數(shù)學(xué)體系解說,來自MIT

1、數(shù)學(xué)體系解說,來自MIT在過去的一年中，我一直在數(shù)學(xué)的海洋中游蕩，research進(jìn)展不多，對(duì)于數(shù)學(xué)世界的閱歷算是有了一些長(zhǎng)進(jìn)。 為什么要深入數(shù)學(xué)的世界 作為計(jì)算機(jī)的學(xué)生，我沒有任何企圖要成為一個(gè)數(shù)學(xué)家。我學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的目的，是要 想爬上巨人的肩膀，希望站在更高的高度，能把我自己研究的東西看得更深廣一些。說起來，我在剛來這個(gè)學(xué)校的時(shí)候，并沒有預(yù)料到我將會(huì)有一個(gè)深入數(shù)學(xué)的旅 程。我的導(dǎo)師最初希望我去做的題目，是對(duì)appearance和motion建立一個(gè)unified的model。這個(gè)題目在當(dāng)今Computer Vision中百花齊放的世界中并沒有任何特別的地方。事實(shí)上，使用各種Graphical

2、Model把各種東西聯(lián)合在一起framework，在近年的論文中并不少見。 我不否認(rèn)現(xiàn)在廣泛流行的Graphical Model是對(duì)復(fù)雜現(xiàn)象建模的有力工具，但是，我認(rèn)為它不是panacea，并不能取代對(duì)于所研究的問題的深入的鉆研。如果統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)包治百病，那么很多 “下游”的學(xué)科也就沒有存在的必要了。事實(shí)上，開始的時(shí)候，我也是和Vision中很多人一樣，想著去做一個(gè)Graphical Model我的導(dǎo)師指出，這樣的做法只是重復(fù)一些標(biāo)準(zhǔn)的流程，并沒有很大的價(jià)值。經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)，另外一個(gè)路徑慢慢被確立下來我們相信，一個(gè) 圖像是通過大量“原子”的某種空間分布構(gòu)成的，原子群的運(yùn)動(dòng)形成了動(dòng)態(tài)的可視過程。

3、微觀意義下的單個(gè)原子運(yùn)動(dòng)，和宏觀意義下的整體分布的變換存在著深刻的 聯(lián)系這需要我們?nèi)グl(fā)掘。 在深入探索這個(gè)題目的過程中，遇到了很多很多的問題，如何描述一個(gè)一般的運(yùn)動(dòng)過程，如何建立一個(gè)穩(wěn)定并且廣泛適用的原子表達(dá)，如何刻畫微觀運(yùn)動(dòng)和宏觀分布變換的聯(lián)系，還有很多。在這個(gè)過程中，我發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)事情： · 我原有的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)我對(duì)這些問題的深入研究。 · 在數(shù)學(xué)中，有很多思想和工具，是非常適合解決這些問題的，只是沒有被很多的應(yīng)用科學(xué)的研究者重視。 于是，我決心開始深入數(shù)學(xué)這個(gè)浩瀚大海，希望在我再次走出來的時(shí)候，我已經(jīng)有了更強(qiáng)大的武器去面對(duì)這些問題的挑戰(zhàn)。 我的游歷并沒有結(jié)束

4、，我的視野相比于這個(gè)博大精深的世界的依舊顯得非常狹窄。在這里，我只是說說，在我的眼中，數(shù)學(xué)如何一步步從初級(jí)向高級(jí)發(fā)展，更高級(jí)別的數(shù)學(xué)對(duì)于具體應(yīng)用究竟有何好處。   集合論：現(xiàn)代數(shù)學(xué)的共同基礎(chǔ) 現(xiàn)代數(shù)學(xué)有數(shù)不清的分支，但是，它們都有一個(gè)共同的基礎(chǔ)集合論因?yàn)?它，數(shù)學(xué)這個(gè)龐大的家族有個(gè)共同的語(yǔ)言。集合論中有一些最基本的概念：集合(set)，關(guān)系(relation)，函數(shù)(function)，等價(jià) (equivalence)，是在其它數(shù)學(xué)分支的語(yǔ)言中幾乎必然存在的。對(duì)于這些簡(jiǎn)單概念的理解，是進(jìn)一步學(xué)些別的數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)。我相信，理工科大學(xué)生對(duì)于 這些都不會(huì)陌生。 不過，有一個(gè)很重要的東西就不見

