数学分析的思想与方法.pdf

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1、数学分析的思想与方法 数学分析是高等教学中的基础技能之一,对数学教学具有促进作用。接下来店铺为大家推荐的是数学分析的思想与方法，欢迎阅读。(一)泛函分析 泛函分析是现代分析数学的重要分支之一，其深远的理论体系和广泛的应用价值已经对现代分析数学，乃至现代科学技术领域都产生了重大影响。大学本科阶段的泛函分析课程主要以线性泛函分析中的赋范线性空间及其上的有界线性算子理论等一些最基本内容为主。研究生阶段的线性泛函分析主要介绍紧算子与 Fredholm 算子、Banach代数、无界线性算子、线性算子半群、广义函数、Hilbert-Schmidt算子与迹类算子等内容。研究生阶段的非线性泛函分析课程一般简要

2、讲授Banach空间上的微积分学、隐函数定理与分歧问题、拓扑度、单调算子以及变分方法等基本内容。泛函分析的主要研究方向为:线性算子谱理论、函数空间、Banach 空间几何学、算子代数、非交换几何、应用泛函分析以及非线性泛函分析的相关研究方向等。泛函分析是经过数学分析、高等代数和空间解析几何的“升空式洗礼”，而从“地上”到“天上”的一个数学抽象推广过程。有限维空间的几何理论以及从有限维空间到有限维空间的映射理论是大学数学专业一二年级的主要学习内容。若只考虑线性映射的运算性质，那就是线性代数。若考虑非线性映射的连续性与光滑性，那就是微积分。若把有限维空间的距离概念推广到无限维空间，再考虑相应的线性

3、映射与非线性映射的连续性以及光滑性，那么就自然而然地走到了泛函分析的疆界。数学分析，高等代数和解析几何的很多结论在泛函分析层面上都有相应的推广结论。注意到这一点之后，又可以从“天上”回到“地上”了。把有限维换成无限维，以及欧式度量换成抽象度量，想法还是一样的想法，但现象却是作为拓扑、代数、几何与分析的融合体的泛函分析了。分析、代数、几何与拓扑的数学思想方法的交融是泛函分析发展壮大的力量之源。泛函分析已经成为现代分析数学的必要工具之一。Fields 奖获得者 J.Bourgain，A.Connes，W.Timothy Gowers，A.Grothendieck,L.Schwartz 及 Wolf

4、 奖获得者 I.M.Gelfand，M.G.Krein 等著名数学家在泛函分析领域都做出了巨大成就。泛函分析的参考书目推荐如下：（1）M.Reed,B.Simon,Methods of Modern Mathematical Physics,I IV,1970s。（2）K.Yosida,Functional Analysis,1980。（3）J.Barros-Neto,An Introduction to the Theory of Distributions,1981。（4）张恭庆，林源渠，泛函分析讲义，上册，1987。（5）张恭庆，郭懋正，泛函分析讲义，下册，1990。（6）W.Rudin

5、，Functional Analysis，1991。（7）Alan Connes，Noncommutative geometry，1994。（8）P.Lax,Functional Analysis，2002。（9）Kung-Ching Chang，Methods in Nonlinear Analysis，2005。(二)调和分析 调和分析是现代分析数学的核心领域之一，其辉煌的成就让一代代分析学家为之倾倒与奋斗。按照华罗庚先生的说法，把已知函数展开成Fourier级数的运算就叫做调和分析。事实上，调和分析也正是从Fourier 级数和 Fourier 变换理论的研究开始发展壮大的。从物理的观点

6、，调和分析就是要把信号表示为基本波“调和子”的超位置叠加。几个世纪以来，调和分析已经形成了庞大的学科体系，并在数学、信息处理和量子力学等领域有着重要和深刻的应用。从应用角度来说，有效确定Fourier级数问题的运算称为实用调和分析。有限调和分析是实用调和分析的主体框架，即从有限个数据所应计算的最恰当的项数的角度，从有限到有限的思想方法来解决实际问题的Fourier方法是有限调和分析的应用价值所在。再从物理的角度，人们可以发现量子力学中的测不准关系有着调和分析版的解释，即 Paley Wiener 定理所描述的非零紧支集广义函数的 Fourier 变换没有紧支集。抽象调和分析是调和分析更深入的现

