HANDBOOK OF MATHEMATICS 

I.N. Bronshtein · K.A. Semendyayev · G. Musiol · H. Muehlig
5th Ed., With 745s Figures and 142s Tables 

TABLE OF CONTENTS

Preface to the Fifth English Edition  4
From the Preface to the Fourth English Edition  4
Co-authors  5

1 Arithmetic   1

1.1 Elementary Rules for Calculations  1
   1.1.1 Numbers  1
      1.1.1.1 Natural. Integer, and Rational Numbers  1
      1.1.1.2 Irrational and Transcendental Numbers  2
      1.1.1.3 Real Numbers  2
      1.1.1.4 Continued Fractions  3
      1.1.1.5 Commensurability  4
   1.1.2 Methods for Proof  4
      1.1.2.1 Direct Proof  5
      1.1.2.2 Indirect Proof or Proof by Contradiction  5
      1.1.2.3 Mathematical Induction  5
      1.1.2.4 Constructive Proof  6
   1.1.3 Sums and Products  6
      1.1.3.1 Sums  6
      1.1.3.2 Products  7
   1.1.4 Powers, Roots, and Logarithms  7
      1.1.4.1 Powers  7
      1.1.4.2 Roots  8
      1.1.4.3 Logarithms  9
      1.1.4.4 Special Logarithms  9
   1.1.5 Algebraic Expressions  10
      1.1.5.1 Definitions  10
      1.1.5.2 Algebraic Expressions in Detail  11
   1.1.6 Integral Rational Expressions  11
      1.1.6.1 Representation in Polynomial Form  11
      1.1.6.2 Factorizing a Polynomial  11
      1.1.6.3 Special Formulas  12
      1.1.6.4 Binomial Theorem  12
      1.1.6.5 Determination of the Greatest Common Divisor of Two Polynomials  14
   1.1.7 Rational Expressions  14
      1.1.7.1 Reducing to the Simplest Form  14
      1.1.7.2 Determination of the Integral Rational Part  15
      1.1.7.3 Decomposition into Partial Fractions  15
      1.1.7.4 Transformations of Proportions  17
   1.1.8 Irrational Expressions  17
1.2 Finite Series  18
   1.2.1 Definition of a Finite Series  18
   1.2.2 Arithmetic Series  18
   1.2.3 Geometric Series  19
   1.2.4 Special Finite Series  19
   1.2.5 Mean Values  19
      1.2.5.1 Arithmetic Mean or Arithmetic Average  19
      1.2.5.2 Geometric Mean or Geometric Average  20
      1.2.5.3 Harmonic Mean  20
      1.2.5.4 Quadratic Mean  20
      1.2.5.5 Relations Between the Means of Two Positive Values  20
1.3 Business Mathematics  21
   1.3.1 Calculation of Interest or Percentage  21
   1.3.2 Calculation of Compound Interest  22
      1.3.2.1 Interest  22
      1.3.2.2 Compound Interest  22
   1.3.3 Amortization Calculus  23
      1.3.3.1 Amortization  23
      1.3.3.2 Equal Principal Repayments  23
      1.3.3.3 Equal Annuities  24
   1.3.4 Annuity Calculations  25
      1.3.4.1 Annuities  25
      1.3.4.2 Future Amount of an Ordinary Annuity  25
      1.3.4.3 Balance after n Annuity Payments  25
   1.3.5 Depreciation  26
1.4 Inequalities  28
   1.4.1 Pure Inequalities  28
      1.4.1.1 Definitions  28
      1.4.1.2 Properties of Inequalities of Type I and II  29
   1.4.2 Special Inequalities  30
      1.4.2.1 Triangle Inequality for Real Numbers  30
      1.4.2.2 Triangle Inequality for Complex Numbers  30
      1.4.2.3 Inequalities for Absolute Values of Differences of Real and Complex Numbers  30
      1.4.2.4 Inequality for Arithmetic and Geometric Means  30
      1.4.2.5 Inequality for Arithmetic and Quadratic Means  30
      1.4.2.6 Inequalities for Different Means of Real Numbers  30
      1.4.2.7 Bernoulli's Inequality  30
      1.4.2.8 Binomial Inequality  31
      1.4.2.9 Cauchy Schwarz Inequality  31
      1.4.2.10 Chebyshev Inequality  31
      1.4.2.11 Generalized Chebyshev Inequality  32
      1.4.2.12 Holder Inequality  32
      1.4.2.13 Minkowski Inequality  32
   1.4.3 Solution of Linear and Quadratic Inequalities  33
      1.4.3.1 General Remarks  33
      1.4.3.2 Linear Inequalities  33
      1.4.3.3 Quadratic Inequalities  33
      1.4.3.4 General Case for Inequalities of Second Degree  33
1.5 Complex Numbers  34
   1.5.1 Imaginary and Complex Numbers  34
      1.5.1.1 Imaginary Unit  34
      1.5.1.2 Complex Numbers  34
   1.5.2 Geometric Representation  34
      1.5.2.1 Vector Representation  34
      1.5.2.2 Equality of Complex Numbers  34
      1.5.2.3 Trigonometric Form of Complex Numbers  35
      1.5.2.4 Exponential Form of a Complex Number  35
      1.5.2.5 Conjugate Complex Numbers  36
   1.5.3 Calculation with Complex Numbers  36
      1.5.3.1 Addition and Subtraction  36
      1.5.3.2 Multiplication  36
      1.5.3.3 Division  37
      1.5.3.4 General Rules for the Basic Operations  37
      1.5.3.5 Taking Powers of Complex Numbers  37
      1.5.3.6 Taking of the n-th Root of a Complex Number  38
1.6 Algebraic and Transcendental Equations  38
   1.6.1 Transforming Algebraic Equations to Normal Form  38
      1.6.1.1 Definition  38
      1.6.1.2 Systems of n Algebraic Equations  38
      1.6.1.3 Superfluous Roots  39
   1.6.2 Equations of Degree at Most Four  39
      1.6.2.1 Equations of Degree One (Linear Equations)  39
      1.6.2.2 Equations of Degree Two (Quadratic Equations)  39
      1.6.2.3 Equations of Degree Three (Cubic Equations)  40
      1.6.2.4 Equations of Degree Four  42
      1.6.2.5 Equations of Higher Degree  43
   1.6.3 Equations of Degree n  43
      1.6.3.1 General Properties of Algebraic Equations  43
      1.6.3.2 Equations with Real Coefficients  44
   1.6.4 Reducing Transcendental Equations to Algebraic Equations  45
      1.6.4.1 Definition  45
      1.6.4.2 Exponential Equations  45
      1.6.4.3 Logarithmic Equations  46
      1.6.4.4 Trigonometric Equations  46
      1.6.4.5 Equations with Hyperbolic Functions  46

