查看文章 |
摘自《百度百科》
1、解析函数 analytic function ------------------------------------------------------我是分割线-------------------------------------------------------------
《实变函数》和《复变函数》都是数学系本科的专业课程。简单的说《实变函数》主要研究的是定义域为实数的函数的性质,而《复变函数》主要研究的是定义域为复数的函数的性质。 《实变函数》主要引进了一种新的积分-Lebesgue积分,用来研究不连续函数的积分问题。
《复变函数》主要研究定义域为复数的函数的微积分以及幂级数展开等性质。可以理解为复数函数的《数学分析》。但内容上有所增加。 复数的概念起源于求方程的根,在二次、三次代数方程的求根中就出现了负数开平方的情况。在很长时间里,人们对这类数不能理解。但随着数学的发展,这类数的重要性就日益显现出来。复数的一般形式是:a+bi,其中i是虚数单位。
以复数作为自变量的函数就叫做复变函数,而与之相关的理论就是复变函数论。解析函数是复变函数中一类具有解析性质的函数,复变函数论主要就研究复数域上的解析函数,因此通常也称复变函数论为解析函数论。 复变函数论产生于十八世纪。1774年,欧拉在他的一篇论文中考虑了由复变函数的积分导出的两个方程。而比他更早时,法国数学家达朗贝尔在他的关于流体力学的论文中,就已经得到了它们。因此,后来人们提到这两个方程,把它们叫做“达朗贝尔-欧拉方程”。到了十九世纪,上述两个方程在柯西和黎曼研究流体力学时,作了更详细的研究,所以这两个方程也被叫做“柯西-黎曼条件”。
复变函数论的全面发展是在十九世纪,就像微积分的直接扩展统治了十八世纪的数学那样,复变函数这个新的分支统治了十九世纪的数学。当时的数学家公认复变函数论是最丰饶的数学分支,并且称为这个世纪的数学享受,也有人称赞它是抽象科学中最和谐的理论之一。 为复变函数论的创建做了最早期工作的是欧拉、达朗贝尔,法国的拉普拉斯也随后研究过复变函数的积分,他们都是创建这门学科的先驱。 后来为这门学科的发展作了大量奠基工作的要算是柯西、黎曼和德国数学家维尔斯特拉斯。二十世纪初,复变函数论又有了很大的进展,维尔斯特拉斯的学生,瑞典数学家列夫勒、法国数学家彭加勒(也译作 庞加莱)、阿达玛等都作了大量的研究工作,开拓了复变函数论更广阔的研究领域,为这门学科的发展做出了贡献。 复变函数论在应用方面,涉及的面很广,有很多复杂的计算都是用它来解决的。比如物理学上有很多不同的稳定平面场,所谓场就是每点对应有物理量的一个区域,对它们的计算就是通过复变函数来解决的。 比如俄国的茹柯夫斯基在设计飞机的时候,就用复变函数论解决了飞机机翼的结构问题,他在运用复变函数论解决流体力学和航空力学方面的问题上也做出了贡献。 复变函数论不但在其他学科得到了广泛的应用,而且在数学领域的许多分支也都应用了它的理论。它已经深入到微分方程、积分方程、概率论和数论等学科,对它们的发展很有影响。 复变函数论主要包括单值解析函数理论、黎曼曲面理论、几何函数论、留数理论、广义解析函数等方面的内容。 如果当函数的变量取某一定值的时候,函数就有一个唯一确定的值,那么这个函数解就叫做单值解析函数,多项式就是这样的函数。 复变函数也研究多值函数,黎曼曲面理论是研究多值函数的主要工具。由许多层面安放在一起而构成的一种曲面叫做黎曼曲面。利用这种曲面,可以使多值函数的单值枝和枝点概念在几何上有非常直观的表示和说明。对于某一个多值函数,如果能作出它的黎曼曲面,那么,函数在离曼曲面上就变成单值函数。 黎曼曲面理论是复变函数域和几何间的一座桥梁,能够使我们把比较深奥的函数的解析性质和几何联系起来。近来,关于黎曼曲面的研究还对另一门数学分支拓扑学有比较大的影响,逐渐地趋向于讨论它的拓扑性质。 复变函数论中用几何方法来说明、解决问题的内容,一般叫做几何函数论,复变函数可以通过共形映象理论为它的性质提供几何说明。