5、得那么家喻戶曉了那就是“選擇公理” (Axiom of Choice)。這個(gè)公理的意思是“任意的一群非空集合，一定可以從每個(gè)集合中各拿出一個(gè)元素?！彼坪跏秋@然得不能再顯然的命題。不過，這個(gè)貌似平常 的公理卻能演繹出一些比較奇怪的結(jié)論，比如巴拿赫-塔斯基分球定理“一個(gè)球，能分成五個(gè)部分，對(duì)它們進(jìn)行一系列剛性變換（平移旋轉(zhuǎn)）后，能組合成兩個(gè)一樣大小的球”。正因?yàn)檫@些完全有悖常識(shí)的結(jié)論，導(dǎo)致數(shù)學(xué)界曾經(jīng)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里對(duì)于是否接受它有著激烈爭(zhēng)論?，F(xiàn)在，主流數(shù)學(xué)家對(duì)于它應(yīng)該是基本接受的，因?yàn)楹芏鄶?shù)學(xué)分支的重要定理都依賴于它。在我們后面要回說到的學(xué)科里面，下面的定理依賴于選擇公理： 1. 拓?fù)鋵W(xué)：Baire

6、 Category Theorem 2. 實(shí)分析（測(cè)度理論）：Lebesgue 不可測(cè)集的存在性 3. 泛函分析四個(gè)主要定理：Hahn-Banach Extension Theorem, Banach-Steinhaus Theorem (Uniform boundedness principle), Open Mapping Theorem, Closed Graph Theorem 在集合論的基礎(chǔ)上，現(xiàn)代數(shù)學(xué)有兩大家族：分析(Analysis)和代數(shù)(Algebra)。至于其它的，比如幾何和概率論，在古典數(shù)學(xué)時(shí)代，它們是和代數(shù)并列的，但是它們的現(xiàn)代版本則基本是建立在分析或者代數(shù)的基礎(chǔ)上，因

7、此從現(xiàn)代意義說，它們和分析與代數(shù)并不是平行的關(guān)系。   分析：在極限基礎(chǔ)上建立的宏偉大廈 微積分：分析的古典時(shí)代從牛頓到柯西 先說說分析(Analysis)吧，它是從微積分(Caculus)發(fā)展起來 的這也是有些微積分教材名字叫“數(shù)學(xué)分析”的原因。不過，分析的范疇遠(yuǎn)不只是這些，我們?cè)诖髮W(xué)一年級(jí)學(xué)習(xí)的微積分只能算是對(duì)古典分析的入門。分析研究 的對(duì)象很多，包括導(dǎo)數(shù)(derivatives)，積分(integral)，微分方程(differential equation)，還有級(jí)數(shù)(infinite series)這些基本的概念，在初等的微積分里面都有介紹。如果說有一個(gè)思想貫穿其中，那就是

8、極限這是整個(gè)分析（不僅僅是微積分）的靈魂。 一個(gè)很多人都聽說過的故事，就是牛頓(Newton)和萊布尼茨 (Leibniz)關(guān)于微積分發(fā)明權(quán)的爭(zhēng)論。事實(shí)上，在他們的時(shí)代，很多微積分的工具開始運(yùn)用在科學(xué)和工程之中，但是，微積分的基礎(chǔ)并沒有真正建立。那個(gè) 長(zhǎng)時(shí)間一直解釋不清楚的“無窮小量”的幽靈，困擾了數(shù)學(xué)界一百多年的時(shí)間這就是“第二次數(shù)學(xué)危機(jī)”。直到柯西用數(shù)列極限的觀點(diǎn)重新建立了微積分的基本 概念，這門學(xué)科才開始有了一個(gè)比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。直到今天，整個(gè)分析的大廈還是建立在極限的基石之上。 柯西(Cauchy)為分析的發(fā)展提供了一種嚴(yán)密的語(yǔ)言，但是他并沒有解決微 積分的全部問題。在19世紀(jì)的時(shí)候，分

