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泛函分析与变分法
第6次开课
开课时间: 2024年09月18日 ~ 2025年02月17日
学时安排: 3-5小时每周
当前开课已结束 已有 19 人参加
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spContent=泛函分析与变分法是研究和解决现代工程问题的强大的数学基础,它将众多数学理论与方法的共性归化在一起,为各领域的科研人员在解决复杂问题时提供更高的数学观点、视野和方法。是研究和解决电磁场理论和其它工程领域许多实际问题的重要工具,也能为把自己培养为高层次的人才打下良好的数学基础。
泛函分析与变分法是研究和解决现代工程问题的强大的数学基础,它将众多数学理论与方法的共性归化在一起,为各领域的科研人员在解决复杂问题时提供更高的数学观点、视野和方法。是研究和解决电磁场理论和其它工程领域许多实际问题的重要工具,也能为把自己培养为高层次的人才打下良好的数学基础。
—— 课程团队
课程概述

随着科学技术日新月异的快速发展,对高端人才的数学基础要求也越来越高,作为现代数学基础的泛函分析和方法便成了许多高校工科专业的基础课程,国内外许多著名的大学都把泛函分析作为工科研究生的必修课或学位课程。就像中学需要学习初等数学,本科需要学习高等数学一样。

泛函分析是从变分法、积分方程、微分方程、逼近论和理论物理的研究中发展起来的一个数学分支。它综合地运用分析、代数和几何的方法,研究各类空间中的函数及空间之间映射关系和性质。通俗的说,就是用代数的观点和几何的方法解决分析的问题。其中最基本的概念就是泛函、算子和空间。

如在电磁理论中,关于Maxwell方程、Laplace方程、波动方程、Helmholtz方程等的研究与求解,都离不开泛函分析的理论与概念。比如常用的Dirac函数δ(x)(脉冲函数),在微积分理论中无法对它求导、积分和运算,而这些问题在泛函分析理论中都可以获得圆满的解决。

其次,在工程应用中的最佳逼近问题、最小二乘问题等,都是泛函分析中的基本方法。学习泛函分析后,对这些方法的应用和理解会更加深入,对工程问题的描述与建模更加容易。

再次,绝大部分的数值计算方法,包括计算电磁学,都离不开泛函分析理论。比如获得广泛应用的有限元方法、矩量法、伽辽金方法、加权余量法和变分法等等,都是基于泛函理论的数值计算方法,有时也称这些方法为泛函方法。

所以,泛函理论与方法的学习,可以帮助大家深刻理解和掌握各类工程应用中的常用方法,并可以提高应用这些方法的能力,或对这些方法加以创新性研究和改进。

本课程大致涉及五个部分内容,(1) 测度与Lebesgue积分;(2)泛函分析概念;(3Sobolev空间;(4)变分法;(5)电磁问题计算的泛函方法。课程内容对于电类研究生来说,应该比较完整够用。

由于工科研究生与数学专业的要求不同,课程侧重概念的介绍、理解和应用,而不求证明,并尽量结合图形和ppt动画来解释一些比较抽象的概念。

课程不仅可以供 工科专业研究生学习,也可以供本科高年级学习。

授课目标

理解泛函分析中的基本概念,包括Lebesgue测度和Lebesgue积分,各种常用的度量空间、赋范线性空间,Hilbert空间及理论,广义函数空间,Sobolev空间,算子理论和算子空间等。掌握常用的泛函方法,比如最小二乘法,变分法,Ritz方法,Galerkin方法,矩量法等。能理解在阅读专业文献时遇到的相关泛函概念与方法。

成绩 要求

无证书要求。


课程大纲

第0讲 绪论

绪论

0.1经典解

0.2广义解

0.3 狄拉克函数δ(x)

