Введение

Анализ — это раздел математики, изучающий непрерывные функции, пределы и связанные с ними теории, такие как дифференцирование, интегрирование, теория меры, бесконечные последовательности, ряды и аналитические функции. Однако многие из его идей восходят к более ранним математикам. Первые результаты в анализе неявно присутствовали уже в ранние периоды древнегреческой математики. Например, бесконечная геометрическая сумма содержится в парадоксе дихотомии Зенона. В Азии китайский математик Лю Хуэй в III веке нашей эры использовал метод исчерпывания для вычисления площади круга. Из джайнских текстов известно, что индусы владели формулами для суммы арифметической и геометрической прогрессий уже в IV веке до нашей эры. Ачарья Бхадрабаху использует сумму геометрической прогрессии в своей «Кальпасутре».

Средневековье

В V веке Зу Чончжи разработал метод, который позже был назван принципом Кавальери, для вычисления объёма сферы. В XII веке индийский математик Бхаскара II использовал бесконечно малые величины и то, что сейчас известно как теорема Ролля. В XIV веке Мадхава из Сангамаграмы разработал бесконечные разложения в ряды, ныне известные как ряды Тейлора, для функций, таких как синус, косинус, тангенс и арктангенс. Помимо разработки рядов Тейлора для тригонометрических функций, он также оценил величину погрешности, возникающей при усечении этих рядов, и дал рациональное приближение для некоторых бесконечных рядов. Его последователи в Керальской школе астрономии и математики продолжили развивать его работы вплоть до XVI века.

Фундации

Современные основы математического анализа были заложены в Европе в XVII веке. Публикация Декартом работы "La Géométrie" в 1637 году, в которой была введена декартова система координат, считается началом развития математического анализа. Однако, лишь несколько десятилетий спустя Ньютон и Лейбниц независимо друг от друга разработали дифференциальное и интегральное исчисление, которое, благодаря стимулу, полученному от прикладных задач, решавшихся в течение XVIII века, развилось в такие разделы анализа, как вариационное исчисление, обыкновенные и частные дифференциальные уравнения, преобразование Фурье и производящие функции. В этот период методы исчисления применялись для аппроксимации дискретных задач непрерывными.

Модернизация

В 18 веке Эйлер ввёл понятие математической функции. Реальный анализ начал формироваться как самостоятельная дисциплина, когда Бернард Болцано представил современное определение непрерывности в 1816 году, однако работы Болцано не получили широкой известности до 1870-х годов. В 1821 году Коши начал строить исчисление на прочном логическом фундаменте, отказавшись от принципа всеобщности алгебры, широко использовавшегося в более ранних работах, особенно Эйлером. Вместо этого Коши сформулировал исчисление в терминах геометрических представлений и бесконечно малых величин. Таким образом, его определение непрерывности требовало соответствия бесконечно малому изменению в *x* бесконечно малому изменению в *y*. Он также ввёл понятие последовательности Коши и заложил основы формальной теории комплексного анализа. Пуассон, Лиувилль, Фурье и другие исследователи изучали частные дифференциальные уравнения и гармонический анализ. Вклад этих математиков и других, таких как Вейерштрасс, привел к разработке (ε, δ)-определения предела, тем самым заложив основы современной области математического анализа. Приблизительно в то же время Риманн представил свою теорию интегрирования и добился значительных успехов в комплексном анализе. К концу 19 века математики начали испытывать беспокойство по поводу того, что они постулируют существование континуума действительных чисел без доказательств. Дедекинд затем построил действительные числа с помощью дедекиндовских сечений, в которых иррациональные числа были формально определены, что позволило заполнить "пробелы" между рациональными числами и создать полное множество – континуум действительных чисел, который ранее Саймон Стевин исследовал в терминах десятичных представлений. Примерно в то же время попытки уточнить теоремы интеграла Римана привели к изучению "мощности" множества точек разрыва действительных функций. Также начали исследоваться различные патологические объекты (такие как функции, нигде не являющиеся непрерывными, непрерывные, но нигде не дифференцируемые функции и кривые, заполняющие пространство), известные как "монстры". В связи с этим Жордан разработал свою теорию меры, Кантор – то, что сейчас называется наивной теорией множеств, а Бэр доказал теорему о категории Бэра. В начале 20 века исчисление было формализовано с использованием аксиоматической теории множеств. Лебег значительно усовершенствовал теорию меры и ввёл собственную теорию интегрирования, ныне известную как интеграл Лебега, которая оказалась существенным улучшением по сравнению с интегралом Римана. Гильберт ввёл гильбертово пространство для решения интегральных уравнений. Идея нормированного векторного пространства витала в воздухе, и в 1920-х годах Банах создал функциональный анализ.