2 Functions   47

2.1 Notion of Functions  47
   2.1.1 Definition of a Function  47
      2.1.1.1 Function  47
      2.1.1.2 Real Functions  47
      2.1.1.3 Functions of Several Variables  47
      2.1.1.4 Complex Functions  47
      2.1.1.5 Further Functions  47
      2.1.1.6 Functionals  47
      2.1.1.7 Functions and Mappings  48
   2.1.2 Methods for Denning a Real Function  48
      2.1.2.1 Defining a Function  48
      2.1.2.2 Analytic Representation of a Function  48
   2.1.3 Certain Types of Functions  49
      2.1.3.1 Monotone Functions  49
      2.1.3.2 Bounded Functions  50
      2.1.3.3 Even Functions  50
      2.1.3.4 Odd Functions  50
      2.1.3.5 Representation with Even and Odd Functions  50
      2.1.3.6 Periodic Functions  50
      2.1.3.7 Inverse Functions  51
   2.1.4 Limits of Functions  51
      2.1.4.1 Definition of the Limit of a Function  51
      2.1.4.2 Definition by Limit of Sequences  52
      2.1.4.3 Cauchy Condition for Convergence  52
      2.1.4.4 Infinity as a Limit of a Function  52
      2.1.4.5 Left-Hand and Right-Hand Limit of a Function  52
      2.1.4.6 Limit of a Function as x Tends to Infinity  53
      2.1.4.7 Theorems About Limits of Functions  53
      2.1.4.8 Calculation of Limits  54
      2.1.4.9 Order of Magnitude of Functions and Landau Order Symbols 55 2.1.5 Continuityof aFunction  57
      2.1.5.1 Notion of Continuity and Discontinuity  57
      2.1.5.2 Definition of Continuity  57
      2.1.5.3 Most Frequent Types of Discontinuities  57
      2.1.5.4 Continuity and Discontinuity of Elementary Functions  58
      2.1.5.5 Properties of Continuous Functions  59
2.2 Elementary Functions  60
   2.2.1 Algebraic Functions  60
      2.2.1.1 Polynomials  60
      2.2.1.2 Rational Functions  61
      2.2.1.3 Irrational Functions  61
   2.2.2 Transcendental Functions  61
      2.2.2.1 Exponential Functions  61
      2.2.2.2 Logarithmic Functions  61
      2.2.2.3 Trigonometric Functions  61
      2.2.2.4 Inverse Trigonometric Functions  61
      2.2.2.5 Hyperbolic Functions  62
      2.2.2.6 Inverse Hyperbolic Functions  62
   2.2.3 Composite Functions  62
2.3 Polynomials  62
   2.3.1 Linear Function  62
   2.3.2 Quadratic Polynomial  62
   2.3.3 Cubic Polynomials  63
   2.3.4 Polynomials of n-th Degree  63
   2.3.5 Parabola of n-th Degree  64
2.4 Rational Functions  64
   2.4.1 Special Fractional Linear Function (Inverse Proportionality)  64
   2.4.2 Linear Fractional Function  65
   2.4.3 Curves of Third Degree, Type I  65
   2.4.4 Curves of Third Degree, Type II  66
   2.4.5 Curves of Third Degree, Type III  67
   2.4.6 Reciprocal Powers  68
2.5 Irrational Functions  69
   2.5.1 Square Root of a Linear Binomial  69
   2.5.2 Square Root of a Quadratic Polynomial  69
   2.5.3 Power Function  70
2.6 Exponential Functions and Logarithmic Functions  71
   2.6.1 Exponential Functions  71
   2.6.2 Logarithmic Functions  71
   2.6.3 Error Curve  72
   2.6.4 Exponential Sum  72
   2.6.5 Generalized Error Function  73
   2.6.6 Product of Power and Exponential Functions  74
2.7 Trigonometric Functions (Functions of Angles)  74
   2.7.1 Basic Notion  74
      2.7.1.1 Definition and Representation  74
      2.7.1.2 Range and Behavior of the Functions "i
   2.7.2 Important Formulas for Trigonometric Functions  79
      2.7.2.1 Relations Between the Trigonometric Functions of the Same Angle (Addition Theorems)  79
      2.7.2.2 Trigonometric Functions of the Sum and Difference of Two Angles  79
      2.7.2.3 Trigonometric Functions of an Integer Multiple of an Angle  79
      2.7.2.4 Trigonometric Functions of Half-Angles  80
      2.7.2.5 Sum and Difference of Two Trigonometric Functions  81
      2.7.2.6 Products of Trigonometric Functions  81
      2.7.2.7 Powers of Trigonometric Functions  82
   2.7.3 Description of Oscillations  82
      2.7.3.1 Formulation of the Problem  82
      2.7.3.2 Superposition of Oscillations  82
      2.7.3.3 Vector Diagram for Oscillations  83
      2.7.3.4 Damping of Oscillations  83
2.8 Inverse Trigonometric Functions  84
   2.8.1 Definition of the Inverse Trigonometric Functions  84
   2.8.2 Reduction to the Principal Value  84
   2.8.3 Relations Between the Principal Values  85
   2.8.4 Formulas for Negative Arguments  86
   2.8.5 Sum and Difference of arcsinx and arcsin y  86
   2.8.6 Sum and Difference of arccos x and arccos y  86
   2.8.7 Sum and Difference of arctanx and arctany  86
   2.8.8 Special Relations for arcsin x, arccos x, arctanx  87
2.9 Hyperbolic Functions  87
   2.9.1 Definition of Hyperbolic Functions  87
   2.9.2 Graphical Representation of the Hyperbolic Functions  88
      2.9.2.1 Hyperbolic Sine  88
      2.9.2.2 Hyperbolic Cosine  88
      2.9.2.3 Hyperbolic Tangent  88
      2.9.2.4 Hyperbolic Cotangent  89
   2.9.3 Important Formulas for the Hyperbolic Functions  89
      2.9.3.1 Hyperbolic Functions of One Variable  89
      2.9.3.2 Expressing a Hyperbolic Function by Another One with the Same Argument  89
      2.9.3.3 Formulas for Negative Arguments  89
      2.9.3.4 Hyperbolic Functions of the Sum and Difference of Two Arguments (Addition Theorems)  89
      2.9.3.5 Hyperbolic Functions of Double Arguments  90
      2.9.3.6 De Moivre Formula for Hyperbolic Functions  90
      2.9.3.7 Hyperbolic Functions of Half-Argument  90
      2.9.3.8 Sum and Difference of Hyperbolic Functions  90
      2.9.3.9 Relation Between Hyperbolic and Trigonometric Functions with Complex Arguments z  91
2.10 Area Functions  91
   2.10.1 Definitions  91
      2.10.1.1 Area Sine  91
      2.10.1.2 Area Cosine  91
      2.10.1.3 Area Tangent  92
      2.10.1.4 Area Cotangent  92
   2.10.2 Determination of Area Functions Using Natural Logarithm  92
   2.10.3 Relations Between Different Area Functions  93
   2.10.4 Sum and Difference of Area Functions  93
   2.10.5 Formulas for Negative Arguments  93
2.11 Curves of Order Three (Cubic Curves)  93
   2.11.1 Semicubic Parabola  93
   2.11.2 Witch of Agnesi  94
   2.11.3 Cartesian Folium (Folium of Descartes)  94
   2.11.4 Cissoid  95
   2.11.5 Strophoide  95
2.12 Curves of Order Four (Quartics)  96
   2.12.1 Conchoid of Nicomedes  96
   2.12.2 General Conchoid  96
   2.12.3 Pascal's Limacon  96
   2.12.4 Cardioid '  98
   2.12.5 Cassinian Curve  98
   2.12.6 Lemniscate  99
2.13 Cycloids  100
   2.13.1 Common (Standard) Cycloid  100
   2.13.2 Prolate and Curtate Cycloids or Trochoids  100
   2.13.3 Epicycloid  101
   2.13.4 Hypocycloid and Astroid  102
   2.13.5 Prolate and Curtate Epicycloid and Hypocycloid  102
2.14 Spirals  103
   2.14.1 Archimedean Spiral  103
   2.14.2 Hyperbolic Spiral  104
   2.14.3 Logarithmic Spiral  104
   2.14.4 Evolvent of the Circle  104
   2.14.5 Clothoid  105
2.15 Various Other Curves  105
   2.15.1 Catenary Curve  105
   2.15.2 Tractrix  106
2.16 Determination of Empirical Curves  106
   2.16.1 Procedure  106
      2.16.1.1 Curve-Shape Comparison  106
      2.16.1.2 Rectification  107
      2.16.1.3 Determination of Parameters  107
   2.16.2 Useful Empirical Formulas  107
      2.16.2.1 Power Functions  108
      2.16.2.2 Exponential Functions  108
      2.16.2.3 Quadratic Polynomial  109
      2.16.2.4 Rational Linear Function  109
      2.16.2.5 Square Root of a Quadratic Polynomial  110
      2.16.2.6 General Error Curve  110
      2.16.2.7 Curve of Order Three, Type II  110
      2.16.2.8 Curve of Order Three, Type III Ill
      2.16.2.9 Curve of Order Three, Type I Ill
      2.16.2.10 Product of Power and Exponential Functions  112
      2.16.2.11 Exponential Sum  112
      2.16.2.12 Numerical Example  112
2.17 Scales and Graph Paper  114
   2.17.1 Scales  114
   2.17.2 Graph Paper  115
      2.17.2.1 Semilogarithmic Paper  115
      2.17.2.2 Double Logarithmic Paper  115
      2.17.2.3 Graph Paper with a Reciprocal Scale  116
      2.17.2.4 Remark  116
2.18 Functions of Several Variables  117
   2.18.1 Definition and Representation  117
      2.18.1.1 Representation of Functions of Several Variables  117
      2.18.1.2 Geometric Representation of Functions of Several Variables  117
   2.18.2 Different Domains in the Plane  118
      2.18.2.1 Domain of a Function  118
      2.18.2.2 Two-Dimensional Domains  118
      2.18.2.3 Three or Multidimensional Domains  118
      2.18.2.4 Methods to Determine a Function  119
      2.18.2.5 Various Ways to Define a Function  120
      2.18.2.6 Dependence of Functions  121
   2.18.3 Limits  122
      2.18.3.1 Definition  122
      2.18.3.2 Exact Definition  122
      2.18.3.3 Generalization for Several Variables  122
      2.18.3.4 Iterated Limit  122
   2.18.4 Continuity  122
   2.18.5 Properties of Continuous Functions  123
      2.18.5.1 Theorem on Zeros of Bolzano  123
      2.18.5.2 Intermediate Value Theorem  123
      2.18.5.3 Theorem About the Boundedness of a Function  123
      2.18.5.4 Weierstrass Theorem (About the Existence of Maximum and Minimum)  123
2.19 Nomography  123
   2.19.1 Nomograms  123
   2.19.2 Net Charts  123
   2.19.3 Alignment Charts  124
      2.19.3.1 Alignment Charts with Three Straight-Line Scales Through a Point  125
      2.19.3.2 Alignment Charts with Two Parallel and One Inclined Straight-Line Scales  125
      2.19.3.3 Alignment Charts with Two Parallel Straight Lines and a Curved Scale  126
   2.19.4 Net Charts for More Than Three Variables  127

