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Functional Analysis 泛泛的函数分析
南方科技大学 史玉回实验室 跨年Mini Seminar
2018 ? 年幸月腊月到2019 ? 年正月杏月桃月
主讲人: Jun Steed ? Huang 资格证
?
研修(不是教学)大纲 TOC: Functional
? 《泛函分析》
讲座集中现代数学基础的重要基本∞抽象思想方法,以及工程难题的解答,内容可归纳为
? 空间论
主要讲解空间的线性结构和度量结构以及两者的结合,其中包括度量空间、赋范线性空间和
内积空间,以及它们的拓扑结构。
? 算子论
主要讲述对于线性泛函的“五大基本定理”:Riesz定理,开映像定理,闭图像定理,共鸣定
理,Hahn-Banach定理。
? 谱论
主要讲解有界算子谱论及紧算子谱论的一些基本结论。
紧的含义:一尺之棰,日取其半,万世不竭。——《庄子·天下》,公元前300年
a平方b平方2ab
《周髀算经》345勾股定理,商高, 公元前1000年
代数 几何
C++OO
编
程
模
板
的
理
论
Eat tail when hungry:last to infinite!
维基百科的Definition
深度学习
的超参数
高山流水
知音难觅
黎曼猜想/朗兰兹纲领/等变换的函数
我们的以8步德国笑11步法国祖师爷
紧算子概念是希尔伯特(Hilbert, David)于1906年引入的 ->
泛函的说法是雅克·所罗门·阿达马于1910年命名的。
我们的第10/11/12步祖师爷
奠基人Stories
约翰·冯·诺依曼
有字经
使用教材
孙炯、王万义、郝建文:《泛函分析》,高等教育出版社,2010年第一版
参考资料
[1] 泛函分析(第二版),江泽坚等编,科学出版社。2004
[2] 夏道行, 吴卓人,严绍宗,舒五昌.实变函数论与泛函分析 下册.第二版北京:高等教育出版社.1985
[3] 夏道行,严绍宗等人. 泛函分析第二教程.北京:高等教育出版社.1983
我们俩的师傅:
浪漫的厂耻蝉迟别肠丑琳恩图书馆的书
维基百科颁辞苍肠别苍迟谤补迟别诲
Steed的超方差与次相关 Matlab Code 的来龙去脉
https://ww2.mathworks.cn/matlabcentral/profile/authors/6205312-steed-huang
从点线面体到超点超线超面超体
Big Picture 染指我的Right手
Big Picture 染指My右手
变分学
? Solutions to many physical problems
require maximizing or minimizing some
parameter:
? Distance
? Time
? Surface Area
? Parameter I dependent on selected path
u and domain of interest D:
? Terminology:
? Functional – The parameter I to be
maximized or minimized
? Extremal – The solution path u that
maximizes or minimizes I
? ?, , x
D
I F x u u dx? ?
生活目标
评价函数
极大极小
Analogy to Calculus
? Single variable calculus:
? Functions take extreme values on bounded domain.
? Necessary condition for extremum at x0, if f is
differentiable:
? ?0 0f x ??
? Calculus of variations:
? True extremal of functional for unique solution u(x)
? Test function v(x), which vanishes at endpoints, used
to find extremal:
? Necessary condition for extremal:
? ?, ,
b
x
a
I F x w w dx?? ?
? ?
? ?? ? ? ? ? ?w x u x v x?? ?
0dI
d?
?
Solving for the Extremal
? Differentiate I[?]:
? Set I[0] = 0 for the extremal, substituting terms for ? = 0 :
? Integrate second integral by parts:
? ? ? ?, ,
b b
x
x
xa a
wdI d F w FF x w w dx dx
w wd d
?
? ?? ?
? ?
? ?
? ?
? ?
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? ? ? ?? ?
? ? ? ?w v x?
?
? ?
? ? ? ? ?x
x
w v x?
?
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?
? ?0w v x
?
? ?
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? ? ?0x
x
w v x
?
? ?
? ?
? ?
? ?
?
? ?0w u x? ?
? ?
? ?
?