导数处处不是零的解析函数所实现的映像就都是共形映象,共形映像也叫做保角变换。共形映象在流体力学、空气动力学、弹性理论、静电场理论等方面都得到了广泛的应用。 留数理论是复变函数论中一个重要的理论。留数也叫做残数,它的定义比较复杂。应用留数理论对于复变函数积分的计算比起线积分计算方便。计算实变函数定积分,可以化为复变函数沿闭回路曲线的积分后,再用留数基本定理化为被积分函数在闭合回路曲线内部孤立奇点上求留数的计算,当奇点是极点的时候,计算更加简洁。 把单值解析函数的一些条件适当地改变和补充,以满足实际研究工作的需要,这种经过改变的解析函数叫做广义解析函数。广义解析函数所代表的几何图形的变化叫做拟保角变换。解析函数的一些基本性质,只要稍加改变后,同样适用于广义解析函数。 广义解析函数的应用范围很广泛,不但应用在流体力学的研究方面,而且象薄壳理论这样的固体力学部门也在应用。因此,近年来这方面的理论发展十分迅速。 从柯西算起,复变函数论已有170多年的历史了。它以其完美的理论与精湛的技巧成为数学的一个重要组成部分。它曾经推动过一些学科的发展,并且常常作为一个有力的工具被应用在实际问题中,它的基础内容已成为理工科很多专业的必修课程。现在,复变函数论中仍然有不少尚待研究的课题,所以它将继续向前发展,并将取得更多应用。 ------------------------------------------------------我是分割线------------------------------------------------------------- 勒贝格积分 将给定的函数按函数值的区域进行划分,作和、求极限而产生的积分概念,就是勒贝格积分。
定义:设f (x) 是E ∈ L q(mE < ∞) 上的有界函数,则称f (x) ∈ L(E) ,如果 对任意ε > 0,必然存在E 的分划D,使 S(D, f ) -s(D, f ) = ΣωimEi<ε , 这里S(D, f ) 及s(D, f )分别是f (x) 关于分划D 的大和及小和,ωimEi是Ei上的振幅。 它与黎曼积分的主要区别在于前者是对函数的函数值区域进行划分;后者是对函数定义域进行划分。 对此Lebesgue自己曾经作过一个比喻,他说: 假如我欠人家一笔钱,现在要还,此时按钞票的面值的大小分类,然后计算每一类的面额总值,再相加,这就是Lebesgue积分思想;如不按面额大小分类,而是按从钱袋取出的先后次序来计算总数,那就是Riemann积分思想。(参见:周性伟,实变函数教学的点滴体会,《高等理科教学》,2000.1) 即采取对值域作分划,相应得到对定义域的分划(每一块不一定是区间), 使得在每一块上的振幅都很小, 即按函数值的大小对定义域的点加以归类。 ------------------------------------------------------我是分割线------------------------------------------------------------- 微积分产生于十七世纪,到了十八世纪末十九世纪初,微积分学已经基本上成熟了。数学家广泛地研究并建立起它的许多分支,是它很快就形成了数学中的一大部门,也就是数学分析。
也正是在那个时候,数学家逐渐发现分析基础本身还存在着学多问题。比如,什么是函数这个看上去简单而且十分重要的问题,数学界并没有形成一致的见解。以至长期争论者问题的这样和那样的解答,这样和那样的数学结果,弄不清究竟谁是正确的。又如,对于什么是连续性和连续函数的性质是什么,数学界也没有足够清晰的理解。 十九世纪初,曾经有人试图证明任何连续函数除个别点外总是可微的。后来,德国数学家维尔斯特拉斯提出了一个由级数定义的函数,这个函数是连续函数,但是维尔斯特拉斯证明了这个函数在任何点上都没有导数。这个证明使许多数学家大为吃惊。 