数分为什么这么难,救命。
多元函数的极限与连续#
Rn 中的度量与点列极限#
线性空间→内积空间。
赋范空间:内积开根可作为一个范数。可定义出夹角,Cauchy-schwarz 证明 cos≤1。
度量空间:范数可作为一个度量。
有了度量能定义邻域 Br(a)={x∈X∣d(x,a)<r}。
沿用一维时柯西列的定义定义点列极限。
Thm: 有限高维点列收敛等价于各分量作为数列收敛
证明考虑各分量能控制住点列的欧几里得范数,容易证明。
Rmk: 无限维上述结论会出问题
考虑 l2(R):ei=(0,0,⋯,1,0,⋯),第 i 维为 1。
Rn 的拓扑#
我们将一元中开与闭的概念推广。
定义内点,外点,边界点。
E 的内点集为 E∘,外点集是补集的内点集,即 (Ec)∘,边界点集为 ∂E。
Rmk: E 的内点集、外点集、边界点集是 Rn 的无交并。
定义聚点:称 a 为 E 的聚点当且仅当 ∀δ>0:card(Bδ(a)∩E)=∞。
定义极限点:称 a 为 E 的极限点当且仅当 ∃{xn}∈E,limk→∞xk=a(点列要求互异)。
Thm: 聚点与极限点等价。
聚点推极限点容易,极限点推聚点考虑极限点定义即可。
称所有聚点/极限点集合为导集 E′。
还有一个定义是孤立点,感觉用处不大,知道即可。
开与闭#
E⊂Rn。
- 若 E=E∘,称 E 为开集。(所有点均为内点)
- 若 E′⊂E,称 E 为闭集。(对取极限封闭)
全集和空集又是开集又是闭集。
Rmk: 一般来说 G 是一个开集,F 是一个闭集,E 是一个集合。
称 E=E∪E′ 为 E 的闭包。
Rmk:
- E∘ 为 E 中最大开集。
- E 为包含 E 的最小闭集。
先证 E∘ 为开集,再说明 E∘⊃G。
先证 E 为闭集,再说明 E′⊂F 即可。
Rmk: 开闭是一个相对概念,定好全集才能描述开闭。
Prop: F 是闭集等价于 Fc 是开集。
很多时候证闭集不容易,证补集是开集是个好想法。
开闭集性质:
- 任意开集的并仍开,有限开集的交仍开。
- 任意闭集的交仍闭,有限闭集的并仍闭。
证明是容易的。
Rmk: 抛开“距离”谈论开与闭。
不会考,但感觉很深刻。
Rn 中的基本定理#
Thm(Bolzano-Weierstrass 定理):
n 有限,有界点列必有收敛子列。
利用点列收敛等价于每一维分别收敛,由一维 B-W 依次取收敛子列得证。
BW 是 Rn 紧性的反映。
Thm(Cauchy 收敛原理):
点列收敛等价于点列为柯西列。
柯西列:∀ε>0∃N∀k,l>N:d(xk,xl)<ε。
左到右:easy。
右到左:
Sol1:先证点列有界,通过多维 B-W 找到极限点,验证确为收敛点。
Sol2:从分量出发用一维 Cauchy 收敛证明。
Cauchy 收敛是 Rn 完备性的反映。
Thm(闭集套定理):
{Fk} 是一列非空闭集套,满足:
- Fk⊃Fk+1。
- diamFk→0。
则 ∃!ξ∈∩Fk。
唯一性反证易知。
存在性考虑构造点列 {xk∈Fk},利用 diamFk→0 证明其为柯西列。
紧与列紧#
定义紧集:若 E 的任意一个开覆盖存在有限子覆盖,则 E 为紧集。
一维情况下的有限开覆盖定理可以被简单叙述为:闭区间是紧集。
Thm(Heine - Borel 定理):
Rn 中紧集与有界闭等价。
紧→有界闭与维数无关。
有界闭→紧需要反证, 2n 等分利用闭集套推矛盾。
列紧性:任一点列有收敛子列且收敛点在集合中。
Rmk: 一般度量空间里 紧 ⟺ 列紧 ⇒ 有界闭。
Thm:
Rn 中子集 K 紧、列紧、有界闭等价。
多元连续映射#
多元极限存在意味着自变量无论以何种方式趋于 x0,函数值趋于同值。
关于累次极限(一元观点):
-
多元极限存在推不出多次极限存在
f=xsiny1+ysinx1,xy=0 处补充定义为 0。
-
多次极限存在推不出多元极限存在
f=x2+y2xy,(0,0) 处补充定义为 0。
-
多次极限不一定相等
f=x+yx−y+x2+y2。
连续性,定义很自然。
四则运算保持连续性,复合映射保持连续性。
连续映射的整体性质#
若有连续映射 f∈C(D,Rn),
目标:f(紧)=紧,f(连通)=连通。
Thm:
若 K 是 Rn 中的紧集,f∈C(K,Rm),则 f(K) 为紧集。
易证 f(K) 的列紧性,得到 f(K) 紧性。
Cor:有界性、最值定理
