本書是為準(zhǔn)備攻讀研究生的同學(xué)準(zhǔn)備的數(shù)學(xué)入門讀物。本書用通俗的語言和非嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕榻B,給出了多個(gè)數(shù)學(xué)分支的概貌。這些數(shù)學(xué)分支包括:線性代數(shù)、實(shí)分析、向量函數(shù)微積分、點(diǎn)集拓?fù)洹⒔?jīng)典Stokes定理、微分形式和Stokes定理、曲線和曲面的曲率、幾何學(xué)、復(fù)分析、可數(shù)和選擇公理、代數(shù)、Lebesgue積分、Fourier分析、微分方程、組合數(shù)學(xué)和概率論、算法。本書適合攻讀電子類、信息類、材料類、生物類、化工類、機(jī)械類等工程類專業(yè)研究生的讀者閱讀。本書也可作為一學(xué)期課程的教材使用。
數(shù)學(xué)是令人振奮的。我們生活在數(shù)學(xué)史上最偉大的時(shí)代。在20世紀(jì)30年代,有些人擔(dān)心20世紀(jì)早期的數(shù)學(xué)越來越抽象,這可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)學(xué)家們從事沒有成果的愚蠢智力練習(xí),也可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)學(xué)分裂成完全不同的分支,就如同自然哲學(xué)被分成了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)那樣。但是事實(shí)卻恰恰相反。從第二次世界大戰(zhàn)開始,人們越來越清楚地意識(shí)到數(shù)學(xué)有著統(tǒng)一的規(guī)律。曾經(jīng)被分開的領(lǐng)域現(xiàn)在互相支撐著彼此。學(xué)習(xí)和研究數(shù)學(xué)值得傾注一生。
數(shù)學(xué)是復(fù)雜的。很不幸的是,人們并沒有那么擅長數(shù)學(xué)。盡管學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)可以說是一種享受,但是它仍然需要勤奮及自律。我?guī)缀醪徽J(rèn)識(shí)把數(shù)學(xué)看作一門簡單學(xué)科的數(shù)學(xué)家。事實(shí)上,大多數(shù)情況下,在幾杯啤酒下肚后,他們會(huì)承認(rèn)自己在數(shù)學(xué)上的愚鈍。這也是一名即將攻讀研究生的學(xué)生所必須面對(duì)的障礙,即怎樣解決數(shù)學(xué)的深刻性與我們淺薄的數(shù)學(xué)知識(shí)間鮮明的反差。研究生院的學(xué)生流失率如此之高的部分原因也在于此。就算在最好的學(xué)校里有最高的留存率,通常也只有一半的人最終能獲得博士學(xué)位。甚至在排名前二十的學(xué)校里,有時(shí)也會(huì)有80%的研究生不能畢業(yè),盡管這些研究生比起一般人來說更加擅長于數(shù)學(xué)。很多人認(rèn)為數(shù)學(xué)是一個(gè)能使他們發(fā)光發(fā)熱的領(lǐng)域?墒峭蝗辉谘芯可豪锼麄儽煌瑯由踔粮鼉(yōu)秀(或者看起來更優(yōu)秀)的人所包圍。更糟的是,數(shù)學(xué)本身還是一種精英教育。學(xué)校不會(huì)為了使初學(xué)者感覺良好而背離自己的教育方式(這不是學(xué)校的工作,其工作是探索數(shù)學(xué)領(lǐng)域)。事實(shí)上,有更簡單的謀生方式(盡管對(duì)于數(shù)學(xué)家來說可能不太令人滿意)。所以“你必須被逼著成為一個(gè)數(shù)學(xué)家”這句話是有道理的。