9、析的世界仍然有著一些揮之不去的烏云。而其中最重要的一個(gè)沒有解決的是“函數(shù)是否可積的問題”。我們?cè)诂F(xiàn)在的微積分 課本中學(xué)到的那種通過“無限分割區(qū)間，取矩陣面積和的極限”的積分，是大約在1850年由黎曼(Riemann)提出的，叫做黎曼積分。但是，什么函數(shù)存 在黎曼積分呢（黎曼可積）？數(shù)學(xué)家們很早就證明了，定義在閉區(qū)間內(nèi)的連續(xù)函數(shù)是黎曼可積的?？墒?，這樣的結(jié)果并不令人滿意，工程師們需要對(duì)分段連續(xù)函數(shù)的 函數(shù)積分。 實(shí)分析：在實(shí)數(shù)理論和測(cè)度理論上建立起現(xiàn)代分析 在19世紀(jì)中后期，不連續(xù)函數(shù)的可積性問題一直是分析的重要課題。對(duì)于定義在 閉區(qū)間上的黎曼積分的研究發(fā)現(xiàn)，可積性的關(guān)鍵在于“不連續(xù)的點(diǎn)足夠少”

10、。只有有限處不連續(xù)的函數(shù)是可積的，可是很多有數(shù)學(xué)家們構(gòu)造出很多在無限處不連續(xù)的 可積函數(shù)。顯然，在衡量點(diǎn)集大小的時(shí)候，有限和無限并不是一種合適的標(biāo)準(zhǔn)。在探討“點(diǎn)集大小”這個(gè)問題的過程中，數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)實(shí)數(shù)軸這個(gè)他們?cè)?jīng)以為已 經(jīng)充分理解的東西有著許多他們沒有想到的特性。在極限思想的支持下，實(shí)數(shù)理論在這個(gè)時(shí)候被建立起來，它的標(biāo)志是對(duì)實(shí)數(shù)完備性進(jìn)行刻畫的幾條等價(jià)的定理 （確界定理，區(qū)間套定理，柯西收斂定理，Bolzano-Weierstrass Theorem和Heine-Borel Theorem等等）這些定理明確表達(dá)出實(shí)數(shù)和有理數(shù)的根本區(qū)別：完備性（很不嚴(yán)格的說，就是對(duì)極限運(yùn)算封閉）。隨著對(duì)實(shí)數(shù)認(rèn)

11、識(shí)的深入，如何測(cè)量“點(diǎn) 集大小”的問題也取得了突破，勒貝格創(chuàng)造性地把關(guān)于集合的代數(shù)，和Outer content（就是“外測(cè)度”的一個(gè)雛形）的概念結(jié)合起來，建立了測(cè)度理論(Measure Theory)，并且進(jìn)一步建立了以測(cè)度為基礎(chǔ)的積分勒貝格(Lebesgue Integral)。在這個(gè)新的積分概念的支持下，可積性問題變得一目了然。 上面說到的實(shí)數(shù)理論，測(cè)度理論和勒貝格積分，構(gòu)成了我們現(xiàn)在稱為實(shí)分析 (Real Analysis)的數(shù)學(xué)分支，有些書也叫實(shí)變函數(shù)論。對(duì)于應(yīng)用科學(xué)來說，實(shí)分析似乎沒有古典微積分那么“實(shí)用”很難直接基于它得到什么算法。而且， 它要解決的某些“難題”比如處處不連續(xù)的函

12、數(shù)，或者處處連續(xù)而處處不可微的函數(shù)在工程師的眼中，并不現(xiàn)實(shí)。但是，我認(rèn)為，它并不是一種純數(shù)學(xué)概念 游戲，它的現(xiàn)實(shí)意義在于為許多現(xiàn)代的應(yīng)用數(shù)學(xué)分支提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。下面，我僅僅列舉幾條它的用處： 1. 黎曼可積的函數(shù)空間不是完備的，但是勒貝格可積的函數(shù)空間是完備的。簡(jiǎn)單的 說，一個(gè)黎曼可積的函數(shù)列收斂到的那個(gè)函數(shù)不一定是黎曼可積的，但是勒貝格可積的函數(shù)列必定收斂到一個(gè)勒貝格可積的函數(shù)。在泛函分析，還有逼近理論中，經(jīng) 常需要討論“函數(shù)的極限”，或者“函數(shù)的級(jí)數(shù)”，如果用黎曼積分的概念，這種討論幾乎不可想像。我們有時(shí)看一些paper中提到Lp函數(shù)空間，就是基于勒 貝格積分。 2. 勒貝格積分是傅立葉變

