diff --git "a/\344\273\243\346\225\260\345\255\246\344\272\214/\347\253\240\350\212\202/temp.typ" "b/\344\273\243\346\225\260\345\255\246\344\272\214/\347\253\240\350\212\202/temp.typ" new file mode 100644 index 0000000..dae6cdc --- /dev/null +++ "b/\344\273\243\346\225\260\345\255\246\344\272\214/\347\253\240\350\212\202/temp.typ" @@ -0,0 +1,321 @@ +#import "../../template.typ": * +#import "@preview/commute:0.2.0": node, arr, commutative-diagram +#show: note.with( + title: "代数学二", + ) += 代数学二 + #corollary[][ + $deg kai_q (n) = deg kai_m (n)$ 且首项相等 + ] + #proof[ + 注意到: + $ + m subset q subset m^r\ + m^n subset q^n subset m^(r n) + $ + 由长度的定义可得: + $ + kai_m (n) <= kai_q (n) <= kai_m (r n) + $ + 令 $n -> infinity$ 可得结论 + ] + #definition[][ + 设 $A$ 是诺特的局部环,则令: + $ + d(A) = deg kai_q (n) = deg kai_m (n) = deg( n -> "length"(A quo m^n)) = d(G_m (A))\ + where G_m (A) = directSum (m^i quo m^(i+1)) + $ + + ] + == 诺特局部环的维度 + #definition[][ + 设 $A$ 是诺特的局部环,令 $delta(A)$ 为 $A$ 中 $m-$ primary 理想的最小生成元数量。 + ] + 本节的目标是: + $ + delta(A) = d(A) = dim (A) + $ + 为此,我们证明: + $ + delta(A) >= d(A) >= dim (A) >= delta(A) + $ + #proposition[][ + 设 $M$ 是有限生成 $A-$ 模,$x$ 不是零因子,则: + $ + deg kai_q^(M quo x M) <= deg kai_q (M) - 1 + $ + ] + #proof[ + 令 $N := x M$,作为 $AModule(A)$ 同构于 $M$\ + 再令 $M' = M quo x M$\ + 由 Artin-Rees 可知 $N_n = N sect q^n M$ 是稳定 $q-$filtration\ + 由正合列: + $ + 0 -> N quo N_n -> M quo q^n M -> M' quo q^n M' -> 0 + $ + 由长度的加性,$n$ 充分大时有: + $ + l(N quo N_m) - kai_q^M (n) + kai_q^M' (n) = 0 + $ + 既然 $N$ 与 $M$ 同构且 $q-$filtration 兼容,$l(N quo N_m), kai_q^M (n)$ 有相同的次数和首项,因此 $kai_q^M' (n)$ 必然比其至少低一次 + ] + #proposition[][ + $d(A) >= dim(A)$ + ] + #proof[ + 做归纳: + - 若 $d(A) = 0$,则 $n$ 充分大时 $A quo m^n$ 的长度的常值,继而: + $ + l(m^n quo m^(n+1)) = 0 + $ + 注意到它是 $A quo m$ 上的向量空间,因此 $m^n = m^(n+1)$,这是标准的 Artin 条件,故 $A$ 是 Artin 的,$dim A = 0$ + - 一般的,任取素理想升链: + $ + p_0 < ... < p_l + $ + 取 $x in p_1 - p_0, A' = A quo p_0$ 是整环,继而由之前的命题: + $ + d(A' quo x) <= d(A') - 1 + $ + 注意到 $A quo m^n$ 到 $A' quo m'^n$ 存在满射,因此: + $ + l(A quo m^n) >= l(A' quo m'^n)\ + d(A) >= d(A') >= d(A' quo x) + 1 + $ + 由归纳假设,有: + $ + d(A' quo x)>= dim (A' quo x) + $ + 然而由最开始的素理想升链可得 $dim(A' quo x')$ 不小于 $dim A - 1$,结合上式即得结论 + ] + #corollary[][ + - $dim(A)$ 有限 + - 对于一般的诺特环 $A$,每个素理想的降链都有限长 + ] +#proposition[][ + 设 $A$ 是诺特的局部环,$dim A = d$,则存在 $m-$primary 理想恰有 $d$ 个生成元。