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数学分析 II

数分 II 好难!!!!1

数分为什么这么难,救命。

多元函数的极限与连续#

Rn\mathbb R ^n 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 cos1\cos\le 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)={xXd(x,a)<r}B_r(a)=\{x\in 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)l^2(\mathbb R)ei=(0,0,,1,0,)e_i=(0,0,\cdots,1,0,\cdots),第 ii 维为 1。

Rn\mathbb R^n 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。

EE 的内点集为 EE^\circ,外点集是补集的内点集,即 (Ec)(E^c)^\circ,边界点集为 E\partial E

Rmk: EE 的内点集、外点集、边界点集是 Rn\mathbb R^n 的无交并。

定义聚点:称 aaEE 的聚点当且仅当 δ>0:card(Bδ(a)E)=\forall \delta>0:\text{card}(B_\delta(a)\cap E)=\infty

定义极限点:称 aaEE 的极限点当且仅当 {xn}E,limkxk=a\exists \{x_n\}\in E,\lim_{k\to \infty}x_k=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 EE'

还有一个定义是孤立点,感觉用处不大,知道即可。

开与闭#

ERnE\subset \mathbb R^n

  1. E=EE=E^\circ,称 EE 为开集。(所有点均为内点)
  2. EEE'\subset E,称 EE 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 GG 是一个开集,FF 是一个闭集,EE 是一个集合。

E=EE\overline E=E\cup E'EE 的闭包。

Rmk:

  1. EE^\circEE 中最大开集。
  2. E\overline E 为包含 EE 的最小闭集。

先证 EE^\circ 为开集,再说明 EGE^\circ\supset G

先证 E\overline E 为闭集,再说明 EFE'\subset F 即可。

Rmk: 开闭是一个相对概念,定好全集才能描述开闭。

Prop: FF 是闭集等价于 FcF^c 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:

  1. 任意开集的并仍开,有限开集的交仍开。
  2. 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\mathbb R^n 中的基本定理#

Thm(Bolzano-Weierstrass 定理):

nn 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\mathbb R^n 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>0Nk,l>N:d(xk,xl)<ε\forall \varepsilon>0\exists N\forall k,l>N:d(x_k,x_l)< \varepsilon

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\mathbb R^n 完备性的反映。

Thm(闭集套定理):

{Fk}\{F_k\} 是一列非空闭集套,满足:

  1. FkFk+1F_k\supset F_{k+1}
  2. diamFk0\text{diam} F_k\to 0

!ξFk\exists! \xi\in \cap F_k

唯一性反证易知。

存在性考虑构造点列 {xkFk}\{x_k\in F_k\},利用 diamFk0\text{diam}F_k\to 0 证明其为柯西列。

紧与列紧#

定义紧集:若 EE 的任意一个开覆盖存在有限子覆盖,则 EE 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\mathbb R^n 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, 2n2^n 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     \iff 列紧 \Rightarrow 有界闭。

Thm:

Rn\mathbb R^n 中子集 KK 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 x0x_0,函数值趋于同值。

关于累次极限(一元观点):

  1. 多元极限存在推不出多次极限存在

    f=xsin1y+ysin1xf=x\sin\dfrac 1 y+y\sin \dfrac 1 xxy=0xy=0 处补充定义为 0。

  2. 多次极限存在推不出多元极限存在

    f=xyx2+y2f=\dfrac{xy}{x^2+y^2}(0,0)(0,0) 处补充定义为 0。

  3. 多次极限不一定相等

    f=xy+x2+y2x+yf=\dfrac{x-y+x^2+y^2}{x+y}

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 fC(D,Rn)f\in C(D,\mathbb R^n)

目标:f()=,f(连通)=连通f(\text{紧})=\text{紧},f(\text{连通})=\text{连通}

Thm:

KKRn\mathbb R^n 中的紧集,fC(K,Rm)f\in C(K,\mathbb R^m),则 f(K)f(K) 为紧集。

易证 f(K)f(K) 的列紧性,得到 f(K)f(K) 紧性。

Cor:有界性、最值定理

由上述定理以及 Rn\mathbb R^n 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):

KK 紧,fC(K,Rm)f\in C(K,\mathbb R^m),则 ffKK 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f(\text{连通})=\text{连通}

多元映射微分学#

微分#

对于映射 f:RnRmf:\mathbb R^n\to \mathbb R^mffx0\mathrm{x_0} 处可微,若存在 A(x0)Mm×n(R)A(\mathrm{x_0})\in M_{m\times n}(\mathbb R), 满足 f(x0+Δx)=f(x0)+A(x0)Δx+o(Δx),Δx0f(\mathrm{x_0}+\mathrm{\Delta x})=f(\mathrm x_0)+A(\mathrm x_0)\mathrm{\Delta x}+o(|\mathrm{\Delta x}|),|\mathrm{\Delta x}|\to 0

称线性映射 df\text{d}fhA(x0)h\mathrm h\to A(\mathrm x_0)\mathrm h)为 ffx0\mathrm x_0 处的微分。

Rmk:对于多元函数 f:RnRf:\mathbb R^n\to \mathbb R,有全微分概念。

dfx0=i=1nAidxi\text{d}f|_{\mathrm x_0}=\sum_{i=1}^nA_i\text{d}x_i

雅可比矩阵 {fixj}i[n],j[m]\{\dfrac{\partial f_i}{\partial x_j}\}_{i\in [n],j\in [m]}。(Jacobi)

微分与偏导的关系#

  1. 可微知连续。

  2. 可微知可偏导。

  3. 偏导均存在不一定可微

    f(x,y)=xyx2+y2f(x,y)=\dfrac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}(0,0)(0,0) 处。

  4. 偏导数在邻域内存在且某点连续,知该点可微。

梯度#

f:RnRmf:\mathbb R^n\to\mathbb R^m。定义哈密顿算子(Hamilton):

f=(fx1,fx2,,fxn)\nabla f=(\dfrac{\partial f}{\partial x_1},\dfrac{\partial f}{\partial x_2},\cdots,\dfrac{\partial f}{\partial x_n})

有内积定义,知 f\nabla 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=2fxy=y(fx)f_{xy}=\dfrac{\partial^2 f}{\partial x\partial y}=\dfrac{\partial}{\partial y}(\dfrac{\partial f}{\partial x})

高阶偏导对称性:

