Нестандартный анализ - Nonstandard analysis

Готфрид Вильгельм Лейбниц утверждал, что следует вводить идеализированные числа, содержащие бесконечно малые числа .

История исчисления чревата философскими дискуссии о значении и логической обоснованности течений или бесконечно малых чисел. Стандартный способ разрешить эти споры - определить операции исчисления с помощью эпсилон-дельта- процедур, а не бесконечно малых. Вместо этого нестандартный анализ переформулирует исчисление, используя логически строгое понятие бесконечно малых чисел.

Нестандартный анализ зародился в начале 1960-х годов математиком Абрахамом Робинсоном . Он написал:

... идея бесконечно малых или бесконечно малых величин кажется естественным образом апеллирует к нашей интуиции. Во всяком случае, использование бесконечно малых величин было широко распространено на этапе становления дифференциального и интегрального исчисления. Что касается возражения ... о том, что расстояние между двумя различными действительными числами не может быть бесконечно малым, Готфрид Вильгельм Лейбниц утверждал, что теория бесконечно малых подразумевает введение идеальных чисел, которые могут быть бесконечно малыми или бесконечно большими по сравнению с действительными числами, но которые должны были обладать теми же свойствами, что и последний.

Робинсон утверждал, что этот закон непрерывности Лейбница является предшественником принципа переноса . Робинсон продолжил:

Однако ни он, ни его ученики и последователи не смогли дать рационального развития, ведущего к подобной системе. В результате теория бесконечно малых величин постепенно потеряла репутацию и была заменена классической теорией пределов.

Робинсон продолжает:

... Идеи Лейбница могут быть полностью подтверждены, и ... они приводят к новому и плодотворному подходу к классическому анализу и многим другим разделам математики. Ключ к нашему методу - это подробный анализ взаимосвязи между математическими языками и математическими структурами, который лежит в основе современной теории моделей .

В 1973 году интуиционист Аренд Хейтинг назвал нестандартный анализ «стандартной моделью важных математических исследований».

Вступление

Ненулевой элемент упорядоченного поля является бесконечно малым тогда и только тогда, когда его абсолютное значение меньше любого элемента формы для стандартного натурального числа. Упорядоченные поля, содержащие бесконечно малые элементы, также называются неархимедовыми . В более общем смысле нестандартный анализ - это любая форма математики, основанная на нестандартных моделях и принципе переноса . Поле, удовлетворяющее принципу переноса действительных чисел, является гиперреальным полем , и в нестандартном реальном анализе эти поля используются как нестандартные модели действительных чисел.

Оригинальный подход Робинсона был основан на этих нестандартных моделях поля действительных чисел. Его классическая основополагающая книга по теме « Нестандартный анализ» была опубликована в 1966 году и до сих пор издается. На странице 88 Робинсон пишет:

Существование нестандартных моделей арифметики открыл Торальф Сколем (1934). Метод Сколема предвещает сверхмощную конструкцию [...]

Для разработки исчисления бесконечно малых необходимо решить несколько технических вопросов. Например, недостаточно построить упорядоченное поле с бесконечно малыми величинами. См. Статью о гиперреальных числах, где обсуждаются некоторые важные идеи.

Основные определения

В этом разделе мы обрисовываем один из простейших подходов к определению гиперреального поля . Позвольте быть поле действительных чисел, и позвольте быть полукольцом натуральных чисел. Обозначим набором последовательностей действительных чисел. Поле определяется как подходящее частное от , как показано ниже. Возьмите неглавный ультрафильтр . В частности, содержит фильтр Фреше . Рассмотрим пару последовательностей

Мы говорим, что и эквивалентны, если они совпадают на множестве индексов, входящих в состав ультрафильтра, или в формулах:

Частное по полученному отношению эквивалентности - это гиперреальное поле , ситуация, резюмированная формулой .

Мотивация

Есть как минимум три причины рассмотреть нестандартный анализ: исторический, педагогический и технический.

Исторический

Большая часть самого раннего развития исчисления бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем была сформулирована с использованием таких выражений, как бесконечно малое число и исчезающая величина . Как отмечалось в статье о гиперреальных числах , эти формулировки подверглись широкой критике со стороны Джорджа Беркли и других. Проблема разработки последовательной и удовлетворительной теории анализа с использованием бесконечно малых впервые была решена Авраамом Робинсоном.

В 1958 году Курт Шмиден и Детлеф Лаугвиц опубликовали статью «Eine Erweiterung der Infinitesimalrechnung» («Расширение исчисления бесконечно малых»), в которой предложили конструкцию кольца, содержащего бесконечно малые числа. Кольцо было построено из последовательностей действительных чисел. Две последовательности считались эквивалентными, если они отличались только конечным числом элементов. Арифметические операции определялись поэлементно. Однако построенное таким образом кольцо содержит делители нуля и поэтому не может быть полем.

Педагогический

Х. Джером Кейслер , Дэвид Толл и другие преподаватели утверждают, что использование бесконечно малых более интуитивно понятно и легче понимается студентами, чем подход к аналитическим концепциям «эпсилон – дельта» . Такой подход иногда может обеспечить более легкое доказательство результатов, чем соответствующая формулировка доказательства эпсилон-дельта. Большая часть упрощения происходит от применения очень простых правил нестандартной арифметики, а именно:

бесконечно малый × конечный = бесконечно малый
бесконечно малый + бесконечно малый = бесконечно малый

вместе с принципом передачи, упомянутым ниже.

Еще одно педагогическое применение нестандартного анализа - это трактовка Эдвардом Нельсоном теории случайных процессов .

Технический

Некоторые недавние работы были выполнены в области анализа с использованием концепций нестандартного анализа, особенно в области исследования предельных процессов статистики и математической физики. Серджио Альбеверио и др. обсудите некоторые из этих приложений.

Подходы к нестандартному анализу

Существует два основных различных подхода к нестандартному анализу: семантический или теоретико-модельный подход и синтаксический подход. Оба этих подхода применимы к другим областям математики, выходящим за рамки анализа, включая теорию чисел, алгебру и топологию.

Оригинальная формулировка нестандартного анализа Робинсоном попадает в категорию семантического подхода . Как он разработал в своих статьях, он основан на изучении моделей (в частности, насыщенных моделей ) теории . С момента появления работы Робинсона был разработан более простой семантический подход (благодаря Элиасу Закону) с использованием чисто теоретико-множественных объектов, называемых надстройками . При таком подходе модель теории заменяется объект называется надстройка V ( S ) над множеством S . Начиная с надстройки V ( S ), строят другой объект * V ( S ), используя сверхстепенную конструкцию вместе с отображением V ( S ) → * V ( S ), которое удовлетворяет принципу переноса . Отображение * связывает формальные свойства V ( S ) и * V ( S ) . Кроме того, можно рассмотреть более простую форму насыщения, называемую счетным насыщением. Этот упрощенный подход также больше подходит для использования математиками, которые не являются специалистами в теории моделей или логике.

Синтаксический подход требует гораздо меньше логики и модели теории для понимания и использования. Этот подход был разработан в середине 1970-х математиком Эдвардом Нельсоном . Нельсон ввел полностью аксиоматическую формулировку нестандартного анализа, которую он назвал теорией внутренних множеств (IST). IST является расширением теории множеств Цермело – Френкеля (ZF) в том смысле, что наряду с базовым бинарным отношением принадлежности ∈, он вводит новый стандарт унарных предикатов , который может применяться к элементам математической вселенной вместе с некоторыми аксиомами для рассуждений с этим новым предикат.

Синтаксический нестандартный анализ требует большой осторожности при применении принципа формирования множеств (формально известного как аксиома понимания ), который математики обычно принимают как должное. Как указывает Нельсон, ошибка в рассуждениях IST заключается в незаконном формировании множества . Например, в IST нет множества, элементы которого являются в точности стандартными целыми числами (здесь стандарт понимается в смысле нового предиката). Чтобы избежать незаконного формирования набора, нужно использовать только предикаты ZFC для определения подмножеств.

Другим примером синтаксического подхода является Альтернативная теория множеств, представленная Петром Вопенка , пытаясь найти аксиомы теории множеств, более совместимые с нестандартным анализом, чем аксиомы ZF.

В 2018 году Абдельджалил Саге предложил явный подход к построению поля нестандартного анализа без использования ультрафильтров.

В том же 2018 году Ангга Нуграха предложил другой подход к созданию того, что он называет наивным анализом бесконечно малых. Его подход является чем-то средним между двумя упомянутыми выше подходами (семантическим и синтаксическим). Семантически он предложил модель, которая в некотором смысле является упрощенной версией . Однако он не позволил этому помешать цели использовать общий язык для обсуждения обоих и . Аксиоматически он также говорил о синтаксисе. Он использовал некоторые принципы, которые также напоминают принципы Белла - микростабильность и тому подобное. Тем не менее, у него не было необходимости различать «внутренние» и «внешние» наборы, поскольку его стратегия - Chunk & Permeate , поэтому ему не приходилось беспокоиться о несоответствиях, возникающих в результате их объединения. Еще одно преимущество использования его подхода состоит в том, что он работает достаточно интуитивно, не увязая (слишком) в технических сложностях.

Книга Робинсона

Книга Абрахама Робинсона « Нестандартный анализ» была опубликована в 1966 году. Некоторые темы, разработанные в книге, уже были представлены в его статье 1961 года с тем же названием (Robinson 1961). В дополнение к содержанию первого полного описания нестандартного анализа, книга содержит подробный исторический раздел, в котором Робинсон оспаривает некоторые из полученных мнений по истории математики, основанные на восприятии до нестандартного анализа бесконечно малых как несовместимых сущностей. Таким образом, Робинсон оспаривает идею о том, что « теорема суммы » Огюстена-Луи Коши в Cours d'Analyse, касающаяся сходимости ряда непрерывных функций, была неправильной, и предлагает интерпретацию своей гипотезы, основанную на бесконечно малых величинах, которая приводит к правильной теореме. .

Проблема инвариантного подпространства

Абрахам Робинсон и Аллен Бернштейн использовали нестандартный анализ, чтобы доказать, что каждый полиномиально компактный линейный оператор в гильбертовом пространстве имеет инвариантное подпространство .

Учитывая , оператор Т на гильбертовом пространстве H , рассмотрим орбиту в точке V в Н при итерациях Т . Применяя Грама-Шмидта получается ортонормированный базис ( е я ) для H . Пусть ( Н я ) соответствующая вложенная последовательность «координат» подпространства Н . Матрица a i, j, выражающая T относительно ( e i ), является почти верхнетреугольной в том смысле, что коэффициенты a i +1, i являются единственными ненулевыми субдиагональными коэффициентами. Бернштейн и Робинсон показывают, что если T полиномиально компактно, то существует гиперконечный индекс w такой, что матричный коэффициент a w +1, w бесконечно мал. Далее рассмотрим подпространство H ш о * Н . Если y в H w имеет конечную норму, то T ( y ) бесконечно близко к H w .

Пусть теперь T w - оператор, действующий на H w , где P w - ортогональный проектор на H w . Обозначим через q многочлен такой, что q ( T ) компактно. Подпространство H w является внутренним гиперконечной размерностью. Путем переноса верхней триангуляризации операторов конечномерного комплексного векторного пространства существует внутренний базис ортонормированного гильбертова пространства ( e k ) для H w, где k пробегает от 1 до w , так что каждое из соответствующих k -мерных подпространств E k является Т- инвариантный. Обозначим через Π k проекцию на подпространство E k . Для ненулевого вектора x конечной нормы в H можно считать, что q ( T ) ( x ) отлична от нуля, или | q ( T ) ( x ) | > 1 по исправлению идей. Поскольку q ( T ) - компактный оператор, ( q ( T w )) ( x ) бесконечно близок к q ( T ) ( x ) и, следовательно, также | q ( T w ) ( x ) | > 1 . Пусть теперь j будет наибольшим индексом такой, что . Тогда пространство всех стандартных элементов, бесконечно близких к E j, является искомым инвариантным подпространством.

Прочитав препринт статьи Бернштейна и Робинсона, Пол Халмос переосмыслил их доказательство, используя стандартные методы. Обе статьи были опубликованы в одном и том же номере Pacific Journal of Mathematics . Некоторые идеи, использованные в доказательстве Халмоша, вновь проявились много лет спустя в собственной работе Халмоша по квазитреугольным операторам.

Другие приложения

Другие результаты были получены в рамках переосмысления или опровержения ранее известных результатов. Особый интерес представляет доказательство Тетуро Камаэ индивидуальной эргодической теоремы или трактовка Л. ван ден Дриза и Алекса Уилки теоремы Громова о группах полиномиального роста . Нестандартный анализ был использован Ларри Маневицем и Шмуэлем Вайнбергером для доказательства результата в алгебраической топологии.

Однако реальный вклад нестандартного анализа заключается в концепциях и теоремах, которые используют новый расширенный язык нестандартной теории множеств. Среди новых приложений в математике - новые подходы к вероятности, гидродинамике, теории меры, негладкому и гармоническому анализу и т. Д.

Существуют также приложения нестандартного анализа к теории случайных процессов, в частности построения броуновского движения как случайных блужданий . Альбеверио и др. иметь отличное введение в эту область исследований.

Приложения к исчислению

В качестве приложения к математическому образованию , H. Джером Кейслера писал Elementary Исчисление: Инфинитезимальная подход . Охватывая нестандартное исчисление , он развивает дифференциальное и интегральное исчисление с использованием гиперреалистических чисел, которые включают бесконечно малые элементы. Эти приложения нестандартного анализа зависят от существования стандартной части конечного гиперреального r . Стандартная часть r , обозначаемая st ( r ) , является стандартным действительным числом, бесконечно близким к r . Одним из устройств визуализации, которые использует Кейслер, является воображаемый микроскоп с бесконечным увеличением, чтобы различать точки, бесконечно близкие друг к другу. Книга Кейслера сейчас больше не издается, но она находится в свободном доступе на его веб-сайте; см. ссылки ниже.

Критика

Несмотря на элегантность и привлекательность некоторых аспектов нестандартного анализа, также была высказана критика, например, со стороны Эрретта Бишопа , Алена Коннеса и Пола Халмоса , что было задокументировано при критике нестандартного анализа .

Логическая основа

Принимая во внимание любое множество S , то надстройку над множеством S есть множество V ( S ) определяется условиями

Таким образом, надстройка над S получается, начиная с S и повторяя операцию присоединения к множеству степеней S и взятия объединения результирующей последовательности. Надстройка над действительными числами включает множество математических структур: например, она содержит изоморфные копии всех сепарабельных метрических пространств и метризуемых топологических векторных пространств. Практически вся математика, которая интересует аналитика, происходит в рамках V ( R ) .

Рабочий вид нестандартного анализа - это множество * R и отображение *: V ( R ) → V (* R ), которое удовлетворяет некоторым дополнительным свойствам. Чтобы сформулировать эти принципы, мы сначала дадим несколько определений.

Формула имеет ограниченную количественную оценку тогда и только тогда, когда единственные количественные показатели, которые встречаются в формуле, имеют ограниченный диапазон по множествам, то есть все имеют форму:

Например, формула

имеет ограниченную квантификацию, универсально определенные количественные переменные х пробегает А , в экзистенциально количественно переменных у пробегает Powerset из B . С другой стороны,

не имеет ограниченного количественного определения, поскольку количественное определение y не ограничено.

Внутренние наборы

Множество x является внутренним тогда и только тогда, когда x является элементом * A для некоторого элемента A из V ( R ) . * Само A является внутренним, если A принадлежит V ( R ) .

Сформулируем основные логические рамки нестандартного анализа:

  • Принцип Удлинитель : отображение * тождественный на R .
  • Принцип переноса : для любой формулы P ( x 1 , ..., x n ) с ограниченной квантификацией и со свободными переменными x 1 , ..., x n и для любых элементов A 1 , ..., A n из V ( R ) имеет место следующая эквивалентность:
  • Счетное насыщение : если { A k } kN - убывающая последовательность непустых внутренних множеств с k, изменяющимся по натуральным числам, то

С помощью ультрапродуктов можно показать, что такая карта * существует. Элементы V ( R ) называются стандартными . Элементы * R называются гиперреальными числами .

Первые последствия

Символ * N обозначает нестандартные натуральные числа. По принципу расширения, это является надстройкой N . Множество * N - N непусто. Чтобы убедиться в этом, примените счетную насыщенность к последовательности внутренних множеств.

Последовательность { A n } nN имеет непустое пересечение, что доказывает результат.

Начну с некоторыми определениями: Hyperreals г , s являются бесконечно близкими , если и только если

Гиперреальный г является бесконечно малым , если и только если оно бесконечно близко к 0. Например, если п является hyperinteger , т.е. элемента * N - N , то 1 / п является бесконечно малым. Гиперреальный г является ограниченным (или конечным ) тогда и только тогда , когда его абсолютное значение преобладают (менее) стандартное число. Ограниченные гиперреалы образуют подкольцо * R, содержащее действительные числа. В этом кольце бесконечно малые гиперреалы являются идеалом .

Множество ограниченных гиперреалов или множество бесконечно малых гиперреалов являются внешними подмножествами V (* R ) ; На практике это означает, что ограниченная количественная оценка, когда граница является внутренним множеством, никогда не распространяется на эти множества.

Пример : плоскость ( x , y ) с координатами x и y в пределах * R является внутренней и является моделью плоской евклидовой геометрии. Плоскость с x и y, ограниченными ограниченными значениями (аналогично плоскости Дена ), является внешней, и в этой ограниченной плоскости постулат параллельности нарушается. Например, любая линия, проходящая через точку (0, 1) на оси y и имеющая бесконечно малый наклон, параллельна оси x .

Теорема. Для любого ограниченного гиперреального числа r существует единственное стандартное вещественное число, обозначаемое st ( r ), бесконечно близкое к r . Отображение я является кольцевым гомоморфизмом из кольца ограниченных hyperreals до R .

Отображение st также является внешним.

Один из способов мышления стандартной части гиперреального - в терминах дедекиндовских сокращений ; любое ограниченное гиперреальное число s определяет разрез, рассматривая пару множеств ( L , U ), где L - множество стандартных рациональных чисел a меньше s, а U - множество стандартных рациональных чисел b больше s . Видно, что действительное число, соответствующее ( L , U ), удовлетворяет условию того, что оно является стандартной частью s .

Одна интуитивная характеристика непрерывности такова:

Теорема. Действительнозначная функция f на интервале [ a , b ] непрерывна тогда и только тогда, когда для каждого гиперреального x в интервале * [ a , b ] мы имеем: * f ( x ) ≅ * f (st ( x ) ) .

(подробнее см. микропрерывность ). Сходным образом,

Теорема. Действительная функция f дифференцируема при действительном значении x тогда и только тогда, когда для каждого бесконечно малого гиперреального числа h значение

существует и не зависит от h . В этом случае f ′ ( x ) является действительным числом и является производной от f в точке x .

κ -насыщение

Можно «улучшить» насыщенность, разрешив пересечение коллекций более высокой мощности. Модель является κ - насыщенный , если всякий раз , когда это совокупность внутренних множеств с конечным свойством пересечения и ,

Это полезно, например, в топологическом пространстве X , где мы можем захотеть | 2 X | -насыщение, чтобы гарантировать, что пересечение стандартной базы окрестностей непусто.

Для любого кардинальных х , κ -насыщенного расширение может быть построено.

Смотрите также

дальнейшее чтение

использованная литература

Библиография

внешние ссылки