7、代数学分支，即研究拓扑群上的调和分析理论，特别是 Fourier 变换理论。Abel 紧群的Ponteyagin 对偶理论是调和分析特征在现代数学处理中的合适写照。对一般的非 Abel 局部紧群来说，调和分析是与酉群的表示论密切相关的。经典卷积的 Fourier 变换是 Fourier 变换的乘积的性质可以通过对紧群的 Peter-Weyl 定理有所升华体现。当群既非 Abel 又非紧群时，一般的抽象调和分析理论还不是很完善。例如，是否此时存在Plancherel 定理的类似物还不知道。但是在许多特殊情况下，通过无穷维表示技术是可以分析一定的相关问题的。下面主要对上的调和分析内容进行简要的描述

8、，以便对调和分析方向的研究与学习有一点点便利。覆盖技术、极大算子、CaldernZygmund 分解、内插技术和奇异积分算子是现代调和分析的基本内容。覆盖技术不仅是测度论的重要工具，也是调和分析的主要方法之一。HardyLittlewood 极大算子理论的建立与覆盖技术息息相关。上的 H.-L 极大算子理论主要体现了一类非线性算子的-有界性理论，并且可以解决很多现代分析的重要问题。CaldernZygmund 分解技术是研究奇异积分的实变量分析的关键方法，即把任意的可积函数拆分成“小部分”和“大部分”的和，然后用不同的技术分别处理各个部分是其思想精华所在。奇异积分算子是由带有奇异性的积分核所产

9、生的。奇异积分算子的-有界性问题是重要的研究问题之一。奇异积分算子的理论目前已经很是丰富了。从 Fourier 级数和 Fourier 变换的经典 Fourie 分析到 HardyLittlewood 极大算子和奇异积分算子等理论，可以认为是调和分析的一次飞跃。调和分析的另外一次重大飞跃应该是-空间（Hardy 空间）、有界平均振荡函数的 BMO 空间和-权理论的建立与完善。笔者认为：调和分析的最后一次飞跃也许是调和分析方法在分析学科的世界级数学猜想的解决方面的有效实践问题。Hardy空间的研究起源于Fourier级数和单复变量分析，至今已经有丰富的内涵，特别是高维实方法的介入，使得-空间理论

10、有了本质性的现代发展。有界平均振荡函数的 BMO 空间，也称为 John-Nirenberg 空间，是在分析大师 F.John 和 L.Nirenberg 首次研究了该空间的拓扑性质的基础上而给出精确定义的。-空间，BMO 空间和-权理论是现代调和分析的三大发明。C.Fefferman 获得 Fields 奖的主要工作就是，在 L.Nirenberg 工作的基础上，发现了 BMO 空间是-空间的对偶空间。BMO 空间在分析数学的众多领域和概率秧论中都有重要的应用。在 BMO 空间基础上，L.Nirenberg 与 H.Brezis 合作，还发现了作为 BMO 空间的子空间的 VMO 空间（消失

11、平均振荡空间），特别是将拓扑度理论推广到属于VMO空间的映射结果使得拓扑学家为之惊叹。-权理论在奇异积分算子有界性研究中有着重要作用。R.R.Coifman 和 C.Fefferman 对-权理论的建立做出了重要贡献。我国世界级数学家华罗庚先生在经典调和分析领域取得了世界领先成果。他的名著多复变函数论中典型域上的调和分析曾获得首届国家自然科学奖一等奖。北京大学的调和分析学派为中国调和分析方向的人才培养做出了巨大贡献。获得过 Wolf 奖和 Fields 奖的调和分析名家有 A.P.Caldern，C.Fefferman，E.M.Stein，T.Tao 等。关于调和分析的数学著作推荐如下：（1）