Thm:

fCk(DRn,R)f\in C^k(D\subset\mathbb R^n,\mathbb R),则 kk 次偏导顺序无关。

复合函数微分法#

链式法则:

f(g(x))f(g(x)) 求微分即 f(g(x))g(x)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 DD 内任意两点连线均包含与 DD

f:DRf:D\to \mathbb R 可微,则 x,yD,ξ[x,y]:f(y)f(x)=f(ξ)(yx)\forall \mathrm x,\mathrm y\in D,\exists \xi\in [\mathrm x,\mathrm y]:f(\mathrm y)-f(\mathrm x)=\nabla f(\xi)\cdot (\mathrm y-\mathrm x)

证明考虑拉出 x,yx,y 连线 r(t)=(1t)x+tyr(t)=(1-t)\mathrm x+t\mathrm yr:[0,1]Rnr:[0,1]\to \mathbb R^n

构造辅助函数 φ(t)=f(r(t))\varphi(t)=f(r(t))φ:[0,1]R\varphi:[0,1]\to\mathbb R

有一元微分中值定理,知 φ(1)φ(0)=φ(θ)\varphi(1)-\varphi(0)=\varphi'(\theta)

φ(θ)=f(r(θ))r(θ)=f(r(θ))(yx)\varphi'(\theta)=f'(r(\theta))r'(\theta)=\nabla f(r(\theta))\cdot (\mathrm y-\mathrm x)

Cor:

DD 为开区域,若 f\nabla fDD 上恒为 00,则 ff 恒为常数。

Thm(拟微分中值定理):

f:DRnf:D\to \mathbb R^n 可微,则 x,yD,ξ[x,y]:f(y)f(x)f(ξ)2yx\forall \mathrm x,\mathrm y\in D,\exists \xi\in [\mathrm x,\mathrm y]:|f(\mathrm y)-f(\mathrm x)|\le |f'(\xi)|_2\cdot |\mathrm y-\mathrm 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=1nΔxixi\Delta x\cdot\nabla=\sum_{i=1}^n \Delta x_i\dfrac{\partial}{\partial x_i}

有多元微分中值定理得到多元泰勒公式

ffx0x_0 某邻域有 0k0\to k 阶偏导连续:

f(x0+Δx)=f(x0)+Δxf(x0)+12(Δx)2f(x0)++1k!(Δx)kf(x0)+o(Δxk)f(x_0+\Delta x)=f(x_0)+\Delta x\cdot\nabla f(x_0)+\dfrac 1 2(\Delta x\cdot\nabla)^2 f(x_0)+\cdots+\dfrac{1}{k!}(\Delta x\cdot\nabla)^kf(x_0)+o(|\Delta x|^k)

有手算实际意义的是前两阶展开,定义 Hesse 矩阵 {2fxixj}i[n],j[n]\{\dfrac{\partial^2 f}{\partial x_i\partial x_j}\}_{i\in[n],j\in[n]},则 12(Δx)2f(x0)=12ΔxHess(f)(x0)Δx\dfrac 1 2(\Delta x\cdot\nabla)^2 f(x_0)=\dfrac{1}{2}\Delta x^\top \text{Hess}(f)(x_0)\Delta x

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)=0F(\mathrm x,\mathrm y)=0 何时唯一决定 y=f(x)\mathrm y=f(\mathrm x)

Thm(一般隐函数定理):

F(x,y)=0F(\mathrm x,\mathrm y)=\vec 0xRn,yRm,F:WRm\mathrm x\in \mathbb R^n,\mathrm y\in\mathbb R^m,F:W\to \mathbb R^m

F(x0,y0)=0F(\mathrm x_0,\mathrm y_0)=\vec 0FC1(W,Rm)F\in C^1(W,\mathbb R^m)Fy(x0,y0)F_y(\mathrm x_0,\mathrm y_0) 作为 m×mm\times m 矩阵可逆,则:

存在开集 VV,满足 x0V\mathrm x_0\in V!f:VRm\exists! f:V\to \mathbb R^m

  1. f(x0)=y0f(\mathrm x_0)=\mathrm y_0
  2. xV,F(x,y)=0    y=f(x)\forall x\in V,F(x,y)=0\iff y=f(x)
  3. fC1(V,Rm)f\in C^1(V,\mathbb R^m)f(x)=[Fy(x,f(x))]1Fx(x,f(x))f'(x)=-[F_y(\mathrm x,f(\mathrm x))]^{-1}F_x(\mathrm x,f(\mathrm x))

反函数定理叙述几乎一致。

应用#

  1. 空间曲线的切线/法平面

    对于参数化表示的曲线 r(t)r(t)

    • 切线

      Pr(t0)=λr(t0)P-r(t_0)=\lambda r'(t_0),展开成分量形式 Xx(t0)x(t0)=Yy(t0)y(t0)=Zz(t0)z(t0)\dfrac{X-x(t_0)}{x'(t_0)}=\dfrac{Y-y(t_0)}{y'(t_0)}=\dfrac{Z-z(t_0)}{z'(t_0)}

    • 法平面

      (Pr(t0))r(t0)=0(P-r(t_0))\cdot r'(t_0)=0

    对于一般式方程 F(x,y,z)=G(x,y,z)=0F(x,y,z)=G(x,y,z)=0

    r(t0)r'(t_0) 平行于 F(P0)×G(P0)\nabla F(P_0)\times \nabla G(P_0),求得 r(t0)r'(t_0) 后容易求出切线和法平面。

  2. 曲面的切平面/法线

    曲面一般方程 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0Fx2+Fy2+Fz20F_x^2+F_y^2+F_z^2\ne 0,且均连续,则曲面称为光滑正则曲面。

    n(M0)=F(M0)\vec n(M_0)=\nabla F(M_0),切平面方程 (PM0)n(M0)=0(P-M_0)\cdot \vec n(M_0)=0

    对于曲面的参数化方程,r:DR3r:D\to \mathbb R^3n(P0)=rx(P0)×ry(P0)\vec n(P_0)=\vec r_x(P_0)\times \vec r_y(P_0)

  3. 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):

      ΩRn\Omega\subset \mathbb R^n 为开集,f,g1,g2,,grC1(Ω,R),r<nf,g_1,g_2,\cdots,g_r\in C^1(\Omega,\mathbb R),r<n

      x0x_0ff 在满足约束 g1=g2==gr=0g_1=g_2=\cdots=g_r=0 下的一个极值点。

      [g1(x0)g2(x0)gr(x0)]\begin{bmatrix}\nabla g_1(x_0)\\\nabla g_2(x_0)\\\vdots\\\nabla g_r(x_0)\end{bmatrix} 作为一个 r×nr\times n 的矩阵满秩(x0x_0 附近张成了一张 nrn-r 维曲面)(可以使用隐函数定理,某 rr 个变量唯一决定了其他 nrn-r 维)

