實變函數的入門簡介

2020-12-18 閒聊代碼

實變函數學十遍,比「彙編語言不會編」還是難很多的。

至少我彙編就練得不錯:(

但實變就只懂一點點,做那湯松大牛的課後題是白搭,但是在需要的時候拿來懟一下深度神經網絡DNN還是可以的(捂臉

1,可數

可數是實變函數的入門核心概念,一般都會放在第一章的開頭。

某集合裡的元素,存在一個與自然數集的一一對應關係,就是可數。

通俗點說,就是這個集合的元素數得清,能用0、1、2、3,...,依次編號。

至於這個號怎麼編,則需要證明者去找。

有理數的分子和分母都是整數,以其中一個為橫坐標,另一個為縱坐標,從0點開始按照對角線法則編號,就能與自然數一一對應,所以它可數。

這辦法是一百年前的康託大牛想出來的。

代數數,可以按代數方程的次數和根的個數排列,與上面類似的辦法,也可數。

2,不可數

不可數集的典型就是實數,實數區間也不可數。

[0, 1]區間的不可數的證明過程,就是著名的康託三分集

以1/3和2/3作為分割點,分三段,取中間一段。

然後繼續以4/9和5/9為分割點,把中間一小段再分三段。

重複以上步驟,一直分下去,形成一個閉區間套。

把這些分割點編號,因為閉區間套必有公共點,所以無論怎麼分閉區間套的公共點是編不進去的,即實數區間不可數,然後得出實數集不可數

因為代數數可數,所以超越數存在。

超越數的存在,是康託的斷言。

閉區間套必須得有公共點,否則按康託的分法最後就間斷了,與實數集的連續性矛盾了。

3,有界無窮集

有界無窮集必有極限點。

有界無窮點列必有收斂子列。

說的都是一碼事,這是波爾查諾-威爾斯特拉斯定理。

想像一下就可以,又有界,又無窮,那只能隨著n越大,|An - Am|越小,n趨向於無窮∞時,兩點差的絕對值趨向於0。

sigmond曲線,神經網絡裡常用的,就是這樣,x趨向於無窮大的時候曲線的斜率越來越小,梯度趨向於0,函數值趨向於0或1。

證明方法,如下圖,反正我記不住:(

圖片拍自那湯松的「實變函數論」。

收斂子列的極限點如果也在這個集合裡,那麼集合就是完備的。

空間的完備,是在泛函上經常出現。

n趨向無窮大時,兩點的距離趨向於0。把距離的定義抽象化,不再要求歐氏空間的距離定義,而是擴展為只需要滿足非負、對稱、三角不等式三原則,就是泛函分析的開篇,度量空間

4,

圓,和圓的內接正多邊形、外切正多邊形,是個很形象的描述以上概念的例子。

正多邊形自然是可數的,從正四邊形開始,依次遞增。

單位圓的外切正方形的面積是4,內接正方形的面積是2,單位圓的面積在這兩個值之間。

繼續做正八邊形,正16邊形,正32邊形,...,外切和內接都會越來越接近圓。

內接正八邊形比正方形多出來的面積,可以用勾股定理去算,不斷應用勾股定理可以算出所有的正N邊形的面積。

勾股定理是2次代數方程

應用閉區間套定理,圓就是這個二維閉區間套的公共點。

也可以把內接和外切正多邊形的面積畫在實數軸上,那麼這一系列的區間就是閉區間套,圓的面積就是公共點。

所以,實數區間是不可數的。

圓的面積是沒法用勾股定理相關的代數方程算出來的,可以推測圓周率是超越數。

5,狄利克雷問題勒貝格測度

函數值在有理數為0,無理數為1,是沒法黎曼積分的。

因為積分就是變相的求和,黎曼積分是按定義域的區間劃分的,區間長度趨向於0時的和的極限,就是積分值。

有理數在實數上稠密,導致狄利克雷函數的區間沒法劃分,無論多小的區間,函數值都不唯一:不連續,也不是只在有限個點不連續

勒貝格就按值域劃分了,值域倒是可以劃分,但是定義域從連續區間變成了一堆雜亂的集合

這堆集合的大小怎麼算,規定可數集的測度是0,區間的測度是區間長度,這樣就可以積分了。

6,神經網絡連續函數的近似

連續,是個很強的條件。

有界,也是個很強的條件。

可導,那是個更強的條件。

既然連續,那麼它要麼是一條直線,要麼它的極值點最多只有可數個。

x0是極值點,那麼在x0的一個足夠小的鄰域內,f(x0)>= f(x)或者f(x0)<= f(x),極大值點或極限值點。

鄰域是一個足夠小的區間,區間裡必含有一個有理數(有理數在實數上稠密),有理數是可數的,所以極值點也是可數的。

既然能數個數,那就挨個分段去近似,分的段足夠多,近似到一定精度內為止。

當時看書時還自己畫了一通呢,現在看不懂自己畫的什麼了。。。

推薦這本書:

俄羅斯大牛那湯松著,徐瑞雲譯,

「實變函數論」。

那湯松,據說是菲赫金戈爾茨的學生。

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