Последовательность и пределы

Последовательность — это упорядоченный список. Как и множество, она содержит члены (также называемые элементами или членами последовательности). В отличие от множества, порядок имеет значение, и одни и те же элементы могут многократно появляться на разных позициях в последовательности. Более точно, последовательность можно определить как функцию, областью определения которой является счетное вполне упорядоченное множество, например, натуральные числа. Одним из важнейших свойств последовательности является сходимость. Неформально, последовательность сходится, если у неё есть предел. Продолжая неформально, (односторонне бесконечная) последовательность имеет предел, если она приближается к некоторой точке x, называемой пределом, при стремлении n к бесконечности. То есть, для абстрактной последовательности (aₙ) (где n изменяется от 1 до бесконечности) расстояние между aₙ и x стремится к 0 при n → ∞, что обозначается

Реальный анализ

Реальный анализ (традиционно, "теория функций вещественной переменной") — это раздел математического анализа, изучающий вещественные числа и функции вещественной переменной, принимающие вещественные значения. В частности, он рассматривает аналитические свойства вещественных функций и последовательностей, включая сходимость и пределы последовательностей вещественных чисел, дифференциальное и интегральное исчисление вещественных чисел, а также непрерывность, гладкость и связанные с ними свойства функций, принимающих вещественные значения.

Комплексный анализ

Комплексный анализ (традиционно известный как "теория функций комплексной переменной") — это раздел математического анализа, изучающий функции комплексных чисел. В этом смысле мера является обобщением понятий длины, площади и объема. Особенно важным примером является мера Лебега на евклидовом пространстве, которая присваивает обычную длину, площадь и объем евклидовой геометрии подходящим подмножествам -мерного евклидова пространства. Например, мера Лебега интервала в действительных числах равна его длине в обычном понимании этого слова, а именно 1. Строго говоря, мера — это функция, которая присваивает неотрицательное вещественное число или +∞ (некоторым) подмножествам множества. Она должна присваивать 0 пустому множеству и быть (счетно) аддитивной: мера "большого" подмножества, которое можно разложить на конечное (или счетное) число "меньших" непересекающихся подмножеств, равна сумме мер этих "меньших" подмножеств. В общем случае, если кто-то хочет связать согласованный размер с каждым подмножеством данного множества, удовлетворяя при этом остальным аксиомам меры, то можно найти только тривиальные примеры, такие как счетная мера. Эта проблема была решена путем определения меры только на подмножестве всех подмножеств, так называемых измеримых подмножествах, которые должны образовывать σ-алгебру. Это означает, что пустое множество, счетные объединения, счетные пересечения и дополнения измеримых подмножеств также являются измеримыми. Неизмеримые множества в евклидовом пространстве, для которых мера Лебега не может быть определена согласованно, обязательно сложны в том смысле, что они сильно перемешаны со своим дополнением. Действительно, их существование является нетривиальным следствием аксиомы выбора.