? ?0x xw u x? ?
? ?
? ?
?
0
b
x
xa
dI F Fv v dx
u ud?
? ?
? ? ? ?? ?
? ?? ?
? ?
? ?? ?
? ?? 0
b b
x
xa a
F Fvdx v dx
u u
? ?? ?
? ?? ?
bb b b
x
x x x xa a aa
F F d F d Fv dx v vdx vdx
u u u udx dx
? ? ? ? ? ?
? ? ? ?? ?
? ? ? ?? ?
? ? ? ? ? ?
? ? ? ?? ? ? ?
? ? ? ?? ? ?
0
x
F
u
b b
a a
F dvdx vdx
u dx
? ??
? ?
?? ?
? ? ?
?? ? 0
x
F d F
u dx u
b
a
vdx
? ?? ?
? ?? ?? ?? ?? ?? ?
? ?
?
? ?
??
The Euler-Lagrange Equation
? Since v(x) is an arbitrary function, the only way for the integral to be zero is for the other factor of the
integrand to be zero. (Vanishing Theorem)
? This result is known as the Euler-Lagrange Equation
? E-L equation allows generalization of solution extremals to all variational
problems.
0
x
F d F
u dx u
b
a
vdx
? ?? ?
? ?? ?? ?? ?? ?? ?
? ?
?
? ?
??
x
F d F
u dx u
? ?? ?
? ? ?
? ?? ?
Functions of Two Variables
? Analogy to multivariable calculus:
? Functions still take extreme values on bounded
domain.
? Necessary condition for extremum at x0, if f is
differentiable:
? ? ? ?0 0 0 0, , 0x yf x y f x y? ?
? Calculus of variations method similar:
? ?, , , ,x y
D
I F x y u u u dxdy? ?? ? ? ? ? ? ?, , ,w x y u x y v x y?? ?
? ? ? ?, , , ,
yx
x y
x yD D
wwdI d F w F F
F x y w w w dxdy dxdy
d d w w w
?
? ? ? ? ?
? ???? ? ? ?
? ? ? ?? ?? ?? ? ? ? ? ?? ?
?? ??
0x y
x yD D D
F F F
vdxdy v dxdy v dxdy
u u u
? ? ?
? ? ?
? ? ??? ?? ??
0
x yD
F d F d F
vdxdy
u dx u dy u
? ?? ?? ?? ? ?
? ? ?? ?? ?? ? ? ?? ? ?? ?? ? ? ?? ?
?? x y
F d F d F
u dx u dy u
? ?? ?? ? ?
? ? ? ?? ?
? ? ?? ?? ? ? ?
Soap Film
When finding the shape of a soap bubble that spans a wire ring, the shape
must minimize surface area, which varies proportional to the potential energy.
Z = f(x,y) where (x,y) lies over a plane region D
The surface area/volume ratio is minimized in order to
minimize potential energy from cohesive forces.
? ? ? ? ? ?? ?
2 2
, ;
1 x y
D
x y bdy D z h x
A u u dxdy
? ?
? ? ???
类似比表面积
Vito Volterra, 1881: There exists a
function, F(x), whose derivative, F '(x),
exists and is bounded for all x, but the
derivative, F '(x), cannot be integrated.
特例1:震荡
The Fundamental Theorem of Calculus:
1. If then
2.If f does not have a jump discontinuity at x, then
f x? ?a
b
? dx ? F b? ?? F a? ?.F' x? ? ? f x? ? ,
d
dx
f t? ?dt ? f x? ?a
x
? .
If F is differentiable at x = a, can F '(x) be
discontinuous at x = a?
F x? ? ?
x2
sin 1
x? ?, x ? 0,
0, x ? 0.
??
??
??
If F is differentiable at x = a, can F '(x) be
discontinuous at x = a?
Yes!
F x? ? ?
x2
sin 1
x? ?, x ? 0,
0, x ? 0.
??
??
??
F' x? ? ? 2xsin 1
x? ?? cos 1
x? ?, x ? 0.
F x? ? ?
x2
sin 1
x? ?, x ? 0,
0, x ? 0.