由于发现了某些函数的奇特性质,数学家对函数的研究更加深入了。人们又陆续发现了有些函数是连续的但处处不可微,有的函数的有限导数并不黎曼可积;还发现了连续但是不分段单调的函数等等。这些都促使数学家考虑,我们要处理的函数,仅仅依靠直观观察和猜测是不行的,必须深入研究各种函数的性质。比如,连续函数必定可积,但是具有什么性质的不连续函数也可积呢?如果改变积分的定义,可积分条件又是什么样的?连续函数不一定可导,那么可导的充分必要条件由是什么样的?…… 上面这些函数性质问题的研究,逐渐产生了新的理论,并形成了一门新的学科,这就是实变函数。 以实数作为自变量的函数就做实变函数,以实变函数作为研究对象的数学分支就叫做实变函数论。它是微积分学的进一步发展,它的基础是点集论。什么是点集论呢?点集论是专门研究点所成的集合的性质的理论。也可以说实变函数论是在点集论的基础上研究分析数学中的一些最基本的概念和性质的。比如,点集函数、序列、极限、连续性、可微性、积分等。实变函数论还要研究实变函数的分类问题、结构问题。
实变函数论的内容包括实值函数的连续性质、微分理论、积分理论和测度论等。这里我们只对它的一些重要的基本概念作简要的介绍。 实变函数论的积分理论研究各种积分的推广方法和它们的运算规则。由于积分归根到底是数的运算,所以在进行积分的时候,必须给各种点集以一个数量的概念,这个概念叫做测度。 什么实测度呢?简单地说,一条线段的长度就是它的测度。测度的概念对于实变函数论十分重要。集合的测度这个概念实由法国数学家勒贝格提出来的。 为了推广积分概念,1893年,约当在他所写的《分析教程》中,提出了“约当容度”的概念并用来讨论积分。1898年,法国数学家波莱尔把容度的概念作了改进,并把它叫做测度。波莱尔的学生勒贝格后来发表《积分、长度、面积》的论文,提出了“勒贝格测度”、“勒贝格积分”的概念。勒贝格还在他的论文《积分和圆函数的研究》中,证明了有界函数黎曼可积的充分必要条件是不连续点构成一个零测度集,这就完全解决了黎曼可积性的问题。 勒贝格积分可以推广到无界函数的情形,这个时候所得积分是绝对收敛的,后来由推广到积分可以不是绝对收敛的。从这些就可以看出,勒贝格积分比起由柯西给出后来又由黎曼发扬的老积分定义广大多了。也可以看出,实变函数论所研究的是更为广泛的函数类。 自从维尔斯特拉斯证明连续函数必定可以表示成一致收敛的多项式级数,人们就认清连续函数必定可以解析地表达出来,连续函数也必定可以用多项式来逼近。这样,在实变函数论的领域里又出现了逼近论的理论。 什么是逼近理论呢?举例来说,如果能把 A类函数表示成 B类函数的极限,就说 A类函数能以 B类函数来逼近。如果已经掌握了 B类函数的某些性质,那么往往可以由此推出 A类函数的相应性质。逼近论就是研究那一类函数可以用另一类函数来逼近、逼近的方法、逼近的程度和在逼近中出现的各种情况。 和逼近理论密切相关的有正交级数理论,三角级数就是一种正交级数。和逼近理论相关的还有一种理论,就是从某一类已知函数出发构造出新的函数类型的理论,这种理论叫做函数构造论。 总之,实变函数论和古典数学分析不同,它是一种比较高深精细的理论,是数学的一个重要分支,它的应用广泛,它在数学各个分支的应用是现代数学的特征。 实变函数论不仅应用广泛,是某些数学分支的基本工具,而且它的观念和方法以及它在各个数学分支的应用,对形成近代数学的一般拓扑学和泛涵分析两个重要分支有着极为重要的影响。 ------------------------------------------------------我是分割线------------------------------------------------------------- 所谓测度,通俗的讲就是测量几何区域的尺度。 我们知道直线上的闭区间的测度就是通常的线段长度; 平面上一个闭圆盘 的测度就是它的面积。 对于更一般的集合,我们能不能定义测度呢? 比如直线上所有有理数构成的集合,它的测度怎么衡量呢? 