      λ0=(λ01,λ02,,λ0r)Rr\exists \lambda_0=(\lambda_0^1,\lambda_0^2,\cdots,\lambda_0^r)\in \mathbb R^r,使得 (x0,λ0)Rr(x_0,\lambda_0)\in \mathbb R^r 作为辅助函数 L(x,λ)=f(x)i=1rλigi(x)L(x,\lambda)=f(x)-\sum_{i=1}^r\lambda^ig_i(x) 的驻点。

  4. 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。

    XXm×nm\times n 的矩阵,里面放着 mm 组自变量, YY 是一个 m×1m\times 1 的向量,存放对应数据的因变量。

    α=(XX)1XY\alpha=(X^\top X)^{-1}X^\top Y,拟合的结果是一个 n×1n\times 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:

DR2D\subset \mathbb R^2 可求面积     \iff D\partial D 零面积。

Cor:

DR2D\subset \mathbb R^2 有界,且 D\partial D 由有限条分段光滑曲线组成,则 DD 可求面积。

Thm:

fC(D)f\in C(D),则 fR(D)f\in R(D)

Thm(勒贝格定理):

DRnD\subset \mathbb R^n 上可求面积的有界闭区域,ffDD 上有界,则:

fR(D)    ff\in R(D)\iff fDD 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)={1m+1p,(x,y)=(nm,qp)0,otherwisef(x)=\left\{\begin{aligned}&\dfrac 1 m+\dfrac 1 p,(x,y)=(\dfrac n m,\dfrac q p)\\&0,\text{otherwise}\end{aligned}\right.

    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)=(nm,qp)0,otherwisef(x)=\left\{\begin{aligned}&1,(x,y)=(\dfrac n m,\dfrac q p)\\&0,\text{otherwise}\end{aligned}\right.

    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):

D=[a,b]×[c,d],fR(D)D=[a,b]\times [c,d],f\in R(D)

x[a,b],h(x):=cdf(x,y)dy\forall x\in [a,b],h(x):=\int_c^df(x,y)\text d y 存在,则 hR[a,b]h\in R[a,b]Dfdσ=abh(x)dx=abcdf(x,y)dydx\iint_D f\text d\sigma=\int_a^bh(x)\text dx=\int_a^b\int_c^df(x,y)\text dy\text dx

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):

UR2U\in \R^2 开,φC1(U,R2)\varphi\in C^1(U,\R^2) 且双射。

uU:detφ(u)0\forall \vec u\in U:\det\varphi'(\vec u)\ne 0

DDUU 中具有分段光滑边界的有界闭区域。(知 φ(D)\varphi(D) 有同样性质)

fC(φ(D),R)f\in C(\varphi(D),\R)

φ(D)f(x,y)dxdy=Df(φ(u,v))det([xuxvyuyv])dudv\int_{\varphi(D)}f(x,y)\text{d}x\text d y=\int_Df(\varphi(u,v))\det(\begin{bmatrix}\dfrac{\partial x}{\partial u}&\dfrac{\partial x}{\partial v}\\\dfrac{\partial y}{\partial u}&\dfrac{\partial y}{\partial v}\end{bmatrix})\text d u\text d v

给出一些常用的坐标变换:

  1. 二维极坐标变换:

    x=rsinθy=rcosθx=r\sin \theta\\y=r\cos\thetaθ[0,2π]\theta\in [0,2\pi],变换系数为 rr

  2. 球坐标变换

    x=ρsinϕcosθy=ρsinϕsinθz=ρcosϕx=\rho \sin \phi\cos\theta\\y=\rho\sin\phi\sin\theta\\z=\rho\cos\phiϕ[0,π],θ[0,2π]\phi\in[0,\pi],\theta\in[0,2\pi],变换系数是 ρ2sinϕ\rho^2\sin\phi

  3. 柱坐标变换

    x=rcosθy=rsinθz=zx=r\cos\theta\\y=r\sin\theta\\z=zθ[0,2π]\theta\in[0,2\pi],变换系数是 rr

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):

DR2D\subset \R^2,为一开区域,且 R>0,DBR(0)R>0,D\cap B_R(0) 可求面积,称一系列可求面积的有界闭集列 {Dn}\{D_n\} 满足:

  1. D1D2DnD_1\subset D_2\subset \cdots\subset D_n\subset\cdots
  2. 紧集KDm:KDm\forall \text{紧集}K\subset D\exists m:K\subset D_m

Def(反常重积分):

ffDD 上内闭可积,若 DD 的任意穷竭列 {Dn}\{D_n\}limnf(x,y)dxdy=I\lim_{n\to\infty}f(x,y)\text dx\text d y=I,称 ffDD 上反常可积,积分为 II

Thm:

f0f\ge 0,则 ffDD 上反常可积(绝对收敛)     \iff 穷竭列{Dn}M:Dnfdxdy<M\exists\text{穷竭列}\{D_n\}\exists M:\iint_{D_n}f\text dx\text d y<M

Thm:

Dfdxdy<    fdxdy\iint_D|f|\text d x\text d y<\infty\iff\iint f\text d x\text d y 反常可积。

坐标变换不改变反常可积性。

泊松积分:

R2e(x2+y2)dxdy\iint_{\R^2}e^{-(x^2+y^2)}\text d x\text d y

2π0rer2dr=π2\pi\int_{0}^\infty re^{-r^2}\text d r=\pi

(ex2dx)2=π(\int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}\text d x)^2=\pi,知 0ex2dx=π2\int_{0}^\infty e^{-x^2}\text d x=\dfrac {\sqrt{\pi}}2

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\Gamma,有参数化 rC1([α,β],Rn)\vec r\in C^1([\alpha,\beta],\R^n)Length(Γ)=αβr(t)dt\text{Length}(\Gamma)=\int_{\alpha}^\beta\|r'(t)\|\text d t

Thm(第一类曲线积分):

Γ\Gamma 是正则曲线(rC1([α,β],Rn)\vec r\in C^1([\alpha,\beta],\R^n)),ff 是定义在 Γ\Gamma 上的有界函数。

Γfds:=αβf(r(t))r(t)dt\int_{\Gamma}f\text ds:=\int_\alpha^\beta f(r(t))\|\vec r'(t)\|\text d t

Def(曲面面积):

