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第419回 シーズン42 エピソード9
距離空間の定義(前編)

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登場人物紹介

:数学が好きな高校生。

テトラちゃんの後輩。 好奇心旺盛で根気強い《元気少女》。言葉が大好き。

ミルカさん:数学が好きな高校生。 のクラスメート。長い黒髪の《饒舌才媛》。

図書室にて

ここはの高校。いまは放課後。

いつものように図書室に向かうと、テトラちゃんミルカさんが二人で議論をしている。

いや、違うな。

より正確にいうなら、テトラちゃんミルカさんに向かって、 両手を振り回しながら話している——少なくともにはそう見えた。 相変わらず大きなジェスチャだなあ。

は彼女たちの席へ向かった。

「数学の話? 僕も聞いていい?」

テトラ「あっ、先輩っ! もちろんです。 いまミルカさんから、距離空間きょりくうかんについてのお話を聞いていたところです」

「あれ、そうなんだ。 僕はてっきりテトラちゃんがミルカさんに向かって《講義》してたんだと思ったよ」

テトラ「いえいえ、とんでもありません。逆です、逆です。 《講義》していたのはミルカさんの方です。 あたしは、いまちょうどミルカさんに質問してたところなんです」

「ずいぶんダイナミックな質問だね……距離空間?」

テトラ「はい、そうです。 先輩から《格子点の世界》のお話を聞いたり(第411回参照)、 リサちゃんから《最短経路の問題》を聞いたりしたじゃないですか(第416回参照)。 そこではいつも距離というものが鍵になっていました」

「うん、そうだね。世界を渡るパスポートのように」

テトラ「距離っていうと、こーんな感じですよね?」

こーんな感じと言いながら、テトラちゃんは両手を広げた。

たぶん、距離のジェスチャなんだな。

「まあね」

テトラ「でも、そもそも距離って何? ……と考え始めて、ミルカさんに質問して、 それで、距離空間の話になりました」

「へえ……」

テトラ「でも、まだモヤモヤしているところがあってですね……」

ミルカ「ちょうどいい。いまからテトラは、彼に距離空間の《講義》をする」

ミルカさんテトラちゃんにそう言うと、を指さした。

テトラ「えっ、あ、あたしが話すんですか?」

ミルカ「そう」

ミルカさんは、のクラスメート。

長い黒髪にメタルフレームの眼鏡。

彼女は、数学が得意な——ものすごく得意な——才媛で、 僕たち三人のリーダー的存在だ。

テトラちゃんミルカさんは、放課後の図書室で数学トークをする。 テーマは日によって違うけれど、 それぞれにいま考えている数学の話をする仲良し三人組なのだ。

ミルカ「テトラはすでに、距離空間の定義を知っている」

テトラ「あ、はい、一応……でもそれは、いまミルカさんからお聞きしたばかりからです。 まだ、きちんと理解していません」

ミルカ「だからこそ、テトラが話す。きちんと理解するために」

テトラ「……わかりました。先輩、あたしの距離空間の話、聞いていただけますか?」

「もちろん。最近は、テトラ先生に教えてもらってばかりだね」

こんなふうにして、僕たち三人の数学トークが始まった。

距離空間

テトラ「えっと……では、思い出しながら順番にお話しします」

テトラちゃんは、ノートの新しいページを開いて僕たちの前に広げた。

「はい、よろしくお願いします」

テトラ距離の話をするんですが、距離だけを取り出して話をするのは難しいので、 距離空間の話をします。ええと、はい、距離空間の話の中に距離もいっしょに出てくるからです」

テトラちゃんは、話しながらノートに「距離空間」と書いた。

「うん」

テトラ「距離空間を定義していきますが、そこでまず、一つの集合と一つの関数を組にして考えます。 説明のために名前を付けますけれど、名前は本当のところは何でも構いません。 集合には $S$ と名前を付けて、関数には $d$ と名前を付けます。 その二つの組は、 $$ (S,d) $$ のように書くことにします。 そして、これから、集合 $S$ と関数 $d$ の組 $(S,d)$ が持っている——持つべき? 四つの条件を説明します。 それで……ええと……その四つの条件が成り立っているとき、 この $(S,d)$ のことを距離空間ということにします」

「うんうん。いまテトラちゃんは、距離空間の定義を話そうとしているんだね。いいよ」

テトラ「最初の条件ですが——」

ミルカ「その前に、 $d$ がどんな関数か知りたい」

テトラ「あっ、そうですね。そうでした。いまは集合 $S$ と関数 $d$ の組 $(S,d)$ を考えようとしています。 集合 $S$ は——何かの集合です。 何かの集合って変ですね。距離を考える対象となるものの集合です。 集合のげん、つまり集合の要素はとして考えると考えやすいです」

集合 $S$ と、 $S$ に属している要素(元)のイメージ

「うん、いいよ」

テトラ「それで、関数 $d$ は集合 $S$ の二つの要素のあいだの距離を表す関数になります。 $d$ という名前は、英語で距離を表すdistanceディスタンスの頭文字から取っています。 もちろん関数の名前は $f$ でもいいのですけれど、 $d$ としておくと『距離を表している』ということを思い出しやすくなります」

「そういえば、リサちゃんが作ってくれたプログラムでも、 フィールドの名前にdistanceが出てきたね(第417回参照)。 グラフ中の$v$という点の距離を$v.\textrm{distance}$で表していた」

テトラ「ですです。 $v.\textrm{distance}$は、スタートになる点$s$と$v$との間の距離でした。 距離を考えるというのは『二つの点の距離』を考えることですが、 スタート点 $s$ が決まっていたので、 $v.\textrm{distance}$は$v$という一つの点だけが表に出てきていたことになります」