由上述定理以及 Rn 中紧、列紧、有界闭的等价性可知。
同样可以定义一致连续。
Thm(康托定理):
K 紧,f∈C(K,Rm),则 f 在 K 上一致连续。
运用紧的性质(有限开覆盖)说明有一致的界。
定义好道路连通,可以证 f(连通)=连通。
多元映射微分学#
对于映射 f:Rn→Rm,f 在 x0 处可微,若存在 A(x0)∈Mm×n(R),
满足 f(x0+Δx)=f(x0)+A(x0)Δx+o(∣Δx∣),∣Δx∣→0。
称线性映射 df (h→A(x0)h)为 f 在 x0 处的微分。
Rmk:对于多元函数 f:Rn→R,有全微分概念。
df∣x0=∑i=1nAidxi
雅可比矩阵 {∂xj∂fi}i∈[n],j∈[m]。(Jacobi)
微分与偏导的关系#
-
可微知连续。
-
可微知可偏导。
-
偏导均存在不一定可微
f(x,y)=x2+y2xy 在 (0,0) 处。
-
偏导数在邻域内存在且某点连续,知该点可微。
f:Rn→Rm。定义哈密顿算子(Hamilton):
∇f=(∂x1∂f,∂x2∂f,⋯,∂xn∂f)。
有内积定义,知 ∇f 方向即方向导数取最大值的方向,反之取最小值,其模长即方向导数(归一化)最大值。
高阶偏导#
注意顺序:fxy=∂x∂y∂2f=∂y∂(∂x∂f)。
高阶偏导对称性:
Thm:
若 f∈Ck(D⊂Rn,R),则 k 次偏导顺序无关。
复合函数微分法#
链式法则:
f(g(x)) 求微分即 f′(g(x))g′(x)。
Thm(一阶全微分形式不变性)
无论是自变量还是中间变量,函数一阶全微分形式相同。
高阶微分不能乱来。
微分中值定理#
Thm(微分中值定理):
定义凸区域:(开)区域 D 内任意两点连线均包含与 D。
f:D→R 可微,则 ∀x,y∈D,∃ξ∈[x,y]:f(y)−f(x)=∇f(ξ)⋅(y−x)。
证明考虑拉出 x,y 连线 r(t)=(1−t)x+ty,r:[0,1]→Rn。
构造辅助函数 φ(t)=f(r(t)),φ:[0,1]→R。
有一元微分中值定理,知 φ(1)−φ(0)=φ′(θ)。
φ′(θ)=f′(r(θ))r′(θ)=∇f(r(θ))⋅(y−x)。
Cor:
D 为开区域,若 ∇f 在 D 上恒为 0,则 f 恒为常数。
Thm(拟微分中值定理):
f:D→Rn 可微,则 ∀x,y∈D,∃ξ∈[x,y]:∣f(y)−f(x)∣≤∣f′(ξ)∣2⋅∣y−x∣
Jacobi 矩阵的 2 范数/ F 范数均可,2 范数更紧(最大奇异值)
泰勒公式#
定义算子 Δx⋅∇=∑i=1nΔxi∂xi∂。
有多元微分中值定理得到多元泰勒公式
若 f 在 x0 某邻域有 0→k 阶偏导连续:
f(x0+Δx)=f(x0)+Δx⋅∇f(x0)+21(Δx⋅∇)2f(x0)+⋯+k!1(Δx⋅∇)kf(x0)+o(∣Δx∣k)。
有手算实际意义的是前两阶展开,定义 Hesse 矩阵 {∂xi∂xj∂2f}i∈[n],j∈[n],则 21(Δx⋅∇)2f(x0)=21Δx⊤Hess(f)(x0)Δx。
Hesse 矩阵正定/负定/不定可以判定多元函数极值。
隐/反函数定理#
F(x,y)=0 何时唯一决定 y=f(x)。
Thm(一般隐函数定理):
F(x,y)=0,x∈Rn,y∈Rm,F:W→Rm。
若 F(x0,y0)=0,F∈C1(W,Rm),Fy(x0,y0) 作为 m×m 矩阵可逆,则:
存在开集 V,满足 x0∈V,∃!f:V→Rm:
- f(x0)=y0
- ∀x∈V,F(x,y)=0⟺y=f(x)
- f∈C1(V,Rm),f′(x)=−[Fy(x,f(x))]−1Fx(x,f(x))
反函数定理叙述几乎一致。
-
空间曲线的切线/法平面
对于参数化表示的曲线 r(t):
-
切线
P−r(t0)=λr′(t0),展开成分量形式 x′(t0)X−x(t0)=y′(t0)Y−y(t0)=z′(t0)Z−z(t0)。
-
法平面
(P−r(t0))⋅r′(t0)=0
对于一般式方程 F(x,y,z)=G(x,y,z)=0:
r′(t0) 平行于 ∇F(P0)×∇G(P0),求得 r′(t0) 后容易求出切线和法平面。
-
曲面的切平面/法线
曲面一般方程 F(x,y,z)=0。Fx2+Fy2+Fz2=0,且均连续,则曲面称为光滑正则曲面。
n(M0)=∇F(M0),切平面方程 (P−M0)⋅n(M0)=0。