Σ\Sigma 是一个正则曲面,有参数化 r:DR2R3\vec r:D\subset \R^2\to \R^3

Dru×rv(u,v)dudv\iint_D\|\vec r_u\times \vec r_v(u,v)\|\text d u\text d v

系数 ru×rv(u,v)=EGF2\|\vec r_u\times \vec r_v(u,v)\|=\sqrt{EG-F^2},其中 E=ruru,G=rvrv,F=rurvE=\vec r_u\cdot\vec r_u,G=\vec r_v\cdot\vec r_v,F=\vec r_u\cdot\vec r_v

一般地,Rn\R^nRk\R^k 维曲面的面积:Ddet(rr)(u)du\int_D \sqrt{\det(r'^\top r')(u)}\text d u

曲面由 z=f(x,y)z=f(x,y) 给出,上述系数即 1+fx2+fy2\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}

Def(第一类曲面积分):

ΣfdS:=Df(r(u,v))ru×rv(u,v)dudv\iint_{\Sigma}f\text d S:=\int_D f(r(u,v))\|\vec r_u\times \vec r_v(u,v)\|\text d u\text d v

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\Gamma 是定向的正则曲线 τ(P)\vec \tau(P)PΓP\in \Gamma 处与 Γ\Gamma 方向一致的单位切向量,设 FC(Γ,R3)\vec F\in C(\Gamma,\R^3)

定义 F\vec FΓ\Gamma 上的第二类曲线积分为 ΓFτds\int_{\Gamma}\vec F\cdot \vec \tau\text d s。(用第一类曲线积分定义了第二类曲线积分)

F=(P,Q,R)\vec F=(P,Q,R),也常将第二类曲线积分写作 ΓPdx+Qdy+Rdz\int_{\Gamma}P\text dx+Q\text dy+R\text d z

这里将 τds\vec\tau \text ds 在三个坐标轴上的有向投影形式化的记作了 dx,dy,dz\text d x,\text d y,\text d z

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):

Γfτds=αβf(r(t))r(t)dt\int_{\Gamma}\vec f\cdot\vec\tau\text d s=\int_{\alpha}^\beta\vec f(\vec r(t))\vec r'(t)\text d t

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\Sigma 正则且可定向,指定了一种定向 n\vec n,设 FC(Σ,R3)\vec F\in C(\Sigma,\R^3),定义 F\vec FΣ\Sigma 上的第二类曲面积分为 ΣFndS\iint_{\Sigma}\vec F\cdot\vec n\text d S。(用第一类曲面积分定义了第二类曲面积分)。

n=(cosα,cosβ,cosγ),F=(P,Q,R)\vec n=(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma),\vec F=(P,Q,R),第二类曲面积分可以写成 Σ(Pcosα+Qcosβ+Rcosγ)dS\iint_\Sigma(P\cos\alpha+Q\cos\beta+R\cos\gamma)\text d S

形式化的,将 ndS\vec n\text d S 记作 (dydz,dzdx,dxdy)(\text dy\wedge \text dz,\text d z\wedge \text dx,\text d x\wedge \text d y)。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\Sigma 的参数化后,我们容易得到第二类曲面积分的计算公式:

ΣfndS=±Df(r(u,v))(ru×rv)duv\int_\Sigma\vec f\cdot\vec n\text d S=\pm\int_D\vec f(\vec r(u,v))\cdot(\vec r_u\times \vec r_v)\text d u\text v

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\R^2 上的有界闭区域 DD,具有分段光滑边界,确定 DD 的定向(向外/内)后,定义 D\partial D 的诱导定向为头指向 DD 的定向沿 D\partial D 走使得 DD 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:DD 中任何一条简单闭曲线均不可以通过 DD 外连续地收缩为一个点。

Thm(Green):

DR2D\subset \R^2 单连通有界闭区域,D\partial D 为光滑简单闭曲线,且赋予诱导定向。P,QC1(D)P,Q\in C^1(D)

DPdx+Qdy=D(QxPy)dxdy\int_{\partial D}P\text d x+Q\text d y=\int_D(\dfrac{\partial Q}{\partial x}-\dfrac{\partial P}{\partial y})\text d x\text d y

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:

DR2D\subset \R^2 为单连通区域,P,QC1(D)P,Q\in C^1(D),则下列命题等价:

  1. 对于 DD 内任意一条分段光滑的闭曲线 LL,有 LPdx+Qdy=0\oint_L P\text d x+Q\text d y=0
  2. 曲线积分 LPdx+Qdy\int_L P\text d x+Q\text d y 与路径无关。
  3. 存在 DD 上的可微函数 U(x,y)U(x,y) 使得 dU=Pdx+Qdy\text d U=P\text d x+Q\text d y,或等价地 U=(P,Q)\nabla U=(P,Q)。此时称 UUPdx+QdyP\text d x+Q\text d y 的原函数。
  4. DD 内有 Qx=Py\dfrac{\partial Q}{\partial x}=\dfrac{\partial P}{\partial y}

Gauss 公式#

Def(二维单连通区域):

ΩR3\Omega\subset \R^3 为一空间区域,若 Ω\Omega 内的任一封闭曲面所围的立体仍包含于 Ω\Omega 中,称 Ω\Omega 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\OmegaR3\R^3 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)\vec F=(P,Q,R)\in C^1(\Omega)Ω\partial \Omega 的定向指向 Ω\Omega 外。

ΩFndS=ΩFdxdydz\int_{\partial \Omega}\vec F\cdot \vec n\text d S=\int_{\Omega}\nabla\cdot \vec F\text d x\text d y\text dz

分量形式:

ΩPdydz+Qdzdx+Rdxdy=Ω(Px+Qy+Rz)dxdydz\int_{\partial \Omega}P\text d y\text d z+Q\text d z\text d x+R\text d x\text d y=\int_{\Omega}(\dfrac{\partial P}{\partial x}+\dfrac{\partial Q}{\partial y}+\dfrac{\partial R}{\partial z})\text d x\text d y\text d z

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\Sigma,给定定向后,类似定义 Σ\partial \Sigma 的诱导定向:若头指向 Σ\Sigma 的定向,沿 Σ\partial \Sigma 走时 Σ\Sigma 总是在左手边。

Thm(Stokes):

Σ\Sigma 是光滑、可定向曲面,具有分段光滑的边界 Σ\partial \Sigma,且赋予了诱导定向。设向量值函数 F=(P,Q,R)\vec F=(P,Q,R)Σ\overline \Sigma 附近的开集上连续可微。

ΣFτds=Σ(×F)dS\int_{\partial \Sigma}\vec F\cdot\vec \tau \text ds=\int_{\Sigma}(\nabla\times \vec F)\cdot\text d \vec S

分量形式:

ΣPdx+Qdy+Rdz=ΣijkxyzPQR(cosα,cosβ,cosγ)dS=Σ(RyQz)dydz+(PzRx)dzdx+(QxPy)dxdy\int_{\partial \Sigma}P\text d x+Q\text d y+R\text d z=\int_{\Sigma}\left |\begin{matrix}\vec i&\vec j&\vec k\\\partial_x&\partial_y&\partial_z\\P&Q&R\end{matrix}\right |\cdot(\cos \alpha,\cos\beta,\cos\gamma)\text d S\\ =\int_{\Sigma}(\dfrac{\partial R}{\partial y}-\dfrac{\partial Q}{\partial z})\text d y\text d z+(\dfrac{\partial P}{\partial z}-\dfrac{\partial R}{\partial x})\text d z\text d x+(\dfrac{\partial Q}{\partial x}-\dfrac{\partial P}{\partial y})\text d x\text d y

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)}\{f_n(x)\} 的收敛,一个自然的定义是点态收敛,fix x0x_0,考察 {fn(x0)}\{f_n(x_0)\} 作为数列是否收敛。

{fn(x)}\{f_n(x)\}DD 上收敛于 f(x)f(x),有 εN\varepsilon-N 语言描述:xD,ε>0,NN,n>N:fn(x)f(x)<ε\forall x\in D,\forall \varepsilon>0,\exist N\in \N,\forall n>N:|f_n(x)-f(x)|<\varepsilon

这里需要强调的是 NN 是关于 x,εx,\varepsilon 的函数。

我们研究函数项级数 {i=1nui(x)}\{\sum_{i=1}^nu_i(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)}\{f_n(x)\},若有 f(x)f(x),满足 ε>0,NN,n>N,xD:fn(x)f(x)<ε\forall \varepsilon>0,\exists N\in \N,\forall n>N,\forall x\in D:|f_n(x)-f(x)|<\varepsilon,则称 {fn(x)}\{f_n(x)\}DD 上一致收敛于 f(x)f(x)

对于函数项级数,若其部分和函数列在 DD 上一致收敛于 S(x)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\exists \varepsilon>0,\{n_k\}\uparrow,\{x_k\}\subset D:|f_{n_k}(x_k)-f(x_k)|\ge \varepsilon_0

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)}\{f_n(x)\}DD 上一致收敛的充要条件:ε>0,NN,n>N,pN,xD:fn+p(x)fn(x)<ε\forall \varepsilon>0,\exists N\in\N,\forall n> N,\forall p\in \N,\forall x\in D:|f_{n+p}(x)-f_n(x)|<\varepsilon

对于函数项级数:ε>0,NN,n>N,pN,xD:k=n+1n+puk(x)<ε\forall \varepsilon>0,\exists N\in\N,\forall n> N,\forall p\in \N,\forall x\in D:|\sum_{k=n+1}^{n+p}u_k(x)|<\varepsilon

可知函数项级数收敛的一个必要条件是 {un(x)}\{u_n(x)\} 一致收敛于 0。

Prop:

un(x)C[a,b]u_n(x)\in C[a,b],且函数项级数 n=1un(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(x)(a,b)(a,b) 一致收敛,则有 un(a),un(b)\sum u_n(a),\sum u_n(b) 均收敛,且 n=1un(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(x)[a,b][a,b] 一致收敛。

unC[a,b]u_n\in C[a,b]un(a)\sum u_n(a)un(b)\sum u_n(b) 不收敛,知 un(x)\sum u_n(x)(a,b)(a,b) 不一致收敛。

Thm(确界极限):

{fn(x)}\{f_n(x)\}DD 上一致收敛于 f(x)f(x) 的充要条件:limnsupxDfn(x)f(x)=0\lim_{n\to \infty}\sup_{x\in D}|f_n(x)-f(x)|=0

对于函数项级数,limnsupxDk=n+1uk(x)=0\lim_{n\to \infty}\sup_{x\in D}|\sum_{k=n+1}^\infty u_k(x)|=0

Thm(点列极限):

{fn(x)}\{f_n(x)\}DD 上一致收敛于 f(x)f(x) 的充要条件:DD 中任意数列 {xn}\{x_n\},有 limnfn(xn)f(xn)=0\lim_{n\to \infty}|f_n(x_n)-f(x_n)|=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=1un(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(x) 满足:nN,xD\forall n\in\N,\forall x\in D,有 un(x)Mn|u_n(x)|\le M_n,且 n=1Mn\sum_{n=1}^\infty M_n 收敛,则 n=1un(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(x)DD 上一致收敛。

n=1Mn\sum_{n=1}^\infty M_n 也称为 n=1un(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(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)}\{u_n(x)\},\{v_n(x)\} 满足下列之一条件,则 n=1un(x)vn(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(x)v_n(x)DD 上一致收敛。

  1. (Abel)xD:{vn(x)}\forall x\in D:\{v_n(x)\} 关于 nn 单调,且在 DD 上一致有界,n=1un(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(x)DD 上一致收敛。
  2. (Dirichlet)xD:{vn(x)}\forall x\in D:\{v_n(x)\} 关于 nn 单调,且在 DD 上一致趋于 0,n=1un(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(x) 的部分和在 DD 上一致有界。

一致收敛函数项级数的性质#

Thm(连续性):

DD 为区间,fn(x)C(D),nN,f_n(x)\in C(D),n\in \N,{fn(x)}\{f_n(x)\}DD 上一致收敛于 f(x)f(x),则 f(x)C(D)f(x)\in C(D)

定理条件下,极限顺序可以交换:limxx0limnfn(x)=limnlimxx0fn(x0)\lim_{x\to x_0}\lim_{n\to \infty}f_n(x)=\lim_{n\to \infty}\lim_{x\to x_0} f_n(x_0)

函数项级数形势下的连续性定理:

DD 为区间,un(x)C(D),nNu_n(x)\in C(D),n\in \N,且 n=1un(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(x)DD 上一致收敛到 S(x)S(x),则有 S(x)C(D)S(x)\in C(D)

定理条件下,极限与无穷求和可交换:limxx0n=1un(x)=n=1limxx0un(x)\lim_{x\to x_0}\sum_{n=1}^\infty u_n(x)=\sum_{n=1}^\infty\lim_{x\to x_0}u_n(x)

连续作为一个局部性质,连续性定理条件可以减弱为 DD 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)f_n(x)=x^n,x\in(0,1)(11n)n1e(1-\dfrac 1 n)^n\to \dfrac 1 e

Thm(Dini 定理):

函数列 {fn(x)}\{f_n(x)\} 满足:

  1. nN:fn(x)C[a,b]\forall n\in\N:f_n(x)\in C[a,b]
  2. x[a,b]:fn(x)\forall x\in [a,b]:f_n(x) 关于 nn 单调。
  3. {fn(x)}\{f_n(x)\}[a,b][a,b] 上点态收敛于连续函数 f(x)f(x)

{fn(x)}\{f_n(x)\}[a,b][a,b] 上一致收敛于 f(x)f(x)

证明利用有限开覆盖。

Thm(积分号下求极限):

fn(x)C[a,b]f_n(x)\in C[a,b],且 {fn(x)}\{f_n(x)\}[a,b][a,b] 上一致收敛于 f(x)f(x),则有 abf(x)dx=limnabfn(x)dx\int_a^b f(x)\text d x=\lim_{n\to \infty}\int_a^b f_n(x)\text d x

Prop(逐项可积性):

un(x)C[a,b]u_n(x)\in C[a,b],且 n=1un(x)\sum_{n=1}^\infty u_n(x)[a,b][a,b] 上一致收敛于 S(x)S(x),则有 abS(x)dx=n=1abun(x)dx\int_a^b S(x)\text d x=\sum_{n=1}^\infty \int_a^b u_n(x)\text d x

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)}\{f_n(x)\} 满足:

  1. {fn(x)}\{f_n(x)\}[a,b][a,b] 上点态收敛于 f(x)f(x)
  2. fn(x)f_n(x)[a,b][a,b] 上有连续导数。
  3. {fn(x)}\{f'_n(x)\}[a,b][a,b] 上一致收敛。

f(x)f(x)[a,b][a,b] 上有连续导数且 f(x)=ddxlimnfn(x)=limnddxfn(x)f'(x)=\dfrac {\text d}{\text d x}\lim_{n\to \infty}f_n(x)=\lim_{n\to \infty}\dfrac {\text d}{\text d x}f_n(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=1anxn\sum_{n=1}^\infty a_n x^n,令 ρ=limnann\rho=\overline \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_n|}

  1. ρ(0,)\rho\in (0,\infty) 时,幂级数在 (1ρ,1ρ)(-\dfrac 1 \rho,\dfrac 1 \rho) 上绝对收敛。
  2. ρ=0\rho=0 时,幂级数在 R\R 上绝对收敛。
  3. ρ=\rho=\infty 时,幂级数仅在 {0}\{0\} 上收敛。

r=1ρr=\dfrac 1 \rho 为幂级数的收敛半径。

注意 ±r\pm 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=limnanan+1r=\lim_{n\to\infty}|\dfrac{a_n}{a_{n+1}}|

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=0anxn\sum_{n=0}^\infty a_n x^n

  1. 在点 x1x_1 处收敛,则 x<x1|x|\lt|x_1| 时,幂级数绝对收敛;
  2. 在点 x2x_2 处发散,则 x>x2|x|\gt |x_2| 时,幂级数发散。

Thm(阿贝尔第二定理):

幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^\infty a_n x^n 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=0anxn\sum_{n=0}^\infty a_n x^n 的收敛半径与其导数级数 n=1nanxn1\sum_{n=1}^\infty na_n x^{n-1},与积分级数 n=0ann+1xn+1\sum_{n=0}\dfrac{a_n}{n+1}x^{n+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):

ffx0x_0 处无穷次可导,我们称幂级数 n=0f(n)(x0)n!(xx0)n\sum_{n=0}^\infty\dfrac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^nffx0x_0 处的泰勒级数,记为 f(x)n=0f(n)(x0)n!(xx0)nf(x)\sim \sum_{n=0}^\infty\dfrac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n

我们想知道什么时候 \sim 可以写成 ==

f(x)=n=0mf(n)(x0)n!(xx0)n+Rm(x)f(x)=\sum_{n=0}^m\dfrac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n+R_m(x)limmRm(x)=0\lim_{m\to\infty} R_m(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)|f^{(n)}(x)| 在区间上一致有界。

Thm(唯一性):

若函数 ffx0x_0 处可展开为幂级数,则其展开式必唯一,且就是 ffx0x_0 处的泰勒级数。

一些重要的幂级数展开:

(1+x)α=n=0αnn!xn(1+x)^\alpha=\sum_{n=0}^\infty\dfrac{\alpha^{\underline n}}{n!}x^n

特别的 11x=1+n=1(2n1)!!(2n)!!xn\dfrac 1 {\sqrt{1-x}}=1+\sum_{n=1}^\infty\dfrac{(2n-1)!!}{(2n)!!}x^n

ex=n=01n!xne^x=\sum_{n=0}^\infty\dfrac{1}{n!}x^n

ln(1+x)=n=1(1)n1nxn\ln(1+x)=\sum_{n=1}^\infty \dfrac{(-1)^{n-1}}{n}x^n

sinx=n=0(1)n(2n+1)!x2n+1\sin x=\sum_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n}{(2n+1)!}x^{2n+1}

cosx=n=0(1)n(2n)!x2n\cos x=\sum_{n=0}\dfrac{(-1)^n}{(2n)!}x^{2n}

arctanx=n=0(1)n2n+1x2n+1\arctan x=\sum_{n=0}^\infty\dfrac{(-1)^n}{2n+1}x^{2n+1}

斯特林公式 n!2nπ(ne)nn!\sim \sqrt{2n\pi}(\dfrac{n}{e})^n

傅里叶级数#

三角,牛牛牛。

三角函数系的正交性:

  1. ππcosnxsinmxdx=0\int_{-\pi}^\pi\cos nx\sin mx\text d x=0,对于 m,nNm,n\in\N 成立。
  2. ππcosnxcosmxdx={0,mnπ,m=n0\int_{-\pi}^{\pi}\cos nx\cos mx\text{d} x=\left\{\begin{aligned}&0,m\ne n\\&\pi,m=n\ne 0\end{aligned}\right.
  3. ππsinnxsinmxdx={0,mnπ,m=n0\int_{-\pi}^{\pi}\sin nx\sin mx\text{d} x=\left\{\begin{aligned}&0,m\ne n\\&\pi,m=n\ne 0\end{aligned}\right.