??
??
??
F' x? ? ? 2xsin 1
x? ?? cos 1
x? ?, x ? 0.
F' 0? ? ? lim
h? 0
F h? ?? F 0? ?
h
? lim
h?0
h2
sin 1
h? ?
h
? lim
h?0
hsin 1
h? ?? 0 .
F x? ? ?
x2
sin 1
x? ?, x ? 0,
0, x ? 0.
??
??
??
F' x? ? ? 2xsin 1
x? ?? cos 1
x? ?, x ? 0.
F' 0? ? ? lim
h? 0
F h? ?? F 0? ?
h
? lim
h?0
h2
sin 1
h? ?
h
? lim
h?0
hsin 1
h? ?? 0 .
lim
x?0
F' x? ? does not exist, but
F' 0? ? does exist (and equals 0).
七上八下没个准
“Cantor’s Set”
First described by H.J.S. Smith, 1875
Then by Vito Volterra, 1881
And finally by Georg Cantor, 1883
特例2:缺席了
Cantor’s Set
0 11/3 2/3
Remove [1/3,2/3]
1/9 2/9 7/9 8/9
Remove [1/9,2/9] and [7/9,8/9]
0 11/3 2/3
Remove [1/3,2/3]
Cantor’s Set
0 11/3 2/3
Remove [1/3,2/3]
1/9 2/9 7/9 8/9
Remove [1/9,2/9] and [7/9,8/9]
Remove [1/27,2/27], [7/27,8/27], [19/27,20/27], and [25/27,26/27], and so on … What’s left?
雁过拔毛光身子了
Cantor’s Set
0 11/3 2/31/9 2/9 7/9 8/9
1?
1
3
?
2
9
?
4
27
?
8
81
???
??
??
??
? 1?
1
3
1?
2
3
??
??
??
??
?
2
3
??
??
??
??
2
?
2
3
??
??
??
??
3
?
??
??
??
??
??
??
? 1?
1
3
?
1
1? 2
3
? 1? 1 ? 0 .
What’s left has
measure 0.
Create a new set like the Cantor set except
the first middle piece only has length 1/4
each of the next two middle pieces only have length 1/16
the next four pieces each have length 1/64, etc.
The amount left has size 1?
1
4
?
2
16
?
4
64
?
23
44 ?
??
??
??
??
??
??
? 1?
1
4
1?
2
4
??
??
??
??
?
2
4
??
??
??
??
2
?
2
4
??
??
??
??
3
?
??
??
??
??
??
??
? 1?
1
4
?
1
1? 1
2
?
1
2
We’ll call this set SVC (for Smith-Volterra-Cantor).
It has some surprising characteristics:
1. SVC contains no intervals - no matter how small a subinterval of [0,1] we take, there will be
points in that subinterval that are not in SVC. SVC is nowhere dense.
2. Given any collection of subintervals of [0,1], whose union contains SVC, the sum of the lengths of
these intervals is at least 1/2.
见面只分一半,留一条底裤
Volterra’s construction:
Start with the function F x? ? ?
x2
sin 1
x? ?, x ? 0,
0, x ? 0.
??
??
??
Restrict to the interval [0,1/8], except find the largest value of x on this interval at which F '(x) = 0, and keep F
constant from this value all the way to x = 1/8.
Volterra’s construction:
To the right of x = 1/8, take the mirror image of this function: for 1/8 < x < 1/4, and outside of
[0,1/4], define this function to be 0. Call this function .
f1 x? ?
is a differentiable function for all values of x, but
Volterra’s construction:
f1 x? ?
lim
x?0?
f1' x? ? and lim
x?
1
4
?
f1' x? ? do not exist
Now we slide this function over so that the portion that is not identically 0 is in the interval
[3/8,5/8], that middle piece of length 1/4 taken out of the SVC set.
We follow the same procedure to create a new function, , that occupies the interval
[0,1/16] and is 0 outside this interval.
f2 x? ?
吃饱了撑的
We slide one copy of into each interval of length 1/16 that was removed from
the SVC set.
f2 x? ?