一个简单的办法, 就是先在每个有理点上找一个开区间覆盖它,就好比给它带个“帽子”。因为有理数集是可列集(就是可以排像自然一样排好队,一个个数出来,也叫可数集,见集合论),所以我们可以让第n个有理数上盖的开区间长度是第一个有理数(比方是1)上盖的开区间长度的2^n分之一。 这样所有那些开区间的长度之和是个有限值(就是1上的开区间长度的2倍)。 现在我们让1上的开区间逐渐缩小趋向于一个点,那么所有区间的总长度也相应缩小,趋向于长度0。 这样我们就说有理数集的测度是0。 用上面这种方法定义的测度也叫外测度。 一个几何区域有了测度,我们就可以定义上面的函数的积分,这是推广的黎曼积分。 比如实数上的狄利克雷函数D(x)=1(如果x是有理数),0(如果x是无理数)。 如果按照通常的理解,我们发现狄利克雷函数在整个数轴上的定积分不存在;但是按照上面讲的有理数的测度,我们就可以求出它的定积分是0。 实直线上的测度如下给出: 设E是实数集,考虑可数个区间(aj,bj)满足对任何x∈E,都有某个j,使得x∈(aj,bj);考虑所有情形下和(b1-a1)+(b2-a2)+..的下确界称为E的外测度 如果对任何集合F都有E∩F和F\E的外测度之和等于F的外测度,称E可测,定义其测度等于外测度 直观含义上面的朋友已经解释过了 ------------------------------------------------------我是分割线-------------------------------------------------------------
测度的相关数学定义: 集函数:设Ψ是上的非空集合类。若对于每个一个A∈Ψ,都有一个实数或者±∞之一与之对应(为确定起见,下面假定只取+∞),记为φ(A),且至少有一个A∈Ψ,使得φ(A)取有限值,称φ(A)为定义在Ψ上的集函数。 (1)若对任意的正整数n以及任意的Ai∈Ψ,i=1,2……,n,Ai∩Aj=Ø(i≠j),且(A1∪A2∪…Ai∪…An)∈Ψ,有 φ(A1∪A2∪…Ai∪…An)=∑[φ(A1)∪φ(A2)∪…φ(Ai)∪…φ(An)], 则称φ在Ψ上具有有限可加性,也称φ是Ψ上的有限可加集函数。 (2)若对可列集的Ai∈Ψ,i=1,2……,n,Ai∩Aj=Ø(i≠j),且(A1∪A2∪…Ai∪…A∞)∈Ψ,有 φ(A1∪A2∪…Ai∪…A∞)=∑[φ(A1)∪φ(A2)∪…φ(Ai)∪…φ(A∞)], 则称φ在Ψ上具有完全可加性或者б-可加性,也称φ是Ψ上的б-可加集函数或者广义测度。 (3)若对每一个A∈Ψ,φ(A)都取有限值,则称φ为上的有限集函数。如果对每一个A∈Ψ,存在一个集合序列?Ψ,使得 A?(A1∪A2∪…Ai∪…A∞),φ(An)<+∞,n=1,2,…… 则称φ是Ψ上的б-有限集函数。 (4)若集函数为有限可加且只取非负值则称为有限可加测度。若集函数为б-可加,且只取非负值,则称为测度,用μ或ν表示。具有性质Ω∈Ψ且ν(Ω)=1的测度,称为概率测度或者简称概率,一般用P表示。 ------------------------------------------------------我是分割线------------------------------------------------------------- 此外,测度还可以取值于任何线性空间(通常带有一定拓扑,比如Banach空间),只要满足相应的可数可加性。在Hilbert空间算子理论中还有所谓谱测度的概念,其中测度的取值为一固定Hilbert空间中投影算子的全体,且满足(在强意义下)的可数可加性。 如果测度空间X是拓扑空间而所考虑的б代数(或者б环,后者按照Halmos《Measure Theory》)由全体紧集生成(这定义不是标准的;有的书上说是由全体开集生成),且测度在每个紧集上取有限值,则称为Borel测度。如果Borel测度限制在所有能写成可数个开集的交的紧集生成的б环上,则称为Baire测度。