Кіріспе
Анализ – үздіксіз функциялар, лимиттер және дифференциалдау, интегралдау, өлшем, шексіз тізбектер, қатарлар және аналитикалық функциялар сияқты байланысты теорияларды зерттейтін математиканың бір саласы. Бірақ оның көптеген идеяларының бастауын ертедегі математиктерден табуға болады. Анализдің алғашқы нәтижелері ежелгі грек математикасының алғашқы кезеңдерінде-ақ көрініс берген. Мысалы, шексіз геометриялық қатар Зенонның дихотомия парадоксында жасырынып жатыр. Азияда қытай математигі Лю Хуэй біздің заманымыздың 3-ші ғасырында шеңбердің ауданын табу үшін сарқылу әдісін қолданды. Джайнистік әдебиеттерде индустар б.з.д. 4-ші ғасырға дейін арифметикалық және геометриялық қатарлардың қосындысының формулаларын білгендігі көрсетілген. Ачарья Бхадрабаху өзінің "Кальпасутра" кітабында геометриялық қатардың қосындысын пайдаланған.
Analysis is the branch of mathematics dealing with continuous functions, limits, and related theories, such as differentiation, integration, measure, infinite sequences, series, and analytic functions. but many of its ideas can be traced back to earlier mathematicians. Early results in analysis were implicitly present in the early days of ancient Greek mathematics. For instance, an infinite geometric sum is implicit in Zeno's paradox of the dichotomy. In Asia, the Chinese mathematician Liu Hui used the method of exhaustion in the 3rd century CE to find the area of a circle. From Jain literature, it appears that Hindus were in possession of the formulae for the sum of the arithmetic and geometric series as early as the 4th century BCE. Ācārya Bhadrabāhu uses the sum of a geometric series in his Kalpasūtra in .
Орта ғасырлар
Цу Чонцзи 5 ғасырда сфераның көлемін табу үшін кейін Кавальери принципі деп аталатын әдіс жасады. 12 ғасырда үнді математигі Бхаскара II инфинитезимальдарды қолданды және қазір Роль теоремасы деп белгілі нәрсені пайдаланды. 14 ғасырда Сангамаграмалық Мадхава синус, косинус, тангенс және арктангенс сияқты функциялар үшін шексіз қатарларды дамытты, бұл қазір Тейлор қатарлары деп аталады. Тейлор қатарларын тригонометриялық функциялар үшін жасаумен қатар, ол осы қатарларды уыстау нәтижесінде туындаған қателіктердің мөлшерін бағалады және кейбір шексіз қатарларға рационалды жуықтама берді. Оның ізбасарлары Керала астрономия және математика мектебінде оның еңбектерін 16 ғасырға дейін одан әрі дамытты.
Негізгі құралдар
Математикалық талдаудың қазіргі заманғы негіздері 17 ғасырдағы Еуропада қаланды. Декарттың 1637 жылы жариялаған "La Géométrie" еңбегі, онда декартық координаттар жүйесі енгізілді, математикалық талдаудың бастауы деп есептеледі. Бірнеше онжылдықтан кейін Ньютон мен Лейбниц тәуелсіз түрде инфинитезималды есептеуді (сансыз кішкентай шамалар есептеуін) жасады, ол 18 ғасырдағы қолданбалы жұмыстардың ықпалымен вариациялық есептеу, қалыпты және дербес дифференциалдық теңдеулер, Фурье анализі және туынды функциялар сияқты талдау тақырыптарына дамыды. Осы кезеңде дискретті проблемаларды үздіксіз проблемалармен жуықтастыру үшін есептеу техникалары қолданылды.