Def(傅里叶级数):

f(x)a02+n=1ancosnx+bnsinnxf(x)\sim \dfrac {a_0} 2+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos nx+b_n\sin nx。(三角级数)

欧拉-傅里叶公式:

ak=1πππf(x)coskxdxbk=1πππf(x)sinkxdxa_k=\dfrac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\cos kx\text d x\\ b_k=\dfrac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin kx\text d x

ff 是以 2π2\pi 为周期的周期函数,在 [π,π][-\pi,\pi] 上可积与绝对可积。称上述三角级数为 ff 的傅里叶级数。

Def(正弦/余弦级数):

对于周期为 2π2\pi 的可积与绝对可积的奇函数,f(x)n=1bnsinnxf(x)\sim\sum_{n=1}^\infty b_n\sin nx,称为 ff 的正弦级数。

同理,若 ff 为偶函数,f(x)a02+n=1ancosnxf(x)\sim \dfrac{a_0} 2+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos nx,称为 ff 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 ff 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][0,\pi] 的函数 ff,先做奇延拓再以 2π2\pi 为周期做周期延拓,所得傅里叶级数称为 ff 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 ff 的余弦级数。

对于周期为 2l2l 的函数进行傅里叶展开:f(x)a02+n=1ancosnπlx+bnsinnπlxf(x)\sim\dfrac{a_0} 2+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos\dfrac {n\pi}l x+b_n\sin\dfrac{n\pi}{l}x

an=1lllf(x)cosnπldxa_n=\dfrac 1 l\int_{-l}^lf(x)\cos\dfrac{n\pi}{l}\text d x

bn=1lllf(x)sinnπldxb_n=\dfrac 1 l\int_{-l}^lf(x)\sin\dfrac{n\pi}{l}\text d x

Rmk:

傅里叶级数可以统一成更好看的复数形式:

ω=πl\omega=\dfrac \pi l,称为基频。

cn=anibn2=12lllf(x)einωxdxc_n=\dfrac{a_n-ib_n}{2}=\dfrac{1}{2l}\int_{-l}^l f(x)e^{-in\omega x}\text d x

cn=an+ibn2=12lllf(x)einωxdxc_{-n}=\dfrac{a_n+ib_n}{2}=\dfrac{1}{2l}\int_{-l}^l f(x)e^{in\omega x}\text d x

f(x)cneinωxf(x)\sim \sum_{-\infty}^\infty c_ne^{in\omega x}

定义好了傅里叶级数之后,我们关心其收敛性:

  1. 由 Riemann-Lebesgue 可以保证 an,bn0a_n,b_n\to 0 成立。
  2. 可以证明 an,bna_n,b_n 的收敛速度不错,fCkf\in C^kan,bn=o(1nk)a_n,b_n=o(\dfrac 1 {n^k})ff 分段线性且连续,有 an,bn=o(1n2)a_n,b_n=o(\dfrac 1{n^2})

傅里叶级数的收敛性#

考察 ffnn 阶傅里叶多项式 Sn(f,x)=a02+k=1nakcoskx+bksinkxS_n(f,x)=\dfrac{a_0}2+\sum_{k=1}^na_k\cos kx+b_k\sin kx

代入 ak,bka_k,b_k 的表达式,做一步积化和差,有:Sn(f,x)=1πππf(t)[12+k=1ncosk(xt)]dtS_n(f,x)=\dfrac 1 \pi\int_{-\pi}^\pi f(t)[\dfrac 1 2+\sum_{k=1}^n\cos k(x-t)]\text d t

称 Dirichlet Kernel Dn(u)=12+k=1ncosku=sin2n+12u2sinu2D_n(u)=\dfrac 1 2+\sum_{k=1}^n\cos ku=\dfrac{\sin\dfrac{2n+1}{2}u}{2\sin\dfrac u 2}

Dirichlet Kernel 有一些好的性质:ππDn(u)du=π\int_{-\pi}^\pi D_n(u)\text d u=\pi

Sn(f,x)=1πππf(t)Dn(xt)dtLet u=xtSn(f,x)=1πππf(xu)Dn(u)duS_n(f,x)=\dfrac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(t)D_n(x-t)\text d t\\ \text{Let } u=x-t\\ S_n(f,x)=\dfrac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x-u)D_n(u)\text d u

称为 Dirichlet 积分。

进一步改写成:

Sn(f,x)=1π0π(f(xu)+f(x+u))Dn(u)duS_n(f,x)=\dfrac{1}{\pi}\int_{0}^\pi (f(x-u)+f(x+u))D_n(u)\text d u

我们希望分析 Sn(f)S_n(f)SS 直接的距离:Sn(f,x)f(x+0)+f(x0)2S_n(f,x)-\dfrac{f(x+0)+f(x-0)}{2}

1π[0π(f(x+u)f(x+0))Dn(u)du+0π(f(xu)f(x0))Dn(u)du]\dfrac{1}{\pi}\big[\int_{0}^\pi (f(x+u)-f(x+0))D_n(u)\text d u+\int_{0}^\pi (f(x-u)-f(x-0))D_n(u)\text d u\big]

Thm(局部性定理):

ff 是以 2π2\pi 为周期的周期函数,且在 [π,π][-\pi,\pi] 上可积与绝对可积,则 ff 的傅里叶级数在 x0x_0 的收敛性只与 ffx0x_0 的任意小领域有关。

δ>0\forall \delta>0(δ,π)(\delta,\pi) 上的积分 1πδπf(xu)+f(x+u)2sinu2sin2n+12udu\dfrac{1}{\pi}\int_{\delta}^\pi \dfrac{f(x-u)+f(x+u)}{2\sin\dfrac u 2}\sin\dfrac{2n+1}{2}u\text d u,由 R-L 引理知为 0。

若下面的表达式成立,则级数收敛到 ff

1π[0δf(x+u)f(x+0)usin2n+12udu+0δf(xu)f(x0)usin2n+12udu]=0\dfrac{1}{\pi}\big[\int_{0}^\delta \dfrac{f(x+u)-f(x+0)}{u}\sin\dfrac{2n+1}{2}u\text d u+\int_{0}^\delta \dfrac{f(x-u)-f(x-0)} u\sin\dfrac{2n+1}2 u\text d u\big]=0

Thm(判别法):

ff 是以 2π2\pi 为周期的周期函数,在 [π,π][-\pi,\pi] 上可积与绝对可积,且满足下列条件之一,则 ff 的傅里叶级数在 xx 收敛到 f(x+0)+f(x0)2\dfrac{f(x+0)+f(x-0)}{2}