换言之,$delta(A) <= d$ +] +#proof[ + 归纳构造 $x_i$ 使得每个包含 $(x_1, x_2, ..., x_i)$ 的素理想的 height 都至少为 $i$\ + 假设 $x_1, ..., x_(i-1)$ 已经构造,令 $p_j$ 是包含 $(x_1, ..., x_(i-1))$ 的极小素理想且高度恰为 $i -1$,也就是 $Ass(A quo (x_1, ..., x_(i-1)))$ 中极小元(仅有有限个)\ + 既然 $i - 1< d = dim A$ 而 $m$ 的高度就是 $d$,因此 $p_j$ 不是 $m$,取 $x_i in m - union p_j$\ + 设 $q$ 是任意包含 $(x_1, ..., x_i)$ 的素理想,则 $q$ 包含某个包含 $(x_1, ..., x_(i-1))$ 的极小素理想 $p$ + - 若 $p = p_j$,则 $x_i in q - p$ 表明 $p subset.neq q$,表明 $q$ 的高度至少是 $p$ 的高度加一,结论成立 + - 否则,由于刚才取得了所有高度为 $i - 1$ 的极小素理想,$p$ 的高度至少为 $i$,继而 $q$ 也至少有高度 $i$ +] +#example[][ + 之前证明了多项式环的幂级数是 $1 / (1-t)^n$ ,因此它的维度也是 $n$ +] +#corollary[][ + 设 $A$ 是诺特的局部环,$k$ 是留域,则 $dim A <= dim_k m quo m^2$ +] +#proof[ + 取 ${x_i} subset m$ 使得它们的像构成 $m quo m^2$ 的一组基,此时 $x_i$ 必然生成 $m$(利用 Nakayama 引理的推论),因此有: + $ + dim A = delta(A) <= dim_k m quo m^2 + $ +] +#corollary[][ + 设 $A$ 是不一定局部的诺特环,$x_1, ..., x_r in A$,则每个包含 $x_1, ..., x_r$ 的极小素理想的高度都不大于 $r$ +] +#proof[ + 在 $A_p$ 中当然有: + $ + sqrt((x_1, ..., x_n)) = p A_p + $ + 表明: + $ + r >= delta(A_p) = dim A_p = "height"(p) + $ +] +#theorem[Krull's principal ideal theorem][ + 设 $A$ 诺特,$x$ 不是单位或零因子,$p$ 是包含 $x$ 的极小素理想,则 $p$ 的高度就是 $1$ +] +#proof[ + 由上面的引理,$p$ 的高度只能为零或一 + - $"height" (p) = 0$,之前证明过这样的素理想(也就是环上的极小素理想)其中每个元素都是零因子,与 $x in p$ 是矛盾的 + 因此只能为 $1$ +] +#corollary[][ + $dim A = dim hat(A)$ +] +#proof[ + 注意到: + $ + A quo m^n tilde.eq hat(A) quo hat(m)^n + $ + 当然特征多项式是一致的 +] +#definition[][ + 设 $A$ 是诺特局部环,$d = dim A$, 若 $sqrt((x_1, ..., x_d)) = m$,则称 $x_1, ..., x_d$ 是一个参数系统|system of parameters +] +#proposition[][ + 设 $q = (x_1, ... x_d)$ 是参数系统,$f(t_1, ..., t_d)$ 是 $s$ 次齐次多项式,且系数落在 $q^(s + 1)$ 中,则这些系数也落在 $m$ 中 +] +#proof[ + 考察: + $ + funcDef(phi, A quo q [t_1, ..., t_d], G_q (A),t_i, x_i) + $ + 容易验证它是满射\ + 假设 $f$ 有系数不在 $m$ 中,由前面的习题有 $phi(f)$ 不是零因子,将有: + $ + d(G_m (A)) <= d( (A quo q [t_1, ..., t_d]) quo (phi(f))) <= d (A quo q [t_1, ..., t_d]) - 1 = d - 1 + $ + #TODO + 矛盾! + +] +#corollary[][ + 设 $k = A quo m, x_1, ..., x_d$ 是参数系统,则 $x_1, ..., x_d$ 代数独立 +] +#proof[ + 假设有这样的多项式 $f$,取出其中最低非零次 $s$ 齐次部分 $f_s$,断言: + $ + f_s (x_1, ..., x_d) = 0 in q^s quo q^(s+1), q = (x_2, ..., x_d)\ + $ + 由上面的引理,$f_s$ 的系数全在 $m$ 