盡管如此,數(shù)學(xué)還是令人興奮的。挫折應(yīng)該能夠被學(xué)習(xí)和最終開拓(或發(fā)現(xiàn))嶄新數(shù)學(xué)領(lǐng)域的興奮感而戰(zhàn)勝。歸根結(jié)底,成為一名數(shù)學(xué)研究者是進(jìn)入研究生院學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)。和其他創(chuàng)作相同,數(shù)學(xué)的研究也會(huì)造成情緒的起伏。只有從事規(guī)律和乏味的工作才不會(huì)有情緒上的高峰和低谷。研究生面對(duì)的一部分困難就是學(xué)著怎樣去處理他們情緒的低谷期。
本書的目標(biāo)。本書的目標(biāo)之一是至少給出有關(guān)主題的粗略介紹,這些主題是頂尖研究生都應(yīng)該知道的。很不幸的是,對(duì)于研究生和研究工作來說,因?yàn)樗璧闹R(shí)要比在大學(xué)短短四年時(shí)間所學(xué)到的知識(shí)多得多,所以幾乎沒有新生能完全理解這些主題,不過還好,所有人都至少知道這些主題中的一部分。不同的人了解的主題不同,這也有力地表明了與他人合作的好處。
本書還有另外一個(gè)目標(biāo)。許多非數(shù)學(xué)工作者突然發(fā)現(xiàn)他們需要知道一些嚴(yán)密的數(shù)學(xué)知識(shí)。閱讀教材對(duì)于他們來說十分困難。本書的每一章都會(huì)提供一些有關(guān)他們感興趣的主題的提綱。
為了能找出一些數(shù)學(xué)領(lǐng)域的暗示,面對(duì)一個(gè)新定義時(shí),讀者應(yīng)該盡力找出一個(gè)簡單的例子和一個(gè)簡單的反例。順便說一下,反例就是一個(gè)幾乎滿足但不完全滿足定義的例子。但是,除了找出這些例子之外,讀者還應(yīng)該考慮基礎(chǔ)定義被給出的原因。這使得如何研究數(shù)學(xué)被分裂成了兩種思潮。一種是從合理的但不單純的定義開始,然后證明關(guān)于這些定義的定理。通常定理的敘述都是很復(fù)雜的,包含很多不同的情形和條件,并且證明也相當(dāng)復(fù)雜,需要很多特定的技巧。
另一種,也是在20世紀(jì)中期用得很多的一種方法,即花費(fèi)大量時(shí)間研究基礎(chǔ)定義,目的是使定理被更清晰地陳述,并且有直截了當(dāng)?shù)淖C明。在這種思潮下,每當(dāng)在證明中用到一個(gè)技巧的時(shí)候,就意味著要進(jìn)行更多的工作。這也意味著定義本身需要得到理解,即使僅僅是在解決為什么要提出此定義的水平上。但是通過這種方式,定理能夠被清晰地陳述和證明。
在這種方法中,例子成了關(guān)鍵。對(duì)于一些基本例子,大家已經(jīng)熟知了它們的性質(zhì)。這些例子會(huì)使抽象的定義和定理形象化。事實(shí)上,這些定義的產(chǎn)生是為了給出相應(yīng)的定理,以及與之相關(guān)的例子,這也是我們所期待的答案。只有那樣,定理才能被應(yīng)用到新的例子和那些我們不了解的情形中。
托馬斯·A.加里蒂(Thomas A.Garrity),托馬斯·A.加里蒂是美國馬薩諸塞州威廉姆斯學(xué)院數(shù)學(xué)教授,是該學(xué)院“有效教學(xué)”項(xiàng)目的主管。托馬斯.A加里蒂于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校獲得學(xué)士學(xué)位,于布朗大學(xué)獲得博士學(xué)位。他曾與1986年至1989年間,擔(dān)任萊斯大學(xué)Evans講席教師。托馬斯·A.加里蒂曾獲得美國數(shù)學(xué)協(xié)會(huì)(MAA)頒發(fā)的大學(xué)杰出教學(xué)獎(jiǎng)(MAA Deborah and Franklin TepperHaimo Award for outstanding college or university teaching)。除了眾多的學(xué)術(shù)論文外,托馬斯·A.加里蒂還寫了另外一本教材《Algebraic Geometry:A Problem Solving Approach》。
前言
關(guān)于數(shù)學(xué)的結(jié)構(gòu)
主題概要
01線性代數(shù)
02實(shí)分析
03向量值函數(shù)的微積分
04點(diǎn)集拓?fù)?