对于曲面的参数化方程,r:D→R3,n(P0)=rx(P0)×ry(P0)。
-
极值问题
-
无条件极值
Taylor 公式的应用
-
条件极值
Thm(拉格朗日乘数法):
Ω⊂Rn 为开集,f,g1,g2,⋯,gr∈C1(Ω,R),r<n。
若 x0 是 f 在满足约束 g1=g2=⋯=gr=0 下的一个极值点。
且 ∇g1(x0)∇g2(x0)⋮∇gr(x0) 作为一个 r×n 的矩阵满秩(x0 附近张成了一张 n−r 维曲面)(可以使用隐函数定理,某 r 个变量唯一决定了其他 n−r 维)
则 ∃λ0=(λ01,λ02,⋯,λ0r)∈Rr,使得 (x0,λ0)∈Rr 作为辅助函数 L(x,λ)=f(x)−∑i=1rλigi(x) 的驻点。
-
最小二乘法
在线性代数课程中我们讨论过这个问题,从多元极值视角也可以得到解法。
X 是 m×n 的矩阵,里面放着 m 组自变量, Y 是一个 m×1 的向量,存放对应数据的因变量。
α=(X⊤X)−1X⊤Y,拟合的结果是一个 n×1 的向量,表示每一维的系数。
重积分#
回顾一元时黎曼积分的定义,试图推广至高维,我们遇到的唯一困难时定义”面积”。
定义 Jordan 测度,闭小矩形逼近。
Thm:
D⊂R2 可求面积 ⟺ ∂D 零面积。
Cor:
设 D⊂R2 有界,且 ∂D 由有限条分段光滑曲线组成,则 D 可求面积。
Thm:
f∈C(D),则 f∈R(D)。
Thm(勒贝格定理):
D⊂Rn 上可求面积的有界闭区域,f 在 D 上有界,则:
f∈R(D)⟺f 在 D 上的不连续点零测。
我们需要发展关于重积分的计算,先讨论二重积分。
一个自然的想法是考虑累次积分。
-
二重积分的存在无法导出二次积分存在
考察:
f(x)=⎩⎨⎧m1+p1,(x,y)=(mn,pq)0,otherwise
二重积分存在,二次积分不存在。
-
二次积分存在无法导出二重积分存在。
考察:
f(x)=⎩⎨⎧1,(x,y)=(mn,pq)0,otherwise
二次积分存在,二重积分不存在。
而当知道存在性的前提下,二者紧密联系。
Thm(Fubini):
设 D=[a,b]×[c,d],f∈R(D)。
∀x∈[a,b],h(x):=∫cdf(x,y)dy 存在,则 h∈R[a,b] 且 ∬Dfdσ=∫abh(x)dx=∫ab∫cdf(x,y)dydx。
非矩形面积可以做补充定义转化成二次积分。
坐标变换#
Thm(二重积分变元替换):
U∈R2 开,φ∈C1(U,R2) 且双射。
∀u∈U:detφ′(u)=0。
设 D 是 U 中具有分段光滑边界的有界闭区域。(知 φ(D) 有同样性质)
f∈C(φ(D),R)。
∫φ(D)f(x,y)dxdy=∫Df(φ(u,v))det(∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y)dudv。
给出一些常用的坐标变换:
-
二维极坐标变换:
x=rsinθy=rcosθ,θ∈[0,2π],变换系数为 r。
-
球坐标变换
x=ρsinϕcosθy=ρsinϕsinθz=ρcosϕ,ϕ∈[0,π],θ∈[0,2π],变换系数是 ρ2sinϕ。
-
柱坐标变换
x=rcosθy=rsinθz=z,θ∈[0,2π],变换系数是 r。
反常重积分#
与定积分面临同样的问题:区域有界、函数有界。
Def(穷竭列):
设 D⊂R2,为一开区域,且 R>0,D∩BR(0) 可求面积,称一系列可求面积的有界闭集列 {Dn} 满足:
- D1⊂D2⊂⋯⊂Dn⊂⋯。
- ∀紧集K⊂D∃m:K⊂Dm。
Def(反常重积分):
f 在 D 上内闭可积,若 D 的任意穷竭列 {Dn} 有 limn→∞f(x,y)dxdy=I,称 f 在 D 上反常可积,积分为 I。
Thm:
f≥0,则 f 在 D 上反常可积(绝对收敛) ⟺ ∃穷竭列{Dn}∃M:∬Dnfdxdy<M。
Thm:
∬D∣f∣dxdy<∞⟺∬fdxdy 反常可积。
坐标变换不改变反常可积性。
泊松积分:
∬R2e−(x2+y2)dxdy。
2π∫0∞re−r2dr=π。
(∫−∞∞e−x2dx)2=π,知 ∫0∞e−x2dx=2π。
第一类曲线与曲面积分#
重要的是定义好曲线长度与曲面面积。
Def(可求长曲线):