中,与假设矛盾! + +] +#definition[Regular Local Ring][ + 设 $A$ 是诺特的局部环,$dim A = d, m$ 是极大理想,$k = A quo m subset A$,若以下等价条件成立: + - $G_m (A) tilde.eq k[t_1, ..., t_d]$ + - $dim_k m quo m^2 = d$ + - $m$ 可被 $d$ 个元素生成 +] +#proof[ + - 1 $=>$ 2 计算庞卡莱级数即可#TODO + - 2 $=>$ 3 Nakayama + - 3 $=>$ 1 前面定义了典范的满射 $k[x_1, ..., x_n] -> G_m (A)$,由上一个命题的代数独立性这里 $ker$ 为零,继而是同构 +] +#lemma[][ + 设 $A$ 是环,$I$ 是理想且 $sect I^n = 0$,假设 $G_I (A)$ 是整环,则 $A$ 是整环 +] +#proof[ + 任取 $x, y != 0$,取最大的 $r, s$ 使得: + $ + x in I^r\ + y in I^s + $ + 则 $x y$ 在 $G_I (A)$ 中的像非零,当然就有 $x y != 0$ +] +#corollary[][ + - Regular Local Ring 是整的 + - Regular Local Ring 是整闭的 +] +#proof[ + - $k[t_1, .., t_d]$ 当然是整环 + - $dim = 1$ 时,由于离散赋值环等价于切空间 $m quo m^2$ 恰为一维,故结论成立。一般的证明略。 +] +#proposition[][ + 若 $A quo m subset A$,则 + $A$ regular $<=> hat(A)$ regular +] +#proof[ + 注意到 $G_m (A) = G_(hat(m)) (hat(A))$,结论显然 +] +#corollary[][ + 设 $A$ 是 regular local ring ,$k$ 是留域,则 $hat(A)$ 同构于 $k[[t_1, ..., t_d]]$ +] + += 常微:幂级数解法 + == 一般幂级数 + 本章中 $y$ 允许多元函数 + #lemma[][ + 设微分方程: + $ + cases( + der(y, x) = f(x, y), + y(x_0) = y_0 + ) + $ + 其中 $f$ 在 $x_0$ 附近解析,则它的解存在唯一,且是解析函数。 + ] + #proof[ + 前面 Picard 序列的证明中给出了这个推论 + ] + 理论上来说,幂级数展开并比对系数可以将一般的微分方程化为代数方程。然而一般的情形仍然难以计算,最常见的情形是对线性方程做展开。 + #example[][ + - $der(y, x) = y - x$,令 $y = sum_i a_i x^i$,计算得: + $ + sum_(i >= 1) i a_i x^(i-1) = sum_i a_i x^i - x + $ + 有: + $ + a_1 = a_0\ + 2 a_2 = a_1 - 1\ + (i+1) a_(i+1) = a_i\ + $ + 可以递推解得 $a_i$ + - $y'' - 2 x y' + 4 y = 0$,令 $y = sum_i a_i x^i$,计算得: + $ + sum_i (i+1)(i+2)a_(i+2)x^i - 2 sum_i i a_(i) x^i - 4 sum_i a_i x^i = 0 + $ + 得到一般的递推关系: + $ + (i+1)(i+2)a_(i+2) = 2 i a_i + 4 a_i\ + (i+1) a_(i+2) = 2 a_i + $ + - $y'' = x y$,计算得: + $ + sum_i (i+1)(i+2)a_(i+2)x^i = sum_i a_(i-1) x^i + $ + 有: + $ + a_2 = 0\ + (i+1)(i+2)a_(i+2) = a_(i-1) + $ + 可以解得: + $ + a_(3 k + 2) = 0\ + a_(3 k) = ((3k - 3)!!!)/((3k) !) a_0 + $ + ] + #remark[][ + 对于形如: + $ + u(x) der(y, x) = v(x, y) + $ + 的微分方程,如果 $u(x) > 0$,将其除掉即可得到解的解析性。但若 $u(x)$ 有零点情形未必。例如: + $ + cases( + x^2 der(y, x) = y - x, + y(0) = 0 + ) + $ + 若其有解析解,比对系数发现一定有 $a_n = n!$,但是这个幂级数不收敛,因此是荒谬的。下节的目标便是处理这种方程。 + ] + == 广义幂级数 + #definition[广义幂级数][ + 称: + $ + sum_(n=0)^(+infinity) a_n x^(n + alpha), alpha in RR + $ + 为广义幂级数。 + ] + #theorem[][ + 设二阶微分方程: + $ + y'' + p(x) y' + q(x) y = 0 + $ + 其中 $p, q$ 可能以 $0$ 为奇点,但 $x p, x q^2$ 都在 $0$ 处解析,则它在 $0$ 附近有广义幂级数解 + ] + #proof[ + 方程等价于: + $ + x^2 y'' + x (sum_i a_i x^i) y' + (sum_i b_i x^i) y = 0 + $ + 设 $y = sum_(n=0)^(+infinity) c_n x^(n + alpha)$,代入得: + $ + x^(alpha)(sum_(n=2)^(+infinity) c_n (n+alpha)(n+alpha-1) x^(n) \ + + (sum_(n=1)^(+infinity) c_n (n+alpha) x^(n))(sum_(i=0)^infinity a_i x^i) \ + + (sum_(n=0)^(+infinity) c_n x^(n))(sum_(i=0)^infinity a_i x^i)) = 0 + $ + ] + #example[贝塞尔方程][ + 方程: + $ + y'' + 1/x y' + (x^2 - n^2) / x^2 y = 0 + $ + 称为贝塞尔方程,由上面的定理它在 $0$ 附近有广义幂级数解,并且计算可得 $n$ 是正整数时解是整函数。 + ] diff --git "a/\346\225\260\345\255\246\346\250\241\345\236\213/main.typ" "b/\346\225\260\345\255\246\346\250\241\345\236\213/main.typ" index 5adacdf..9874160 100644 --- "a/\346\225\260\345\255\246\346\250\241\345\236\213/main.typ" +++ "b/\346\225\260\345\255\246\346\250\241\345\236\213/main.typ" @@ -1691,7 +1691,7 @@ 这里 $A(d, n)$ 是与组合相关的函数,这里不再详细叙述。代回计算可得结论成立 ] 从上面的定理可以看出,稀疏网格理所应当的用精度的降低换来了效率的提升。 - == Gauss 积分公式 + == 数值积分、Gauss 积分公式 #let xspace(x) = $#x space$ #let Is = $xspace(I)$ #let Rs = $xspace(R)$ @@ -1938,11 +1938,54 @@ $d$ 维 Gauss 公式存在当且仅当所有的 $n$ 次 $d$ 维正交多项式拥有 $dim pnd(n-1)$ 个共同零点 ] #proof[ - - 假设共同零点条件成立,对 $pnd(n-1)$ 中所有单项式做 Schmidt 正交化和归一化,可以得到 $N = dm$ 个标准正交的多项式 - - 证明在稍后下一节结束后完善 + #let pndo(n, d) = $tilde(PP)_(#n)^(#d)$ + 记所有的 $n$ 次 $d$ 维正交多项式为 $pndo(n, d)$ + - 假设高斯公式存在,对 $pnd(n-1)$ 中所有(不超过 $n-1$ 次的单项式)做 Schmidt 正交化和归一化,可以得到 $N = dm$ 个标准正交的多项式。此时当然有 $inner(q_i, q_j) = delta_(i, j)$\ + 注意到: + $ + inner(q_i, q_j) = integral q_i q_j w + $ + 被积函数至多 $2 n - 2$ 次,因此不超过高斯公式的代数精度,进而: + $ + sum_(k=1)^N w_k q_i (x_k) q_j (x_k) = Q q_i q_j = delta_(i, j) + $ + 将其写成矩阵的形式,将有: + $ + A^T W A = I, where A_(i, j) = q_j (x_i)\ W = "diag"(w_1, ..., w_dm) + $ + 立得 $A$ 可逆。设: + $ + Inv(A) = (c_1, ..., c_dm) + $ + 设 $p_i (x_k) = A(x_k) c_i = delta_(i, k)$,它是 $n-1$ 次多项式,因此任取 $f in pndo(n, d)$: + $ + 0 = integral p_i f + $ + 同时,上式不超过高斯公式的代数精度,继而: + $ + 0 = Q p_i f = sum_(k=1)^dm w_k p_i (x_k) f(x_k) = w_i f(x_i) + $ + 当然 $w_i != 0$,故 $f(x_i) = 0$,取遍 $i$ 即得结论成立 + - 假设有共同零点 $x_1, ..., x_(dm)$,同样考虑类似上面的矩阵 $A$,任取非零向量 $c$ 并令: + $ + g(x) = (q_1 (x), ..., q_(dm) (x)) c + $ + 注意到 $g$ 是 $n-1$ 次多项式,由假设 $x_1, ..., x_dm$ 不全为其零点,这就表明 $A c != 0$,进而 $A$ 是满秩矩阵,下面的线性方程: + $ + A^T vec(w_1, dots.v, w_dm) = vec(integral q_1 w, dots.v, integral q_dm w) + $ + 有唯一解。