Volterra’s function, V(x), is what we obtain in the limit as we do this for every interval removed from
the SVC set. It has the following properties:
1. V is differentiable at every value of x, and its derivative is bounded (below by –1.013 and above by
1.023).
2. If a is a left or right endpoint of one of the removed intervals, then the derivative of V at a exists
(and equals 0), but we can find points arbitrarily close to a where the derivative is +1, and points
arbitrarily close to a where the derivative is –1.
No matter how we partition [0,1], the pieces that contain endpoints of removed intervals
must have lengths that add up to at least 1/2.
The pieces on which the variation of V ' is at least 2 must have lengths that add up to at least
1/2.
左手不相信右手
Recall:
Vi ? sup
x?[ xi?1, xi ]
f x? ? ? inf
x?[xi?1,xi ]
f x? ?
Integral exists if and only if can be made as small as we wish by taking sufficiently small
intervals. Vi? xi ? xi?1? ?
Conclusion: Volterra’s function V can be differentiated and has a bounded derivative, but
its derivative, V ', cannot be integrated:
d
dx
V x? ? ? v x? ?, but v t? ? dt ? V x? ?0
x
? ? V 0? ?.
需要从新定义积分(泛函)!
Lebesgue Measure
Lebesgue Integration
研修(不是教学)大纲 TOC: Space
? 《泛函分析》
讲座集中现代数学基础的重要基本∞抽象思想方法,以及工程难题的解答,内容可归纳为
? 空间论
主要讲解空间的线性结构和度量结构以及两者的结合,其中包括度量空间、赋范线性空间和
内积空间,以及它们的拓扑结构。
? 算子论
主要讲述对于线性泛函的“五大基本定理”:Riesz定理,开映像定理,闭图像定理,共鸣定
理,Hahn-Banach定理。
? 谱论
主要讲解有界算子谱论及紧算子谱论的一些基本结论。
紧的含义:一尺之棰,日取其半,万世不竭。——《庄子·天下》,公元前300年
a平方b平方2ab
《周髀算经》345勾股定理,商高, 公元前1000年
代数 几何
C++OO
编
程
模
板
言归正传
线性空间: Linear Space
只会算加法
Norm: 范数
万岁无疆为人民服务的大王:
埃及著名的胡夫的前臂作为
腕尺建造的,塔高为280腕尺.
公元9世纪撒克逊王朝亨利一
世规定,他的手臂向前平伸,从
鼻尖到指尖的距离定为”1
码”.
10世纪英国国王埃德加,把他
的拇指关节之间的长度定
为”1寸”
相传我国古代大禹治水时,曾
用自己的身体长度作为长度
标准进行治水工程的测量.
唐太宗李世民规定,以他的双
步,也就是左右脚各一步作为
长度单位,叫做”步”.并 规
定一步为五尺,三百步为一里;
后来又规定把人手中指的当
中一节定为”1寸”.
Fixed Point Contraction Mapping
Club带我玩不
Topological Space
量啥呢?Measure Space
研修(不是教学)大纲 TOC: Operator
? 《泛函分析》
讲座集中现代数学基础的重要基本∞抽象思想方法,以及工程难题的解答,内容可归纳为
? 空间论
主要讲解空间的线性结构和度量结构以及两者的结合,其中包括度量空间、赋范线性空间和
内积空间,以及它们的拓扑结构。
? 算子论
主要讲述对于线性泛函的“五大基本定理”:Riesz定理,开映像定理,闭图像定理,共鸣定
理,Hahn-Banach定理。
? 谱论
主要讲解有界算子谱论及紧算子谱论的一些基本结论。
紧的含义:一尺之棰,日取其半,万世不竭。——《庄子·天下》,公元前300年
a平方b平方2ab
《周髀算经》345勾股定理,商高, 公元前1000年
代数 几何
C++OO
编
程
模
板
搁颈别蝉锄表示定理
热力学物理惭别补苍颈苍驳
From Hadamard to Langlands
贵谤别耻别苍肠测域与罢颈尘别域等价:能量守恒
欧几里得: Euclid
希尔伯特: Hilbert
From Hadamard to Langlands
空间中的任何柯西序列都收敛在该空间之内
的空间叫完备空间,有理数空间不是完备的,
因为sqrt {2}的有限位小数表示是一个柯西序列,
但是其极限 sqrt 调2皑不在有理数空间内。
Surjection
Category (纲)
a nowhere dense set on a topological space is a set whose closure has empty interior.
