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2013年5月26日 星期日

實分析 (Real Analysis) II

今天的課題是實分析 (Real Analysis)

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讀者從上次的遊戲中應該可以看出,一開始所列出的一些規則,其實就是加法與乘法的規則。而我為了避免讀者受到既有思維的影響,將常用的符號完全取代成新的符號,才能夠更幫助理解這個課題。

接下來,我們繼續探討自然數N 所存在的一些特性。與上次一樣,我們不會使用常見的符號:

1. Order Structure

我們假定存在一些符號在╳中:
╳:{α, β, γ, δ, ε, ζ, η, θ, ☻, ☼}

這些符號是有排序的,比如β 在α 的後面;η在θ 的前面。

如果一個符號在另一個之前,我們稱之為 →:η→θ
如果一個符號在另一個之後,我們稱之為 ←:β←α
如果一個符號跟另一個在一樣位置,我們稱之為 =:α = α

O1:
對於任何兩個在X內的符號,下列其中之一必然正確:
1. α = β
2. β←α
3. β→α

意思:兩個符號要不然等於自己,否則必然有先後次序之分。

O2:
對於三個在X內的符號,如果β←α,γ←β,則 γ←α。

意思:符號的次序是有傳遞性的。

O3:
對於任何兩個在X內的符號,如果β←α,則β★γ←α★γ

意思:將★的運算子與→ / ← 連結,意思是將兩邊同時做以★處理並不影響符號的次序。

O4:
對於任何兩個在X內的符號,如果β←α,則β♥γ←α♥γ,如果γ←☻

意思:將♥的運算子與→ / ← 連結,意思是將兩邊同時做以♥處理並不影響符號的次序,如果♥←☻成立的話。

O4 似乎並不像我們平時直覺般如此明顯。我們嘗試證明O4。

反證法

假設☻←γ ,且β←α 則 β♥γ←α♥γ ...(*)

因此
☻←γ
☻♥☻←☻♥γ ................(*)
☻←☻............................(2)

因此若☻←γ,則「β←α 則 β♥γ←α♥γ」無法成立。

2. Bounds

Upper Bounds

設¢為╳之中的一個子集。如果於¢中的任意符號α 全部符合
α→ζ,或
α = ζ
那麼符號ζ 就是¢的Upper Bound 。

Lower Bounds

設£於╳之中的一個子集。如果於£中的任意符號β 全部符合
β→ε,或
β = ε
那麼符號ε 就是£的Lower Bound 。

3. Maximum and Minimum

Maximum

設¢為╳之中的一個子集。如果ζ 在¢之中且
α→ζ,或
α = ζ
那麼符號ζ 就是¢的Maximum。

Minimum

設£於╳之中的一個子集。如果ε 在£之中且
β→ε,或
β = ε
那麼符號ε 就是£的Minimum。

到底 (2) 跟 (3) 的分別在哪呢?
在於 Max/Min 的符號需要自己本身都在指定的集中。

4. Supremum and Infimum

Supremum

Least Upper Bound.

Infimum

Greatest Lower Bound.

暫別我們的符號遊戲,我們使用常用的實數線來表達 Supremum, Upper Bound 與Maximum 的分別。如下圖:

留意Maximum 並不存在,因為數線本身並不包含最大的一點 (是一個Open Interval )。

2013年5月18日 星期六

實分析 (Real Analysis) I


今天的課題是實分析 (Real Analysis)

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在做實分析以前,我們先玩一個遊戲

我們先定義一些符號:
{α, β, γ, δ, ε, ζ, η, θ, ☻, ☼}

這些符號之間擁有一些奇怪的特性,我們可以使用一個符號★ 表示它們之間的關係

★這個符號,有著以下的特徵:

1. α★β = β★α .....................................................................Commutative
2. (α★β)★γ = α★(β★γ).......................................................Associative
3. 存在著一個符號叫 ☻ 會使得 α★☻ = α
4. 對於每一個 α 來說,我們定義一個符號叫♯,使得如果 α★β =☻,則 β = ♯α

此外,還存在著另外一個符號叫 ♥

♥這個符號,有著以下的特徵:

5. α♥β = β♥α........................................................................Commutative
6. (α♥β)♥γ = α♥(β♥γ)...........................................................Associative
7.  存在著一個符號叫 ☼ 會使得 α♥☼ = α
8. 對於每一個 α 來說,我們定義一個符號叫♭,使得如果 α♥β =☼,則 β = ♭α

最後,★與♥ 存在著一種關係:

9. (α★β)♥γ = (α♥γ)★(β♥γ)..................................................Distributive

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然後,我們就開始玩遊戲嚕:


(a) 證明:☻★☻= ☻

答案:
☻★☻= ☻..........................................................................................(3)

(b) 證明:☻♥ α = ☻

答案:

☻
= (☻♥ α ) ★ ♯(☻♥ α )
= [ (☻★☻)♥ α ] ★ ♯(☻♥ α ) .............................................................(a)
= [ (☻♥ α ) ★ (☻♥ α ) ] ★ ♯(☻♥ α )..................................................(9)
= (☻♥ α ) ★ [ (☻♥ α )  ★ ♯(☻♥ α ) ] ................................................(2)
= (☻♥ α ) ★ ☻....................................................................................(4)
= (☻♥ α )..............................................................................................(3)

(c) 證明:(♯β)♥β = ♯(β♥β)

答案:

(♯β)♥β
= (♯β)♥β ★ ☻......................................................................................(3)
= (♯β)♥β ★ [ (β♥β) ★ ♯(β♥β) ]............................................................(4)
= [ (♯β)♥β ★ (β♥β) ] ★ ♯(β♥β)............................................................(2)
= { [(♯β)★β] ♥β } ★ ♯(β♥β).................................................................(9)
= (☻♥ β )  ★ ♯(β♥β)............................................................................(4)
= ☻★ ♯(β♥β).......................................................................................(b)
= ♯(β♥β) ★ ☻......................................................................................(1)
= ♯(β♥β)................................................................................................(3)


(d) 證明:(α★β)♥(α★(♯β)) = (α♥α)★(♯(β♥β))

答案:

(α★β)♥(α★(♯β))
= {α ♥  [α★(♯β)] }★ { β ♥ [α★(♯β)] } ................................................(9)
= { [α★(♯β)] ♥ α }★ { [α★(♯β)] ♥ β }.................................................(5)
= { [α♥α] ★ [α♥(♯β)] } ★ { [α♥β] ★ [(♯β)♥β] }..................................(9)
= [α♥α] ★ { [α♥(♯β)] ★ { [α♥β] ★ [(♯β)♥β)] } }.................................(2)
= [α♥α] ★ { { [α♥(♯β)] ★ [α♥β] } ★ [(♯β)♥β] }..................................(2)
= [α♥α] ★ { { [(♯β)♥α] ★ [β♥α] } ★ [(♯β)♥β] }..................................(5)
= [α♥α] ★ { { [(♯β)★β] ♥ α } ★ [(♯β)♥β] }.........................................(9)
= [α♥α] ★ { { [β★(♯β)] ♥ α } ★ [(♯β)♥β] }.........................................(5)
= [α♥α] ★ { { ☻♥ α } ★ [(♯β)♥β] }....................................................(4)
= [α♥α] ★ { ☻★ [(♯β)♥β] }................................................................(b)
= [α♥α] ★ { [(♯β)♥β] ★☻ }................................................................(1)
= [α♥α] ★ [(♯β)♥β]..............................................................................(3)
= (α♥α)★(♯(β♥β)).................................................................................(c)


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好了,聰明的讀者您或許會發現,在做了一堆東西以後,我們所證明的,只不過是:
(x+y)*(x-y) = x^2 - y^2

2013年5月11日 星期六

線性代數 (Linear Algebra) I

今天的課題是線性代數 (Linear Algebra)

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向量 (Vector)

向量 (Vector),與矢量 (Scalar) 不同,是有方向性的一條線。

矢量 (Scalar) 描述的就像大小、強度 (Magnitude)。
向量是有方向性的,也有大小的。

基本的向量,比如說:OA = (2,3),描述的就是 2 維空間上的一點。更正確來說,是在笛卡兒座標 (Cartesian Coordinate) 上的「向右走兩步,向上走三步」。

當中的「右、上」說的是方向,「兩、三」是大小。



一般來說,我喜歡將向量寫成



我將其稱呼為「n維的1點」。數學一點的說法是,

相對來說的,



則被理解成「1維的n點」。

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矩陣 (Matrices)

矩陣的寫法如下:



矩陣,我將其理解為「n維的m點」。
其意思是,將矩陣上的每一列 (Column) 獨立拆開來看,都是一條「n維的1點」的Vector。因此有 m 列即是「n維的m點」。

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線性組合 (Linear Combinations)

線性組合(英語:Linear combination)是一個線性代數中的概念,代表一些抽象的向量各自乘上一個純量後再相加。

以數式表示:



那麼其幾何意義為何?我嘗試用將3 條2 維上的向量相加:



就如下圖所示,a+2b+c 所走的路,最後其實只是等同於 x 這個向量。




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線性方程組 (System of Linear Equations)


在數學中,線性方程組是方程組的一種,它符合以下的形式:




或是




以線性組合的方法表示,則是:



因此,在幾何上的意義就是:

有m 個n 維的向量以x1, x2, ...,xm 的權數相加後,最後走出來的 (n維上) 的一點。

所以,如果一個線性方程組是相容 (Consistent) 的:

必定存在 (x1,x2,...,xm) 的解,使得其線性組合可以成為向量b 。

考慮下列線性方程組:



即是,當x vector 存在後:


尋得某些值,如:(1,2,1),使得:

















或是存在多於一個解: