#创作挑战赛#
实变函数,是为了扩大积分范围而引出来的一个数学分支。
据说,狄利克雷提出了这么一个函数去挑战黎曼积分:
f(x)在有理数上等于1,在无理数上等于0,求
这类函数的特点都是在定义域上不连续:在任何一个足够小的邻域内,函数值都是振荡的。
因为黎曼积分是按照定义域划分区间,然后求和,并取区间的长度趋向于0时的极限,所以要求:在非常小的定义域上,函数值的变化也得非常小。
也就是说,x趋向于x0时,f(x)也得趋向于f(x0)。
但是有理数在实数内稠密,当函数值在有理数上和无理数上差别很大时,黎曼积分就没法积分了。
为了解决这个问题,法国数学家勒贝格提出了改用值域划分积分范围的方法,就是实变函数论。
黎曼积分的本质是按定义域求和:
如果是用C语言来近似计算,就是这样:
double sum = 0;
for (double i = a; i <= b; i = (b - a) / N) {
sum = f(i) * (b - a) / N;
}
循环次数N越大,间隔(b - a) / N越小,算出来的积分值越精确。
但是,当按照函数值来划分间隔时,每个函数值对应的范围就不是区间了,而是一个集合:
以函数值划分区间
积分的数值计算代码就变成这样的了:
double sum = 0;
for (double y = ya; y <= yb; y = (yb - ya) / N) {
sum = y * Width{x | y = f(x)};
}
函数值y对应的定义域x的宽度,该是多少?[呲牙]
实变函数要解决的,就是这么个问题!
如果能按定义域划分的话,肯定就按定义域划分了。
如果没法按定义域划分,只能按值域划分,那么划分之后的“定义域的宽度”该怎么计算?
如果定义域是有理数集,那么有理数的宽度是多少?
1,有理数是可数的,
大数学家康托提出了一个概念,能够跟自然数集一一对应的集合,都叫可数集。
也就是说,这些集合的元素,可以按照0, 1, 2, 3, 4, ..., 这么依次编号。
有理数的排列-对角线
有理数的分子和分母都是整数,康托按照对角线去排列有理数的顺序,就与自然数建立了一一对应关系:也就证明了有理数是可数的。
凡是可数的集合,它的元素都是离散的。
早在欧几里德的几何原本里,离散的点就是没有长度的:所以规定可数集的“宽度”是0。
“宽度”这个词太容易混淆了,所以勒贝格把它叫做测度。
2,实数是不可数的,
因为实数是连续的,没法把实数区间里的所有点都编上号,所以实数是不可数的。
这个证明方法就是康托三分集:
A,把一个区间分成3段(有2个分隔点),3段的编号依次以0、1、2开头,
B,取中间一段,再分成更小的3段,编号依次以10,11,12开头(需要2位数),
C,这么依次编下去,总有至少1个点是编不上号的:
如果能编上的话,实数就连续不起来了。
通过研究有理数、实数与自然数的对应关系问题,康托发现了有理数和实数是不一样的,然后预言了超越数是存在的。
实数区间的测度(宽度),就是两个端点的差的绝对值:|b - a |.
有理数的测度,因为它是可数集,测度是0。
所以,间断点是一个可数集的函数,在按值域划分时,就可以积分了!
这就是勒贝格积分。
3,比较大小,
比较大小,本身是给集合的元素规定一种顺序:
a < b, b < c, 那么 a < c.
a < b,那么 b > a.
只要满足这2个关系的,就可以按照顺序进行二分查找。
对于按顺序排列的一组数字,要查找里面是否有某个数字的话,可以先看中间那个:
A,如果相等,就找到了,
B,如果小于,就看左边,
C,如果大于,就看右边。
计算机里所有的查找和排序算法,都是基于元素可以比较大小。
可以比较大小的情况下,比较一次就能定位好些个元素的情况,而不是比较一次只能定位2个元素的情况。
但不是所有的集合都能比较大小,一般认为复数是没法比较大小的,而实数可以。
复数也可以给它规定顺序:先比较“模”的大小,再比较辐角的大小。
当然数学家们为了严谨,是肯定要搞出一大堆的证明来,让人学上10遍的[捂脸]
复数的比较
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