傅立叶级数和球面调和函数的几何应用

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出版者:世界图书出版公司
作者:H.Groemer
出品人:
页数:329
译者:
出版时间:2000-6
价格:58.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787506247016
丛书系列:
图书标签:
  • 几何
  • 球面调和
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具体描述

In 1901 Adolf Hurwitz published a short note showing that Fourier series can be used to prove the isoperimetric inequality for domains in the Euclidean plane,and in a subsequent article he showed how spherical harmonics can be utilized to prove an analogous inequality for three-dimensional convex bodies. A few years later Hermann Minkowski used spherical harmonics to prove an interesting characterization of (three-dimensional) convex bodies of constant width. The work of Hurwitz and Minkowski has convincingly shown that a study of this interplay of analysis and geometry, in particular of Fourier series and spherical harmonics on the one hand, and the theory of convex bodies on the other hand, can lead to interesting geometric results. Since then many articles have appeared that explored the possibilities of such methods.

  本书为英文版。

好的,这是一份关于《傅立叶级数和球面调和函数的几何应用》的图书简介,严格按照您的要求撰写,聚焦于该主题的数学和物理内涵,并避免提及AI痕迹。 --- 《傅立叶级数和球面调和函数的几何应用》 图书简介 本书深入探讨了傅立叶级数和球面调和函数在处理几何、物理和工程问题中的强大应用。这不是一本基础的入门教材,而是旨在引导读者跨越经典分析的边界,进入到函数空间理论与现代几何物理的交叉领域。全书结构严谨,逻辑清晰,力图将抽象的数学工具转化为直观的几何洞察。 第一部分:傅立叶级数的几何基础与泛函分析视角 本书首先重温了傅立叶级数的核心概念,但视角着重于其在无限维欧几里得空间(希尔伯特空间)中的正交分解性质。我们详细分析了周期函数空间的完备性,以及傅立叶基(正弦、余弦函数)如何构成此空间的一组标准正交基。 复变形式与内积结构: 重点阐述了复指数形式的傅立叶级数如何自然地引出 $L^2$ 空间上的内积结构。通过黎曼积分的极限过程,建立了函数之间的“夹角”概念,这为后续的投影和最小二乘逼近奠定了严格的泛函分析基础。 收敛性与狄利克雷核: 对狄利克雷核的性质进行了详尽的几何解释。收敛性不再仅仅是点态或均匀收敛的问题,而是考察函数在 $L^2$ 范数下的逼近误差。我们分析了吉布斯现象的几何根源——即任何有限截断近似在间断点附近的固有振荡,并讨论了诸如逢塞尔核(Fejér kernel)等平滑化方法的几何意义,它们代表了对投影过程的优化。 傅立叶变换的推广: 将级数理论推广到非周期函数,引入了傅立叶变换。在此部分,我们强调了时域与频域之间的对偶性,以及卷积运算在几何变换中的地位,将其视为一种“平滑滤波”或“特征提取”的数学操作。 第二部分:拉普拉斯方程与边值问题的解耦 本书的核心应用部分,聚焦于利用傅立叶方法的正交性来简化偏微分方程的求解,特别是涉及到圆形或球形区域的定解问题。 二维圆形区域(极坐标系): 详细分析了二维拉普拉斯方程 $ abla^2 u = 0$ 在圆形区域内的分离变量法。由此自然导出的三角函数(对应于方位角 $ heta$)和贝塞尔函数(对应于径向距离 $r$)的组合,构成了该空间上的正交完备基。贝塞尔函数的零点决定了该系统的本征频率或特征模式,这在声学和电磁学中的圆柱波导问题中至关重要。 热传导与波动方程的瞬态解: 运用傅立叶分解来求解热传导方程(扩散过程)和一维波动方程(振动)。傅立叶系数的演化方程揭示了高频分量衰减或传播的速率差异,这在信号处理和系统稳定性分析中具有直接的物理意义。 第三部分:球面调和函数——三维空间的傅立叶分析 这是本书最具挑战性也最具几何洞察力的部分,我们将傅立叶分析从平面扩展到球面几何。球面调和函数是描述三维空间中球对称现象(如引力场、电磁场、量子力学中的角动量本征函数)的天然工具。 球面坐标系与拉普拉斯算子: 首先推导了在球坐标系下的拉普拉斯算子,并展示了分离变量法如何将求解简化为对角动量微分方程的求解。 勒让德方程与球面调和函数 $Y_l^m( heta, phi)$: 我们详细分析了与角向相关的勒让德方程及其缔合解。球面调和函数 $Y_l^m( heta, phi)$ 构成了球面上的正交完备基。这组函数是球面上的“正弦”和“余弦”,其中 $l$(主量子数或阶数)决定了空间的振荡复杂度(类似于傅立叶级数的次数 $n$),而 $m$(方位角量子数)决定了方位角上的周期性。 几何解释与正交性: 强调了球面调和函数在球面上的内积积分定义,以及 $2l+1$ 重简并性。通过实例,如地球重力场的描述、静电势的展开,说明了这些函数如何实现对任何连续函数在球面上的“完美解析表示”,从而在理论物理和地球物理学中实现对复杂场的有效分离和分析。 第四部分:几何应用与现代视角 本书最终将理论工具应用于更复杂的几何结构。 黎曼几何的初探: 简要介绍了将傅立叶和球面调和分析扩展到一般的黎曼流形上的概念,例如利用拉普拉斯-贝特密(Laplace-Beltrami)算子来定义流形上的谱分析。这揭示了在弯曲空间中“振动模式”的内在几何属性。 图像处理与信号分析: 在现代计算的背景下,讨论了傅立叶基在处理二维图像(如图像去噪、特征提取)中的应用,以及球面调和函数在三维数据(如医学成像、天体物理数据)分析中的新兴地位。 目标读者: 本书适合具有扎实微积分和常微分方程基础的研究生、高年级本科生,以及需要深入理解物理场理论、信号处理或几何分析的工程师和科研人员。阅读本书需要具备一定的复变函数基础和对线性代数中向量空间概念的熟悉。全书旨在培养读者将抽象的数学工具与具体的物理几何图景相结合的能力。

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**图书评价一** 这本《[书名]》似乎是一本非常专业且深入的数学著作,从书名来看,它聚焦于傅立叶分析和球函数理论,并试图将其应用于几何学领域。对于那些在数学物理、信号处理或者几何分析方面有扎实基础的读者来说,这本书无疑提供了一个极具吸引力的视角。它很可能详细探讨了如何利用傅立叶展开的强大工具来解决复杂的几何问题,比如曲面的分析、对称性的研究,甚至是拓扑结构相关的讨论。我猜测书中会涉及大量的积分变换、偏微分方程的求解技巧,以及如何将这些抽象的数学工具与具体的几何对象联系起来。对于初学者来说,这本书的门槛可能稍高,因为它显然不是一本入门级的读物,而是面向有一定背景,希望进一步探索高级主题的专业人士。书中的论述方式想必是严谨而系统的,每一步推导都力求清晰可靠,旨在构建一个完整的理论框架,展现傅立叶方法在现代几何研究中的应用深度。

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**图书评价二** 我对这本《[书名]》的兴趣点在于它将看似不相关的两个领域——谐波分析和几何——巧妙地结合在一起。通常,我们接触傅立叶级数时,更多关注的是信号或函数在周期性上的分解,而球面调和函数则与势论、量子力学中的角动量密切相关。这本书的独特之处可能在于,它展示了这些分析工具如何成为几何学家手中强有力的“显微镜”或“手术刀”。例如,在研究流形上的拉普拉斯-贝特拉米算子时,函数的本征函数(特征函数)正是球面调和函数在特定几何背景下的推广。因此,我期待书中对黎曼几何、微分几何中的测地线、曲率等概念,如何通过引入这些正交基函数,实现解析化处理。如果书中能配有足够丰富的、与几何直观相符的图示和实例,那将极大地帮助读者理解这些高维空间中的振动模式和对称性。

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**图书评价五** 这本书的名字听起来就让人感到有一种古典数学的厚重感,结合了十九世纪的分析基石和现代几何的抽象思维。我个人对这本书的实用性非常好奇——它是否提供了解决实际工程或物理问题的清晰步骤?例如,在处理三维网格数据或电磁波在复杂介质中的传播时,如何有效地运用这些基于球坐标系的展开方法?如果书中能详细介绍如何进行高效的数值计算,比如快速傅立叶变换(FFT)在球面上的推广或者如何处理边界条件的匹配问题,那么它对工程师和应用数学家来说就太有价值了。期待这本书不仅仅是理论的展示,更是一本指导实践的“操作手册”,让读者能够真正地将傅立叶和球函数理论的强大能力,转化为解决现实世界中具有几何挑战性问题的有效工具。

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**图书评价三** 读完书名,我立刻联想到了那些构建完美对称结构的数学美学。这本书显然不是一本轻快的科普读物,它更像是一部需要反复研读的工具书或参考手册。作者想必花费了大量心血,将傅立叶分析的精髓——分解与重构——应用到具有内在曲率和复杂边界的几何对象上。想象一下,如何用球面调和函数去描述一个不规则天体的重力场分布,或者如何利用傅立叶变换来分析三维空间中晶格结构的周期性。这本书的价值可能就在于提供了从纯代数(基函数的构造)到几何直觉(物理或空间意义)的完整桥梁。我推测章节的安排会非常逻辑化,从基础的傅立叶级数回顾,过渡到高维和非欧几里得空间中的推广,最终落脚于具体的几何应用案例,也许会涉及数值模拟或者数据分析在现代几何学中的角色。

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**图书评价四** 作为一名长期从事纯数学研究的学者,我更关注的是这本书在理论深度上的突破。傅立叶分析与几何学的交叉领域,尤其是在非线性问题和微分几何的现代发展中,有着巨大的潜力。这本书是否深入探讨了椭圆算子在黎曼流形上的谱理论?球面调和函数作为球面上拉普拉斯算子的特征函数,它们是如何影响流形上函数的平滑性与收敛性的?我希望作者能清晰地阐述这些分析工具背后的深刻数学原理,而不是仅仅停留在公式的堆砌上。一个优秀的数学著作,应该能揭示不同数学分支之间的内在联系。如果本书能够提供一些关于非线性偏微分方程解的正则性或存在性的分析,那无疑会大大提升其学术价值,成为该领域内不可或缺的参考资料。

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