确定方向的曲线,对于一个划分,在划分点间用线段连接,任意划分折线长的上确界称为曲线长度。
对于正则曲线 Γ,有参数化 r∈C1([α,β],Rn),Length(Γ)=∫αβ∥r′(t)∥dt。
Thm(第一类曲线积分):
Γ 是正则曲线(r∈C1([α,β],Rn)),f 是定义在 Γ 上的有界函数。
∫Γfds:=∫αβf(r(t))∥r′(t)∥dt。
Def(曲面面积):
Σ 是一个正则曲面,有参数化 r:D⊂R2→R3
∬D∥ru×rv(u,v)∥dudv。
系数 ∥ru×rv(u,v)∥=EG−F2,其中 E=ru⋅ru,G=rv⋅rv,F=ru⋅rv。
一般地,Rn 中 Rk 维曲面的面积:∫Ddet(r′⊤r′)(u)du。
曲面由 z=f(x,y) 给出,上述系数即 1+fx2+fy2。
Def(第一类曲面积分):
∬ΣfdS:=∫Df(r(u,v))∥ru×rv(u,v)∥dudv
第二类曲线与曲面积分#
第一类积分的对象为多元函数,第二类考虑的是向量值函数。
Def(第二类曲线积分):
Γ 是定向的正则曲线 τ(P) 是 P∈Γ 处与 Γ 方向一致的单位切向量,设 F∈C(Γ,R3)。
定义 F 在 Γ 上的第二类曲线积分为 ∫ΓF⋅τds。(用第一类曲线积分定义了第二类曲线积分)
若 F=(P,Q,R),也常将第二类曲线积分写作 ∫ΓPdx+Qdy+Rdz。
这里将 τds 在三个坐标轴上的有向投影形式化的记作了 dx,dy,dz。
不同于第一类曲线积分,第二类曲线积分有方向性。
利用曲线的参数化,可以计算第二类曲线积分(根据第一类积分的计算容易得到):
∫Γf⋅τds=∫αβf(r(t))r′(t)dt。
第二类曲线积分的一个重要物理场景是做功。
第二类曲面积分的一个重要物理场景是通量。
定义可定向。
Def(第二类曲面积分):
Σ 正则且可定向,指定了一种定向 n,设 F∈C(Σ,R3),定义 F 在 Σ 上的第二类曲面积分为 ∬ΣF⋅ndS。(用第一类曲面积分定义了第二类曲面积分)。
若 n=(cosα,cosβ,cosγ),F=(P,Q,R),第二类曲面积分可以写成 ∬Σ(Pcosα+Qcosβ+Rcosγ)dS。
形式化的,将 ndS 记作 (dy∧dz,dz∧dx,dx∧dy)。中间的楔积记号也可以省略。
由第一类曲面积分的计算公式,给定了 Σ 的参数化后,我们容易得到第二类曲面积分的计算公式:
∫Σf⋅ndS=±∫Df(r(u,v))⋅(ru×rv)duv。
格林、高斯、斯托克斯公式#
三个公式揭示了曲线、曲面积分之间的联系,都是牛顿莱布尼兹公式的推广,体现了关于被积区域取边界和关于被积对象取微分的某种对偶性。
Green 公式联系了平面上第二类曲线积分与二维重积分(平直的曲面积分)。
Gauss 公式联系了第二类曲面积分与三重积分。
Stokes 公式联系了空间中的第二类曲线积分与第二类曲面积分。
前一部分的被积几何对象是后一部分几何对象的边界。
Green 公式#
对于 R2 上的有界闭区域 D,具有分段光滑边界,确定 D 的定向(向外/内)后,定义 ∂D 的诱导定向为头指向 D 的定向沿 ∂D 走使得 D 一直在左手边的方向。
定义简单闭曲线:一条没有自交点的闭曲线。
定义单连通区域:D 中任何一条简单闭曲线均不可以通过 D 外连续地收缩为一个点。
Thm(Green):
设 D⊂R2 单连通有界闭区域,∂D 为光滑简单闭曲线,且赋予诱导定向。P,Q∈C1(D)。
∫∂DPdx+Qdy=∫D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
Rmk:非单连通 Green 也对。
通过 Green 公式可以研究第二类曲线积分何时与路径无关(类似保守力):
Thm:
D⊂R2 为单连通区域,P,Q∈C1(D),则下列命题等价:
- 对于 D 内任意一条分段光滑的闭曲线 L,有 ∮LPdx+Qdy=0。
- 曲线积分 ∫LPdx+Qdy 与路径无关。
- 存在 D 上的可微函数 U(x,y) 使得 dU=Pdx+Qdy,或等价地 ∇U=(P,Q)。此时称 U 为 Pdx+Qdy 的原函数。
- 在 D 内有 ∂x∂Q=∂y∂P。
Gauss 公式#
Def(二维单连通区域):
Ω⊂R3 为一空间区域,若 Ω 内的任一封闭曲面所围的立体仍包含于 Ω 中,称 Ω 为二维单连通区域。
通俗来说二维单连通区域中没有“洞”。
