外观
Lesson 0 绪论
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2025-09-16
Part 1 分析
· Archimedes
Archimedes,想要求一个不规则图形的面积. 当时他计算的是抛物线 y=x2 下方、x=a 左侧的面积. 他想到的办法是竖直剖分这个图形,每一个细长条近似为一个矩形,那么这个图形的不规则性就得到了缓解. 有
S=i=1∑nna(nia)2=n3a3i=1∑ni2=n3a3⋅61n(n+1)(2n+1)=61a3(2+n3+n21)
当 n→∞ 时,这个面积值越来越趋近于一个常数,有
S=n→∞lim61a3(2+n3+n21)=31a3
由此,Archimedes认为,不同的表达式能得到相同的一个极限值,这说明开始虽然用了近似,但是最后我们得到的结果是一个确定的精确值.
我们也可以对k次函数做同样的事:
S=i=1∑nna(nia)k=nk+1ak+1i=1∑nik
k 值越来越大,没有一般的表达式了,手算的难度也越来越大. Archimedes当年正是停在了这个地方.
· 分析
曲线围成的图形面积,本就不是人能直接解决的东西. 但是,“不能直接计算”并不等于“不能严格研究”. 我们可以先用容易计算的对象逼近它,再考察逼近过程是否趋近于唯一的结果. 这正是分析学最基本的思想:把一个复杂对象放进一列可控的对象中,用极限描述它.
· 极限
在上面的计算中, rac{a}{n} 是每个小矩形的宽度. 当 n 增大时,矩形越来越窄,矩形面积的和也越来越接近曲边图形的面积. 我们把这种“任意接近”的关系写成
Sn⟶S(n→∞),
并称 S 是数列 Sn 的极限.
“接近”必须有精确的含义. 对任意 arepsilon>0,只要 n 足够大,就能使
∣Sn−S∣<ε.
这里的 ε 可以任意小,而 n 的大小可以依赖于 ε. 这句话把图形直观中的“越来越接近”变成了可以证明、可以使用的数学命题. 后面的数列极限和函数极限,都是在反复使用这一思想.
极限还解释了为什么近似计算能够给出确定的答案. 对固定的 n,矩形和通常只是近似值;当 n→∞ 时,如果所有合理的逼近都趋向同一个数,那么这个数就是对象本身应有的值. 因而,分析学并不是放弃精确性,而是通过极限重新获得精确性.
· 微分与积分
积分最初来自面积、体积和总量的计算. 微分则来自另一个问题:当自变量发生很小的变化时,函数值如何变化? 对函数 y=f(x),在点 x 附近有
f(x+h)−f(x)≈f′(x)h,
其中 f′(x) 描述函数在这一点的瞬时变化率. 微分把复杂的非线性变化在局部近似为线性变化.
积分和微分看起来分别研究“累积”和“变化”,但它们实际上由微积分基本定理联系起来. 如果 f 连续,令
F(x)=∫axf(t)dt,
则在适当条件下
F′(x)=f(x).
反过来,如果 F′(x)=f(x),则
∫abf(x)dx=F(b)−F(a).
这说明面积的累积可以通过原函数的端点差计算,而变化率也可以通过积分重新累积出来. 第 11 课开始的微分学和第 15 课开始的积分学,最终都会回到这个统一关系.
· 从一元到多元
一元分析研究定义在实数轴上的函数. 但实际问题中的状态往往由多个量共同决定,例如位置由 (x,y,z) 描述,温度由空间位置和时间共同决定. 这时需要把实数推广到空间,把区间推广到区域,把导数推广为梯度、Jacobian 矩阵和全微分,把积分推广为重积分.
多元函数的局部线性近似写成
f(a+h)=f(a)+Df(a)h+o(∥h∥),
其中 Df(a) 是函数在 a 处的微分,o(∥h∥) 表示比 ∥h∥ 更高阶的小量. 这条公式是多元微分学的核心. 逆映射定理、隐函数定理和极值理论,都是对这条局部近似的进一步应用.
多元积分则把区域分割成许多小块,并将函数值乘以小块的体积后求和. 在极限意义下得到
∫Df(x)dx.
Fubini 定理说明,在合适的条件下,可以先对一个变量积分,再对另一个变量积分;变量替换公式说明,坐标改变时必须乘上 Jacobian 的绝对值.
· 课程路线
本课程按以下顺序展开:
- 第 1--10 课从集合、函数和实数系开始,建立极限、连续性以及确界原理等基础.
- 第 11--20 课讨论一元微分学、积分学、Riemann 积分以及积分的几何和物理应用.
- 第 21--26 课进入数项级数、函数项级数、幂级数和 Fourier 分析,研究无穷过程的收敛与交换.
- 第 27--37 课把函数放到度量空间和欧氏空间中,建立多元函数的连续性、微分学和重积分理论.
- 第 38--42 课研究曲线积分、曲面积分以及 Green、Gauss 和 Stokes 公式.
- 第 43--46 课用微分形式统一描述上述公式,说明它们都是同一个边界积分原理的不同表现.
因此,课程的重点不是记住若干孤立公式,而是看清楚这些公式之间的组织关系:局部的微分描述变化,整体的积分描述累积,边界公式则把两者联系起来.
· 记号与证明
全文默认变量取实数,除非另有说明. N、Z、Q、R 分别表示正整数、整数、有理数和实数;∥x∥ 表示向量的 Euclid 范数;∣A∣ 在区间语境中表示长度,在有限集合语境中表示元素个数.
课程中的“定义”规定对象的含义,“命题”和“定理”是需要证明的结论,“例题”展示定义和定理的使用方式. 证明中会经常使用反证法、数学归纳法、变量替换和极限的 ε--N 语言. 对暂时省略的证明,读者应先检查结论是否与定义一致,再尝试补出关键步骤.
分析学的计算必须建立在条件之上. 例如,只有在函数可积时才可以谈积分,只有在极限存在时才可以使用极限的四则运算,交换极限、积分和求导的顺序也需要额外的收敛条件. 这些条件不是形式上的限制,而是保证结论可靠的边界.
接下来从集合和函数开始. 它们是描述对象、关系和变化的最基本语言,也是后面所有极限与积分定义的共同基础.
更新日志
2026/8/17 07:22
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