泛函分析丁时进教授课件.ppt
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- 分析 丁时进 教授 课件
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1、演讲者:丁时进教授演讲者:丁时进教授时时 间:间:2006年年11月月30日日一一.分析数学的发展历程:分析数学的发展历程:1.初创初创 现代分析数学的发展应该起源于微积分的现代分析数学的发展应该起源于微积分的发明和极限理论的建立。即使仅仅是对发明和极限理论的建立。即使仅仅是对“数数“的理论的完善也归功于极限论的建立。的理论的完善也归功于极限论的建立。经过经过16世纪中叶到世纪中叶到17世纪初的酝酿,牛顿世纪初的酝酿,牛顿(16421727)和莱布尼茨()和莱布尼茨(16461716)终于在)终于在17世纪下半叶创立了微积分。世纪下半叶创立了微积分。在此之前,通过略去高次项(即忽略高阶在此之前
2、,通过略去高次项(即忽略高阶无穷小量)。帕斯卡,费马,沃利斯,巴罗等无穷小量)。帕斯卡,费马,沃利斯,巴罗等著名学者使微积分学产生萌芽。著名学者使微积分学产生萌芽。牛顿的流数术(微积分)是他一生三大发牛顿的流数术(微积分)是他一生三大发明之一。明之一。20,yxodtx yxoyodxdydxdt dydtdtdt给定函数时间的刹那用 表示(即)的刹那用和表示(即)流数术:流数术:22222222,-(2)0-0,-2022xxoyyox yyyoxxxox oy xyoxxox ox oyxxdyxdx以及代替 代入方程得到 由于故有 略去得流数现在通用的记号为“已知量之间的关系,求他的流数
3、;以及反过已知量之间的关系,求他的流数;以及反过来来”牛顿的微分和积分的观点牛顿的微分和积分的观点互逆运互逆运算:微积分学基本定理。算:微积分学基本定理。(1736年发表年发表)莱布尼兹:考察切线,第一次引入了莱布尼兹:考察切线,第一次引入了 符号,沿用至今。符号,沿用至今。,dx,dy 1734年贝克莱嘲笑年贝克莱嘲笑“无穷小量是无穷小量是已死已死量的幽灵量的幽灵,因为是费马略去的无穷小量,因为是费马略去的无穷小量 ,还是牛顿的还是牛顿的 ,一直到莱布尼茨的,一直到莱布尼茨的 ,又是又是 又不是又不是 ,招之即来,挥之即去,招之即来,挥之即去,“鬼使神鬼使神差差”。达朗贝尔达朗贝尔将微积分的
4、基础归结为极将微积分的基础归结为极限。但没创造完整体系。限。但没创造完整体系。Eooodx 欧拉利用这种不严谨的微积分创立了微分方欧拉利用这种不严谨的微积分创立了微分方程,无穷级数,变分学诸多学科并解决了大量程,无穷级数,变分学诸多学科并解决了大量天文,物理,力学问题,著有天文,物理,力学问题,著有无穷小分析引无穷小分析引论论。拉格朗日,拉普拉斯,勒让德,傅立叶拉格朗日,拉普拉斯,勒让德,傅立叶在分析学方面都作出了巨大贡献。在分析学方面都作出了巨大贡献。但至此,微积分学的基础还没有找但至此,微积分学的基础还没有找到合适的解决办法。所以,法国哲学家到合适的解决办法。所以,法国哲学家伏尔泰称微积分
5、为伏尔泰称微积分为“精确计算和度量的一精确计算和度量的一个其存在性是无从想象的东西的艺术。个其存在性是无从想象的东西的艺术。”柯西柯西分析教程分析教程:“若代表某变量的一若代表某变量的一串数值无限地趋向于某一数值,其差可以任意串数值无限地趋向于某一数值,其差可以任意小,则该固定值称为这一串数的极限小,则该固定值称为这一串数的极限”,他将,他将分析学奠定在极限概念之上,但仍然使用分析学奠定在极限概念之上,但仍然使用“无无限趋向限趋向”,“要多小就有多小要多小就有多小”一类不严格的一类不严格的语言。语言。魏尔斯特拉斯(魏尔斯特拉斯(1815-1897)将柯西的思)将柯西的思想想“算术化算术化”,出