Open Mapping Theorem
Complete Measure Space is Dense Set
有啥子用?
Direct Sum 图
Closed Graph Theorem
Fixed Point Theorem
Resonance Theorem
Uniform boundedness
Usage
From Hadamard to Langlands
From Hadamard to Langlands
Usage
研修(不是教学)大纲 TOC: Spectrum
? 《泛函分析》
讲座集中现代数学基础的重要基本∞抽象思想方法,以及工程难题的解答,内容可归纳为
? 空间论
主要讲解空间的线性结构和度量结构以及两者的结合,其中包括度量空间、赋范线性空间和
内积空间,以及它们的拓扑结构。
? 算子论
主要讲述对于线性泛函的“五大基本定理”:Riesz定理,开映像定理,闭图像定理,共鸣定
理,Hahn-Banach定理。
? 谱论
主要讲解有界算子谱论及紧算子谱论的一些基本结论。
紧的含义:一尺之棰,日取其半,万世不竭。——《庄子·天下》,公元前300年
a平方b平方2ab
《周髀算经》345勾股定理,商高, 公元前1000年
代数 几何
C++OO
编
程
模
板
Equations
From Hadamard to Langlands
好借好还,再借不难:搁别驳耻濒补谤
老老实实做人,规规矩矩办事
厂辫别肠迟谤耻尘的严格定义
先看清楚自己与厂别濒蹿的关系
正则集合是开的: Open
谱集合是紧的: Compact
Compact
计算搁补诲颈耻蝉
回到搁别补濒颈迟测世界
紧啥呢?
Compact operator
题外话:Deep Learning Convolution是不可逆投影域变换
会当临绝顶
一览众山小
n倍的s或者是s份的n
在天上转无穷个圈
或者在地下跑一圈
深思 Imaginary Number
比无理数更虚幻的超越数
Automorphic Form
裁缝店的那点事
一块做大人衣服的
布料,能做几件小
人衣服,零头布还
能当(方的)尿布
吗?
L 函 子
朗兰兹函数(年青函数)的精神:
L函数为数学对象的数值不变量
(通常为整数)的生成函数或无
限维李群的特征,可视为为复平
面上解析函数,这些数学对象可
以是表示 ,代数簇,流形,微分
算子等等,L(年青)函数期望
具有好的解析性质,比如函数方
程 乘积展开 零点和极点分布,
通过这些性质反映数学对象的算
术的,代数的,几何的,拓扑的,
组合的性质,以及它们的对称性
等等。
Pentagon 五角大楼
自守钱贝流
忘记嵌入日期的信
再回到 Year 1880
映入自相似笔别谤颈辞诲颈肠颈迟测
抛开无穷尖点不算就是五指山
搞来搞去,其实还是,喔靠,谱吗?
最好压根没有钓鱼岛哎。。。
革命纲领一统天下
心里还是惦记着:行银民人国中
破解椭圆加密?
用斯猫加密吧,再见也不见也!
15862930930@163.com
PPT参考资料太多只好偷懒了
?Steed的11维坐标:
https://academictree.org/etree/peopleinfo.php?pid=731115
https://www.researchgate.net/profile/Jun_Huang38
/JunSteedHuang
https://twitter.com/steedhuang
https://www.facebook.com/steed.huang
https://www.linkedin.com/in/jun-steed-huang-437410/
http://baike./item/%E9%BB%84%E9%AA%8F/6399287
http://www.renren.com/343081060
http://weibo.com/junsteedhuang
https://github.com/steedhuang/swan-swarm-algorithm
http://cse.sustc.edu.cn/en/people/view/people_id/60/sort_id/13/pid/

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