Stetigkeit der Multiplikation auf der vervollständigten topologischen Algebra ebenfalls gegeben?