3 Geometry   128

3.1 Plane Geometry  128
   3.1.1 Basic Notation  128
      3.1.1.1 Point. Line, Ray, Segment  128
      3.1.1.2 Angle  128
      3.1.1.3 Angle Between Two Intersecting Lines  128
      3.1.1.4 Pairs of Angles with Intersecting Parallels  129
      3.1.1.5 Angles Measured in Degrees and in Radians  130
   3.1.2 Geometrical Definition of Circular and Hyperbolic Functions  130
      3.1.2.1 Definition of Circular or Trigonometric Functions  130
      3.1.2.2 Definitions of the Hyperbolic Functions  131
   3.1.3 Plane Triangles  131
      3.1.3.1 Statements about Plane Triangles  131
      3.1.3.2 Symmetry  132
   3.1.4 Plane Quadrangles  134
      3.1.4.1 Parallelogram  134
      3.1.4.2 Rectangle and Square  135
      3.1.4.3 Rhombus  135
      3.1.4.4 Trapezoid  135
      3.1.4.5 General Quadrangle  136
      3.1.4.6 Inscribed Quadrangle  136
      3.1.4.7 Circumscribing Quadrangle  136
   3.1.5 Polygons in the Plane  137
      3.1.5.1 General Polygon  137
      3.1.5.2 Regular Convex Polygons  137
      3.1.5.3 Some Regular Convex Polygons  138
   3.1.6 The Circle and Related Shapes  138
      3.1.6.1 Circle  138
      3.1.6.2 Circular Segment and Circular Sector  140
      3.1.6.3 Annulus  140
3.2 Plane Trigonometry  141
   3.2.1 Triangles  141
      3.2.1.1 Calculations in Right-Angled Triangles in the Plane  141
      3.2.1.2 Calculations in General Triangles in the Plane  141
   3.2.2 Geodesic Applications  143
      3.2.2.1 Geodetic Coordinates  143
      3.2.2.2 Angles in Geodesy  145
      3.2.2.3 Applications in Surveying 14(
3.3 Stereometry  150
   3.3.1 Lines and Planes in Space  150
   3.3.2 Edge. Corner, Solid Angle  150
   3.3.3 Polyeder or Polyhedron  151
   3.3.4 Solids Bounded by Curved Surfaces  154
3.4 Spherical Trigonometry  158
   3.4.1 Basic Concepts of Geometry on the Sphere  158
      3.4.1.1 Curve. Arc, and Angle on the Sphere  158
      3.4.1.2 Special Coordinate Systems  160
      3.4.1.3 Spherical Lune or Biangle  161
      3.4.1.4 Spherical Triangle  161
      3.4.1.5 Polar Triangle  162
      3.4.1.6 Euler Triangles and Non-Euler Triangles  162
      3.4.1.7 Trihedral Angle  163
   3.4.2 Basic Properties of Spherical Triangles  163
      3.4.2.1 General Statements  163
      3.4.2.2 Fundamental Formulas and Applications  164
      3.4.2.3 Further Formulas  166
   3.4.3 Calculation of Spherical Triangles  167
      3.4.3.1 Basic Problems. Accuracy Observations  167
      3.4.3.2 Right-Angled Spherical Triangles  168
      3.4.3.3 Spherical Triangles with Oblique Angles  169
      3.4.3.4 Spherical Curves  172
3.5 Vector Algebra and Analytical Geometry  180
   3.5.1 Vector Algebra  180
      3.5.1.1 Definition of Vectors  180
      3.5.1.2 Calculation Rules for Vectors  181
      3.5.1.3 Coordinates of a Vector  182
      3.5.1.4 Directional Coefficient  183
      3.5.1.5 Scalar Product and Vector Product  183
      3.5.1.6 Combination of Vector Products  184
      3.5.1.7 Vector Equations  187
      3.5.1.8 Covariant and Contravariant Coordinates of a Vector  187
      3.5.1.9 Geometric Applications of Vector Algebra  189
   3.5.2 Analytical Geometry of the Plane  189
      3.5.2.1 Basic Concepts, Coordinate Systems in the Plane  189
      3.5.2.2 Coordinate Transformations  190
      3.5.2.3 Special Notation in the Plane  191
      3.5.2.4 Line  194
      3.5.2.5 Circle  197
      3.5.2.6 Ellipse  198
      3.5.2.7 Hyperbola  200
      3.5.2.8 Parabola  203
      3.5.2.9 Quadratic Curves (Curves of Second Order or Conic Sections)  205
   3.5.3 Analytical Geometry of Space  207
      3.5.3.1 Basic Concepts, Spatial Coordinate Systems  207
      3.5.3.2 Transformation of Orthogonal Coordinates  210
      3.5.3.3 Special Quantities in Space  212
      3.5.3.4 Line and Plane in Space  214
      3.5.3.5 Surfaces of Second Order. Equations in Normal Form  220
      3.5.3.6 Surfaces of Second Order or Quadratic Surfaces. General Theory 223 3.6 Differential Geometry  225
   3.6.1 Plane Curves  225
      3.6.1.1 Ways to Define a Plane Curve  225
      3.6.1.2 Local Elements of a Curve  225
      3.6.1.3 Special Points of a Curve  231
      3.6.1.4 Asymptotes of Curves  234
      3.6.1.5 General Discussion of a Curve Given by an Equation  235
      3.6.1.6 Evolutes and Evolvents  236
      3.6.1.7 Envelope of a Family of Curves  237
   3.6.2 Space Curves  238
      3.6.2.1 Ways to Define a Space Curve  238
      3.6.2.2 Moving Trihedral  238
      3.6.2.3 Curvature and Torsion  240
   3.6.3 Surfaces  243
      3.6.3.1 Ways to Define a Surface  243
      3.6.3.2 Tangent Plane and Surface Normal  244
      3.6.3.3 Line Elements of a Surface  245
      3.6.3.4 Curvature of a Surface  247
      3.6.3.5 Ruled Surfaces and Developable Surfaces  250
      3.6.3.6 Geodesic Lines on a Surface  250

4 Linear Algebra   251

4.1 Matrices  251
   4.1.1 Notion of Matrix  251
   4.1.2 Square Matrices  252
   4.1.3 Vectors  253
   4.1.4 Arithmetical Operations with Matrices  254
   4.1.5 Rules of Calculation for Matrices  257
   4.1.6 Vector and Matrix Norms  258
      4.1.6.1 Vector Norms  258
      4.1.6.2 Matrix Norms  259
4.2 Determinants  259
   4.2.1 Definitions  259
   4.2.2 Rules of Calculation for Determinants  260
   4.2.3 Evaluation of Determinants  261
4.3 Tensors  262
   4.3.1 Transformation of Coordinate Systems  262
   4.3.2 Tensors in Cartesian Coordinates  262
   4.3.3 Tensors with Special Properties  264
      4.3.3.1 Tensors of Rank 2  264
      4.3.3.2 Invariant Tensors  265
   4.3.4 Tensors in Curvilinear Coordinate Systems  266
      4.3.4.1 Covariant and Contravariant Basis Vectors  266
      4.3.4.2 Covariant and Contravariant Coordinates of Tensors of Rank 1  266
      4.3.4.3 Covariant, Contravariant and Mixed Coordinates of Tensors of Rank 2  267
      4.3.4.4 Rules of Calculation  268
   4.3.5 Pseudotensors  268
      4.3.5.1 Symmetry with Respect to the Origin  269
      4.3.5.2 Introduction to the Notion of Pseudotensors  270
4.4 Systems of Linear Equations  271
   4.4.1 Linear Systems. Pivoting  271
      4.4.1.1 Linear Systems  271
      4.4.1.2 Pivoting  271
      4.4.1.3 Linear Dependence  272
      4.4.1.4 Calculation of the Inverse of a Matrix  272
   4.4.2 Solution of Systems of Linear Equations  272
      4.4.2.1 Definition and Solvability  272
      4.4.2.2 Application of Pivoting  274
      4.4.2.3 Cramer's Rule  275
      4.4.2.4 Gauss's Algorithm  276
   4.4.3 Overdetermined Linear Equation Systems  277
      4.4.3.1 Overdetermined Linear Systems of Equations and Linear Mean Square Value Problems  277
      4.4.3.2 Suggestions for Numerical Solutions of Mean Square Value Problems  278
4.5 Eigenvalue Problems for Matrices  278
   4.5.1 General Eigenvalue Problem  278
   4.5.2 Special Eigenvalue Problem  278
      4.5.2.1 Characteristic Polynomial  278
      4.5.2.2 Real Symmetric Matrices. Similarity Transformations  280
      4.5.2.3 Transformation of Principal Axes of Quadratic Forms  281
      4.5.2.4 Suggestions for the Numerical Calculations of Eigenvalues  283
   4.5.3 Singular Value Decomposition  285

5 Algebra and Discrete Mathematics   286

5.1 Logic  286
   5.1.1 Propositional Calculus  286
   5.1.2 Formulas in Predicate Calculus  289
5.2 Set Theory  290
   5.2.1 Concept of Set, Special Sets  290
   5.2.2 Operations with Sets  291
   5.2.3 Relations and Mappings  294
   5.2.4 Equivalence and Order Relations  296
   5.2.5 Cardinalityof Sets  298
5.3 Classical Algebraic Structures  298
   5.3.1 Operations  298
   5.3.2 Semigroups  299
   5.3.3 Groups  299
      5.3.3.1 Definition and Basic Properties  299
      5.3.3.2 Subgroups and Direct Products  300
      5.3.3.3 Mappings Between Groups  302
   5.3.4 Group Representations  303
      5.3.4.1 Definitions  303
      5.3.4.2 Particular Representations  303
      5.3.4.3 Direct Sum of Representations  305
      5.3.4.4 Direct Product of Representations  305
      5.3.4.5 Reducible and Irreducible Representations  305
      5.3.4.6 Schur's Lemma 1  306
      5.3.4.7 Clebsch Gordan Series  306
      5.3.4.8 Irreducible Representations of the Symmetric Group S M  306
   5.3.5 Applications of Groups  307
      5.3.5.1 Symmetry Operations, Symmetry Elements  307
      5.3.5.2 Symmetry Groups or Point Groups  308
      5.3.5.3 Symmetry Operations with Molecules  308
      5.3.5.4 Symmetry Groups in Crystallography  310
      5.3.5.5 Symmetry Groups in Quantum Mechanics  312
      5.3.5.6 Further Applications of Group Theory in Physics  312
   5.3.6 Rings and Fields  313
      5.3.6.1 Definitions  313
      5.3.6.2 Subrings, Ideals  313
      5.3.6.3 Homomorphism, Isomorphism. Homomorphism Theorem  314
      5.3.6.4 Finite Fields and Shift Registers  314
   5.3.7 Vector Spaces  316
      5.3.7.1 Definition  316
      5.3.7.2 Linear Dependence  317
      5.3.7.3 Linear Mappings  317
      5.3.7.4 Subspaces. Dimension Formula  317
      5.3.7.5 Euclidean Vector Spaces. Euclidean Norm  318
      5.3.7.6 Linear Operators in Vector Spaces  319
5.4 Elementary Number Theory  320
   5.4.1 Divisibility  320
      5.4.1.1 Divisibility and Elementary Divisibility Rules  320
      5.4.1.2 Prime Numbers  320
      5.4.1.3 Criteria for Divisibility  322
      5.4.1.4 Greatest Common Divisor and Least Common Multiple  323
      5.4.1.5 Fibonacci Numbers  325
   5.4.2 Linear Diophantine Equations  325
   5.4.3 Congruences and Residue Classes  327
   5.4.4 Theorems of Fermat, Euler. and Wilson  331
   5.4.5 Codes  331
5.5 Cryptology  334
   5.5.1 Problem of Cryptology  334
   5.5.2 Cryptosystems  334
   5.5.3 Mathematical Foundation  334
   5.5.4 Security of Cryptosystems  335
      5.5.4.1 Methods of Conventional Cryptography  335
      5.5.4.2 Linear Substitution Ciphers  336
      5.5.4.3 Vigenere Cipher  336
      5.5.4.4 Matrix Substitution  336
   5.5.5 Methods of Classical Cryptanalysis  337
      5.5.5.1 Statistical Analysis  337
      5.5.5.2 Kasiski Friedman Test  337
   5.5.6 One-Time Pad  338
   5.5.7 Public Key Methods  338
      5.5.7.1 Diffie Hellman Key Exchange  338
      5.5.7.2 One-Way Function  339
      5.5.7.3 RSA Method  339
   5.5.8 AES Algorithm (Advanced Encryption Standard)  339
   5.5.9 IDEA Algorithm (International Data Encryption Algorithm)  340
5.6 Universal Algebra  340
   5.6.1 Definition  340
   5.6.2 Congruence Relations. Factor Algebras  340
   5.6.3 Homomorphism  341
   5.6.4 Homomorphism Theorem  341
   5.6.5 Varieties  341
   5.6.6 Term Algebras. Free Algebras  341
5.7 Boolean Algebras and Switch Algebra  342
   5.7.1 Definition  342
   5.7.2 Duality Principle  343
   5.7.3 Finite Boolean Algebras  343
   5.7.4 Boolean Algebras as Orderings  343
   5.7.5 Boolean Functions. Boolean Expressions  344
   5.7.6 Normal Forms  345
   5.7.7 Switch Algebra  346
5.8 Algorithms of Graph Theory  348
   5.8.1 Basic Notions and Notation  348
   5.8.2 Traverse of Undirected Graphs  351
      5.8.2.1 Edge Sequences or Paths  351
      5.8.2.2 Euler Trails  352
      5.8.2.3 Hamiltonian Cycles  353
   5.8.3 Trees and Spanning Trees  354
      5.8.3.1 Trees  354
      5.8.3.2 Spanning Trees  355
   5.8.4 Matchings  356
   5.8.5 Planar Graphs  357
   5.8.6 Paths in Directed Graphs  357
   5.8.7 Transport Networks  358
5.9 Fuzzy Logic  360
   5.9.1 Basic Notions of Fuzzy Logic  360
      5.9.1.1 Interpretation of Fuzzy Sets  360
      5.9.1.2 Membership Functions on the Real Line  361
      5.9.1.3 Fuzzy Sets  363
   5.9.2 Aggregation of Fuzzy Sets  365
      5.9.2.1 Concepts for Aggregation of Fuzzy Sets  365
      5.9.2.2 Practical Aggregator Operations of Fuzzy Sets  366
      5.9.2.3 Compensatory Operators  368
      5.9.2.4 Extension Principle  368
      5.9.2.5 Fuzzy Complement  368
   5.9.3 Fuzzy-Valued Relations  369
      5.9.3.1 Fuzzy Relations  369
      5.9.3.2 Fuzzy Product Relation R o S  371
   5.9.4 Fuzzy Inference (Approximate Reasoning)  372
   5.9.5 Defuzzification Methods  373
   5.9.6 Knowledge-Based Fuzzy Systems  374
      5.9.6.1 Method of Mamdani  374
      5.9.6.2 Method of Sugeno  375
      5.9.6.3 Cognitive Systems  375
      5.9.6.4 Knowledge-Based Interpolation Systems  377