12、E.M.Stein,Singular Integrals and Differentiability Properties of Functions,1970。（2）E.M.Stein,G.Weiss,Introduction to Fourier Analysis on Euclidean Spaces,1971。（3）E.M.Stein,Harmonic Analysis:Real Variable Methods,Orthogonality,and Oscillatory Integrals,1993。(三)复分析 在代数与分析学科中，复数域都是重要的基本数学沃土。复变函数的微积分理论就

13、是经典复分析的主要内容之一。在复数土壤上的微积分，除了继承传统，当然也必定会出现新的天地，例如，Cauchy 积分理论，Weierstrass 级数理论和复 Riemann 几何理论等就是复数域上的特有理论。在大学的复变函数论课程中，作为双射解析映射的共形映射理论应该是课程的亮点部分之一。解析映射的无穷次可微性、非临界点处的局部保角性，以及非常值映射的开集映成开集的开映射性质等都是解析映射的本质性性质。解析映射的实部与虚部所对应的Cauchy-Riemann 方程更是深入推广解析映射理论的偏微分方程出发点。大学本科的复变函数内容已经在除了数学之外的工程技术、电子工程和航天工程等领域产生了重要应

14、用。复分析可以分成单个复变量函数论，多个复变量函数论，以及复流形上的分析理论等三个重要部分。自从 19 世纪左右单复变产生以来，单个复变量函数论的理论已经十分完善。随之发展的多个复变量函数论理论已经成为现代主流分析数学领域之一。研究生阶段的单复变复分析内容主要包括 Riemann 映射定理、共形映射的边界对应定理、单值性定理、广义 Schwarz 引理、共形不变量（共形模与极值长度）、拟共形映射、Riemann 曲面、Riemann-Roch 定理、单值化定理以及复变函数逼近论等重要内容。鉴于单复变理论的日臻完善，该领域的研究趋势正在向复动力系统方向纵深发展。研究生阶段的多复变课程主要是在经典

15、多复变与现代多复变两个方面加以介绍。前者是单复变理论的高维复空间推广理论：高维复空间中的代数域及其上的多复变函数论，而后者是复流形上的相应函数论理论。多复变课程难度更大，因而学生队伍一般较小。多复变函数论作为单复变函数论的推广理论，也同样面对继承与发扬的根本性问题。多复变有别于单复变的两个基本定理是“不存在双全纯映射将高维复空间中的单位超球映为同一空间中的多圆柱体”的 Poincar 定理，以及“高维复空间中存在如此的区域使得在此区域上的全纯函数一定可以全纯延拓到更大的区域之上”的 Hartoge 定理。Poincar 定理表明在维数大于或等于 2 时单复变的Riemann 映射定理不再成立。

16、Hartoge 定理产生了高维复空间中函数论研究的合适区域判别问题。复流形上的函数论、上同调、微分形式、Cauvhy 积分以及 Dolbeault 和 de Rham 的基本定理等内容是现代多复变的核心内容之一。我国数学家在单复变与多复变领域都取得了世界先进水平的研究成果。例如，我国熊庆来学派的数学家在单复变亚纯函数的值分布论领域做出了世界级的研究成果。华罗庚学派的数学家在多复变函数论中典型域上的调和分析、典型域、典型流形、积分表示与边值问题、Schwarz 引理、拟凸域等诸多方向都取得了世界领先成果。Fields 奖与 Wolf 奖获得者中的著名数学家 L.V.Ahlfors，L.Carle

