Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Topology

Which regions are unit disks?

by araucaria araucana·translated by visitor·
50
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  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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Let DR2D \subset \R^{2} be a region of the plane. Under what conditions on DD does there exist a metric d:R2×R2Rd : \R^{2} \times \R^{2} \to \R for which DD is the unit disk, that is, 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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Solution by visitorFR

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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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