6 Differentiation   379

6.1 Differentiation of Functions of One Variable  379
   6.1.1 Differential Quotient  379
   6.1.2 Rules of Differentiation for Functions of One Variable  380
      6.1.2.1 Derivatives of the Elementary Functions  380
      6.1.2.2 Basic Rules of Differentiation  380
   6.1.3 Derivatives of Higher Order  385
      6.1.3.1 Definition of Derivatives of Higher Order  385
      6.1.3.2 Derivatives of Higher Order of some Elementary Functions  385
      6.1.3.3 Leibniz's Formula  385
      6.1.3.4 Higher Derivatives of Functions Given in Parametric Form  387
      6.1.3.5 Derivatives of Higher Order of the Inverse Function  387
   6.1.4 Fundamental Theorems of Differential Calculus  388
      6.1.4.1 Monotonicity  388
      6.1.4.2 Fermat's Theorem  388
      6.1.4.3 Rolle's Theorem  388
      6.1.4.4 Mean Value Theorem of Differential Calculus  389
      6.1.4.5 Taylor's Theorem of Functions of One Variable  389
      6.1.4.6 Generalized Mean Value Theorem of Differential Calculus (Cauchy's Theorem)  390
   6.1.5 Determination of the Extreme Values and Inflection Points  390
      6.1.5.1 Maxima and Minima  390
      6.1.5.2 Necessary Conditions for the Existence of a Relative Extreme Value  390
      6.1.5.3 Relative Extreme Values of a Differentiable, Explicit Function  391
      6.1.5.4 Determination of Absolute Extrema  392
      6.1.5.5 Determination of the Extrema of Implicit Functions  392
6.2 Differentiation of Functions of Several Variables  392
   6.2.1 Partial Derivatives  392
      6.2.1.1 Partial Derivativeofa Function  392
      6.2.1.2 Geometrical Meaning for Functions of Two Variables  393
      6.2.1.3 Differentials of x and f(x)  393
      6.2.1.4 Basic Properties of the Differential  394
      6.2.1.5 Partial Differential  394
   6.2.2 Total Differential and Differentials of Higher Order  394
      6.2.2.1 Notion of Total Differential of a Function of Several Variables (Complete Differential)  394
      6.2.2.2 Derivatives and Differentials of Higher Order  395
      6.2.2.3 Taylor's Theorem for Functions of Several Variables  396
   6.2.3 Rules of Differentiation for Functions of Several Variables  397
      6.2.3.1 Differentiation of Composite Functions  397
      6.2.3.2 Differentiation of Implicit Functions  398
   6.2.4 Substitution of Variables in Differential Expressions and Coordinate Transformations  399
      6.2.4.1 Function of One Variable  399
      6.2.4.2 Function of Two Variables  400
   6.2.5 Extreme Values of Functions of Several Variables  401
      6.2.5.1 Definition  401
      6.2.5.2 Geometric Representation  401
      6.2.5.3 Determination of Extreme Values of Functions of Two Variables  402
      6.2.5.4 Determination of the Extreme Values of a Function of n Variables  402
      6.2.5.5 Solution of Approximation Problems  403
      6.2.5.6 Extreme Value Problem with Side Conditions  403

7 Infinite Series   404

7.1 Sequences of Numbers  404
   7.1.1 Properties of Sequences of Numbers  404
      7.1.1.1 Definition of Sequence of Numbers  404
      7.1.1.2 Monotone Sequences of Numbers  404
      7.1.1.3 Bounded Sequences  404
   7.1.2 Limits of Sequences of Numbers  405
7.2 Number Series  406
   7.2.1 General Convergence Theorems  406
      7.2.1.1 Convergence and Divergence of Infinite Series  406
      7.2.1.2 General Theorems about the Convergence of Series  406
   7.2.2 Convergence Criteria for Series with Positive Terms  407
      7.2.2.1 Comparison Criterion  407
      7.2.2.2 D'Alembert's Ratio Test  407
      7.2.2.3 Root Test of Cauchy  408
      7.2.2.4 Integral Test of Cauchy  408
   7.2.3 Absolute and Conditional Convergence  409
      7.2.3.1 Definition  409
      7.2.3.2 Properties of Absolutely Convergent Series  409
      7.2.3.3 Alternating Series  410
   7.2.4 Some Special Series  410
      7.2.4.1 The Values of Some Important Number Series  410
      7.2.4.2 Bernoulli and Euler Numbers  412
   7.2.5 Estimation of the Remainder  413
      7.2.5.1 Estimation with Majorant  413
      7.2.5.2 Alternating Convergent Series  414
      7.2.5.3 Special Series  414
7.3 Function Series  414
   7.3.1 Definitions  414
   7.3.2 Uniform Convergence  414
      7.3.2.1 Definition. Weierstrass Theorem  414
      7.3.2.2 Properties of Uniformly Convergent Series  415
   7.3.3 Power series  416
      7.3.3.1 Definition. Convergence  416
      7.3.3.2 Calculations with Power Series  416
      7.3.3.3 Taylor Series Expansion, Maclaurin Series  417
   7.3.4 Approximation Formulas  418
   7.3.5 Asymptotic Power Series  419
      7.3.5.1 Asymptotic Behavior  419
      7.3.5.2 Asymptotic Power Series  420
7.4 Fourier Series  420
   7.4.1 Trigonometric Sum and Fourier Series  420
      7.4.1.1 Basic Notions  420
      7.4.1.2 Most Important Properties of the Fourier Series  421
   7.4.2 Determination of Coefficients for Symmetric Functions  422
      7.4.2.1 Different Kinds of Symmetries  422
      7.4.2.2 Forms of the Expansion into a Fourier Series  423
   7.4.3 Determination of the Fourier Coefficients with Numerical Methods  424
   7.4.4 Fourier Series and Fourier Integrals  424
   7.4.5 Remarks on the Table of Some Fourier Expansions  425