Thm(Gauss):
Ω 是 R3 中的二维单连通区域,由分片光滑曲面围成。设向量值函数 F=(P,Q,R)∈C1(Ω)。∂Ω 的定向指向 Ω 外。
∫∂ΩF⋅ndS=∫Ω∇⋅Fdxdydz
分量形式:
∫∂ΩPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∫Ω(∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R)dxdydz
Rmk:去掉二维单连通改成有界闭 Gauss 也是对的。
Stokes 公式#
对于空间中具有分段光滑边界的、可定向、非封闭光滑曲面 Σ,给定定向后,类似定义 ∂Σ 的诱导定向:若头指向 Σ 的定向,沿 ∂Σ 走时 Σ 总是在左手边。
Thm(Stokes):
设 Σ 是光滑、可定向曲面,具有分段光滑的边界 ∂Σ,且赋予了诱导定向。设向量值函数 F=(P,Q,R) 在 Σ 附近的开集上连续可微。
∫∂ΣF⋅τds=∫Σ(∇×F)⋅dS
分量形式:
∫∂ΣPdx+Qdy+Rdz=∫Σi∂xPj∂yQk∂zR⋅(cosα,cosβ,cosγ)dS=∫Σ(∂y∂R−∂z∂Q)dydz+(∂z∂P−∂x∂R)dzdx+(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
外微分#
引入外微分后,可以将上述公式统一起来。
函数项级数#
讨论函数列 {fn(x)} 的收敛,一个自然的定义是点态收敛,fix x0,考察 {fn(x0)} 作为数列是否收敛。
若 {fn(x)} 在 D 上收敛于 f(x),有 ε−N 语言描述:∀x∈D,∀ε>0,∃N∈N,∀n>N:∣fn(x)−f(x)∣<ε。
这里需要强调的是 N 是关于 x,ε 的函数。
我们研究函数项级数 {∑i=1nui(x)},希望极限函数能保有一些重要分析性质(连续、可导、可积)。
而只有点态收敛,我们能举出这些分析性质无法保留的例子。我们需要加强条件。
一致收敛性#
Def(一致收敛):
设有函数列 {fn(x)},若有 f(x),满足 ∀ε>0,∃N∈N,∀n>N,∀x∈D:∣fn(x)−f(x)∣<ε,则称 {fn(x)} 在 D 上一致收敛于 f(x)。
对于函数项级数,若其部分和函数列在 D 上一致收敛于 S(x),则称函数项级数一致收敛。
点态收敛且不一致收敛:∃ε>0,{nk}↑,{xk}⊂D:∣fnk(xk)−f(xk)∣≥ε0
我们需要发展一些判定一致收敛/不一致收敛的手段。
Thm(柯西一致收敛准则):
{fn(x)} 在 D 上一致收敛的充要条件:∀ε>0,∃N∈N,∀n>N,∀p∈N,∀x∈D:∣fn+p(x)−fn(x)∣<ε。
对于函数项级数:∀ε>0,∃N∈N,∀n>N,∀p∈N,∀x∈D:∣∑k=n+1n+puk(x)∣<ε。
可知函数项级数收敛的一个必要条件是 {un(x)} 一致收敛于 0。
Prop:
若 un(x)∈C[a,b],且函数项级数 ∑n=1∞un(x) 在 (a,b) 一致收敛,则有 ∑un(a),∑un(b) 均收敛,且 ∑n=1∞un(x) 在 [a,b] 一致收敛。
若 un∈C[a,b] 且 ∑un(a) 或 ∑un(b) 不收敛,知 ∑un(x) 在 (a,b) 不一致收敛。
Thm(确界极限):
{fn(x)} 在 D 上一致收敛于 f(x) 的充要条件:limn→∞supx∈D∣fn(x)−f(x)∣=0。
对于函数项级数,limn→∞supx∈D∣∑k=n+1∞uk(x)∣=0。
Thm(点列极限):
{fn(x)} 在 D 上一致收敛于 f(x) 的充要条件:D 中任意数列 {xn},有 limn→∞∣fn(xn)−f(xn)∣=0。
这个条件比较适合反着来证不一致收敛。
一致收敛有点太牛了,有时候内闭一致收敛已经很够用。
Thm(Weierstrass 判别法):
设函数项级数 ∑n=1∞un(x) 满足:∀n∈N,∀x∈D,有 ∣un(x)∣≤Mn,且 ∑n=1∞Mn 收敛,则 ∑n=1∞un(x) 在 D 上一致收敛。
∑n=1∞Mn 也称为 ∑n=1∞un(x) 的控制级数/优级数。证明过程也可以得到绝对一致收敛。
绝对收敛+一致收敛不一定绝对一致收敛。
Thm(Abel-Dirichlet 判别法):
{un(x)},{vn(x)} 满足下列之一条件,则 ∑n=1∞un(x)vn(x) 在 D 上一致收敛。
- (Abel)∀x∈D:{vn(x)} 关于 n 单调,且在 D 上一致有界,∑n=1∞un(x) 在 D 上一致收敛。
- (Dirichlet)∀x∈D:{vn(x)} 关于 n 单调,且在 D 上一致趋于 0,∑n=1∞un(x) 的部分和在 D 上一致有界。
一致收敛函数项级数的性质#
Thm(连续性):
设 D 为区间,fn(x)∈C(D),n∈N, 且 {fn(x)} 在 D 上一致收敛于 f(x),则 f(x)∈C(D)。
定理条件下,极限顺序可以交换:limx→x0limn→∞fn(x)=limn→∞limx→x0fn(x0)。
函数项级数形势下的连续性定理:
设 D 为区间,un(x)∈C(D),n∈N,且 ∑n=1∞un(x) 在 D 上一致收敛到 S(x),则有 S(x)∈C(D)。
定理条件下,极限与无穷求和可交换:limx→x0∑n=1∞un(x)=∑n=1∞limx→x0un(x)。
连续作为一个局部性质,连续性定理条件可以减弱为 D 上内闭一致收敛。
定理证明是一个三段论。
连续性定理的逆定理(由极限函数连续推函数列一致收敛)不成立,我们自然好奇增强怎样的条件可以得到一致收敛。
反例:fn(x)=xn,x∈(0,1),(1−n1)n→e1。
Thm(Dini 定理):
函数列 {fn(x)} 满足:
- ∀n∈N:fn(x)∈C[a,b]。
- ∀x∈[a,b]:fn(x) 关于 n 单调。
- {fn(x)} 在 [a,b] 上点态收敛于连续函数 f(x)。
则 {fn(x)} 在 [a,b] 上一致收敛于 f(x)。
证明利用有限开覆盖。
Thm(积分号下求极限):
fn(x)∈C[a,b],且 {fn(x)} 在 [a,b] 上一致收敛于 f(x),则有 ∫abf(x)dx=limn→∞∫abfn(x)dx。
Prop(逐项可积性):
un(x)∈C[a,b],且 ∑n=1∞un(x) 在 [a,b] 上一致收敛于 S(x),则有 ∫abS(x)dx=∑n=1∞∫abun(x)dx。
即极限运算于无限求和可以交换顺序。
Thm(微分号下取极限):
{fn(x)} 满足:
- {fn(x)} 在 [a,b] 上点态收敛于 f(x)。
- fn(x) 在 [a,b] 上有连续导数。
- {fn′(x)} 在 [a,b] 上一致收敛。
则 f(x) 在 [a,b] 上有连续导数且 f′(x)=dxdlimn→∞fn(x)=limn→∞dxdfn(x)。
即微分与极限交换顺序。
Prop(逐项可微性):。。。
类似于连续性,由于可导性也是一个局部性质,内闭一致收敛就足够了。
幂级数#
Thm(Cauchy-Hadamard):
对于幂级数 ∑n=1∞anxn,令 ρ=limn→∞n∣an∣。
- ρ∈(0,∞) 时,幂级数在 (−ρ1,ρ1) 上绝对收敛。
- ρ=0 时,幂级数在 R 上绝对收敛。
- ρ=∞ 时,幂级数仅在 {0} 上收敛。
称 r=ρ1 为幂级数的收敛半径。
注意 ±r 处是否收敛需要进一步的判断。
收敛半径还可以用比值法计算 r=limn→∞∣an+1an∣。
幂级数一个非常好的性质是收敛域为一个区间。
下面介绍更多幂级数的性质。
Thm(阿贝尔第一定理):
若幂级数 ∑n=0∞anxn:
- 在点 x1 处收敛,则 ∣x∣<∣x1∣ 时,幂级数绝对收敛;
- 在点 x2 处发散,则 ∣x∣>∣x2∣ 时,幂级数发散。
Thm(阿贝尔第二定理):
幂级数 ∑n=0∞anxn 在其收敛域上内闭一致收敛。
这是幂函数非常夯的性质,意味着我们上一章发展的一致收敛性质均可以使用。
下面定理确定了幂级数与其导数级数/积分级数的关系。
Thm:
∑n=0∞anxn 的收敛半径与其导数级数 ∑n=1∞nanxn−1,与积分级数 ∑n=0n+1anxn+1 有相同的收敛半径。
端点处敛散性不一定相同。
Thm:
幂级数和函数收敛域上连续、逐项可积、逐项可微。
通过上面几个定理容易证出这个核心结论。
Def(泰勒级数):
设 f 在 x0 处无穷次可导,我们称幂级数 ∑n=0∞n!f(n)(x0)(x−x0)n 为 f 在 x0 处的泰勒级数,记为 f(x)∼∑n=0∞n!f(n)(x0)(x−x0)n。
我们想知道什么时候 ∼ 可以写成 =。