  1. (狄利克雷-若尔当)f(x)f(x) 分段可导或分段单调。
  2. (迪尼-利普希茨)f(x)f(x) 在点 xx 满足 α(0,1]\alpha\in (0,1] 的 Holder 条件,即 L>0,δ>0,u(0,δ):f(x±u)f(x±0)Luα\exists L>0,\delta>0,\forall u\in(0,\delta):|f(x\pm u)-f(x\pm 0)|\le L u^\alpha

n=11n2=π26\sum_{n=1}^\infty\dfrac 1{n^2}=\dfrac {\pi^2}6

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):

ff[π,π][-\pi,\pi] 上可积与绝对可积,其傅里叶级数 f(x)a02+n=1ancosnx+bnsinnxf(x)\sim \dfrac {a_0} 2+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos nx+b_n\sin nx

x[π,π]:0xf(t)dt=a02x+n=1annsinnxbnncosnx+bnn\forall x\in[-\pi,\pi]:\int_0^x f(t)\text d t=\dfrac {a_0}2 x+\sum_{n=1}^\infty\dfrac{a_n}{n}\sin n x-\dfrac{b_n}{n}\cos nx+\dfrac{b_n}n

Prop:

对于三角级数 a02+n=1ancosnx+bnsinnx\dfrac {a_0} 2+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos nx+b_n\sin nx,如果是某个函数的傅里叶级数,则有级数 n=1bnn\sum_{n=1}^\infty\dfrac{b_n} n 收敛。

反过来如果 n=1bnn\sum_{n=1}^\infty\dfrac{b_n} n 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):

ff[π,π][-\pi,\pi] 上连续,f(π)=f(π)f(-\pi)=f(\pi),且除有限个点外可导,f(x)a02+n=1ancosnx+bnsinnxf(x)\sim \dfrac {a_0} 2+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos nx+b_n\sin nx

f(x)f'(x) 可积与绝对可积,其傅里叶级数可以由 f(x)f(x) 的傅里叶级数逐项求导得到。

f(x)n=1nansinnx+nbncosnxf'(x)\sim \sum_{n=1}^\infty -na_n\sin nx+n b_n\cos nx

然后我们讨论傅里叶级数的逼近问题

Def(三角多项式):

对于 nNn\in\N,形如 α02+k=1nαkcoskx+βksinkx\dfrac{\alpha_0}2+\sum_{k=1}^n\alpha_k\cos kx+\beta_k\sin kx 的函数称为 nn 阶三角多项式。

记所有 nn 阶三角多项式构成的几何为 Tn\mathbb T^n

Def(可积与平方可积):

ff[π,π][-\pi,\pi] 上黎曼可积或者瑕积分 ππf2(x)dx\int_{-\pi}^\pi f^2(x)\text d x 收敛,称 ff[π,π][-\pi,\pi] 上可积与平方可积。

[π,π][-\pi,\pi] 上所有可积与平方可积函数的全体为 L2[π,π]L^2[-\pi,\pi]

容易验证 Tn,L2[π,π]\mathbb T^n,L^2[-\pi,\pi] 是线性空间,且 Tn\mathbb T^nL2[π,π]L^2[-\pi,\pi] 的子空间。

定义内积 f,g=ππf(x)g(x)dx\langle f,g\rangle=\int_{-\pi}^\pi f(x)g(x)\text d x,导出范数 f(x)=ππf2(x)dx\|f(x)\|=\sqrt{\int_{-\pi}^\pi f^2(x)\text d x}

导出距离 d(f,g)=ππ(f(x)g(x))2dxd(f,g)=\sqrt{\int_{-\pi}^\pi(f(x)-g(x))^2\text d x}

由三角函数系的正交性,我们知道 {12π,cosxπ,sinxπ,,cosnxπ,sinnxπ}\{\dfrac{1}{\sqrt{2\pi}},\dfrac{\cos x}{\sqrt \pi},\dfrac{\sin x}{\sqrt\pi},\cdots,\dfrac{\cos nx}{\sqrt{\pi}},\dfrac{\sin nx}{\sqrt{\pi}}\}Tn\mathbb T^n 的一组标准正交基。

d(f,Tn)d(f,\mathbb T^n)ffTn\mathbb T^n 的距离,定义为 infgTnd(f,g)\inf_{g\in \mathbb T^n}d(f,g)

若存在能取到下确界的函数,称为 ffTn\mathbb T^n 中的投影/最佳逼近元素

Thm(最佳逼近):

fL2[π,π]f\in L^2[-\pi,\pi]Sn(f,x)S_n(f,x)f(x)f(x)nn 阶傅里叶多项式,则 Sn(f,x)S_n(f,x)ffTn\mathbb T^n 中的最佳逼近元素。

Prop(Bessel 不等式):

fL2[π,π]f\in L^2[-\pi,\pi],则 a022+n=1an2+bn21πππf2(x)dx\dfrac{a_0^2}2+\sum_{n=1}a_n^2+b_n^2\le \dfrac 1 \pi\int_{-\pi}^\pi f^2(x)\text d x

Prop:

ff[π,π][-\pi,\pi] 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)f(-\pi)=f(\pi),又 f(x)f'(x)[π,π][-\pi,\pi] 上黎曼可积,则 ff 的傅里叶级数在 [π,π][-\pi,\pi] 上一致收敛于 f(x)f(x)

Def(平方平均收敛):

fL2[π,π]f\in L^2[-\pi,\pi],为任一给定函数,若存在 {fn}L2[π,π]\{f_n\}\subset L^2[-\pi,\pi],使得 limnffn2=0\lim_{n\to\infty} \|f-f_n\|^2=0 则称 {fn(x)}\{f_n(x)\} 平方平均收敛于 f(x)f(x)

Thm(Parseval 等式):

fL2[π,π]f\in L^2[-\pi,\pi],则 f(x)f(x) 的傅里叶多项式构成的三角多项式列 {Sn(f,x)}\{S_n(f,x)\} 平方平均收敛于 f(x)f(x),即 limnππ(f(x)Sn(f,x))2dx=0\lim_{n\to\infty}\int_{-\pi}^\pi(f(x)-S_n(f,x))^2\text d x=0

等价于 a022+n=1an2+bn2=1πππf2(x)dx\dfrac{a_0^2}2+\sum_{n=1}a_n^2+b_n^2= \dfrac 1 \pi\int_{-\pi}^\pi f^2(x)\text d x

Parseval 等式也被称作能量等式。

Prop:

ff[π,π][-\pi,\pi] 上的连续函数,且与三角函数系 {1,cosx,sinx,,cosnx,sinnx,}\{1,\cos x,\sin x,\cdots,\cos nx,\sin nx,\cdots\} 中每一个函数正交,则有 f(x)0f(x)\equiv 0

证明考虑使用 Parseval 等式。

Prop(唯一性):

f,gf,g[π,π][-\pi,\pi] 上的连续函数,若 f,gf,g 有相同的傅里叶系数,则 fgf\equiv g

相减用上一个推论即可。