8 Integral Calculus   427

8.1 Indefinite Integrals  427
   8.1.1 Primitive Function or Antiderivative  427
      8.1.1.1 Indefinite Integrals  428
      8.1.1.2 Integrals of Elementary Functions  428
   8.1.2 Rules of Integration  429
   8.1.3 Integration of Rational Functions  432
      8.1.3.1 Integrals of Integer Rational Functions (Polynomials)  432
      8.1.3.2 Integrals of Fractional Rational Functions  432
      8.1.3.3 Four Cases of Partial Fraction Decomposition  432
   8.1.4 Integration of Irrational Functions  435
      8.1.4.1 Substitution to Reduce to Integration of Rational Functions  435
      8.1.4.2 Integration of Binomial Integrands  436
      8.1.4.3 Elliptic Integrals  437
   8.1.5 Integration of Trigonometric Functions  438
      8.1.5.1 Substitution  438
      8.1.5.2 Simplified Methods  438
   8.1.6 Integration of Further Transcendental Functions  439
      8.1.6.1 Integrals with Exponential Functions  439
      8.1.6.2 Integrals with Hyperbolic Functions  440
      8.1.6.3 Application of Integration by Parts  440
      8.1.6.4 Integrals of Transcendental Functions  440
8.2 Definite Integrals  440
   8.2.1 Basic Notions. Rules and Theorems  440
      8.2.1.1 Definition and Existence of the Definite Integral  440
      8.2.1.2 Properties of Definite Integrals  441
      8.2.1.3 Further Theorems about the Limits of Integration  443
      8.2.1.4 Evaluation of the Definite Integral  445
   8.2.2 Application of Definite Integrals  447
      8.2.2.1 General Principles for Application of the Definite Integral  447
      8.2.2.2 Applications in Geometry  448
      8.2.2.3 Applications in Mechanics and Physics  451
   8.2.3 Improper Integrals, Stieltjes and Lebesgue Integrals  453
      8.2.3.1 Generalization of the Notion of the Integral  453
      8.2.3.2 Integrals with Infinite Integration Limits  454
      8.2.3.3 Integrals with Unbounded Integrand  456
   8.2.4 Parametric Integrals  459
      8.2.4.1 Definition of Parametric Integrals  459
      8.2.4.2 Differentiation Under the Symbol of Integration  459
      8.2.4.3 Integration Under the Symbol of Integration  459
   8.2.5 Integration by Series Expansion. Special Non-Elementary Functions  460
8.3 Line Integrals  462
   8.3.1 Line Integrals of the First Type  463
      8.3.1.1 Definitions  463
      8.3.1.2 Existence Theorem  463
      8.3.1.3 Evaluation of the Line Integral of the First Type  463
      8.3.1.4 Application of the Line Integral of the First Type  464
   8.3.2 Line Integrals of the Second Type  464
      8.3.2.1 Definitions  464
      8.3.2.2 Existence Theorem  466
      8.3.2.3 Calculation of the Line Integral of the Second Type  466
   8.3.3 Line Integrals of General Type  467
      8.3.3.1 Definition  467
      8.3.3.2 Properties of the Line Integral of General Type  467
      8.3.3.3 Integral Along a Closed Curve  468
   8.3.4 Independence of the Line Integral of the Path of Integration  468
      8.3.4.1 Two-Dimensional Case  468
      8.3.4.2 Existence of a Primitive Function  469
      8.3.4.3 Three-Dimensional Case  469
      8.3.4.4 Determination of the Primitive Function  469
      8.3.4.5 Zero-Valued Integral Along a Closed Curve  470
8.4 Multiple Integrals  471
   8.4.1 Double Integrals  471
      8.4.1.1 Notion of the Double Integral  471
      8.4.1.2 Evaluation of the Double Integral  472
      8.4.1.3 Applications of the Double Integral  474
   8.4.2 Triple Integrals  476
      8.4.2.1 Notion of the Triple Integral  476
      8.4.2.2 Evaluation of the Triple Integral  476
      8.4.2.3 Applications of the Triple Integral  479
8.5 Surface Integrals  479
   8.5.1 Surface Integral of the First Type  479
      8.5.1.1 Notion of the Surface Integral of the First Type  480
      8.5.1.2 Evaluation of the Surface Integral of the First Type  481
      8.5.1.3 Applications of the Surface Integral of the First Type  482
   8.5.2 Surface Integral of the Second Type  483
      8.5.2.1 Notion of the Surface Integral of the Second Type  483
      8.5.2.2 Evaluation of Surface Integrals of the Second Type  484
   8.5.3 Surface Integral in General Form  485
      8.5.3.1 Notion of the Surface Integral in General Form  485
      8.5.3.2 Properties of the Surface Integrals  485
      8.5.3.3 An Application of the Surface Integral  486

9 Differential Equations   487

9.1 Ordinary Differential Equations  487
   9.1.1 First-Order Differential Equations  488
      9.1.1.1 Existence Theorems. Direction Field  488
      9.1.1.2 Important Solution Methods  489
      9.1.1.3 Implicit Differential Equations  492
      9.1.1.4 Singular Integrals and Singular Points  493
      9.1.1.5 Approximation Methods for Solution of First-Order Differential Equations  496
   9.1.2 Differential Equations of Higher Order and Systems of Differential Equations  497
      9.1.2.1 Basic Results  497
      9.1.2.2 Lowering the Order  499  I
      9.1.2.3 Linear n-th Order Differential Equations  500
      9.1.2.4 Solution of Linear Differential Equations with Constant Coefficients  502
      9.1.2.5 Systems of Linear Differential Equations with Constant Coefficients  505
      9.1.2.6 Linear Second-Order Differential Equations  507
   9.1.3 Boundary Value Problems  514
      9.1.3.1 Problem Formulation  514
      9.1.3.2 Fundamental Properties of Eigenfunctions and Eigenvalues  515
      9.1.3.3 Expansion in Eigenfunctions  516
      9.1.3.4 Singular Cases  516
9.2 Partial Differential Equations  517
   9.2.1 First-Order Partial Differential Equations  517
      9.2.1.1 Linear First-Order Partial Differential Equations  517
      9.2.1.2 Non-Linear First-Order Partial Differential Equations  519
   9.2.2 Linear Second-Order Partial Differential Equations  522
      9.2.2.1 Classification and Properties of Second-Order Differential Equations with Two Independent Variables  522
      9.2.2.2 Classification and Properties of Linear Second-Order Differential Equations with more than two Independent Variables  523
      9.2.2.3 Integration Methods for Linear Second-Order Partial Differential Equations  524
   9.2.3 Some further Partial Differential Equations From Natural Sciences and Engineering  534
      9.2.3.1 Formulation of the Problem and the Boundary Conditions  534
      9.2.3.2 Wave Equation  536
      9.2.3.3 Heat Conduction and Diffusion Equation for Homogeneous Media  537
      9.2.3.4 Potential Equation  538
      9.2.3.5 Schrodinger's Equation  538
   9.2.4 Non-Linear Partial Differential Equations: Solitons, Periodic Patterns and Chaos  546
      9.2.4.1 Formulation of the Physical-Mathematical Problem  546
      9.2.4.2 Korteweg de Vries Equation (KdV)  548
      9.2.4.3 Non-Linear Schrodinger Equation (NLS)  549
      9.2.4.4 Sine Gordon Equation (SG)  549
      9.2.4.5 Further Non-linear Evolution Equations with Soliton Solutions  551

10 Calculus of Variations   552

10.1 Defining the Problem  552
10.2 Historical Problems  553
   10.2.1 Isoperimetric Problem  553
   10.2.2 Brachistochrone Problem  553
10.3 Variational Problems of One Variable  553
   10.3.1 Simple Variational Problems and Extremal Curves  553
   10.3.2 Euler Differential Equation of the Variational Calculus  554
   10.3.3 Variational Problems with Side Conditions  555
   10.3.4 Variational Problems with Higher-Order Derivatives  556
   10.3.5 Variational Problem with Several Unknown Functions  557
   10.3.6 Variational Problems using Parametric Representation  557
10.4 Variational Problems with Functions of Several Variables  558
   10.4.1 Simple Variational Problem  558
   10.4.2 More General Variational Problems  560
10.5 Numerical Solution of Variational Problems  560
10.6 Supplementary Problems  561
   10.6.1 First and Second Variation  561
   10.6.2 Application in Physics  562

11 Linear Integral Equations   563

11.1 Introduction and Classification  563
11.2 Fredholm Integral Equations of the Second Kind  564
   11.2.1 Integral Equations with Degenerate Kernel  564
   11.2.2 Successive Approximation Method, Neumann Series  567
   11.2.3 Fredholm Solution Method. Fredholm Theorems  569
      11.2.3.1 Fredholm Solution Method  569
      11.2.3.2 Fredholm Theorems  571
   11.2.4 Numerical Methods for Fredholm Integral Equations of the Second Kind  572
      11.2.4.1 Approximation of the Integral  572
      11.2.4.2 Kernel Approximation  574
      11.2.4.3 Collocation Method  576
11.3 Fredholm Integral Equations of the First Kind  577
   11.3.1 Integral Equations with Degenerate Kernels  577
   11.3.2 Analytic Basis  578
   11.3.3 Reduction of an Integral Equation into a Linear System of Equations  580
   11.3.4 Solution of the Homogeneous Integral Equation of the First Kind  581
   11.3.5 Construction of Two Special Orthonormal Systems for a Given Kernel  582
   11.3.6 Iteration Method  584
11.4 Volterra Integral Equations  585
   11.4.1 Theoretical Foundations  585
   11.4.2 Solution by Differentiation  586
   11.4.3 Solution of the Volterra Integral Equation of the Second Kind by Neumann Series  587
   11.4.4 Convolution Type Volterra Integral Equations  587
   11.4.5 Numerical Methods for Volterra Integral Equations of the Second Kind  588
11.5 Singular Integral Equations  590
   11.5.1 Abel Integral Equation  590
   11.5.2 Singular Integral Equation with Cauchy Kernel  591
      11.5.2.1 Formulation of the Problem  591
      11.5.2.2 Existence of a Solution  592
      11.5.2.3 Properties of Cauchy Type Integrals  592
      11.5.2.4 The Hilbert Boundary Value Problem  593
      11.5.2.5 Solution of the Hilbert Boundary Value Problem (in short: Hilbert Problem)  593
      11.5.2.6 Solution of the Characteristic Integral Equation  594