6、现了至今通用的,出现了至今通用的 语言语言。语言语言柯西准则柯西准则构成微积分构成微积分的基础的基础“极限论极限论”的基础。的基础。2.微积分的基础微积分的基础 3.实数理论实数理论 在十九世纪分析学发展的同时,人类也在十九世纪分析学发展的同时,人类也完善了实数理论。柯西首先认识到完善了实数理论。柯西首先认识到“无理数无理数是有理数迫近的极限是有理数迫近的极限”(即:实数域是有理(即:实数域是有理数域的完备化)。但极限又要用到实数,这数域的完备化)。但极限又要用到实数,这形成了一个循环论证。形成了一个循环论证。梅莱,海涅,康托把无理数看成柯西列。梅莱,海涅,康托把无理数看成柯西列。戴德金采用对
7、有理数分割的办法,建立戴德金采用对有理数分割的办法,建立了不依赖于极限论的实数理论。了不依赖于极限论的实数理论。勒贝格(勒贝格(1875-1941)创立可列可加创立可列可加测度的积分论,形成实变函数论。测度的积分论,形成实变函数论。以实分析为基础的概率论和随机过程,以实分析为基础的概率论和随机过程,称为现代分析。称为现代分析。复变函数论的发展,形成复分析。复变函数论的发展,形成复分析。以函数空间为背景的泛函和算子理论以函数空间为背景的泛函和算子理论泛函分析。泛函分析。此外还有傅立叶分析等。此外还有傅立叶分析等。4.20世纪分析学的发展世纪分析学的发展 20世纪分析学的另一特征是用拓扑学和世纪分
8、析学的另一特征是用拓扑学和代数学,处理高维空间中的曲面和曲线以及代数学,处理高维空间中的曲面和曲线以及多变量函数的整体性质,形成流形上的分析。多变量函数的整体性质,形成流形上的分析。流形上的分析结合了微分几何学流形上的分析结合了微分几何学偏微分方偏微分方程程多复变函数论,成为当代数学的主流方多复变函数论,成为当代数学的主流方向。外微分形式向。外微分形式反函数理论,成为当代分反函数理论,成为当代分析学的基础知识。析学的基础知识。同时同时,20世纪分析学的发展,使非线性世纪分析学的发展,使非线性分析成为最活跃的数学分支之一,其基础理分析成为最活跃的数学分支之一,其基础理论是算子理论。论是算子理论。
9、泛函分析使分析学跃上新的高度。希尔泛函分析使分析学跃上新的高度。希尔伯特空间伯特空间巴拿赫空间巴拿赫空间广义函数论成为常广义函数论成为常识。识。现在我们知道,无穷小量不再是一个量,现在我们知道,无穷小量不再是一个量,而是一个变化的过程。而是一个变化的过程。从上面可以看到,分析数学的发展经从上面可以看到,分析数学的发展经历了近历了近3百年漫长的历史。数学成为现代百年漫长的历史。数学成为现代科学的基础,已经成为人类的共识。科学的基础,已经成为人类的共识。二二.从从“数数“到到”泛函分析泛函分析“的知识的知识体系体系数(自然数数(自然数整数整数有有理数理数实数实数复数)复数)变量变量函数(描述变量之
10、间函数(描述变量之间的变化关系)的变化关系)极限极限函数的分析性质,实数理论的建函数的分析性质,实数理论的建立(有限维欧式空间上的定义的立(有限维欧式空间上的定义的函数)函数)实分析(实分析(Lebesgue积分理论积分理论函数空间的研究(函数空间的研究(Hilbert空空间,间,Banach空间空间无限维无限维空间)空间)函数空间上定义的函数,函数空间上定义的函数,即泛函或算子即泛函或算子线性泛函非线性泛函 派生:微分几何学,复变函数,微派生:微分几何学,复变函数,微分方程等;分方程等;现代:流形现代:流形流形上的分析学。流形上的分析学。三、用现代数学的观点看已学过数学三、用现代数学的观点看
