显示页面讨论反向链接回到顶部 本页面只读。您可以查看源文件,但不能更改它。如果您觉得这是系统错误,请联系管理员。 ====== 欧几里得空间 (Euclidean Space) ====== 实数系 $\mathbf{R}$ 的 $n$ 重积定义为 $n$ 维实 欧几里得空间: $$ \mathbf{R}^n = \{(x_1, x_2, \dots, x_n) : x_i \in \mathbf{R} \} $$ 其中 $\mathbf{0} = (0, \dots, 0)$ 为原点。 ===== 线性结构 (Linear Structure) ===== $\mathbf{R}^n$ 具备向量空间结构。 ==== 1. 线性运算 ==== 对于 $\mathbf{x}, \mathbf{y} \in \mathbf{R}^n, \alpha \in \mathbf{R}$: * **加法**: $\mathbf{x} + \mathbf{y} = (x_1 + y_1, \dots, x_n + y_n)$ * **数乘**: $\alpha \mathbf{x} = (\alpha x_1, \dots, \alpha x_n)$ **运算性质 :** * 加法结合律、交换律 * 存在零元 $\mathbf{0}$ 和负元 $-\mathbf{x}$ * 数乘分配律、结合律 * 单位元性质 $1 \cdot \mathbf{x} = \mathbf{x}$ ==== 2. 几何概念 ==== * **线段**: $[a, b] \triangleq \{(1 - t)a + tb : 0 \leqslant t \leqslant 1\}$ * **直线**: $L = \{(1 - t)a + tb : t \in \mathbf{R}\}$ * **凸集 (Convex Set)**: 若 $\forall a, b \in A$,都有 $[a, b] \subset A$,则 $A$ 为凸集。 * **线性流形 (平面)**: 子空间 $A$ 平移后得到的集合 $A + b$。 * **标准基**: $e_1, \dots, e_n$,其中 $e_i$ 第 $i$ 个分量为 1,其余为 0。 ===== 度量 (Metric) ===== 通过引入模长和内积,赋予空间几何性质。 ==== 1. 模长 (Euclid 范数) ==== 定义:$|\mathbf{x}| = (\sum x_i^2)^{1/2}$ **性质 (定理 3.2.1):** * **齐次性**: $|\alpha \mathbf{x}| = |\alpha| |\mathbf{x}|$ * **三角不等式**: $|\mathbf{x} + \mathbf{y}| \leqslant |\mathbf{x}| + |\mathbf{y}|$ * **正定性**: $|\mathbf{x}| \geqslant 0$,且 $|\mathbf{x}| = 0 \Leftrightarrow \mathbf{x} = \mathbf{0}$ ==== 2. 内积 (Inner Product) ==== 定义:$\mathbf{x} \cdot \mathbf{y} = \sum x_i y_i = \mathbf{x}^T \mathbf{y}$ **性质 :** * **对称性**: $\mathbf{x} \cdot \mathbf{y} = \mathbf{y} \cdot \mathbf{x}$ * **双线性**: $(\alpha \mathbf{x} + \beta \mathbf{y}) \cdot \mathbf{z} = \alpha \mathbf{x} \cdot \mathbf{z} + \beta \mathbf{y} \cdot \mathbf{z}$ * **正定性**: $\mathbf{x} \cdot \mathbf{x} = |\mathbf{x}|^2 \geqslant 0$ * **Cauchy-Schwarz 不等式**: $|\mathbf{x} \cdot \mathbf{y}| \leqslant |\mathbf{x}| |\mathbf{y}|$ ==== 3. 几何应用 ==== * **夹角**: $\cos \theta = \frac{\mathbf{x} \cdot \mathbf{y}}{|\mathbf{x}| |\mathbf{y}|}$ * **正交**: $\mathbf{x} \perp \mathbf{y} \Leftrightarrow \mathbf{x} \cdot \mathbf{y} = 0$ * **勾股定理**: 若 $\mathbf{x} \perp \mathbf{y}$,则 $|\mathbf{x} + \mathbf{y}|^2 = |\mathbf{x}|^2 + |\mathbf{y}|^2$ * **极化恒等式**: $4\mathbf{x} \cdot \mathbf{y} = |\mathbf{x} + \mathbf{y}|^2 - |\mathbf{x} - \mathbf{y}|^2$ * **超平面**: 方程 $\mathbf{n} \cdot (\mathbf{x} - \mathbf{a}) = 0$,其中 $\mathbf{n}$ 为法向量。 ==== 4. 球与有界集 ==== * **开球**: $B_r(a) = \{x : |x - a| < r\}$ * **闭球**: $\bar{B}_r(a) = \{x : |x - a| \leqslant r\}$ * **球面**: $S_r(a) = \{x : |x - a| = r\}$ ($S^{n-1}$ 为单位球面) * **有界集**: 存在球包含该集合 $\Leftrightarrow \sup |x| < \infty \Leftrightarrow \text{diam } A < \infty$ ,diam:直径 ===== 点集 (Point Sets) ===== 拓扑结构的基础,描述点的“邻近”关系。 ^ 概念 ^ 定义 ^ 集合记号 ^ | **内点** | 存在球 $B_r(x) \subset A$ | 内部 $A^\circ$ | | **触点** | $\forall r>0, B_r(x) \cap A \neq \emptyset$ | 闭包 $\overline{A}$ | | **边界点** | $\forall r>0, B_r(x)$ 既含 $A$ 点也含 $A^c$ 点 | 边界 $\partial A$ | | **聚点** | $\forall r>0, B_r(x)$ 含 $A$ 中异于 $x$ 的点 | 导集 $A'$ | <html> <head> <style> /* 容器基础样式 */ .topo-demo-container { font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Segoe UI", Roboto, Helvetica, Arial, sans-serif; max-width: 850px; /* 稍微加宽一点 */ margin: 20px auto; border: 1px solid #e5e7eb; border-radius: 12px; background: white; box-shadow: 0 4px 6px -1px rgba(0, 0, 0, 0.1); display: flex; flex-direction: column; overflow: hidden; } /* 响应式布局:桌面端左右排列 */ @media (min-width: 768px) { .topo-demo-container { flex-direction: row; } } /* 左侧绘图区 */ .topo-canvas-area { position: relative; background-color: #f9fafb; flex-grow: 1; /* 这里的最小高度很重要,保证图形有空间展示 */ min-height: 400px; height: 400px; cursor: crosshair; overflow: hidden; user-select: none; /* 居中内容 */ display: flex; align-items: center; justify-content: center; } .topo-canvas-hint { position: absolute; top: 16px; left: 16px; font-size: 14px; color: #6b7280; pointer-events: none; background: rgba(255,255,255,0.9); padding: 6px 10px; border-radius: 6px; border: 1px solid #e5e7eb; z-index: 10; } /* 右侧面板 */ .topo-panel { width: 100%; background: white; border-top: 1px solid #e5e7eb; padding: 24px; box-sizing: border-box; display: flex; flex-direction: column; } @media (min-width: 768px) { .topo-panel { width: 340px; /*稍微加宽面板*/ border-top: none; border-left: 1px solid #e5e7eb; flex-shrink: 0; height: 400px; /* 匹配画布高度 */ overflow-y: auto; /* 内容多时可滚动 */ } } .topo-panel h3 { margin: 0 0 16px 0; font-size: 18px; font-weight: 700; color: #1f2937; border-bottom: 1px solid #e5e7eb; padding-bottom: 8px; } /* 状态卡片样式 */ .status-card { padding: 10px 12px; border-radius: 8px; border: 1px solid transparent; margin-bottom: 8px; transition: all 0.2s; } .status-header { display: flex; justify-content: space-between; align-items: center; margin-bottom: 2px; } .status-title { font-weight: 700; font-size: 14px; color: #1f2937; } .status-badge { font-size: 10px; font-weight: 700; padding: 2px 6px; border-radius: 4px; min-width: 24px; text-align: center; } .status-desc { font-size: 12px; color: #4b5563; margin: 0; line-height: 1.3; } .status-math { font-family: "SFMono-Regular", Consolas, "Liberation Mono", Menlo, monospace; font-size: 10px; color: #6b7280; display: block; margin-top: 2px; } /* 状态激活样式 */ .card-inactive { background: #f9fafb; opacity: 0.6; } .badge-no { color: #9ca3af; background: #f3f4f6; } .card-interior { background: #f0fdf4; border-color: #bbf7d0; opacity: 1; } .badge-interior { color: #16a34a; background: #dcfce7; } .card-contact { background: #eff6ff; border-color: #bfdbfe; opacity: 1; } .badge-contact { color: #2563eb; background: #dbeafe; } .card-boundary { background: #faf5ff; border-color: #e9d5ff; opacity: 1; } .badge-boundary { color: #9333ea; background: #f3e8ff; } .card-limit { background: #fff7ed; border-color: #fed7aa; opacity: 1; } .badge-limit { color: #ea580c; background: #ffedd5; } .topo-info { margin-top: auto; /* 推到底部 */ padding-top: 12px; border-top: 1px solid #f3f4f6; font-size: 11px; color: #6b7280; line-height: 1.4; } /* SVG 样式 */ svg { display: block; width: 100%; height: 100%; } </style> </head> <body> <div class="topo-demo-container"> <!-- 左侧绘图区 --> <div class="topo-canvas-area" id="canvasArea"> <div class="topo-canvas-hint">⤮ 移动鼠标控制点 x</div> <!-- viewBox="0 0 500 400" 定义了SVG内部坐标系 preserveAspectRatio="xMidYMid meet" 确保图形居中且保持比例放大 --> <svg viewBox="0 0 500 400" preserveAspectRatio="xMidYMid meet" id="mainSvg"> <defs> <filter id="shadow" x="-20%" y="-20%" width="140%" height="140%"> <feDropShadow dx="2" dy="2" stdDeviation="3" flood-opacity="0.3"/> </filter> </defs> <!-- 集合 A (主体) - 放大尺寸 --> <!-- 圆心调整到 (180, 200),半径放大到 110 --> <circle cx="180" cy="200" r="110" fill="#3b82f6" fill-opacity="0.2" /> <circle cx="180" cy="200" r="110" fill="none" stroke="#2563eb" stroke-width="2" /> <text x="180" y="200" text-anchor="middle" dy=".3em" fill="#1d4ed8" font-size="20" font-weight="bold" style="pointer-events:none">集合 A</text> <!-- 集合 A (孤立点) - 调整位置 --> <!-- 位置调整到 (400, 200) --> <circle cx="400" cy="200" r="6" fill="#2563eb" /> <text x="400" y="230" text-anchor="middle" font-size="14" fill="#1d4ed8" style="pointer-events:none">孤立点</text> <!-- 动态元素组 --> <g id="dynamicGroup"> <!-- 邻域球 --> <circle id="neighborCircle" r="40" fill="rgba(255, 165, 0, 0.15)" stroke="orange" stroke-width="2" stroke-dasharray="5,3" /> <line id="radiusLine" stroke="orange" stroke-width="1" /> <text id="radiusText" text-anchor="middle" font-size="12" fill="#ea580c" font-weight="bold">r</text> <!-- 点 x --> <circle id="pointX" r="5" fill="#ef4444" stroke="white" stroke-width="2" filter="url(#shadow)" /> <text id="pointLabel" dx="12" dy="-12" font-size="16" font-weight="bold" fill="#dc2626">x</text> </g> </svg> </div> <!-- 右侧面板 --> <div class="topo-panel"> <h3>点 x 的性质判定</h3> <!