12 Functional Analysis   596

12.1 Vector Spaces  596
   12.1.1 Notion of a Vector Space  596
   12.1.2 Linear and Affine Linear Subsets  597
   12.1.3 Linearly Independent Elements  598
   12.1.4 Convex Subsets and the Convex Hull  599
      12.1.4.1 Convex Sets  599
      12.1.4.2 Cones  599
   12.1.5 Linear Operators and Functionals  600
      12.1.5.1 Mappings  600
      12.1.5.2 Homomorphism and Endomorphism  600
      12.1.5.3 Isomorphic Vector Spaces  601
   12.1.6 Complexification of Real Vector Spaces  601
   12.1.7 Ordered Vector Spaces  601
      12.1.7.1 Cone and Partial Ordering  601
      12.1.7.2 Order Bounded Sets  602
      12.1.7.3 Positive Operators  602
      12.1.7.4 Vector Lattices  602
12.2 Metric Spaces  604
   12.2.1 Notion of a Metric Space  604
      12.2.1.1 Balls, Neighborhoods and Open Sets  605
      12.2.1.2 Convergence of Sequences in Metric Spaces  606
      12.2.1.3 Closed Sets and Closure  606
      12.2.1.4 Dense Subsets and Separable Metric Spaces  607
   12.2.2 CompleteMetricSpaces  607
      12.2.2.1 Cauchy Sequences  607
      12.2.2.2 CompleteMetricSpaces  608
      12.2.2.3 Some Fundamental Theorems in Complete Metric Spaces  608
      12.2.2.4 Some Applications of the Contraction Mapping Principle  608
      12.2.2.5 Completion of a Metric Space  610
   12.2.3 Continuous Operators  610
12.3 NormedSpaces  611
   12.3.1 Notion of a Normed Space  611
      12.3.1.1 Axioms of a Normed Space  611
      12.3.1.2 Some Properties of Normed Spaces  612
   12.3.2 Banach Spaces  612
      12.3.2.1 Series in Normed Spaces  612
      12.3.2.2 Examples of Banach Spaces  612
      12.3.2.3 Sobolev Spaces  613
   12.3.3 Ordered Normed Spaces  613
   12.3.4 Normed Algebras  614
12.4 HilbertSpaces  615
   12.4.1 Notion of a Hilbert Space  615
      12.4.1.1 Scalar Product  615
      12.4.1.2 Unitary Spaces and Some of their Properties  615
      12.4.1.3 Hilbert Space  615
   12.4.2 Orthogonality  616
      12.4.2.1 Properties of Orthogonality  616
      12.4.2.2 Orthogonal Systems  616
   12.4.3 Fourier Series in Hilbert Spaces  617
      12.4.3.1 Best Approximation  617
      12.4.3.2 Parseval Equation, Riesz Fischer Theorem  618
   12.4.4 Existence of a Basis, Isomorphic Hilbert Spaces  618
12.5 Continuous Linear Operators and Functionals  619
   12.5.1 Boundedness, Norm and Continuity of Linear Operators  619
      12.5.1.1 Boundedness and the Norm of Linear Operators  619
      12.5.1.2 The Space of Linear Continuous Operators  619
      12.5.1.3 Convergence of Operator Sequences  620
   12.5.2 Linear Continuous Operators in Banach Spaces  620
   12.5.3 Elements of the Spectral Theory of Linear Operators  622
      12.5.3.1 Resolvent Set and the Resolvent of an Operator  622
      12.5.3.2 Spectrum of an Operator  622
   12.5.4 Continuous Linear Functionals  623
      12.5.4.1 Definition  623
      12.5.4.2 Continuous Linear Functionals in Hilbert Spaces. Riesz Representation Theorem  624
      12.5.4.3 Continuous Linear Functionals in L p  624
   12.5.5 Extension of a Linear Functional  624
   12.5.6 Separation of Convex Sets  625
   12.5.7 Second Adjoint Space and Reflexive Spaces  626
12.6 Adjoint Operators in Normed Spaces  626
   12.6.1 Adjoint of a Bounded Operator  626
   12.6.2 Adjoint Operator of an Unbounded Operator  627
   12.6.3 Self-Adjoint Operators  627
      12.6.3.1 Positive Definite Operators  628
      12.6.3.2 Projectors in a Hilbert Space  628
12.7 Compact Sets and Compact Operators  628
   12.7.1 Compact Subsets of a Normed Space  628
   12.7.2 Compact Operators  628
      12.7.2.1 Definition of Compact Operator  628
      12.7.2.2 Properties of Linear Compact Operators  629
      12.7.2.3 Weak Convergence of Elements  629
   12.7.3 Fredholm Alternative  629
   12.7.4 Compact Operators in Hilbert Space  630
   12.7.5 Compact Self-Adjoint Operators  630
12.8 Non-Linear Operators  631
   12.8.1 Examples of Non-Linear Operators  631
   12.8.2 Differentiability of Non-Linear Operators  632
   12.8.3 Newton's Method  632
   12.8.4 Schauder's Fixed-Point Theorem  633
   12.8.5 Leray Schauder Theory  633
   12.8.6 Positive Non-Linear Operators  633
   12.8.7 Monotone Operators in Banach Spaces  634
12.9 Measure and Lebesgue Integral  635
   12.9.1 Sigma Algebra and Measures  635
   12.9.2 Measurable Functions  636
      12.9.2.1 Measurable Function  636
      12.9.2.2 Properties of the Class of Measurable Functions  636
   12.9.3 Integration  637
      12.9.3.1 Definition of the Integral  637
      12.9.3.2 Some Properties of the Integral  637
      12.9.3.3 Convergence Theorems  638
   12.9.4 p Spaces  639
   12.9.5 Distributions  639
      12.9.5.1 Formula of Partial Integration  639
      12.9.5.2 Generalized Derivative  640
      12.9.5.3 Distributions  640
      12.9.5.4 Derivative of a Distribution  641

13 Vector Analysis and Vector Fields   642

13.1 Basic Notions of the Theory of Vector Fields  642
   13.1.1 Vector Functions of a Scalar Variable  642
      13.1.1.1 Definitions  642
      13.1.1.2 Derivativeofa Vector Function  642
      13.1.1.3 Rules of Differentiation for Vectors  642
      13.1.1.4 Taylor Expansion for Vector Functions  643
   13.1.2 Scalar Fields  643
      13.1.2.1 Scalar Field or Scalar Point Function  643
      13.1.2.2 Important Special Cases of Scalar Fields  643
      13.1.2.3 Coordinate Definition of a Field  644
      13.1.2.4 Level Surfaces and Level Lines of a Field  644
   13.1.3 Vector Fields  645
      13.1.3.1 Vector Field or Vector Point Function  645
      13.1.3.2 Important Cases of Vector Fields  645
      13.1.3.3 Coordinate Representation of Vector Fields  646
      13.1.3.4 Transformation of Coordinate Systems  647
      13.1.3.5 Vector Lines  648
13.2 Differential Operators of Space  649
   13.2.1 Directional and Space Derivatives  649
      13.2.1.1 Directional Derivative of a Scalar Field  649
      13.2.1.2 Directional Derivative of a Vector Field  650
      13.2.1.3 Volume Derivative  650
   13.2.2 Gradient of a Scalar Field  650
      13.2.2.1 Definition of the Gradient  651
      13.2.2.2 Gradient and Volume Derivative  651
      13.2.2.3 Gradient and Directional Derivative  651
      13.2.2.4 Further Properties of the Gradient  651
      13.2.2.5 Gradient of the Scalar Field in Different Coordinates  651
      13.2.2.6 Rules of Calculations  652
   13.2.3 Vector Gradient  652
   13.2.4 Divergence of Vector Fields  653
      13.2.4.1 Definition of Divergence  653
      13.2.4.2 Divergence in Different Coordinates  653
      13.2.4.3 Rules for Evaluation of the Divergence  653
      13.2.4.4 Divergence of a Central Field  654
   13.2.5 Rotation of Vector Fields  654
      13.2.5.1 Definitions of the Rotation  654
      13.2.5.2 Rotation in Different Coordinates  655
      13.2.5.3 Rules for Evaluating the Rotation  655
      13.2.5.4 Rotation of a Potential Field  656
   13.2.6 Nabla Operator, Laplace Operator  656
      13.2.6.1 Nabla Operator  656
      13.2.6.2 Rules for Calculations with the Nabla Operator  656
      13.2.6.3 Vector Gradient  657
      13.2.6.4 Nabla Operator Applied Twice  657
      13.2.6.5 Laplace Operator  657
   13.2.7 Review of Spatial Differential Operations  658
      13.2.7.1 Fundamental Relations and Results (see Table 13.2)  658
      13.2.7.2 Rules of Calculation for Spatial Differential Operators  658
      13.2.7.3 Expressions of Vector Analysis in Cartesian. Cylindrical, and Spherical Coordinates  659
13.3 Integration in Vector Fields  660
   13.3.1 Line Integral and Potential in Vector Fields  660
      13.3.1.1 Line Integral in Vector Fields  660
      13.3.1.2 Interpretation of the Line Integral in Mechanics  661
      13.3.1.3 Properties of the Line Integral  661
      13.3.1.4 Line Integral in Cartesian Coordinates  661
      13.3.1.5 Integral Along a Closed Curve in a Vector Field  662
      13.3.1.6 Conservative or Potential Field  662
   13.3.2 Surface Integrals  663
      13.3.2.1 Vector of a Plane Sheet  663
      13.3.2.2 Evaluation of the Surface Integral  663
      13.3.2.3 Surface Integrals and Flow of Fields  664
      13.3.2.4 Surface Integrals in Cartesian Coordinates as Surface Integral of Second Type  664
   13.3.3 Integral Theorems  665
      13.3.3.1 Integral Theorem and Integral Formula of Gauss  665
      13.3.3.2 Integral Theorem of Stokes  666
      13.3.3.3 Integral Theorems of Green  666
13.4 Evaluation of Fields  667
   13.4.1 Pure Source Fields  667
   13.4.2 Pure Rotation Field or Zero-Divergence Field  668
   13.4.3 Vector Fields with Point-Like Sources  668
      13.4.3.1 Coulomb Field of a Point-Like Charge  668
      13.4.3.2 Gravitational Field of a Point Mass  669
   13.4.4 Superposition of Fields  669
      13.4.4.1 Discrete Source Distribution  669
      13.4.4.2 Continuous Source Distribution  669
      13.4.4.3 Conclusion  669
13.5 Differential Equations of Vector Field Theory  669
   13.5.1 Laplace Differential Equation  669
   13.5.2 Poisson Differential Equation  670