17、on，H.Cartan，Kodaira Kunihiko，J.P.Serre，C.L.Siege，S.K.Smirnov 等都在复分析领域取得了杰出成就。关于复分析的入门数学著作推荐如下：（1）W.Rudin,Real and Complex Analysis,1966。（2）H.Grauer,K.Fritzsche,Several Complex Variables,1976。（3）L.V.Ahlfors,Complex Analysis,1979。（4）龚 昇,简明复分析，1996。（5）李 忠，复分析导引，2004。(四)随机分析 随机分析是概率论分析数学深入发展的现代数学分支。在随机过

18、程理论基石的基础上，渗透拓扑、代数、几何、分析等核心数学的思想方法，交融于实际与应用问题的背景之下，随机分析已然成为当今世界主流数学分支俱乐部的重要成员。我国数学家的随机分析水平已经步入世界先进行列，在国际数学家大会上已经应邀做一小时报告和四十五分钟报告。我国的随机数学研究队伍也以中国科学院和一些著名大学的随机数学学派驰名于世界。随机数学的两个基本细胞应该是测度论与随机性。随机性是自然界中普遍存在的客观现象，测度论是分析数学的重要数学结构。用数学模型的观点看世界是数学家博大奉献胸怀的基本写照，如随机数学的应用内涵所在一样。仅从数学角度看随机数学，那么真的不必非要提及随机二字，只要研究测度论的发

19、展就可以了。全有限测度空间上的微积分理论，或者分析理论，其实就是随机分析学者的日常工作。当然，以两种不同的观点来看待测度论意义下的可测函数族，在思想方法上会对两种不同的研究发展带来本质的区别。例如，把可测函数族视为随机变量族的随机过程的轨道空间思想，对随机数学的发展是至关重要的。常微分方程模型刻画的光滑向量场轨道与随机（常）微分方程模型刻画的随机次光滑轨道对实际问题的接近度往往是后者更佳。于是，随机微分和随机积分的概念就是最为关键的学科创建因素了。Wolf 奖获得者 K.Ito 对布朗运动定义的随机积分概念，以及随之发现的 Ito 积分公式，使得随机分析成为分析数学文库中的美丽诗篇。布朗运动样

20、本轨道函数的连续，但几乎处处非有界变差和处处不可微的性质使得通常的 Riemann-Stieltjes 积分和 Lebesgue-Stieltjes 积分按样本轨道函数无法定义，因为 Riemann-Stieltjes 积分定义中的 Darboux 和不以概率 1 收敛。但是，前述 Darboux 和可以在均方意义下收敛。也正是这一点激发了 Ito 积分的创建灵感和确立了 Ito 积分的独立地位。注意到随机过程的样本轨道的不光滑特点，后继的很多随机数学分支，如随机微分几何等都由此得到了数学的独立地位。本科阶段的随机分析课程多数是以随机微分方程课程的形式出现的，并且主要讲授Brown 运动和白噪

21、声的基本性质，随机积分与 Ito 公式，随机微分方程的可解性等基本内容。对不同类型的随机过程可以在适当意义下定义相应的随机积分的事实也常常加以简述。研究生阶段的随机分析课程是可以“天高任鸟飞，海阔凭鱼跃”的。倒向随机微分方程，狄氏型理论，大偏差理论，无穷维随机分析，拟似然分析，自由概率论，随机偏微分方程，随机动力系统，随机微分几何等等都是研究生随机分析课程的有益食材。当然，这一阶段的随机分析已经步入综合核心数学的家园，已经不是只了解与掌握测度论就行那样简单的事情了。数学的真正魅力所在，其实就是大一统的数学价值观，随机分析的高深境界也不例外。关于随机分析的数学著作推荐如下：（1）A.Friedman,Stochastic Differential Equations and Applications,Vol.1,1975。（2）A.Friedman,Stochastic Differential Equations and Applications,Vol.2,1976。（3）I.Karatzas,S.E.Shreve,Brownian Motion and Stochastic Calculus,1991。（4）P.Malliavin,Stochastic Analysis,1997。（5）黄志远，随机分析学基础（第二版），科学出版社，2001。【数学分析的思想与方法】