Principles of Mathematical Analysis, Third Edition by Walter Rudin

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Principles of Mathematical Analysis, Third Edition

Walter Rudin

Principles of Mathematical Analysis

Contents

Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii

1 The Real and Complex Number Systems 1

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Ordered Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

The Real Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

The Extended Real Number System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

The Complex Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Euclidean Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Basic Topology 22

Finite, Countable, and Uncountable Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Metric Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Compact Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Perfect Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Connected Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3 Numerical Sequences and Series 43

Convergent Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Subsequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Cauchy Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Upper and Lower Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Some Special Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Series of Nonnegative terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

The Number e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

The Root and Ratio Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Power Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Summation by Parts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Absolute Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Addition and Multiplication of Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Rearrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4 Continuity 76

Limits of Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Continuous Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Continuity and Compactness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Continuity and Connectedness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Discontinuities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Monotonic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Infinite Limits and Limits at Infinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5 Differentiation 94

The Derivative of a Real Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Mean Value Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

The Continuity of Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

L’Hˆ opital’s Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Derivatives of Higher Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

Taylor’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

Differentiation of Vector-valued Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6 The Riemann-Stieltjes Integral 110

Definition and Existence of the Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Properties of the Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Integration and Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

Rectifiable Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

7 Sequences and Series of Functions 132

Discussion of the Main Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Uniform Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Uniform Convergence and Continuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Uniform Convergence and Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Uniform Convergence and Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Equicontinuous Families of Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

The Stone-Weierstrass Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

8 Some Special Functions 159

Power Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

The Exponential and Logarithmic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

The Trigonometric Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

The Algebraic Completeness of the Complex Field . . . . . . . . . . . . . . 171

Fourier Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

The Gamma Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

9 Functions of Several Variables 190

Linear Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

Differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

The Contraction Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

The Inverse Function Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

The Implicit Function Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

The Rank Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

Determinants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

Derivatives of Higher Order . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

Differentiation of Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

10 Integration of Differential Forms 230

Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

Primitive Mappings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

Partitions of Unity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

Change of Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

Differential Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

Simplexes and Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Stokes’ Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

Closed Forms and Exact Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

Vector Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

11 The Lebesgue Theory 282

Set Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

Construction of the Lebesgue Measure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

Measure Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Measurable Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

Simple Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

Comparison with the Riemann Integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

Integration of Complex Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

Functions of Class L2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

CONTENTS vii

Bibliography 316

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