13、換（這東西在工程中到處都是）的基礎(chǔ)。很多關(guān)于信號(hào)處理的初等教材，可能繞過了勒貝格積分，直接講點(diǎn)面對(duì)實(shí)用的東西而不談它的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但是，對(duì)于深層次的研究問題特別是希望在理論中能做一些工作這并不是總能繞過去。 3. 在下面，我們還會(huì)看到，測(cè)度理論是現(xiàn)代概率論的基礎(chǔ)。 拓?fù)鋵W(xué)：分析從實(shí)數(shù)軸推廣到一般空間現(xiàn)代分析的抽象基礎(chǔ) 隨著實(shí)數(shù)理論的建立，大家開始把極限和連續(xù)推廣到更一般的地方的分析。事實(shí) 上，很多基于實(shí)數(shù)的概念和定理并不是實(shí)數(shù)特有的。很多特性可以抽象出來，推廣到更一般的空間里面。對(duì)于實(shí)數(shù)軸的推廣，促成了點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué)(Point- set Topology)的建立。很多原來只存在于實(shí)數(shù)中的概念，被提

14、取出來，進(jìn)行一般性的討論。在拓?fù)鋵W(xué)里面，有4個(gè)C構(gòu)成了它的核心： 1. Closed set（閉集合）。在現(xiàn)代的拓?fù)鋵W(xué)的公理化體系中，開集和閉集是最基本的概念。一切從此引申。這兩個(gè)概念是開區(qū)間和閉區(qū)間的推廣，它們的根本地位，并不是 一開始就被認(rèn)識(shí)到的。經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，人們才認(rèn)識(shí)到：開集的概念是連續(xù)性的基礎(chǔ)，而閉集對(duì)極限運(yùn)算封閉而極限正是分析的根基。 2. Continuous function （連續(xù)函數(shù)）。連續(xù)函數(shù)在微積分里面有個(gè)用epsilon-delta語(yǔ)言給出的定義，在拓?fù)鋵W(xué)中它的定義是“開集的原像是開集的函數(shù)”。第二個(gè)定義和第 一個(gè)是等價(jià)的，只是用更抽象的語(yǔ)言進(jìn)行了改寫。我個(gè)人認(rèn)為

15、，它的第三個(gè)（等價(jià)）定義才從根本上揭示連續(xù)函數(shù)的本質(zhì)“連續(xù)函數(shù)是保持極限運(yùn)算的函數(shù)” 比如y是數(shù)列x1, x2, x3, 的極限， 那么如果 f 是連續(xù)函數(shù)，那么 f(y) 就是 f(x1), f(x2), f(x3), 的極限。連續(xù)函數(shù)的重要性，可以從別的分支學(xué)科中進(jìn)行類比。比如群論中，基礎(chǔ)的運(yùn)算是“乘法”，對(duì)于群，最重要的映射叫“同態(tài)映射”保持“乘法”的 映射。在分析中，基礎(chǔ)運(yùn)算是“極限”，因此連續(xù)函數(shù)在分析中的地位，和同態(tài)映射在代數(shù)中的地位是相當(dāng)?shù)摹?3. Connected set （連通集合）。比它略為窄一點(diǎn)的概念叫(Path connected)，就是集合中任意兩點(diǎn)都存在連續(xù)路徑相

16、連可能是一般人理解的概念。一般意義下的連通概念稍微抽象一些。在我看來，連通性有兩個(gè)重 要的用場(chǎng)：一個(gè)是用于證明一般的中值定理(Intermediate Value Theorem)，還有就是代數(shù)拓?fù)?，拓?fù)淙赫摵屠钊赫撝杏懻摳救?Fundamental Group)的階。 4. Compact set（緊集）。Compactness似乎在初等微積分里面沒有專門出現(xiàn)，不過有幾條實(shí)數(shù)上的定理和它其實(shí)是有關(guān)系的。比如，“有界數(shù)列必然存在收斂子 列”用compactness的語(yǔ)言來說就是“實(shí)數(shù)空間中有界閉集是緊的”。它在拓?fù)鋵W(xué)中的一般定義是一個(gè)聽上去比較抽象的東西“緊集的任意 開覆蓋存在有限子覆蓋”。

17、這個(gè)定義在討論拓?fù)鋵W(xué)的定理時(shí)很方便，它在很多時(shí)候能幫助實(shí)現(xiàn)從無限到有限的轉(zhuǎn)換。對(duì)于分析來說，用得更多的是它的另一種形式 “緊集中的數(shù)列必存在收斂子列”它體現(xiàn)了分析中最重要的“極限”。Compactness在現(xiàn)代分析中運(yùn)用極廣，無法盡述。微積分中的兩個(gè)重要定 理：極值定理(Extreme Value Theory)，和一致收斂定理(Uniform Convergence Theorem)就可以借助它推廣到一般的形式。 從某種意義上說，點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué)可以看成是關(guān)于“極限”的一般理論，它抽象于實(shí)數(shù)理論，它的概念成為幾乎所有現(xiàn)代分析學(xué)科的通用語(yǔ)言，也是整個(gè)現(xiàn)代分析的根基所在。 微分幾何：流形上的分析在拓?fù)?/p>