11、已学过数学 知识知识从上面的发现过程看来,可以归结为:从上面的发现过程看来,可以归结为:变 量 函 数(泛 函)性 质 第一阶段:变量取的是第一阶段:变量取的是“数数“,函数就,函数就是通常所说的函数是通常所说的函数 第二阶段:变量取的是第二阶段:变量取的是“函数空间中的函数空间中的元素元素”函数变成了泛函。函数变成了泛函。所以,总是首先对变量所在的所以,总是首先对变量所在的“空间空间”研究清楚,才能研究定义在这个研究清楚,才能研究定义在这个“空间空间”上上的的“函数函数”。变量所在的变量所在的“空间空间”,除了其代数运算,除了其代数运算与代数性质(群,环,域)外,对于研究在与代数性质(群,环
12、,域)外,对于研究在他上面定义的分析性质来说,他上面定义的分析性质来说,“空间空间”的分的分析性质是十分重要的。析性质是十分重要的。1.,:1,0,02,3,Xx yX XRx yx yxyx yy xx zx yy zXX空间的可度量性非空集合 上可定义一个双变量函数()符合()(),且()()()()()()()()则 和 一起,(,)称为一个度量空间或距离空间。221212()()dxxyy 小学就开始学习小学就开始学习“距离空间距离空间”。如,直。如,直线线上点与点之间的距离。中学时学习的上点与点之间的距离。中学时学习的作为两个点作为两个点(x(x1,1,y y1 1)和和(x(x2
13、2,y,y2 2)之间的距离。之间的距离。其实,现在我们知道,还可以采用很其实,现在我们知道,还可以采用很 多方法定义距离。多方法定义距离。1231231212,XVVXx VVx VVVXX集合 的子集族:如果满足:():;(),若则,使则 与 一起成为一拓扑空间,为 的拓扑结构。有了拓扑结构,就可以定义收敛性。例如,数学分析中的收敛性就完全可以用领域来研究。2.在空间上定义拓扑在空间上定义拓扑定义收敛性定义收敛性11,XRa bRa b如果度量空间(,)中按度量 所定义的柯西列都会收敛到该空间的一点,那么,这个空间就叫做完备的度量空间。例如,有理数域不完备,但它可以完备化:把有理数域的所有
14、有极限加进去就会完备起来,构成。是 的完备子空间,()就不是。13.R空间的完备性,实数构成的空间nR 一般说来,一般说来,中有界闭集合一定是紧中有界闭集合一定是紧的,这就是数学分析中所说的致密性定理。的,这就是数学分析中所说的致密性定理。1,XXXa ba bR 若度量空间(,)中的任何一个点列都有收敛列,中某个元素的子列,则(,)叫紧空间。在数学分析中叫致密性。如紧()不紧,不紧。4.紧性 但是,到了无限维空间,例如一般的但是,到了无限维空间,例如一般的Banach空间,其中的有界集就不一定有收敛空间,其中的有界集就不一定有收敛子列。常见的例子是,有界的连续函数列不一子列。常见的例子是,有
15、界的连续函数列不一定有一致收敛的子列,还要加上诸如定有一致收敛的子列,还要加上诸如“等度连等度连续性续性“条件(条件(Arzela-Ascoli).5.现在我们看看现在我们看看“函数空间函数空间”1在 上连续的函数的全体构成一个集合 。按照通常的加法和数乘,构成一个线性空间,把里面的元素视为点。,a b,C a b ,max()(),xa bnf gC a bf gf xg xfC a bC a bff定义为 与g的距离(满足距离的三条)可以证明1是一个完备的度量空间.2中等价于数学分析中的一致收敛性222(),.,()(),banfxa bLebesguef gf x g x dxRLa b
16、把在上可积的函数全体构成一个集合定义内积 那么它满足中关于内积的定义记作2,0,fgf gffffg fgfgLa b与 垂直:为 的长度为 与 的距离是无限维1 Dirichlet函数不是黎曼可积的,但是它 是Lebesgue可积的.2积分与极限交换顺序的问题6.另三个典型的例子可以看到另三个典型的例子可以看到 人类认识的发展人类认识的发展:lim()lim()(),()()lim()lim()bbnnaannnnnbbnnaannfx dxfx dxfxa bfxfxF xF xLebesguefx dxfx dx在数学分析中,要进行 运算,要满足条件:在上连续,一致收敛条件很强 在实变函