0.4 数值解

第一讲Lebesgue测度与Lebesgue积分

1.1积分问题描述

1.2 Lebesgue可测集与Lebesgue测度

1.3 可测函数与收敛性

1.4 Lebesgue积分

____ 1.4.1 Lebesgue积分的定义

____1.4.2 无界函数的Lebesgue积分

____1.4.3 无界区域上的Lebesgue 积分

____1.4.4 积分极限定理

第二讲 度量空间

2.1 度量空间

____2.1.1 度量空间的定义

____2.1.2 度量空间的例子

____2.1.3 子空间和度量空间中的极限

2.2 赋范线性空间

____2.2.1 线性空间

____2.2.2 线性空间中的几个常用概念

____2.2.3 赋范线性空间

____2.2.4 以范数极限及等价范数

2.3 Lp 空间

____2.3.1 线性空间Lp

____2.3.2线性空间Lp中的范数

____2.3.3 赋范线性空间小lp

____2.3.4 Lp上的依范数极限

____2.3.5 L∞空间及其范数

____2.3.6 L∞空间与Lp空间的关系及总结

2.4 度量空间的完备性及Banach空间

____2.4.1 度量空间完备性概念

____2.4.2 完备度量空间的例子

____2.4.3 完备空间的重要性质

____2.4.4 稠密性概念

____2.4.5 可析点集与可析空间

____2.4.6 度量空间的完备化

____2.4.7 不动点定理

第三讲 有界算子与泛函

3.1 线性算子与线性泛函

____3.1.1 线性算子与线性泛函的概念

____3.1.2 几个线性算子的例子

____ 3.1.3 线性算子的有界性和连续性

____###3.1.3.1 线性算子连续性定义与性质

____###3.1.3.2 有界算子定义及与连续性关系

____###3.1.3.3 算子范数

____###3.1.3.4 算子范数计算的例子

____3.1.4 线性算子空间

3.2 共轭空间与共轭算子

____3.2.1共轭空间

____3.2.2 算子与泛函的极限

____###3.2.2.1 算子极限

____### 3.2.2.2 泛函极限

____### 3.2.2.3 点列极限

____3.2.3 二次共轭空间与共轭算子

____### 3.2.3.1 二次共轭空间

____### 3.2.3.2 共轭算子

第四讲 Hilbert空间

4.1 内积与Hilbert空间

____4.1.1 内积与内积空间

____###4.1.1.1 内积与内积空间的概念

____###4.1.1.2 内积空间的例子

____4.1.2 内积的性质-Schwarz不等式

____4.1.3 内积与(导出)范数

____4.1.4 Hilbert空间及例子

____4.1.5 范数与(导出)内积

4.2 正交与投影

____4.2.1 正交与投影的概念

____4.2.2 投影定理

____4.2.3 最小二乘法

4.3 标准正交系与Fourier展开

____4.3.1 标准正交系

____4.3.3 Fourier级数

____###4.3.3.1Fourier级数

____###4.3.3.2 贝塞尔(Bessel)不等式

____4.3.4 完备的标准正交系

____4.5.2 Hilbert空间的自共轭性

4.5 自共轭空间与自共轭算子

____4.5.1 连续线性泛函的内积表示

____4.5.3 内积空间中的共轭算子定义

____4.5.4 内积空间中的共轭算子例子

____4.5.5 共轭算子的性质和内积空间中的自共轭算子

____4.5.6 双线性Hermite泛函

第五讲 广义函数与Sobolev空间

5.1 广义函数

____5.1.1 基本函数与基本函数空间概念

____5.1.2 基本函数的例子

____5.1.3 基本函数空间中的度量

____5.1.4 广义函数的定义与例子

____5.1.5 广义函数空间与广义函数的极限

第六讲变分法

本讲课程ppt

第七讲 电磁场问题的泛函方法

电磁场问题的方法方法ppt

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预备知识

预备知识:高等数学,线性代数,微分方程

参考资料

[1] 夏道行等,实变函数论与泛函分析(上、下),第二版,1985年

[2]  苏家 铎, 泛函分析与变分法,中国科学技术大学出版社,1993

[3] 李立康等, 索伯列夫空间引论,上海科学技术出版社,1981

[4] 吕英华,计算电磁学的数值方法,清华大学出版社,2005

东南大学
1 位授课老师
孙连友

孙连友

副教授

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