SYSTEMATIC MATHEMATICS

积分变换与特殊函数

复杂波形为什么可以用频率描述?微分方程为什么能够变成代数?圆形或球形边值问题为什么会产生有名字的函数?本课程从头建立这些答案,而不是给一张公式表。全课用 8 个按内容定长的单元、42 个可见章节展开,单元长度依次为 5、6、6、5、5、6、6、3;把变换当作具有明确变量、核、单位、定义域、收敛区域、反演假设与核验路线的算子。课程通过准确例题与失效边界推导 Fourier 级数与变换、Laplace 方法、Sturm–Liouville 展开、Gamma、Beta、Bessel、Legendre、Hermite、Laguerre、Hankel、分布、Hilbert、Mellin 与 Z 变换思想。最终档案组合解析、谱与数值证据,但不会把有限图像冒充收敛证明,也不会把一个命名特殊函数冒充物理模型有效性的证据。

本课程之前: 已完成单变量微积分 I 与 II、线性代数、微分方程与动力系统、实分析,以及复分析开头关于复指数与围道的章节。课程假设学习者掌握反常积分、无穷级数、复指数、分部积分、线性 ODE、特征向量、内积、一致收敛与 L² 收敛语言及基础证明;不预设偏微分方程、分布理论、信号处理软件或任何变换表。

COURSE FACTSLevel, chapters, units, prerequisite, and outcome
第 1 章

变换是算子,不是神奇的字母替换

目标: 积分算完后,为什么不能再把 s 换回 t?

积分变换把函数与一族核形状逐一比较,并记录所得系数。变换变量标记使用了哪一个核成员,并不是把原输入换个字母。 使用任何变换表之前,先说明原变量、变换变量、核、积分或求和区域、归一化、单位与收敛假设。本章的准确结论是:若 f 与 g 的积分都存在,则对标量 a、b 有 T(af+bg)=aTf+bTg。

用精确语言说,本章对象是:对核 K(s,t),积分变换在积分存在时定义为 (Tf)(s)=∫_D K(s,t)f(t)dt;t 被积分消去,s 给输出编号。 变换只是同一个已声明对象的新表示,并不允许忽略定义域、端点、正则性或逆变换存在条件。

用具体问题“令 t≥0 时 K(s,t)=e^{-st}。对实数 s>−1,计算 T(2e^{-t}+3e^{-2t})(s)。”让每个符号都能落实。请重建三个步骤,在原表示中核验结果,再检查这个边界:线性不保证积分存在;两个分别发散的积分不能先拆开再当作有限数操作。

若 f 与 g 的积分都存在,则对标量 a、b 有 T(af+bg)=aTf+bTg。

把 af(t)+bg(t) 代入定义积分。

利用积分线性把两项分开,并把常数移到积分号外。

把剩下两个积分认作 Tf 与 Tg,并限制在共同输出定义域上。

令 t≥0 时 K(s,t)=e^{-st}。对实数 s>−1,计算 T(2e^{-t}+3e^{-2t})(s)。

  1. 合并指数后,两项被积函数为 2e^{-(s+1)t} 与 3e^{-(s+2)t}。
  2. 当 a>0 时,∫₀∞e^{-at}dt=1/a;s>−1 使 a=s+1 与 a=s+2 都为正。
  3. 使用线性得到 2/(s+1)+3/(s+2)。

结果: 对实数 s>−1,有 Tf(s)=2/(s+1)+3/(s+2)。