由 f(x)=∑n=0mn!f(n)(x0)(x−x0)n+Rm(x),limm→∞Rm(x)=0 是充要条件。
但显然这很不好用,给出一个充分条件:∣f(n)(x)∣ 在区间上一致有界。
Thm(唯一性):
若函数 f 在 x0 处可展开为幂级数,则其展开式必唯一,且就是 f 在 x0 处的泰勒级数。
一些重要的幂级数展开:
(1+x)α=∑n=0∞n!αnxn
特别的 1−x1=1+∑n=1∞(2n)!!(2n−1)!!xn。
ex=∑n=0∞n!1xn
ln(1+x)=∑n=1∞n(−1)n−1xn
sinx=∑n=0∞(2n+1)!(−1)nx2n+1
cosx=∑n=0(2n)!(−1)nx2n
arctanx=∑n=0∞2n+1(−1)nx2n+1
斯特林公式 n!∼2nπ(en)n。
傅里叶级数#
三角,牛牛牛。
三角函数系的正交性:
- ∫−ππcosnxsinmxdx=0,对于 m,n∈N 成立。
- ∫−ππcosnxcosmxdx={0,m=nπ,m=n=0
- ∫−ππsinnxsinmxdx={0,m=nπ,m=n=0
Def(傅里叶级数):
f(x)∼2a0+∑n=1∞ancosnx+bnsinnx。(三角级数)
欧拉-傅里叶公式:
ak=π1∫−ππf(x)coskxdxbk=π1∫−ππf(x)sinkxdx
f 是以 2π 为周期的周期函数,在 [−π,π] 上可积与绝对可积。称上述三角级数为 f 的傅里叶级数。
Def(正弦/余弦级数):
对于周期为 2π 的可积与绝对可积的奇函数,f(x)∼∑n=1∞bnsinnx,称为 f 的正弦级数。
同理,若 f 为偶函数,f(x)∼2a0+∑n=1∞ancosnx,称为 f 的余弦级数。
特别的,由于改变有限个点的取值不影响积分值,故 f 除有限个点外满足奇/偶定义,其傅里叶级数仍未正弦/余弦级数。
对于定义在 [0,π] 的函数 f,先做奇延拓再以 2π 为周期做周期延拓,所得傅里叶级数称为 f 的正弦级数。
同理,做偶延拓再做周期延拓,所得傅里叶级数称为 f 的余弦级数。
对于周期为 2l 的函数进行傅里叶展开:f(x)∼2a0+∑n=1∞ancoslnπx+bnsinlnπx。
an=l1∫−llf(x)coslnπdx
bn=l1∫−llf(x)sinlnπdx
Rmk:
傅里叶级数可以统一成更好看的复数形式:
令 ω=lπ,称为基频。
cn=2an−ibn=2l1∫−llf(x)e−inωxdx。
c−n=2an+ibn=2l1∫−llf(x)einωxdx
f(x)∼∑−∞∞cneinωx。
定义好了傅里叶级数之后,我们关心其收敛性:
- 由 Riemann-Lebesgue 可以保证 an,bn→0 成立。
- 可以证明 an,bn 的收敛速度不错,f∈Ck 有 an,bn=o(nk1);f 分段线性且连续,有 an,bn=o(n21)。
傅里叶级数的收敛性#
考察 f 的 n 阶傅里叶多项式 Sn(f,x)=2a0+∑k=1nakcoskx+bksinkx。
代入 ak,bk 的表达式,做一步积化和差,有:Sn(f,x)=π1∫−ππf(t)[21+∑k=1ncosk(x−t)]dt。
称 Dirichlet Kernel Dn(u)=21+∑k=1ncosku=2sin2usin22n+1u。
Dirichlet Kernel 有一些好的性质:∫−ππDn(u)du=π
Sn(f,x)=π1∫−ππf(t)Dn(x−t)dtLet u=x−tSn(f,x)=π1∫−ππf(x−u)Dn(u)du
称为 Dirichlet 积分。
进一步改写成:
Sn(f,x)=π1∫0π(f(x−u)+f(x+u))Dn(u)du
我们希望分析 Sn(f) 与 S 直接的距离:Sn(f,x)−2f(x+0)+f(x−0)
π1[∫0π(f(x+u)−f(x+0))Dn(u)du+∫0π(f(x−u)−f(x−0))Dn(u)du]
Thm(局部性定理):
f 是以 2π 为周期的周期函数,且在 [−π,π] 上可积与绝对可积,则 f 的傅里叶级数在 x0 的收敛性只与 f 在 x0 的任意小领域有关。
∀δ>0,(δ,π) 上的积分 π1∫δπ2sin2uf(x−u)+f(x+u)sin22n+1udu,由 R-L 引理知为 0。
若下面的表达式成立,则级数收敛到 f。