Численный анализ

Численный анализ – это изучение алгоритмов, использующих численное приближение (в отличие от общих символьных преобразований) для решения задач математического анализа (в отличие от дискретной математики). Современный численный анализ не стремится к получению точных ответов, поскольку точные решения часто невозможно получить на практике. Вместо этого значительная часть численного анализа посвящена получению приближенных решений с поддержанием разумных границ погрешностей. Численный анализ находит естественное применение во всех областях инженерии и естественных наук, но в XXI веке науки о жизни и даже искусство стали использовать элементы научных вычислений. Обыкновенные дифференциальные уравнения возникают в небесной механике (при изучении планет, звезд и галактик); численная линейная алгебра важна для анализа данных; стохастические дифференциальные уравнения и цепи Маркова необходимы для моделирования живых клеток в медицине и биологии.

Векторный анализ

Векторный анализ — это раздел математического анализа, изучающий величины, характеризующиеся как величиной, так и направлением. Примеры векторов включают скорость, силу и перемещение. Векторы обычно рассматриваются в связи со скалярами, которые описывают только величину.

Скалярный анализ

Скалярный анализ — это раздел математического анализа, изучающий величины, связанные с масштабом, в отличие от направления. Такие величины, как температура, являются скалярными, поскольку они описывают размерность значения, не принимая во внимание направление, силу или перемещение, которое это значение может иметь.

Другие темы

Калькулус вариаций изучает экстремизирующие функционалы, в отличие от обычного дифференциального и интегрального исчисления, который имеет дело с функциями. Гармонический анализ занимается представлением функций или сигналов в виде суперпозиции элементарных волн. Геометрический анализ включает в себя использование геометрических методов при изучении частных дифференциальных уравнений и применение теории частных дифференциальных уравнений к геометрии. Анализ Клиффорда – это изучение функций, принимающих значения в числах Клиффорда, которые аннулируются операторами Дирака или операторами, подобными Дираку, называемыми в общем случае моногенными или аналитическими функциями Клиффорда. p-адический анализ – это изучение анализа в контексте p-адических чисел, которое в некоторых интересных и неожиданных аспектах отличается от своего вещественного и комплексного аналогов. Нестандартный анализ исследует гипердействительные числа и их функции, а также даёт строгое обоснование бесконечно малых и бесконечно больших чисел. Вычислительный анализ изучает, какие части анализа могут быть реализованы вычислительным путём. Стохастическое исчисление – аналитические понятия, разработанные для стохастических процессов. Анализ с множественными значениями – применяет идеи анализа и топологии к функциям, принимающим множественные значения. Выпуклый анализ – это изучение выпуклых множеств и функций. Идемпотентный анализ – анализ в контексте идемпотентного полукольца, где отсутствие аддитивной обратной величины частично компенсируется идемпотентным правилом A + A = A. Тропический анализ – анализ идемпотентного полукольца, называемого тропическим полукольцом (или алгеброй «максимум плюс» / «минимум плюс»). Конструктивный анализ, который строится на основе конструктивной, а не классической логики и теории множеств. Интуиционистский анализ, который развивается из конструктивной логики, как и конструктивный анализ, но также включает в себя последовательности выбора. Парапоследовательный анализ, который строится на основе парапоследовательной, а не классической логики и теории множеств. Гладкий бесконечно малый анализ, который развивается в гладком топосе.

Физические науки

Подавляющее большинство классической механики, теории относительности и квантовой механики базируется на прикладном анализе, особенно на дифференциальных уравнениях. Важными примерами дифференциальных уравнений являются второй закон Ньютона, уравнение Шрёдингера и уравнения Эйнштейна. Функциональный анализ также играет важную роль в квантовой механике.

Обработка сигналов

При обработке сигналов, таких как аудио, радиоволны, световые волны, сейсмические волны и даже изображения, анализ Фурье позволяет выделить отдельные компоненты сложной формы сигнала, сфокусировав их для упрощения обнаружения или удаления. Целое семейство методов обработки сигналов заключается в преобразовании сигнала в частотную область (преобразовании Фурье), простом изменении данных, представленных в частотной области, и обратном преобразовании.