如果任何可测集E满足 μ(E)=sup{μ(K): K含于E,K紧}=inf{μ(O):O包含E,O开} 则称μ为正则测度。 Riesz-Markov表示定理:设X为局部紧T2空间,则对Cc(X)(即X上有紧支集的连续函数全体)上任何正线性泛函φ,存在正则Borel测度μ使得对任何f,φ(f)等于f关于μ的积分。 ------------------------------------------------------我是分割线-------------------------------------------------------------
鞅(英文martingale)是一个随机过程X(t),这个随机过程应满足如下条件: E(Xt+a|Ft)=Xt,a〉0 其中Ft是随机过程X到时间t为止的表现(或曰信息),鞅就是说这个随机过程的未来与历史表现无关,无论历史路径如何,其未来的期望都是现在的值。 举一个例子就是一系列赌博。假设这个赌博的规则是扔一枚普通硬币,如果正面朝上,你就赢1块钱,反之你就输一块钱。如果我们用 X(t)来表示在扔了t次硬币以后你的总财富,那么X(t)就是一个鞅。因为无论前面t次赌博中硬币朝上或朝下的次数有多少,以后每一次扔掷朝上和朝下的概率都是均等的;也就是说无论从X(0)到X(t)到底是怎么变化的(无论你是一口气连赢t元钱,还是一口气连输t元钱,抑或是先输掉t/2元钱,再赢回t/2元钱,还是其他的结果),以后每一次扔掷对你的财富的影响的数学期望都是: 1/2*1+1/2*(-1)=0 所以对于任何a>0 E(Xt+a|Ft) =E(Xt|Ft)+E(0*a|Ft) =Xt+0*a =Xt 也就是说,Xt是一个鞅。 白噪音即正态分布而产生的时间序列。即一个序列e(t),如果对于任何t, E(e(t))=0 Var(e(t))=s^2(s可以是任意大于0的值); 并且对于任何t1和t2,e(t1)和e(t2)的协方差都是0(即二者完全没有相关性,是完全独立的两个随机变量),即: Covar(e(t1),e(t2))=0 或者,等价地: E(e(t1)*e(t2))=0 那么,序列e(t)就是一个白噪音。 它们的用途,可真是太多了,工科和理科上都很多,比如说通信,或者金融工程(用非常高深的数学建模来构造足以化解有价证券市场涨跌风险的投资组合)等等。像给期权等金融衍生物定价,包括著名的布莱克-斯科尔斯公式,都必须使用鞅来构造数学模型。
------------------------------------------------------我是分割线------------------------------------------------------------- 随机过程(Stochastic Process)是一连串随机事件动态关系的定量描述。随机过程论与其他数学分支如位势论、微分方程、力学及复变函数论等有密切的联系,是在自然科学、工程科学及社会科学各领域研究随机现象的重要工具。随机过程论目前已得到广泛的应用,在诸如天气预报、统计物理、天体物理、运筹决策、经济数学、安全科学、人口理论、可靠性及计算机科学等很多领域都要经常用到随机过程的理论来建立数学模型。 一般来说,把一组随机变量定义为随机过程。在研究随机过程时人们透过表面的偶然性描述出必然的内在规律并以概率的形式来描述这些规律,从偶然中悟出必然正是这一学科的魅力所在。 随机过程整个学科的理论基础是由柯尔莫哥洛夫和杜布奠定的。这一学科最早源于对物理学的研究,如吉布斯、玻尔兹曼、庞加莱等人对统计力学的研究,及后来爱因斯坦、维纳、莱维等人对布朗运动的开创性工作。1907年前后,马尔可夫研究了一系列有特定相依性的随机变量,后人称之为马尔可夫链。1923年维纳给出布朗运动的数学定义,直到今日这一过程仍是重要的研究课题。随机过程一般理论的研究通常认为开始于20世纪30年代。