Жаңғырту
XVIII ғасырда Эйлер математикалық функция ұғымын енгізді. Шын талдау 1816 жылы Бернард Болцано үздіксіздіктің қазіргі заманғы анықтамасын енгізген кезде тәуелсіз ғылым ретінде қалыптаса бастады, бірақ Болцаноның еңбектері 1870 жылдарға дейін кеңінен танылмады. 1821 жылы Коши бұрынғы еңбектерде, әсіресе Эйлерде кеңінен қолданылған алгебраның жалпылығы принципін қабылдамай, есептеуге берік логикалық негіз қалады. Коши оның орнына геометриялық идеялар мен инфинитезимальдар тұрғысынан есептеуді тұжырымдады. Осылайша, оның үздіксіздік анықтамасы x-тің инфинитезималь өзгерісіне y-тің инфинитезималь өзгерісінің сәйкес келуін қажет етті. Ол сондай-ақ Коши тізбегі түсінігін енгізіп, күрделі талдаудың формалды теориясын бастады. Пуассон, Лиувилл, Фурье және басқалар дербес дифференциалдық теңдеулерді және гармоникалық талдауды зерттеді. Осы математиктердің және Вейерштрасс сияқтылардың еңбектері лимит тәсілінің (ε, δ) анықтамасын дамытып, қазіргі заманғы математикалық талдау саласын құрды. Шамамен сол кезде Риман интеграция теориясын енгізіп, күрделі талдауда маңызды жетістіктерге жетті. XIX ғасырдың соңында математиктер нақты сандардың континуумының бар екендігін дәлелсіз қабылдап отырғаны туралы алаңдаушылық білдірді. Содан кейін Дедекинд Дедекинд кесулері арқылы нақты сандарды құрастырды, онда иррационал сандар рационал сандар арасындағы "бос орындарды" толтыруға қызмет ететіндей ресми түрде анықталады, осылайша толық жиын құрылды: нақты сандардың континуумы, оны ондық кеңейтулер арқылы Саймон Стевин бұрыннан дамытқан болатын. Сол уақытта Риман интеграциясының теоремаларын жетілдіру әрекеттері шын функциялардың үздіксіздік жиынтығының "өлшемін" зерттеуге әкелді. Сондай-ақ, әр түрлі патологиялық объектілер (мысалы, еш жерде үздіксіз емес функциялар, үздіксіз, бірақ еш жерде дифференциалдалмайтын функциялар және кеңістікті толтыру қисықтары), әдетте "есімдер" деп аталатын, зерттеле бастады. Осы контексте Джордан өзінің өлшем теориясын, Кантор қазіргі таңда наивтік жиын теориясы деп аталатын теорияны, ал Бейр Бейр категориясы теоремасын дәлелдеді. XX ғасырдың басында аксиомалық жиын теориясын қолдану арқылы есептеу формалды түрде жүзеге асырылды. Лебег өлшем теориясын едәуір жақсартты және өзінің интеграция теориясын енгізді, қазір Лебег интеграциясы деп танылатын бұл теория Риманның теориясына қарағанда үлкен жетістік болды. Гильберт интегралдық теңдеулерді шешу үшін Гильберт кеңістіктерін енгізді. Нормаланған векторлық кеңістік идеясы ауада болды, ал 1920 жылдары Банах функционалдық талдауды құрды.
Тізбелер мен шектер
Реттілік – реттелген тізім. Жиын сияқты, ол мүшелерден (немесе элементтер, немесе терминдер) тұрады. Жиыннан айырмашылығы, реттілікте рет маңызды, және бірдей элементтер реттілікте әртүрлі орындарда бірнеше рет кездесуі мүмкін. Нақтырақ айтқанда, реттілікті функция ретінде анықтауға болады, оның анықталу облысы натурал сандар сияқты толық реттелген жиын болып табылады. Реттіліктердің ең маңызды қасиеттерінің бірі – жуысу (конвергенция). Жай тілмен айтқанда, реттілік егер шегі болса, жуысады. Бұдан әрі, (бір шексіз) реттіліктің шегі бар, егер ол n саны шексіздікке ұмтылғанда қандай да бір x нүктесіне жақындаса, сол x нүктесі шек деп аталады. Яғни, абстракт реттілік (an) үшін (мұнда n 1-ден шексіздікке дейін өседі деп есептелінеді) an мен x арасындағы қашықтық n → ∞ болғанда 0-ге жуысады.