14 Function Theory   671

14.1 Functions of Complex Variables  671
   14.1.1 Continuity, Differentiability  671
      14.1.1.1 Definition of a Complex Function  671
      14.1.1.2 Limit of a Complex Function  671
      14.1.1.3 Continuous Complex Functions  671
      14.1.1.4 Differentiability of a Complex Function  671
   14.1.2 Analytic Functions  672
      14.1.2.1 Definition of Analytic Functions  672
      14.1.2.2 Examples of Analytic Functions  672
      14.1.2.3 Properties of Analytic Functions  672
      14.1.2.4 Singular Points  673
   14.1.3 Conformal Mapping  674
      14.1.3.1 Notion and Properties of Conformal Mappings  674
      14.1.3.2 Simplest Conformal Mappings  675
      14.1.3.3 The Schwarz Reflection Principle  681
      14.1.3.4 Complex Potential  681
      14.1.3.5 Superposition Principle  683
      14.1.3.6 Arbitrary Mappings of the Complex Plane  684
14.2 Integration in the Complex Plane  685
   14.2.1 Definite and Indefinite Integral  685
      14.2.1.1 Definition of the Integral in the Complex Plane  685
      14.2.1.2 Properties and Evaluation of Complex Integrals  686
   14.2.2 Cauchy Integral Theorem  688
      14.2.2.1 Cauchy Integral Theorem for Simply Connected Domains  688
      14.2.2.2 Cauchy Integral Theorem for Multiply Connected Domains  688
   14.2.3 Cauchy Integral Formulas  689
      14.2.3.1 Analytic Function on the Interior of a Domain  689
      14.2.3.2 Analytic Function on the Exterior of a Domain  689
14.3 Power Series Expansion of Analytic Functions  689
   14.3.1 Convergence of Series with Complex Terms  689
      14.3.1.1 Convergence of a Number Sequence with Complex Terms  689
      14.3.1.2 Convergence of an Infinite Series with Complex Terms  690
      14.3.1.3 Power Series with Complex Terms  690
   14.3.2 Taylor Series  691
   14.3.3 Principle of Analytic Continuation  691
   14.3.4 Laurent Expansion  692
   14.3.5 Isolated Singular Points and the Residue Theorem  692
      14.3.5.1 Isolated Singular Points  692
      14.3.5.2 Meromorphic Functions  693
      14.3.5.3 Elliptic Functions  693
      14.3.5.4 Residue  693
      14.3.5.5 Residue Theorem  694
14.4 Evaluation of Real Integrals by Complex Integrals  694
   14.4.1 Application of Cauchy Integral Formulas  694
   14.4.2 Application of the Residue Theorem  695
   14.4.3 Application of the Jordan Lemma  695
      14.4.3.1 Jordan Lemma  695
      14.4.3.2 Examples of the Jordan Lemma  696
14.5 Algebraic and Elementary Transcendental Functions  698
   14.5.1 Algebraic Functions  698
   14.5.2 Elementary Transcendental Functions  698
   14.5.3 Description of Curves in Complex Form  701
14.6 Elliptic Functions  702
   14.6.1 Relation to Elliptic Integrals  702
   14.6.2 Jacobian Functions  703
   14.6.3 Theta Function  705
   14.6.4 Weierstrass Functions  705

15 Integral Transformations   707

15.1 Notion of Integral Transformation  707
   15.1.1 General Definition of Integral Transformations  707
   15.1.2 Special IntegralTransformations  707
   15.1.3 Inverse Transformations  707
   15.1.4 Linearity of Integral Transformations  707
   15.1.5 Integral Transformations for Functions of Several Variables  709
   15.1.6 Applications of Integral Transformations  709
15.2 Laplace Transformation  710
   15.2.1 Properties of the Laplace Transformation  710
      15.2.1.1 Laplace Transformation, Original and Image Space  710
      15.2.1.2 Rules for the Evaluation of the Laplace Transformation  711
      15.2.1.3 Transforms of Special Functions  714
      15.2.1.4 Dirac 8 Function and Distributions  717
   15.2.2 Inverse Transformation into the Original Space  718
      15.2.2.1 Inverse Transformation with the Help of Tables  718
      15.2.2.2 Partial Fraction Decomposition  718
      15.2.2.3 Series Expansion  719
      15.2.2.4 Inverse Integral  720
   15.2.3 Solution of Differential Equations using Laplace Transformation  721
      15.2.3.1 Ordinary Linear Differential Equations with Constant Coefficients  721
      15.2.3.2 Ordinary Linear Differential Equations with Coefficients Depending on the Variable  722
      15.2.3.3 Partial Differential Equations  723
15.3 Fourier Transformation  724
   15.3.1 Properties of the Fourier Transformation  724
      15.3.1.1 Fourier Integral  724
      15.3.1.2 Fourier Transformation and Inverse Transformation  725
      15.3.1.3 Rules of Calculation with the Fourier Transformation  727
      15.3.1.4 Transforms of Special Functions  730
   15.3.2 Solution of Differential Equations using the Fourier Transformation  731
      15.3.2.1 Ordinary Linear Differential Equations  731
      15.3.2.2 Partial Differential Equations  732
15.4 Z-Transformation  733
   15.4.1 Properties of the Z-Transformation  734
      15.4.1.1 Discrete Functions  734
      15.4.1.2 Definition of the Z-Transformation  734
      15.4.1.3 Rules of Calculations  735
      15.4.1.4 Relation to the Laplace Transformation  736
      15.4.1.5 Inverse of the Z-Transformation  737
   15.4.2 Applications of the Z-Transformation  738
      15.4.2.1 General Solution of Linear Difference Equations  738
      15.4.2.2 Second-Order Difference Equations (Initial Value Problem)  739
      15.4.2.3 Second-Order Difference Equations (Boundary Value Problem)  740
15.5 Wavelet Transformation  740
   15.5.1 Signals  740
   15.5.2 Wavelets  741
   15.5.3 Wavelet Transformation  741
   15.5.4 Discrete Wavelet Transformation  743
      15.5.4.1 Fast Wavelet Transformation  743
      15.5.4.2 Discrete Haar Wavelet Transformation  743
   15.5.5 Gabor Transformation  743
15.6 Walsh Functions  744
   15.6.1 Step Functions  744
   15.6.2 Walsh Systems  744

16 Probability Theory and Mathematical Statistics   745

16.1 Combinatorics  745
   16.1.1 Permutations  745
   16.1.2 Combinations  745
   16.1.3 Arrangements  746
   16.1.4 Collection of the Formulas of Combinatorics (see Table 16.1)  747
16.2 Probability Theory  747
   16.2.1 Event, Frequency and Probability  747
      16.2.1.1 Events  747
      16.2.1.2 Frequencies and Probabilities  748
      16.2.1.3 Conditional Probability Bayes Theorem  750
   16.2.2 Random Variables. Distribution Functions  751
      16.2.2.1 Random Variable  751
      16.2.2.2 Distribution Function  751
      16.2.2.3 Expected Value and Variance, Chebyshev Inequality  753
      16.2.2.4 Multidimensional Random Variable  754
   16.2.3 Discrete Distributions  754
      16.2.3.1 Binomial Distribution  755
      16.2.3.2 Hypergeometric Distribution  756
      16.2.3.3 Poisson Distribution  757
   16.2.4 Continuous Distributions  758
      16.2.4.1 Normal Distribution  758
      16.2.4.2 Standard Normal Distribution. Gaussian Error Function  759
      16.2.4.3 Logarithmic Normal Distribution  759
      16.2.4.4 Exponential Distribution  760
      16.2.4.5 Weibull Distribution  761
      16.2.4.6 x2 (Chi-Square) Distribution  762
      16.2.4.7 Fisher F Distribution  763
      16.2.4.8 Student t Distribution  763
   16.2.5 Law of Large Numbers. Limit Theorems  764
   16.2.6 Stochastic Processes and Stochastic Chains  765
      16.2.6.1 Basic Notions. Markov Chains  765
      16.2.6.2 Poisson Process  768
16.3 Mathematical Statistics  769
   16.3.1 Statistic Function or Sample Function  769
      16.3.1.1 Population. Sample. Random Vector  769
      16.3.1.2 Statistic Function or Sample Function  770
   16.3.2 Descriptive Statistics  772
      16.3.2.1 Statistical Summarization and Analysis of Given Data  772
      16.3.2.2 Statistical Parameters  773
   16.3.3 Important Tests  774
      16.3.3.1 Goodness of Fit Test for a Normal Distribution  774
      16.3.3.2 Distribution of the Sample Mean  776
      16.3.3.3 Confidence Limits for the Mean  777
      16.3.3.4 Confidence Interval for the Variance  778
      16.3.3.5 Structure of Hypothesis Testing  779
   16.3.4 Correlation and Regression  779
      16.3.4.1 Linear Correlation of two Measurable Characters  779
      16.3.4.2 Linear Regression for two Measurable Characters  780
      16.3.4.3 Multidimensional Regression  781
   16.3.5 Monte Carlo Methods  783
      16.3.5.1 Simulation  783
      16.3.5.2 Random Numbers  783
      16.3.5.3 Example of a Monte Carlo Simulation  784
      16.3.5.4 Application of the Monte Carlo Method in Numerical Mathematics  785
      16.3.5.5 Further Applications of the Monte Carlo Method  787
16.4 Calculus of Errors  787
   16.4.1 Measurement Error and its Distribution  788
      16.4.1.1 Qualitative Characterization of Measurement Errors  788
      16.4.1.2 Density Function of the Measurement Error  788
      16.4.1.3 Quantitative Characterization of the Measurement Error  790
      16.4.1.4 Determining the Result of a Measurement with Bounds on the Error  792
      16.4.1.5 Error Estimation for Direct Measurements with the Same Accuracy  793
      16.4.1.6 Error Estimation for Direct Measurements with Different Accuracy  793
   16.4.2 Error Propagation and Error Analysis  794
      16.4.2.1 Gauss Error Propagation Law  794
      16.4.2.2 Error Analysis  796