17、数中,只要求几乎处处收敛且其中是可积,则有 3在通常意义和在通常意义和Lebesgue意义意义 下都无法解释的下都无法解释的“函数函数”01.,0,01,0 xxH xxH xx 在,上,仅仅在有质量为 的质点,其他地方均无质点分布 那么,记上的总质量为于是 0,0,00,0,xxHxxxx 对 求导数:记为叫 函数.它不属于我们在数学分析和实变函数见过的任何函数.称之为“广义函数”,在物理学中有特殊意义四、几个问题a.极值问题从函数极值到短程线问题()()()0()()0()0()()0f xf xfxf xxfxfxf xxfx00000一元函数的极值问题(假设处处可导).在 处取极小 在
18、 处取极大00000000000000(,)(,)(,)(,)(,)0 xyzxxxyxzxyyyyzxzyzzzPf x y zP xyzfxyzfxyzfxyzfffffffff多元函数的极值(假设在两次可微)半正定半正定极小极小半负定半负定极大极大泛函的极值:短程线,障碍问题泛函的极值:短程线,障碍问题 ,.KFKFF设 是一函数集合,是定义在 上的泛函,即对 函数存在唯一的数与之对应 问题:如何求出,使得最小或是极小?(1)捷线问题:)捷线问题:初速为0的质点,仅受重力作用,沿光滑曲线由定点 A滑行到定点B(B低于A但不在同一条垂直于地面的直线上),为使滑行时间最短,问滑行的曲线是怎样
19、的?AyBx.,0,2,Ayy xx yvgyds取 为原点作坐标系如图设曲线曲线方程为因为仅受重力作用,初速为,故在点处速度为故所滑行弧段需要的时间为分析:分析:212y dxdsdTvgy 2012(0)0,()BxBByTdxgyyy xKy xyy xy总时间 是函数的函数(泛函)要使这个泛函在光滑中取最小!0000Byyxyxxx设所求曲线为,则使光滑,都有0()()0()(0)0,(0)0.f tT ytttff 在取最小所以可从 来讨论AyBx 0y=yx0()yyxtx AB(2)短程线短程线众所周知,连接平面上两点众所周知,连接平面上两点A、B的最短线为的最短线为直线。那么,
20、我们来考虑如下有趣的问题:直线。那么,我们来考虑如下有趣的问题:要在山坡上修建一条最要在山坡上修建一条最短的公路连接两个居民短的公路连接两个居民点点A、B,问如何选线?,问如何选线?分析:设山坡的曲面方程分析:设山坡的曲面方程为为F(x,y,z)=0,设连接设连接A、B的曲线为:的曲线为:y=y(x)z=z(x):则则A、B 间曲线间曲线 的弧长是的弧长是221()()BAxxLyxzx dx所以,要在约束条件所以,要在约束条件F(x,y,z)=0之下,求泛函之下,求泛函22(),()1BAxxL y xz xyz dx的最小值的最小值(3)等周问题)等周问题:平面上一切有定长的简单闭曲平面上
21、一切有定长的简单闭曲线中,确定一条围成最大面积的曲线。线中,确定一条围成最大面积的曲线。设曲线方程为设曲线方程为 是定长,则面为是定长,则面为 ,求求A在约束条件在约束条件之下求最小值之下求最小值等周问题。等周问题。01(),(),xx tyy tttt12 Axdyydx1022ttxydt历史上用平面几何和不等式的办法曾经证明了下历史上用平面几何和不等式的办法曾经证明了下面的等周定理,为了证明它,人类花了两千多年面的等周定理,为了证明它,人类花了两千多年(1)在具有给定周长的所有平面图形中,)在具有给定周长的所有平面图形中,圆的面积最大。圆的面积最大。(2)在所有给定面积的平面图形中,圆的
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