Нақты талдау
Реалдық талдау (дәстүрлі түрде "нақты айнымалының функциялары теориясы") – математикалық талдаудың нақты сандар және нақты айнымалының нақты мәнді функцияларымен айналысатын саласы. Атап айтқанда, ол нақты функциялар мен тізбектердің талдау қасиеттерімен, соның ішінде нақты сандар тізбегінің жуықтасуы және лимиттерімен, нақты сандардың есебімен, нақты мәнді функциялардың үздіксіздігімен, тегістігімен және осымен байланысты қасиеттерімен айналысады.
Күрделі талдау
Комплекстік талдау (әдетте "комплексті айнымалылардың функциялары теориясы" деп аталады) – математикалық талдаудың күрделі сандардың функцияларын зерттейтін саласы. Осы мағынада, өлшем – ұзындық, аудан және көлем ұғымдарының жалпыламасы болып табылады. Ерекше маңызды мысал – Евклид кеңістігіндегі Лебег өлшемі, ол Евклид геометриясының дәстүрлі ұзындығын, ауданын және көлемін, өлшемді Евклид кеңістігінің сәйкес кіші жиындықтарына тағайындайды. Мысалы, нақты сандардағы [a, b] интервалының Лебег өлшемі – оның ұзындығы, сөздің күнделікті мағынасында нақты, b-a-ға тең. Техникалық тұрғыдан алғанда, өлшем – жиынның (кейбір) кіші жиындықтарына оң сан немесе +∞ тағайындайтын функция. Ол бос жиынтыққа 0-ді тағайындауы керек және (саналатын) қосымша болуы керек: "ірі" кіші жиынтық, оны шекті (немесе саналатын) санына бөлінетін "кіші" жиынтықтарға жіктеуге болады, онда оның өлшемі – "кіші" жиынтықтардың өлшемдерінің қосындысына тең. Жалпы, егер адам өлшеудің басқа аксиомаларын қанағаттандыра отырып, берілген жиынның әрбір кіші жиынтығына сәйкес келетін өлшемді байланыстырғысы келсе, онда тек санау өлшемі сияқты қарапайым мысалдарды табады. Бұл мәселе, өлшеуді барлық кіші жиынтықтардың кіші жиынтығында ғана анықтау арқылы шешілді; өлшенетін кіші жиынтықтар деп аталады, олар алгебра құруы керек. Бұл дегеніміз – өлшенетін кіші жиынтықтың бос жиынтығы, саналатын біріктірілімдері, саналатын қиылыстары және толықтырулары өлшенетін болады. Евклид кеңістігіндегі өлшенбейтін жиынтықтар, олар бойынша Лебег өлшемін дұрыс анықтау мүмкін емес, міндетті түрде олардың толықтырғышымен нашар араласуы деген мағынада күрделі. Шындығында, олардың болуы таңдау аксиомасының маңызды салдары болып табылады.
Сандық талдау
Сандық талдау – математикалық талдау мәселелерін шешу үшін сандық жуықтауды (жалпы символдық түрлендірулерге қарама-қарсы) қолданатын алгоритмдерді зерттеу ғылымы (дискреттік математикадан ерекшеленеді). Қазіргі заманғы сандық талдау нақты жауаптарды табуға ұмтылмайды, себебі практикада нақты жауаптарды алу көбінесе мүмкін емес. Оның орнына, сандық талдаудың көп бөлігі қателіктердің қалыпты шектерін сақтай отырып, жуық шешімдер алумен айналысады. Сандық талдау инженерлік және физикалық ғылымдардың барлық салаларында қолданыс табады, бірақ 21-ғасырда тіршілік ғылымдары және тіпті өнер де ғылыми есептеулердің элементтерін қабылдады. Ерекше дифференциалдық теңдеулер аспан механикасында (планеталар, жұлдыздар және галактикалар) кездеседі; сандық сызықтық алгебра деректерді талдау үшін маңызды; стохастикалық дифференциалдық теңдеулер және Марков тізбектері медицина мен биология үшін тірі жасушаларды модельдеуде маңызды рөл атқарады.