1931年,柯尔莫哥洛夫发表了《概率论的解析方法》,1934年A·辛饮发表了《平稳过程的相关理论》,这两篇著作奠定了马尔可夫过程与平稳过程的理论基础。1953年,杜布出版了名著《随机过程论》,系统且严格地叙述了随机过程基本理论。 研究随机过程的方法多种多样,主要可以分为两大类:一类是概率方法,其中用到轨道性质、停时和随机微分方程等;另一类是分析的方法,其中用到测度论、微分方程、半群理论、函数堆和希尔伯特空间等。实际研究中常常两种方法并用。另外组合方法和代数方法在某些特殊随机过程的研究中也有一定作用。研究的主要内容有:多指标随机过程、无穷质点与马尔可夫过程、概率与位势及各种特殊过程的专题讨论等。中国学者在平稳过程、马尔科夫过程、鞅论、极限定理、随机微分方程等方面做出了较好的工作。 一个实际的随机过程是任意一个受概率支配的过程,例子有:①看做是受孟德尔遗传学支配的群体的发展;②受分子碰撞影响的微观质点的布朗运动,或者是宏观空间的星体运动;③赌场中一系列的赌博;④公路一指定点汽车的通行。 在每一种情形,一个随机系统在演化,这就是说它的状态随着时间而改变,于是,在时间t的状态具有偶然性,它是一个随机变量x(t),参数t的集通常是一个区间(连续参数的随机过程)或一个整数集合(离散参数的随机过程)。然而,有些作者只把随机过程这个术语用于连续参数的情形。 如果系统的状态用一个数来表示,x(t)就是数值的,在其他情形,x(t)可以是向量值或者更为复杂。在本条的讨论中,通常限于数值的情形。当状态变化时,它的值确定一个时间的函数——样本函数,支配过程的概率规律确定赋予样本函数的各种可能性质的概率。 数学上的随机过程是由实际随机过程概念引起的一种数学结构。人们研究这种过程,是因为它是实际随机过程的数学模型,或者是因为它的内在数学意义以及它在概率论领域之外的应用。数学上的随机过程可以简单的定义为一组随机变量,即指定一参数集,对于其中每一参数点t指定一个随机变量x(t)。如果回忆起随机变量自身就是一个函数,以ω表示随机变量x(t)的定义域中的一点,并以x(t,ω)表示随机变量在ω的值,则随机过程就由刚才定义的点偶(t,ω)的函数以及概率的分配完全确定。如果固定t,这个二元函数就定义一个ω的函数,即以x(t)表示的随机变量。如果固定ω,这个二元函数就定义一个t的函数,这是过程的样本函数。概率 一个随机过程的概率分配通常是由指定它的随机变量的联合分布来给定的,这些联合分布以及由它们诱导出来的概率可以解释为样本函数的性质的概率。例如,如果to是一个参数值,样本函数在to取正值的概率是随机变量x(to)有正值的概率。在这个水平上的基本定理:任意指定的自身相容的联合概率分布对应一随机过程。 随机过程的概念很广泛,因而随机过程的研究几乎包括概率论的全部。虽然不能给出一个有用而又狭窄的定义,但是概率论工作者在使用随机过程这个术语时,通常(除非他的兴趣在于一般理论的数学基础)想到的是其随机变量具有某种有意义的相互关系的随机过程,例如,独立性就是这样一种关系。在提出随机过程这个术语之前,独立变量序列就是研究了很长时间的一类随机过程。由于历史上的原因,一般不把这样的序列看做是随机过程(虽然后面将要讨论它的连续参数的类似物——具有独立增量的过程,它被看做是随机过程)。本条的余下部分是对某些特殊的随机过程类作一般的论述,由于这些过程类在数学上和非数学上的应用中十分重要,所以它们已引起了人们的极大注意。 平稳过程 这类随机过程中的任意有限多外随机变量的联合分布不受参数平移的影响,即x(t1+h),…,x(tn+h)的分布与h无关。微分方程 在当今高等教育知识体系中,随机过程方面的基础知识主要在《应用随机过程》和《随机过程论》两门课程中介绍,前者是本科阶段课程,通常在大三开设,简单介绍离散时间Markov链、连续时间Markov链、Brown运动等;后者是研究生课程,介绍鞅论、严平稳过程等知识。另外,电子通信类科目如《通信原理与系统》也涉及这一理论。 |