05經(jīng)典Stokes定理
06微分形式和Stokes定理
07曲線和曲面的曲率
08幾何學(xué)
09復(fù)分析
010可數(shù)性和選擇公理
011代數(shù)
012勒貝格積分
013傅里葉分析
014微分方程
015組合學(xué)和概率論
016算法
第1章線性代數(shù)
11介紹
12基本向量空間Rn
13向量空間和線性變換
14基、維數(shù)和表示為矩陣的線性變換
15行列式
16線性代數(shù)基本定理
17相似矩陣
18特征值和特征向量
19對(duì)偶向量空間
110推薦閱讀
111練習(xí)
第2章ε和δ實(shí)分析
21極限
22連續(xù)性
23微分
24積分
25微積分基本定理
26函數(shù)的點(diǎn)態(tài)收斂
27一致收斂
28Weierstrass M判別法
29Weierstrass的例子
210推薦閱讀
211練習(xí)
第3章向量值函數(shù)的微積分
31向量值函數(shù)
32向量值函數(shù)的極限和連續(xù)性
33微分和Jacobi矩陣
34反函數(shù)定理
35隱函數(shù)定理
36推薦閱讀
37練習(xí)
那些年你沒學(xué)明白的數(shù)學(xué)——攻讀研究生必知必會(huì)的數(shù)學(xué)目錄
第4章點(diǎn)集拓?fù)?
41基礎(chǔ)定義
42Rn上的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?
43度量空間
44拓?fù)浠?
45交換環(huán)的Zariski拓?fù)?
46推薦閱讀
47練習(xí)
第5章經(jīng)典Stokes定理
51關(guān)于向量微積分的準(zhǔn)備工作
511向量場
512流形和邊界
513路徑積分
514曲面積分
515梯度
516散度
517旋度
518可定向性
52散度定理和Stokes定理
53散度定理的物理解釋
54Stokes定理的物理解釋
55散度定理的證明梗概
56Stokes定理的證明梗概
57推薦閱讀
58練習(xí)
第6章微分形式和Stokes定理
61平行六面體的體積
62微分形式和外導(dǎo)數(shù)
621初等k形式
622k形式的向量空間
623處理k形式的準(zhǔn)則
624微分k形式和外導(dǎo)數(shù)
63微分形式和向量場
64流形
65切空間和定向
651隱式和參數(shù)化流形的切空間
652抽象流形的切空間
653向量空間的定向
654流形和它的邊界的定向
66流形上的積分
67Stokes定理
68推薦閱讀
69練習(xí)
第7章曲線和曲面的曲率
71平面曲線
72空間曲線
73曲面
74GaussBonet定理
75推薦閱讀
76練習(xí)
第8章幾何學(xué)
81歐式幾何
82雙曲幾何
83橢圓幾何
84曲率
85推薦閱讀
86練習(xí)
第9章復(fù)分析
91解析函數(shù)
92柯西黎曼方程
93復(fù)變函數(shù)的積分表示
94解析函數(shù)的冪級(jí)數(shù)表示
95保角映射
96黎曼映射定理
97多復(fù)變數(shù):哈托格斯定理
98推薦閱讀
99練習(xí)
第10章可數(shù)性和選擇公理
101可數(shù)性
102樸素集合論與悖論
103選擇公理
104不可測集
105哥德爾和獨(dú)立性證明
106推薦閱讀
107練習(xí)
第11章代數(shù)
111群
112表示論
113環(huán)
114域和迦羅瓦理論
115推薦閱讀
116練習(xí)
第12章勒貝格積分
121勒貝格測度
122康托集
123勒貝格積分
124收斂理論
125推薦閱讀
126練習(xí)
第13章傅里葉分析
131波函數(shù),周期函數(shù)和三角學(xué)
132傅里葉級(jí)數(shù)
133收斂問題
134傅里葉積分和變換
135求解微分方程
136推薦閱讀
137練習(xí)
第14章微分方程
141基本知識(shí)
142常微分方程
143拉普拉斯算子
1431平均值原理
1432變量分離
1433在復(fù)分析上的應(yīng)用
144熱傳導(dǎo)方程
145波動(dòng)方程
1451來源
1452變量代換
146求解失。嚎煞e性條件
147Lewy的例子
148推薦閱讀
149練習(xí)
第15章組合學(xué)和概率論
151計(jì)數(shù)
152概率論基礎(chǔ)
153獨(dú)立性
154期望和方差
155中心極限定理
156n!的Stirling近似
157推薦閱讀
158練習(xí)
第16章算法
161算法和復(fù)雜度
162圖:歐拉和哈密頓回路
163排序和樹
164P=NP?
165數(shù)值分析:牛頓法
166推薦閱讀
167練習(xí)
附錄等價(jià)關(guān)系
參考文獻(xiàn)