Векторлық талдау
Векторлық талдау – математикалық талдаудың, шамасы және бағыты бар шамаларды зерттейтін саласы. Векторлардың мысалдарына жылдамдық, күш және орындысу жатады. Векторлар көбінесе шаманы сипаттайтын скалярлармен байланыстырылады.
Скалярлық талдау
Скалярлық талдау – математикалық талдаудың бағытқа қарамастан, шамаға қатысты мәндерді зерттейтін саласы. Температура сияқты шамалар скалярлы болып табылады, себебі олар бағыт, күш немесе ығысуға қарамастан шаманың мөлшерін ғана сипаттайды.
Басқа тақырыптар
Вариациялар калькулусы функциялармен салыстырғанда, экстремалдық функциялармен айналысады. Гармоникалық талдау функцияларды немесе сигналдарды негізгі толқындардың суперпозициясы ретінде ұсынумен айналысады. Геометриялық талдау – бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді зерттеуде геометриялық әдістерді қолдану және бөлшектік дифференциалдық теңдеулер теориясын геометрияға қолдану. Клиффорд анализі – Дирак немесе Диракқа ұқсас операторлармен жойылған Клиффорд мәнді функцияларды зерттеу, жалпы алғанда моногендік немесе Клиффорд аналитикалық функциялары деп аталады. p-адық талдау – нақты және кешенді аналогтарынан қызықты және күтпеген жолдармен ерекшеленетін p-адық сандар контекстінде талдауды зерттеу. Стандартты емес талдау – гипернақты сандар мен олардың функцияларын зерттейді және шексіз кішкентай және шексіз үлкен сандарды қатаң түрде қарастырады. Есептеуге болатын талдау – талдаудың қай бөліктерін есептеу арқылы жүзеге асыруға болатындығын зерттеу. Стохастикалық есептеу – стохастикалық процестер үшін жасалған аналитикалық ұғымдар. Жиындық мәнді талдау – жиындық мәнді функцияларға талдау және топологиядан алынған идеяларды қолданады. Дөңес талдау – дөңес жиындықтар мен функцияларды зерттеу. Идемпотентті талдау – идемпотентті жартылай сақина жағдайындағы талдау, онда қосымша кері шаманың болмауы А + А = А идемпотентті ережесімен толықтырылады. Тропикалық талдау – тропикалық жартылай сақина деп аталатын идемпотентті жартылай сақинаны (немесе максимум плюс алгебра / минимум плюс алгебра) талдау. Конструктивті талдау – классикалық емес, конструктивті логика мен жиынтықтар теориясының негізінде құрылған. Интуициялық талдау – конструктивті талдау сияқты конструктивті логикадан дамыған, бірақ сонымен қатар таңдау тізбектерін қамтиды. Параконсистентті талдау – классикалық емес, параконсистентті логика мен жиынтықтар теориясының негізінде құрылған. Тегіс шексіз талдау – тегіс топоста дамытылған.
Физикалық ғылымдар
Классикалық механиканың, салыстырмалылық теориясының және кванттық механиканың көп бөлігі қолданбалы талдау, әсіресе дифференциалдық теңдеулерге негізделген. Маңызды дифференциалдық теңдеулердің мысалдарына Ньютонның екінші заңы, Шредингер теңдеуі және Эйнштейннің өріс теңдеулері жатады. Функционалдық талдау кванттық механикада да маңызды рөл атқарады.
Сигналдарды өңдеу
Аудио, радио толқындары, жарық толқындары, сейсмикалық толқындар және тіпті суреттер сияқты сигналдарды өңдеу кезінде Фурье талдауы күрделі толқынның жеке компоненттерін бөліп шығарып, оларды анықтауды немесе жоюды жеңілдету үшін жинақтай алады. Сигналды өңдеудің көптеген әдістері сигналды Фурье түрлендіруден, түрлендірілген деректерді қарапайым жолмен өңдеуден және түрлендіруді кері операция арқылы қайтарудан тұрады.