讲义: 数学分析

原作者: 于品

本讲义是 2018 年秋季学期起随课程编写的、丘成桐数学英才班试用的数学分析讲义. 上传后的讲义仍然有很多影响观感的排版疏漏或笔误, 甚至可能有一些数学错误, 具体请参见本页面的讨论.

目录

前言之一

前言之二

1数学分析一

目录

数学分析一简介

1实数的公理化描述

2区间套公理与确界原理, 距离空间

3实数的构造: Dedekind 分割

作业: 可数与不可数, Schröder–Bernstein 定理

4极限与收敛

5收敛判别法

6指数函数与三角函数的构造与性质

作业: Riemann 重排, Cesàro 求和, Banach–Mazur 游戏

7乘积级数与 Riemann 函数, 振荡级数的收敛判断, 完备赋范线性空间

作业: 素数的倒数和, Basel 问题的 Euler “证明”

8函数的连续性

9连续映射, 介值定理, 初等函数的构造

10连续函数的拓扑刻画

作业: 拓扑与连续性

11紧性与开覆盖, 一致连续性与函数列的收敛

12利用级数收敛来构造连续函数, 距离空间的完备化

作业: 有无穷多素数的拓扑证明

期中考试: 连续函数环的极大理想

13导数的定义与计算

14导数的基本性质、应用与推广

15中值定理的应用

作业: 高木贞治函数

16空间填充曲线, L’Hôpital 法则, Taylor 展开

17凸函数与 Jensen 不等式

作业: Émile Borel 引理, Peano 的证明

18Riemann 积分的定义

19Riemann 和与 Darboux 上下和

作业: Sturm–Liouville 理论的一个例子

20Riemann 可积函数的刻画, Newton–Leibniz 公式

作业: Dini 定理, 多项式逼近与 Weierstraß–Stone 定理

21Lebesgue 定理

22积分的基本性质, 积分余项, 反常积分

23历史注记: 微分与积分的交换定理, 含参积分

作业: 的无理性

24常微分方程解的存在唯一性, Kepler 三大定律的证明, 变分法

25最速降线问题, 积分中值定理

作业: 二平方和数的密度

26第二积分中值定理, Stieltjes 积分

27Stieltjes 积分的中值定理

作业: 振荡积分

28一元微积分拾遗: Baire 纲定理, Liouville 定理

29一元微积分拾遗: 振荡与衰减

期末考试: 两个积分的计算, 整系数多项式的逼近

寒假作业

2数学分析二

目录

数学分析二简介

30高维的微分学: 高维函数的微分

31映射的微分

作业: 齐次函数与 Euler 公式

32微分同胚与光滑子流形

33子流形的坐标表示, 反函数定理

习题课: 拓扑空间

作业: 反函数和隐函数定理

34隐函数定理, 子流形的判定

35子流形的原像定理, 切空间

作业: 隐函数定理, 经典群的子流形结构

36子流形上的光滑映射与微分学

37Hesse 矩阵与极值点, 凸函数

习题课: 球极投影

作业: Lagrange 乘子法, Morse 引理, 横截相交性

38-代数, 可测空间与可测函数

39测度与测度空间, Carathéodory 扩张定理

40Lebesgue 测度及其性质

41测度空间上的积分, Beppo Levi 定理

作业: 子流形与零测集, Stieltjes 测度, Borel–Cantelli 定理

42可积函数空间, Fatou 引理和 Lebesgue 控制收敛定理

43积分与求导的交换性, 乘积空间

习题课: 硬币空间的测度理论

作业: Lebesgue 控制收敛, 十进制小数的研究

44乘积测度与 Fubini 定理

作业: Archimedes 对抛物线面积的计算, Gauss 积分

45抽象换元积分, Borel 测度的正则性

46常用的换元积分, 子流形上的积分

期中考试: 非 Borel 集的构造

47子流形上的积分计算, Stokes 定理

48Sard 型引理, Stokes 定理的微分拓扑证明

作业: 曲线曲面积分的计算

习题课: Riemann 积分的定义 1

49子流形上的积分计算, 散度定理与 Green 公式

50二维的 Brouwer 不动点定理, Hilbert 空间

51 的完备性, 卷积与逼近

作业: Stokes 定理的应用

习题课: Riemann 积分的定义 2

52 函数的光滑逼近, Fourier 级数

53Fourier 的 理论

作业: 波动方程的局部能量估计

习题课: Riemann 积分的定义 3

54光滑性–衰减速率关系, 积分核, 局部化引理

55Fourier 级数的收敛理论

作业: Fourier 级数的计算, 三角函数与球谐函数

56Bernstein 定理, 等分布定理

57Roth 三项等差数列定理

作业: Fourier 级数几乎处处发散的 函数

期末考试: Maaß 波函数的展开

3数学分析三

目录

数学分析三简介

58分布的定义和例子

59分布的操作: 限制, 求导及复合

60分布的简单应用: Cauchy 积分公式

61分布的局部刻画与支集

作业: 齐次分布, Hadamard 有限部分

62分布的卷积

63微分方程的基本解

作业: 分布的例子, 位势方程

64可卷集, 波动算子的基本解

65选读: 复分析相关知识简介

66Fourier 分析, 上的 Fourier 变换

67 上的 Fourier 变换, Schwartz 空间

作业: Fourier 逆变换, 分布的扩张与张量积

68缓增分布的 Fourier 变换: 定义和基本例子

69缓增分布的 Fourier 变换与卷积

70波动方程和热方程的基本解

71Sobolev 空间的基本性质, Sobolev 嵌入定理

作业: Heisenberg 测不准原理, Sobolev 空间的物理刻画

72Sobolev 空间的对偶性, Sobolev 空间的限制定理

73有界区域上的 Sobolev 空间, 位势方程的初步研究

期中测验

74半空间上的 Sobolev 空间的限制与扩张

75有界区域上 Sobolev 空间的扩张与限制至子流形

作业: 二维波动方程的基本解, Airy 函数与 KdV 方程

76位势方程的解与椭圆正则性

习题: 一个弹性力学的模型

77紧算子、自伴算子、弱收敛与谱理论

78Laplace 算子的谱分解与特征函数

79利用特征函数刻画函数空间

80热核与热方程的基本性质

81热核的估计、Weyl 渐近公式

82波前集的定义与基本性质

83非驻相法与微局部椭圆正则性

84奇性传播定理

分布理论期末复习题一

分布理论期末复习题二

分布理论期末复习题三