18、空間上引入微分結(jié)構(gòu) 拓?fù)鋵W(xué)把極限的概念推廣到一般的拓?fù)淇臻g，但這不是故事的結(jié)束，而僅僅是開 始。在微積分里面，極限之后我們有微分，求導(dǎo)，積分。這些東西也可以推廣到拓?fù)淇臻g，在拓?fù)鋵W(xué)的基礎(chǔ)上建立起來這就是微分幾何。從教學(xué)上說，微分幾何 的教材，有兩種不同的類型，一種是建立在古典微機(jī)分的基礎(chǔ)上的“古典微分幾何”，主要是關(guān)于二維和三維空間中的一些幾何量的計(jì)算，比如曲率。還有一種是建 立在現(xiàn)代拓?fù)鋵W(xué)的基礎(chǔ)上，這里姑且稱為“現(xiàn)代微分幾何”它的核心概念就是“流形”(manifold)就是在拓?fù)淇臻g的基礎(chǔ)上加了一套可以進(jìn)行微 分運(yùn)算的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代微分幾何是一門非常豐富的學(xué)科。比如一般流形上的微分的定義就比傳統(tǒng)

19、的微分豐富，我自己就見過三種從不同角度給出的等價(jià)定義這一方 面讓事情變得復(fù)雜一些，但是另外一個(gè)方面它給了同一個(gè)概念的不同理解，往往在解決問題時(shí)會(huì)引出不同的思路。除了推廣微積分的概念以外，還引入了很多新概 念：tangent space, cotangent space, push forward, pull back, fibre bundle, flow, immersion, submersion 等等。 近些年，流形在machine learning似乎相當(dāng)時(shí)髦。但是，坦率地說，要弄懂一些基本的流形算法， 甚至“創(chuàng)造”一些流形算法，并不需要多少微分幾何的基礎(chǔ)。對(duì)我的研究來說，微分幾何最重

20、要的應(yīng)用就是建立在它之上的另外一個(gè)分支：李群和李代數(shù)這是數(shù) 學(xué)中兩大家族分析和代數(shù)的一個(gè)漂亮的聯(lián)姻。分析和代數(shù)的另外一處重要的結(jié)合則是泛函分析，以及在其基礎(chǔ)上的調(diào)和分析。   代數(shù)：一個(gè)抽象的世界 關(guān)于抽象代數(shù) 回過頭來，再說說另一個(gè)大家族代數(shù)。 如果說古典微積分是分析的入門，那么現(xiàn)代代數(shù)的入門點(diǎn)則是兩個(gè)部分：線性代數(shù)(linear algebra)和基礎(chǔ)的抽象代數(shù)(abstract algebra)據(jù)說國(guó)內(nèi)一些教材稱之為近世代數(shù)。 代數(shù)名稱上研究的似乎是數(shù)，在我看來，主要研究的是運(yùn)算規(guī)則。一門代數(shù)， 其實(shí)都是從某種具體的運(yùn)算體系中抽象出一些基本規(guī)則，建立一個(gè)公理體系，然后在這基礎(chǔ)上

21、進(jìn)行研究。一個(gè)集合再加上一套運(yùn)算規(guī)則，就構(gòu)成一個(gè)代數(shù)結(jié)構(gòu)。在主 要的代數(shù)結(jié)構(gòu)中，最簡(jiǎn)單的是群(Group)它只有一種符合結(jié)合率的可逆運(yùn)算，通常叫“乘法”。如果，這種運(yùn)算也符合交換率，那么就叫阿貝爾群 (Abelian Group)。如果有兩種運(yùn)算，一種叫加法，滿足交換率和結(jié)合率，一種叫乘法，滿足結(jié)合率，它們之間滿足分配率，這種豐富一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)叫做環(huán)(Ring)， 如果環(huán)上的乘法滿足交換率，就叫可交換環(huán)(Commutative Ring)。如果，一個(gè)環(huán)的加法和乘法具有了所有的良好性質(zhì)，那么就成為一個(gè)域(Field)。基于域，我們可以建立一種新的結(jié)構(gòu)，能進(jìn)行加法和數(shù)乘，就 構(gòu)成了線性代數(shù)(Linea