π1[∫0δuf(x+u)−f(x+0)sin22n+1udu+∫0δuf(x−u)−f(x−0)sin22n+1udu]=0
Thm(判别法):
f 是以 2π 为周期的周期函数,在 [−π,π] 上可积与绝对可积,且满足下列条件之一,则 f 的傅里叶级数在 x 收敛到 2f(x+0)+f(x−0)。
- (狄利克雷-若尔当)f(x) 分段可导或分段单调。
- (迪尼-利普希茨)f(x) 在点 x 满足 α∈(0,1] 的 Holder 条件,即 ∃L>0,δ>0,∀u∈(0,δ):∣f(x±u)−f(x±0)∣≤Luα。
∑n=1∞n21=6π2。
傅里叶级数的性质#
最后我们来讨论一下傅里叶级数的分析性质和逼近性质。
Thm(逐项可积性):
f 在 [−π,π] 上可积与绝对可积,其傅里叶级数 f(x)∼2a0+∑n=1∞ancosnx+bnsinnx。
则 ∀x∈[−π,π]:∫0xf(t)dt=2a0x+∑n=1∞nansinnx−nbncosnx+nbn
Prop:
对于三角级数 2a0+∑n=1∞ancosnx+bnsinnx,如果是某个函数的傅里叶级数,则有级数 ∑n=1∞nbn 收敛。
反过来如果 ∑n=1∞nbn 不收敛,那么上述三角级数一定不是对应和函数的傅里叶级数。
Thm(逐项可微性):
f 在 [−π,π] 上连续,f(−π)=f(π),且除有限个点外可导,f(x)∼2a0+∑n=1∞ancosnx+bnsinnx。
若 f′(x) 可积与绝对可积,其傅里叶级数可以由 f(x) 的傅里叶级数逐项求导得到。
f′(x)∼∑n=1∞−nansinnx+nbncosnx。
然后我们讨论傅里叶级数的逼近问题
Def(三角多项式):
对于 n∈N,形如 2α0+∑k=1nαkcoskx+βksinkx 的函数称为 n 阶三角多项式。
记所有 n 阶三角多项式构成的几何为 Tn。
Def(可积与平方可积):
若 f 在 [−π,π] 上黎曼可积或者瑕积分 ∫−ππf2(x)dx 收敛,称 f 在 [−π,π] 上可积与平方可积。
记 [−π,π] 上所有可积与平方可积函数的全体为 L2[−π,π]。
容易验证 Tn,L2[−π,π] 是线性空间,且 Tn 是 L2[−π,π] 的子空间。
定义内积 ⟨f,g⟩=∫−ππf(x)g(x)dx,导出范数 ∥f(x)∥=∫−ππf2(x)dx。
导出距离 d(f,g)=∫−ππ(f(x)−g(x))2dx。
由三角函数系的正交性,我们知道 {2π1,πcosx,πsinx,⋯,πcosnx,πsinnx} 是 Tn 的一组标准正交基。
记 d(f,Tn) 为 f 到 Tn 的距离,定义为 infg∈Tnd(f,g)。
若存在能取到下确界的函数,称为 f 在 Tn 中的投影/最佳逼近元素。
Thm(最佳逼近):
f∈L2[−π,π],Sn(f,x) 是 f(x) 的 n 阶傅里叶多项式,则 Sn(f,x) 是 f 在 Tn 中的最佳逼近元素。
Prop(Bessel 不等式):
f∈L2[−π,π],则 2a02+∑n=1an2+bn2≤π1∫−ππf2(x)dx。
Prop:
f 在 [−π,π] 上除有限个点外可导,而在这有限个点处单侧可导,且 f(−π)=f(π),又 f′(x) 在 [−π,π] 上黎曼可积,则 f 的傅里叶级数在 [−π,π] 上一致收敛于 f(x)。
Def(平方平均收敛):
f∈L2[−π,π],为任一给定函数,若存在 {fn}⊂L2[−π,π],使得 limn→∞∥f−fn∥2=0 则称 {fn(x)} 平方平均收敛于 f(x)。
Thm(Parseval 等式):
f∈L2[−π,π],则 f(x) 的傅里叶多项式构成的三角多项式列 {Sn(f,x)} 平方平均收敛于 f(x),即 limn→∞∫−ππ(f(x)−Sn(f,x))2dx=0。
等价于 2a02+∑n=1an2+bn2=π1∫−ππf2(x)dx。
Parseval 等式也被称作能量等式。
Prop:
f 是 [−π,π] 上的连续函数,且与三角函数系 {1,cosx,sinx,⋯,cosnx,sinnx,⋯} 中每一个函数正交,则有 f(x)≡0。
证明考虑使用 Parseval 等式。
Prop(唯一性):
f,g 是 [−π,π] 上的连续函数,若 f,g 有相同的傅里叶系数,则 f≡g。
相减用上一个推论即可。