Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Topology

Sur les disques

by araucaria araucana·
50
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

This score reflects both the level of the required concepts and the difficulty of the solution.Ce score tient compte à la fois du niveau des notions nécessaires et de la difficulté de la résolution.

  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
These levels are approximate guides.Ces niveaux sont des repères approximatifs.
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Soit DR2D \subset \R^{2} une région du plan. Sous quelles conditions sur DD existe-t-il une distance d:R2×R2Rd : \R^{2} \times \R^{2} \to \R pour laquelle DD est le disque unité, c’est-à-dire que D={xR2:d(x,0)1}D = \{ x \in \R^{2} : d(x,0) \leqslant 1\} ?

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Solutions

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La seule condition est 0D0\in D.
Aucune hypothèse de convexité, de symétrie n’est nécessaire car l’énoncé ne demande qu’une distance, pas une norme.

Toute distance vérifie d(0,0)=01d(0,0)=0\leqslant 1, donc 0D0\in D.

Soit D0D\ni 0. Définissons ρ:R2[0,+[\rho:\mathbb{R}^{2}\to[0,+\infty[ par
ρ(0)=0,ρ(x)=1 si xD{0},ρ(x)=2 si xD,\rho(0)=0,\qquad \rho(x)=1 \text{ si } x\in D\setminus\{0\},\qquad \rho(x)=2 \text{ si } x\notin D,de sorte que ρ\rho s’annule uniquement en 00 et que D={ρ1}D=\{\rho\leqslant 1\}. Posons alors
d(x,y)={0si x=y,ρ(x)+ρ(y)sinon.d(x,y)=\begin{cases}0 & \text{si } x=y,\\ \rho(x)+\rho(y) & \text{sinon.}\end{cases}

C’est une distance. La symétrie est claire. Si d(x,y)=0d(x,y)=0 avec xyx\neq y, alors ρ(x)=ρ(y)=0\rho(x)=\rho(y)=0, donc x=y=0x=y=0, ce qui est absurde. Pour l’inégalité triangulaire, soient x,y,zx,y,z ; si x=zx=z le membre de gauche est nul. Sinon, ou bien y{x,z}y\notin\{x,z\} et
d(x,y)+d(y,z)=ρ(x)+2ρ(y)+ρ(z)ρ(x)+ρ(z)=d(x,z),d(x,y)+d(y,z)=\rho(x)+2\rho(y)+\rho(z)\geqslant \rho(x)+\rho(z)=d(x,z),ou bien yy vaut xx ou zz, et les deux membres coïncident.

Enfin d(x,0)=ρ(x)d(x,0)=\rho(x), donc {x:d(x,0)1}={ρ1}=D\{x:d(x,0)\leqslant 1\}=\{\rho\leqslant 1\}=D. \blacksquare

Remarquons que la distance construite en réponse à l’énoncé littéral n’induit pas la topologie usuelle.

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