22、r algebra)。 代數(shù)的好處在于，它只關(guān)心運(yùn)算規(guī)則的演繹，而不管參與運(yùn)算的對(duì)象。只要定義恰 當(dāng)，完全可以讓一只貓乘一只狗得到一頭豬:-)?；诔橄筮\(yùn)算規(guī)則得到的所有定理完全可以運(yùn)用于上面說的貓狗乘法。當(dāng)然，在實(shí)際運(yùn)用中，我們還是希望用它 干點(diǎn)有意義的事情。學(xué)過抽象代數(shù)的都知道，基于幾條最簡(jiǎn)單的規(guī)則，比如結(jié)合律，就能導(dǎo)出非常多的重要結(jié)論這些結(jié)論可以應(yīng)用到一切滿足這些簡(jiǎn)單規(guī)則的地 方這是代數(shù)的威力所在，我們不再需要為每一個(gè)具體領(lǐng)域重新建立這么多的定理。 抽象代數(shù)有在一些基礎(chǔ)定理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的研究往往分為兩個(gè)流派：研究有限 的離散代數(shù)結(jié)構(gòu)（比如有限群和有限域），這部分內(nèi)容通常用于數(shù)論，編碼

23、，和整數(shù)方程這些地方；另外一個(gè)流派是研究連續(xù)的代數(shù)結(jié)構(gòu)，通常和拓?fù)渑c分析聯(lián)系在 一起（比如拓?fù)淙?，李群）。我在學(xué)習(xí)中的focus主要是后者。 線性代數(shù)：“線性”的基礎(chǔ)地位 對(duì)于做Learning, vision, optimization或者statistics的人來說，接觸最多的莫過于線性代數(shù)這也是我們?cè)诖髮W(xué)低年級(jí)就開始學(xué)習(xí)的。線性代數(shù)，包括建立在它 基礎(chǔ)上的各種學(xué)科，最核心的兩個(gè)概念是向量空間和線性變換。線性變換在線性代數(shù)中的地位，和連續(xù)函數(shù)在分析中的地位，或者同態(tài)映射在群論中的地位是一樣的 它是保持基礎(chǔ)運(yùn)算（加法和數(shù)乘）的映射。 在learning中有這樣的一種傾向鄙視線性算法，標(biāo)榜非線

24、性。也許在 很多場(chǎng)合下面，我們需要非線性來描述復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界，但是無論什么時(shí)候，線性都是具有根本地位的。沒有線性的基礎(chǔ)，就不可能存在所謂的非線性推廣。我們常 用的非線性化的方法包括流形和kernelization，這兩者都需要在某個(gè)階段回歸線性。流形需要在每個(gè)局部建立和線性空間的映射，通過把許多局部線 性空間連接起來形成非線性；而kernerlization則是通過置換內(nèi)積結(jié)構(gòu)把原線性空間“非線性”地映射到另外一個(gè)線性空間，再進(jìn)行線性空間中所能 進(jìn)行的操作。而在分析領(lǐng)域，線性的運(yùn)算更是無處不在，微分，積分，傅立葉變換，拉普拉斯變換，還有統(tǒng)計(jì)中的均值，通通都是線性的。 泛函分析：從有限維向無限維

25、邁進(jìn) 在大學(xué)中學(xué)習(xí)的線性代數(shù)，它的簡(jiǎn)單主要因?yàn)樗窃谟邢蘧S空間進(jìn)行的，因?yàn)橛?限，我們無須借助于太多的分析手段。但是，有限維空間并不能有效地表達(dá)我們的世界最重要的，函數(shù)構(gòu)成了線性空間，可是它是無限維的。對(duì)函數(shù)進(jìn)行的最重 要的運(yùn)算都在無限維空間進(jìn)行，比如傅立葉變換和小波分析。這表明了，為了研究函數(shù)（或者說連續(xù)信號(hào)），我們需要打破有限維空間的束縛，走入無限維的函數(shù)空 間這里面的第一步，就是泛函分析。 泛函分析(Functional Analysis)是研究的是一般的線性空間，包括有限維和無限維，但是很多東西在有限維下顯得很trivial，真正的困難往往在無限維的時(shí)候出現(xiàn)。在 泛函分析中，空間中的元