「言われてみれば、確かにそうだね」

テトラ「いま定義しようとしている関数 $d$ は、関数ですから、 どの集合からどの集合への関数であるかをはっきりさせる必要があります……ありますよね?」

テトラちゃんは 「ありますよね?」と語尾を上げてミルカさんを見る。

ミルカさんは黙って肯く。

テトラ「リサちゃんと最短経路のアルゴリズムを考えていたときは、 二つの点の距離は $0,1,2,\ldots$ という $0$ 以上の整数でした。 でもいまは整数に限らずもっと一般的な距離を考えます」

「なるほど」

テトラ「距離を表す関数 $d$ は、 集合 $S\times S$ から実数全体の集合 $\REAL$ への関数 $$ d\colon S\times S \longrightarrow \REAL $$ として考えることにします……ですよね?」

ミルカ「テトラは理解している。確認せずに進んでいい」

テトラ「は、はい。 集合 $S\times S$ というのは、 $S$ の要素二つを並べてペアにしたもの全体の集合です。 二つの要素は等しくても構いません」

ミルカ「$S\times S$ は、 $$ S\times S = \SET{(x,y)\SETM x \in S, y \in S} $$ ということ。 $S$ と $S$ の直積集合ちょくせきしゅうごうという」

テトラ「そうでした。直積集合」

「なるほど、距離を測ろうとする二つの点を考えるために、 二つの点の組をすべて集めた集合が $S$ と $S$ の直積集合 $S\times S$ なんだね?」

テトラ「そうです、そうです。そして、二点 $x$ と $y$ の距離を、関数 $d$ の値として $$ d(x,y) $$ と表そうというのです」

「$x$ と $y$ はどちらも $S$ の要素で、 $x$ と $y$ のペアを与えると、 $x$ と $y$ の距離を表す実数を得る関数が $d$ になる——という理解でいいのかな?」

テトラ「はい、そうなります」

ミルカ「気持ちとしては『$d(x,y)$ は $x$ と $y$ の距離を表す』のだが、 距離と呼ぶ概念をいまから定義しようというのだから、 『距離を表す』と言い切ってしまうのはおかしいといえばおかしい。 まだこの段階では距離という概念は未知なのだから。 すべてを定義し終えた後になって初めて『$d(x,y)$ の値を距離と呼ぶ』という方がいいな」

テトラ「え……」

「関数 $d$ を使って距離という概念を定義するのであって、 僕たちが常識として知っている距離という概念で関数 $d$ が規定されるわけではない——ということ?」

ミルカ「そういうこと。 距離の概念を数学的に定義したいのだから、 私たちが日常的に知っている距離の概念は念頭に置きつつも、 定義に紛れ込ませないように注意が必要だ。 さもないと、数学の自由度が失われてしまう危険性がある」

「自由度?」

ミルカ「『《それ》は、常識的な感覚では距離とはいえないけれど、定義に従えばまちがいなく距離といえる』 という感覚のこと。日常的な感覚を土台にすえてしまうと、この自由度が失われてしまい、 数学が不自由になってしまう。定義の適用範囲が日常的な感覚から離れられなくなるから」

テトラ「わかりました! いつもの《知らないふりゲーム》ですねっ!」

ミルカ「そう、それだ。便宜的に『距離』という言葉を使ったとしても、 いつでも《知らないふり》に戻れるようにしておく必要がある」

「距離というものはまだ知らない。 知っているのは、集合や関数や実数といった数学的対象だけということにするんだね」

距離空間 $(S,d)$ の定義(0)

$S$ を集合とします。

$d$ を $S\times S$ から実数全体の集合 $\REAL$ への関数とします。

ここで、 $S\times S$ は、 $S$ に属している二つの要素の組全体の集合とします。

テトラちゃんの《知らないふりゲーム》(0)

あたしたちは、 集合 $S$ の二つの要素 $x$ と $y$ の距離を、 $$ d(x,y) $$ で表そうとしているんですが、 距離はいまのところ《知らないふり》をします。

それから、距離空間というものを、集合 $S$ と関数 $d$ の組、 $$ (S,d) $$ で定義しようとしているんですが、それにはいろいろ条件があるので、 その条件が出そろってから改めて「$(S,d)$ は距離空間である」と呼ぶことにします。

いまは、まだまだ《知らないふり》です。

図を描きますけど、これはあくまでもイメージ図です。

(1)距離は $0$ 以上

テトラ「あたしたちは、距離空間を定義しようとしています。 そして、先ほどの関数 $d$ に対して四つの条件を定めます。 条件を定めますというか……関数 $d$ は四つの条件を満たすものとします、の方がよさそうです。 関数 $d$ が具体的には何なのかはこっちに置いといて、 ともかく四つの条件は成り立っていることはわかっている——とするんです」

テトラちゃんの説明は続く。

彼女が「こっちに置いといて」というときには、 実際に両手で大きな荷物を脇に置くジェスチャをする。 律儀だ。

「条件が四つあるんだね」

テトラ「はい。その条件(1)は『関数 $d$ の値は必ず $0$ 以上になる』というものです」

「うん、それはわかるな。 $-1$ のような『負の距離』は考えないことにするんだ」

テトラ「そういうことです。お気持ちとしてはそうなります」

ミルカ「『関数 $d$ の値は必ず $0$ 以上になる』とテトラがいう、その《必ず》の意味は?」

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(2024年3月8日)

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結城浩(ゆうき・ひろし) @hyuki


『数学ガール』作者。 結城メルマガWeb連載を毎週書いてます。 文章書きとプログラミングが好きなクリスチャン。2014年日本数学会出版賞受賞。

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