-- 内点 --> <div id="card-interior" class="status-card card-inactive"> <div class="status-header"> <span class="status-title">内点 (Interior)</span> <span id="badge-interior" class="status-badge badge-no">NO</span> </div> <p class="status-desc">邻域完全包含在 A 内部。<span class="status-math">B_r(x) ⊂ A</span></p> </div> <!-- 触点 --> <div id="card-contact" class="status-card card-inactive"> <div class="status-header"> <span class="status-title">触点 (Contact)</span> <span id="badge-contact" class="status-badge badge-no">NO</span> </div> <p class="status-desc">邻域与 A 有交集。<span class="status-math">B_r(x) ∩ A ≠ ∅</span></p> </div> <!-- 边界点 --> <div id="card-boundary" class="status-card card-inactive"> <div class="status-header"> <span class="status-title">边界点 (Boundary)</span> <span id="badge-boundary" class="status-badge badge-no">NO</span> </div> <p class="status-desc">既碰到 A 也碰到 A 的外部。<span class="status-math">B_r(x) ∩ A ≠ ∅ 且 B_r(x) ∩ A^c ≠ ∅</span></p> </div> <!-- 聚点 --> <div id="card-limit" class="status-card card-inactive"> <div class="status-header"> <span class="status-title">聚点 (Limit)</span> <span id="badge-limit" class="status-badge badge-no">NO</span> </div> <p class="status-desc">邻域含 A 中异于 x 的点。<span class="status-math">B_r(x) ∩ (A \ x) ≠ ∅</span></p> </div> <div class="topo-info"> <p>ℹ️ 试着将点 x 移到右侧的<b>孤立点</b>上。你会发现它是触点,但不是聚点(因为邻域里除了它自己没有别的 A 成员)。</p> </div> </div> </div> <script> (function() { const svg = document.getElementById('mainSvg'); const dynamicGroup = document.getElementById('dynamicGroup'); const neighborCircle = document.getElementById('neighborCircle'); const radiusLine = document.getElementById('radiusLine'); const radiusText = document.getElementById('radiusText'); const pointX = document.getElementById('pointX'); const pointLabel = document.getElementById('pointLabel'); const canvasArea = document.getElementById('canvasArea'); // --- 关键配置:必须与 SVG 中的图形参数一致 --- const mainCircle = { x: 180, y: 200, r: 110 }; // 对应 SVG 中的 cx, cy, r const isolatedPoint = { x: 400, y: 200, r: 6 }; // 对应 SVG 中的 cx, cy const r = 40; // 邻域半径 // 更新UI状态的辅助函数 function updateStatus(type, isActive) { const card = document.getElementById(`card-${type}`); const badge = document.getElementById(`badge-${type}`); // 重置类 card.className = 'status-card'; badge.className = 'status-badge'; badge.textContent = isActive ? 'YES' : 'NO'; if (isActive) { card.classList.add(`card-${type}`); badge.classList.add(`badge-${type}`); } else { card.classList.add('card-inactive'); badge.classList.add('badge-no'); } } function updatePosition(clientX, clientY) { // 坐标转换:将屏幕坐标转换为SVG坐标 // 这一步至关重要,它保证了无论SVG被缩放成多大,逻辑判断都是基于SVG内部坐标系的(0-500) const pt = svg.createSVGPoint(); pt.x = clientX; pt.y = clientY; const svgP = pt.matrixTransform(svg.getScreenCTM().inverse()); // 限制点 x 不跑出画布太远 (可选) const x = Math.max(10, Math.min(490, svgP.x)); const y = Math.max(10, Math.min(390, svgP.y)); // 移动SVG元素 neighborCircle.setAttribute('cx', x); neighborCircle.setAttribute('cy', y); pointX.setAttribute('cx', x); pointX.setAttribute('cy', y); pointLabel.setAttribute('x', x); pointLabel.setAttribute('y', y); radiusLine.setAttribute('x1', x); radiusLine.setAttribute('y1', y); radiusLine.setAttribute('x2', x + r); radiusLine.setAttribute('y2', y); radiusText.setAttribute('x', x + r/2); radiusText.setAttribute('y', y - 5); // --- 逻辑计算 --- const distToMain = Math.sqrt(Math.pow(x - mainCircle.x, 2) + Math.pow(y - mainCircle.y, 2)); const distToIso = Math.sqrt(Math.pow(x - isolatedPoint.x, 2) + Math.pow(y - isolatedPoint.y, 2)); // 1. 是否相交 A (碰到大圆 或者 碰到孤立点) const intersectsA = (distToMain < mainCircle.r + r) || (distToIso < r); // 2. 是否完全在 A 内 (不包含补集) // 必须完全在大圆内,且不能碰到孤立点(虽然孤立点属于A,但这里简化逻辑,通常内点只在大块区域讨论) // 严格来说,如果 x 在孤立点上,邻域超出孤立点,就不算内点。 // 对于大圆:距离 + 半径 <= 大圆半径 const isFullyInsideMain = distToMain + r <= mainCircle.r; // 补集判定:只要不是完全在A内部,就一定碰到了外部 // 注意:如果点在孤立点附近,邻域肯定包含外部点,因为孤立点没有“内部” const intersectsComplement = !isFullyInsideMain; // 3. 聚点判断 // 邻域内是否有 A 中异于 x 的点 // 针对大圆:只要邻域碰到大圆,且 x 不在大圆边界切点外侧极远... // 简化判断:只要相交,且 x 不是仅在边缘蹭到一点点(数学上只要相交就有无穷多点,除非相切) // 在计算机模拟中,我们认为只要 dist < R + r,就有交集。 // 唯一例外:如果 A 只有有限个点。这里 A 是实心圆 + 孤立点。 // 实心圆部分:只要邻域碰到实心圆,里面就有无数个点,肯定有异于 x 的点。 const hasOtherPointsInMain = distToMain < mainCircle.r + r; // 针对孤立点: // 如果 x 恰好在孤立点上 (distToIso 接近 0),那么邻域里 A 的成员只有 x 自己 -> 不是聚点。 // 如果 x 在孤立点旁边 (distToIso < r 但 > 0),邻域里有孤立点 -> 是聚点。 const isAtIsolatedPoint = distToIso < 6; // 稍微给点容差 const hasOtherPointsInIso = !isAtIsolatedPoint && (distToIso < r); const hasLimitPoints = hasOtherPointsInMain || hasOtherPointsInIso; // --- 更新状态 --- updateStatus('interior', isFullyInsideMain); updateStatus('contact', intersectsA); updateStatus('boundary', intersectsA && intersectsComplement); updateStatus('limit', hasLimitPoints); } // 事件监听 canvasArea.addEventListener('mousemove', (e) => { updatePosition(e.clientX, e.clientY); }); // 触摸支持 canvasArea.addEventListener('touchmove', (e) => { e.preventDefault(); // 防止滚动 const touch = e.touches[0]; updatePosition(touch.clientX, touch.clientY); }, { passive: false }); // 初始化位置:放在大圆边界附近演示 const rect = canvasArea.getBoundingClientRect(); // 模拟一个初始坐标 // 由于我们现在有坐标转换,最好直接手动触发一次逻辑计算,传入屏幕中心点 const centerX = rect.left + rect.width / 2; const centerY = rect.top + rect.height / 2; updatePosition(centerX, centerY); })(); </script> </body> </html> ==== 1. 开集与闭集 ==== * **开集**: $A = A^\circ$ (所有点皆为内点) * **闭集**: $A = \overline{A}$ (包含所有触点) * **紧集**: 有界闭集 * **对偶性公式**: * $\overline{A} = (A^c)^\circ {}^c$ * $A^\circ = (\overline{A^c})^c$ * $A$ 是闭集 $\Leftrightarrow A^c$ 是开集 **定理 3.3.2 (运算封闭性):** * **开集**: 任意并、有限交仍为开集。 * **闭集**: 任意交、有限并仍为闭集。 **定理 3.3.3 (结构):** * $\mathbf{R}^1$ 中的开集是可数个互不相交开区间的并。 * $\mathbf{R}^n$ 中的开集是可数个开球的并。 ==== 2. 区域 (Region) ==== * **定义**: 连通的开集(任意两点可用含于该集合的折线连接)。 * **闭区域**: 区域及其边界的并。 ==== 3. 邻域基 ==== * **定义**: 一族邻域 $\{U_\alpha\}$,使得对任意邻域 $V$,存在 $U_\alpha \subset V$。 * 常用基:球邻域基 $\{B_{1/k}(x)\}$,方体邻域基 $\{C_r(x)\}$。 ===== 复平面 (Complex Plane) ===== $\mathbf{R}^2$ 赋予乘法结构后成为复数域 $\mathbf{C}$。 ==== 1. 代数结构 ==== * **乘法定义**: $(x, y)(x_1, y_1) = (xx_1 - yy_1, xy_1 + x_1y)$ * **标准型**: $z = x + \mathrm{i}y$,其中 $\mathrm{i} = (0, 1), \mathrm{i}^2 = -1$ * **共轭**: $\bar{z} = x - \mathrm{i}y$ * **模与辐角**: $x = |z|\cos(\text{Arg } z), y = |z|\sin(\text{Arg } z)$ **重要关系式:** * $z \bar{z} = |z|^2$ * $\overline{z+w} = \bar{z} + \bar{w}, \quad \overline{zw} = \bar{z}\bar{w}$ * $|zw| = |z||w|$ ==== 2. 复变函数基础 ==== * **Euler 公式**: $\mathrm{e}^{\mathrm{i}y} = \cos y + \mathrm{i}\sin y$ * **指数函数**: $\mathrm{e}^z = \mathrm{e}^x (\cos y + \mathrm{i}\sin y)$ (周期 $2\pi\mathrm{i}$) * **对数函数**: $\ln z = \ln|z| + \mathrm{i}\operatorname{Arg} z$ (多值)【辐角(Argument, $\arg z$):这个向量与 $x$ 轴正方向之间的夹角。−π<Arg z≤π】 * **幂函数**: $z^\alpha = \mathrm{e}^{\alpha \ln z}$ * **开方**: $\sqrt[n]{z} = \sqrt[n]{|z|} \exp\left(\frac{2k\pi + \mathrm{i}\arg z}{n}\right)\mathrm{i}$ ==== 3. 三角恒等式 (由 Euler 公式推导) ==== **求和公式:** $$ \sum_{k=1}^n \cos kx = \frac{\sin(n + 1/2)x}{2\sin(x/2)} - \frac{1}{2} $$ $$ \sum_{k=1}^n \sin kx = \frac{\sin(nx/2)\sin((n+1)x/2)}{\sin(x/2)} $$ **幂次展开 (Dirichlet Kernel 相关):** $$ \cos^n x, \sin^n x $$ 可通过二项式展开 $(\mathrm{e}^{\mathrm{i}x} \pm \mathrm{e}^{-\mathrm{i}x})^n$ 转化为倍角余弦/正弦的线性组合 。 $$ \begin{cases} \cos nx = \sum_{k=0}^{[n/2]} (-1)^k \binom{n}{2k} (\sin x)^{2k} (\cos x)^{n-2k} \\ \sin nx = \sum_{k=0}^{[(n-1)/2]} (-1)^k \binom{n}{2k+1} (\sin x)^{2k+1} (\cos x)^{n-2k-1} \end{cases} $$ $$ \begin{cases} \sin^{2n}x = \frac{1}{4^n} \left[ \binom{2n}{n} + 2 \sum_{k=1}^{n} (-1)^k \binom{2n}{n-k} \cos 2kx \right], \\ \sin^{2n+1}x = \frac{1}{4^n} \sum_{k=0}^{n} (-1)^k \binom{2n+1}{n-k} \sin(2k+1)x, \\ \cos^{2n}x = \frac{1}{4^n} \left[ \binom{2n}{n} + 2 \sum_{k=1}^{n} \binom{2n}{n-k} \cos 2kx \right], \\ \cos^{2n+1}x = \frac{1}{4^n} \sum_{k=0}^{n} \binom{2n+1}{n-k} \cos(2k+1)x. \end{cases} $$ 登录 Detach Close 该主题尚不存在 您访问的页面并不存在。如果允许,您可以使用创建该页面按钮来创建它。 数学分析/欧几里得空间.txt 最后更改: 2026/01/09 13:43由 张叶安 登录