26、素還是叫向量，但是線性變換通常會(huì)叫作“算子”(operator)。除了加法和數(shù)乘，這里進(jìn)一步加入了一些運(yùn)算，比如加入范數(shù)去 表達(dá)“向量的長(zhǎng)度”或者“元素的距離”，這樣的空間叫做“賦范線性空間”(normed space)，再進(jìn)一步的，可以加入內(nèi)積運(yùn)算，這樣的空間叫“內(nèi)積空間”(Inner product space)。 大家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)入無限維的時(shí)間時(shí)，很多老的觀念不再適用了，一切都需要重新審視。 1. 所有的有限維空間都是完備的（柯西序列收斂），很多無限維空間卻是不完備的（比如閉區(qū)間上的連續(xù)函數(shù)）。在這里，完備的空間有特殊的名稱：完備的賦范空間叫巴拿赫空間(Banach space)，完備的內(nèi)

27、積空間叫希爾伯特空間(Hilbert space)。 2. 在有限維空間中空間和它的對(duì)偶空間的是完全同構(gòu)的，而在無限維空間中，它們存在微妙的差別。 3. 在有限維空間中，所有線性變換（矩陣）都是有界變換，而在無限維，很多算子是無界的(unbounded)，最重要的一個(gè)例子是給函數(shù)求導(dǎo)。 4. 在有限維空間中，一切有界閉集都是緊的，比如單位球。而在所有的無限維空間中，單位球都不是緊的也就是說，可以在單位球內(nèi)撒入無限個(gè)點(diǎn)，而不出現(xiàn)一個(gè)極限點(diǎn)。 5. 在有限維空間中，線性變換（矩陣）的譜相當(dāng)于全部的特征值，在無限維空間 中，算子的譜的結(jié)構(gòu)比這個(gè)復(fù)雜得多，除了特征值組成的點(diǎn)譜(point spectr

28、um)，還有approximate point spectrum和residual spectrum。雖然復(fù)雜，但是，也更為有趣。由此形成了一個(gè)相當(dāng)豐富的分支算子譜論(Spectrum theory)。 6. 在有限維空間中，任何一點(diǎn)對(duì)任何一個(gè)子空間總存在投影，而在無限維空間中， 這就不一定了，具有這種良好特性的子空間有個(gè)專門的名稱切比雪夫空間(Chebyshev space)。這個(gè)概念是現(xiàn)代逼近理論的基礎(chǔ)(approximation theory)。函數(shù)空間的逼近理論在Learning中應(yīng)該有著非常重要的作用，但是現(xiàn)在看到的運(yùn)用現(xiàn)代逼近理論的文章并不多。 繼續(xù)往前：巴拿赫代數(shù)，調(diào)和分析，和李

29、代數(shù) 基本的泛函分析繼續(xù)往前走，有兩個(gè)重要的方向。第一個(gè)是巴拿赫代數(shù) (Banach Algebra)，它就是在巴拿赫空間（完備的內(nèi)積空間）的基礎(chǔ)上引入乘法（這不同于數(shù)乘）。比如矩陣它除了加法和數(shù)乘，還能做乘法這就構(gòu)成了一 個(gè)巴拿赫代數(shù)。除此以外，值域完備的有界算子，平方可積函數(shù)，都能構(gòu)成巴拿赫代數(shù)。巴拿赫代數(shù)是泛函分析的抽象，很多對(duì)于有界算子導(dǎo)出的結(jié)論，還有算子譜 論中的許多定理，它們不僅僅對(duì)算子適用，它們其實(shí)可以從一般的巴拿赫代數(shù)中得到，并且應(yīng)用在算子以外的地方。巴拿赫代數(shù)讓你站在更高的高度看待泛函分析中 的結(jié)論，但是，我對(duì)它在實(shí)際問題中能比泛函分析能多帶來什么東西還有待思考。 最能把泛函分析和實(shí)際問題在一起的另一個(gè)重要方向是調(diào)和分析 (Harmonic Analysis)。我在這里列舉它的兩個(gè)個(gè)子領(lǐng)域，傅立葉分析和小波分析，我想這已經(jīng)能說明它的實(shí)際價(jià)值。它研究的最核心的問題就是怎么用基函數(shù)去逼近 和構(gòu)造一個(gè)函數(shù)。它研究的是函數(shù)空間的問題，不可