这个解对应的积分公式至少 $n - 1$ 阶代数精度,而任取不超过 $2 n - 1$ 阶的 $d$ 维多项式 $f$,可将 $f(x)$ 分解为: + $ + sum_(i = 1)^K h_i (x) g_i (x) + r(x) + $ + 其中 $g_i (x) in pndo(n, d), h_i (x) in pnd(n)$,类似一维情形简单计算可得具有积分公式在 $f$ 上准确,因此具有 $2 n - 1$ 阶代数精度 + ] + #corollary[][ + 若上述高斯公式存在,则系数 $w_i > 0$ + ] + #proof[ + 证明过程给出 $A^T "diag"(w_1, ..., w_dm) A = I$,由矩阵合同的惯性定理立得 ] - 上面命题表明扩展一维构造高斯积分公式的方式是非常困难的。当然,构造 $m$ 阶代数精度的数值逼近公式也可以通过直接列方程的方式。设 $D$ 是所有不超过 $m$ 阶单项式构成的集合,考虑: $ sum_(d in D) c_d d (x_i) = integral_()^() d , i = 1, 2, ..., N @@ -1971,9 +2014,42 @@ #theorem[Monte Carlo 的均方根误差][ 设 $x_i$ 独立服从 $[0, 1]^d$ 上的均匀分布,则对所有平方可积函数 $f(x)$ 有: $ + E (Q f) = I f\ + sigma(R f) := sqrt(E (I f - Q f)^2) = (sigma(f))/sqrt(n) where sigma(f) = sqrt(I f^2 - (I f)^2) $ ] + #proof[ + $ + E (I f - Q f)^2 = E (Q f)^2 - 2 I f E (Q f) + (I f)^2 + $ + 有: + - + $ + E (Q f) + &= integral Q f dif t\ + &= 1/n sumn0(i) integral f(t_i) dif t\ + &= 1/n sumn0(i) integral f(t_i) dif t_i\ + &= I f\ + $ + - + $ + E (Q f)^2 + &= integral (Q f)^2 dif t\ + &= 1/n^2 sumn0(i) sumn0(j) integral f(t_i)f(t_j) dif t\ + &= 1/n^2 (sumn0(i) integral f(t_i)^2 dif t + sumn0(i) sum_(j != i) integral f(t_i)f(t_j) dif t)\ + &= 1/n^2 (n I f^2 + (n(n-1)) (I f)^2)\ + &= (I f^2)/n + (n-1)/n (I f)^2 + $ + 代入得: + $ + E (I f - Q f)^2 + &= E (Q f)^2 - 2 (I f)^2 + (I f)^2 \ + &= (I f^2)/n + (n-1)/n (I f)^2 - (I f)^2 \ + &= (I f^2 - (I f)^2)/n + $ + 证毕 + ] 定理表明这确实可以逼近,并且这里与 $d$ 是无关的,没有维度灾难的问题。然而,$sqrt(n)$ 的收敛阶有些过于糟糕,并且已经证明收敛阶对于平方可积函数、连续函数不能够再改进了。因此,优化 Monte Carlo 公式的方向是: - 减小 $f$ 的方差以降低误差的系数。 - 提高 $f$ 的光滑性要求,并利用之前确定性网格方法的思想给出更好的随机取点方法。 @@ -2020,7 +2096,10 @@ $ 1/n sumn0(i) 1_(y > x_i) - integral_(0)^(1) 1_(y > x) dif x $ - 后者是 $[0, y]$ 的长度,前者是在某种取点方法下 $x_i$ 落在 $[0, y]$ 中的个数的比例。显然假如 $x_i$ 是任取的,则前者的期望就是后者。高维情形这些长度都换成体积,但是道理是类似的。\ + 后者是 $[0, y]$ 的长度,前者是在某种取点方法下 $x_i$ 落在 $[0, y]$ 中的个数的比例。显然假如 $x_i$ 是任取的,则前者的期望就是后者。高维情形这些长度都换成体积,定义为: + $ + 1/n sumn0(i) 1_(y > x_i) - product_(j=1)^d y_j + $ #let j0inf = $sum_(j = 0)^infinity$ #definition[低偏差序列,Halton 序列][ $d = 1$ 时,任取正整数 $b >= 2$,令: @@ -2053,7 +2132,8 @@ $ D_n^* (P) = O((log n)^d/n) $ - 收敛阶比之前的 $sqrt(n)$ 好不少 + 收敛阶比之前的 $1/sqrt(n)$ 好不少 + == 有效维数 \ No newline at end of file