17 Dynamical Systems and Chaos   797

17.1 Ordinary Differential Equations and Mappings  797
   17.1.1 Dynamical Systems  797
      17.1.1.1 Basic Notions  797
      17.1.1.2 Invariant Sets  799
   17.1.2 Qualitative Theory of Ordinary Differential Equations  800
      17.1.2.1 Existence of Flows, Phase Space Structure  800
      17.1.2.2 Linear Differential Equations  801
      17.1.2.3 Stability Theory  803
      17.1.2.4 Invariant Manifolds  806
      17.1.2.5 Poincare Mapping  808
      17.1.2.6 Topological Equivalence of Differential Equations  810
   17.1.3 Discrete Dynamical Systems  811
      17.1.3.1 Steady States, Periodic Orbits and Limit Sets  811
      17.1.3.2 Invariant Manifolds  812
      17.1.3.3 Topological Conjugacy of Discrete Systems  813
   17.1.4 Structural Stability (Robustness)  813
      17.1.4.1 Structurally Stable Differential Equations  813
      17.1.4.2 Structurally Stable Discrete Systems  814
      17.1.4.3 Generic Properties  814
17.2 Quantitative Description of Attractors  816
   17.2.1 Probability Measures on Attractors  816
      17.2.1.1 Invariant Measure  816
      17.2.1.2 Elements of Ergodic Theory  817
   17.2.2 Entropies  819
      17.2.2.1 Topological Entropy  819
      17.2.2.2 Metric Entropy  819
   17.2.3 Lyapunov Exponents  820
   17.2.4 Dimensions  822
      17.2.4.1 Metric Dimensions  822
      17.2.4.2 Dimensions Defined by Invariant Measures  824
      17.2.4.3 Local Hausdorff Dimension According to Douady and Oesterle  826
      17.2.4.4 Examples of Attractors  827
   17.2.5 Strange Attractors and Chaos  828
   17.2.6 Chaos in One-Dimensional Mappings  829
17.3 Bifurcation Theory and Routes to Chaos  829
   17.3.1 Bifurcations in Morse Smale Systems  829
      17.3.1.1 Local Bifurcations in Neighborhoods of Steady States  830
      17.3.1.2 Local Bifurcations in a Neighborhood of a Periodic Orbit  835
      17.3.1.3 Global Bifurcation  838
   17.3.2 Transitions to Chaos  839
      17.3.2.1 Cascade of Period Doublings  839
      17.3.2.2 Intermittency  839
      17.3.2.3 Global Homoclinic Bifurcations  840
      17.3.2.4 Destruction of a Torus  841

18 Optimization   846

18.1 Linear Programming  846
   18.1.1 Formulation of the Problem and Geometrical Representation  846
      18.1.1.1 The Form of a Linear Programming Problem  846
      18.1.1.2 Examples and Graphical Solutions  847
   18.1.2 Basic Notions of Linear Programming. Normal Form  849
      18.1.2.1 Extreme Points and Basis  849
      18.1.2.2 Normal Form of the Linear Programming Problem  850
   18.1.3 Simplex Method  851
      18.1.3.1 Simplex Tableau  851
      18.1.3.2 Transition to the New Simplex Tableau  852
      18.1.3.3 Determination of an Initial Simplex Tableau  854
      18.1.3.4 Revised Simplex Method  855
      18.1.3.5 Duality in Linear Programming  856
   18.1.4 Special Linear Programming Problems  857
      18.1.4.1 Transportation Problem  857
      18.1.4.2 Assignment Problem  860
      18.1.4.3 Distribution Problem  860
      18.1.4.4 Travelling Salesman  861
      18.1.4.5 Scheduling Problem  861
18.2 Non-linear Optimization  861
   18.2.1 Formulation of the Problem, Theoretical Basis  861
      18.2.1.1 Formulation of the Problem  861
      18.2.1.2 Optimality Conditions  862
      18.2.1.3 Duality in Optimization  863
   18.2.2 Special Non-linear Optimization Problems  863
      18.2.2.1 Convex Optimization  863
      18.2.2.2 Quadratic Optimization  864
   18.2.3 Solution Methods for Quadratic Optimization Problems  865
      18.2.3.1 Wolfe's Method  865
      18.2.3.2 Hildreth d'Esopo Method  867
   18.2.4 Numerical Search Procedures  867
      18.2.4.1 One-Dimensional Search  867
      18.2.4.2 Minimum Search in n-Dimensional Euclidean Vector Space  868
   18.2.5 Methods for Unconstrained Problems  868
      18.2.5.1 Method of Steepest Descent (Gradient Method)  869
      18.2.5.2 Application of the Newton Method  869
      18.2.5.3 Conjugate Gradient Methods  869
      18.2.5.4 Method of Davidon, Fletcher and Powell (DFP)  870
   18.2.6 Evolution Strategies  870
      18.2.6.1 Mutation Selection Strategy  871
      18.2.6.2 Recombination  871
   18.2.7 Gradient Methods for Problems with Inequality Type Constraints)  871
      18.2.7.1 Method of Feasible Directions  872
      18.2.7.2 Gradient Projection Method  873
   18.2.8 Penalty Function and Barrier Methods  875
      18.2.8.1 Penalty Function Method  875
      18.2.8.2 Barrier Method  876
   18.2.9 Cutting Plane Methods  877
18.3 Discrete Dynamic Programming  878
   18.3.1 Discrete Dynamic Decision Models  878
      18.3.1.1 n-Stage Decision Processes  878
      18.3.1.2 Dynamic Programming Problem  878
   18.3.2 Examples of Discrete Decision Models  879
      18.3.2.1 Purchasing Problem  879
      18.3.2.2 Knapsack Problem  879
   18.3.3 Bellman Functional Equations  879
      18.3.3.1 Properties of the Cost Function  879
      18.3.3.2 Formulation of the Functional Equations  880
   18.3.4 Bellman Optimality Principle  880
   18.3.5 Bellman Functional Equation Method  881
      18.3.5.1 Determination of Minimal Costs  881
      18.3.5.2 Determination of the Optimal Policy  881
   18.3.6 Examples of Applications of the Functional Equation Method  881
      18.3.6.1 Optimal Purchasing Policy  881
      18.3.6.2 Knapsack Problem  882

19 Numerical Analysis   884

19.1 Numerical Solution of Non-Linear Equations in a Single Unknown  884
   19.1.1 Iteration Method  884
      19.1.1.1 Ordinary Iteration Method  884
      19.1.1.2 Newton's Method  885
      19.1.1.3 Regula Falsi  886
   19.1.2 Solution of Polynomial Equations  887
      19.1.2.1 Horner's Scheme  887
      19.1.2.2 Positions of the Roots  888
      19.1.2.3 Numerical Methods  889
19.2 Numerical Solution of Equation Systems  890
   19.2.1 Systems of Linear Equations  890
      19.2.1.1 Triangular Decomposition of a Matrix  890
      19.2.1.2 Cholesky's Method for a Symmetric Coefficient Matrix  893
      19.2.1.3 Orthogonalization Method  893
      19.2.1.4 Iteration Methods  895
   19.2.2 Non-Linear Equation Systems  896
      19.2.2.1 Ordinary Iteration Method  896
      19.2.2.2 Newton's Method  897
      19.2.2.3 Derivative-Free Gauss Newton Method  897
19.3 Numerical Integration  898
   19.3.1 General Quadrature Formulas  898
   19.3.2 Interpolation Quadratures  899
      19.3.2.1 Rectangular Formula  899
      19.3.2.2 Trapezoidal Formula  899
      19.3.2.3 Simpson's Formula  900
      19.3.2.4 Hermite's Trapezoidal Formula  900
   19.3.3 Quadrature Formulas of Gauss  900
      19.3.3.1 Gauss Quadrature Formulas  900
      19.3.3.2 Lobatto's Quadrature Formulas  901
   19.3.4 Method of Romberg  901
      19.3.4.1 Algorithm of the Romberg Method  901
      19.3.4.2 Extrapolation Principle  902
19.4 Approximate Integration of Ordinary Differential Equations  904
   19.4.1 Initial Value Problems  904
      19.4.1.1 Euler Polygonal Method  904
      19.4.1.2 Runge Kutta Methods  904
      19.4.1.3 Multi-Step Methods  905
      19.4.1.4 Predictor Corrector Method  906
      19.4.1.5 Convergence. Consistency. Stability  907
   19.4.2 Boundary Value Problems  908
      19.4.2.1 Difference Method  908
      19.4.2.2 Approximation by Using Given Functions  909
      19.4.2.3 Shooting Method  910
19.5 Approximate Integration of Partial Differential Equations  911
   19.5.1 Difference Method  911
   19.5.2 Approximation by Given Functions  912
   19.5.3 Finite Element Method (FEM)  913
19.6 Approximation. Computation of Adjustment, Harmonic Analysis  917
   19.6.1 Polynomial Interpolation  917
      19.6.1.1 Newton's Interpolation Formula  917
      19.6.1.2 Lagrange's Interpolation Formula  918
      19.6.1.3 Aitken Neville Interpolation  918
   19.6.2 Approximation in Mean  919
      19.6.2.1 Continuous Problems. Normal Equations  919
      19.6.2.2 Discrete Problems, Normal Equations, Householder's Method  921
      19.6.2.3 Multidimensional Problems  922
      19.6.2.4 Non-Linear Least Squares Problems  922
   19.6.3 Chebyshev Approximation  923
      19.6.3.1 Problem Definition and the Alternating Point Theorem  923
      19.6.3.2 Properties of the Chebyshev Polynomials  924
      19.6.3.3 Remes Algorithm  925
      19.6.3.4 Discrete Chebyshev Approximation and Optimization  926
   19.6.4 Harmonic Analysis  927
      19.6.4.1 Formulas for Trigonometric Interpolation  927
      19.6.4.2 Fast Fourier Transformation (FFT)  928
19.7 Representation of Curves and Surfaces with Splines  931
   19.7.1 Cubic Splines  931
      19.7.1.1 Interpolation Splines  931
      19.7.1.2 Smoothing Splines  932
   19.7.2 Bicubic Splines  933
      19.7.2.1 Use of Bicubic Splines  933
      19.7.2.2 Bicubic Interpolation Splines  933
      19.7.2.3 Bicubic Smoothing Splines  935
   19.7.3 Bernstein Bezier Representation of Curves and Surfaces  935
      19.7.3.1 Principle of the B B Curve Representation  935
      19.7.3.2 B B Surface Representation  936
19.8 Using the Computer  936
   19.8.1 Internal Symbol Representation  936
      19.8.1.1 Number Systems  936
      19.8.1.2 Internal Number Representation  938
   19.8.2 Numerical Problems in Calculations with Computers  939
      19.8.2.1 Introduction, Error Types  939
      19.8.2.2 Normalized Decimal Numbers and Round-Off  939
      19.8.2.3 Accuracy in Numerical Calculations  941
   19.8.3 Libraries of Numerical Methods  944
      19.8.3.1 NAG Library  944
      19.8.3.2 IMSL Library  945
      19.8.3.3 Aachen Library  946
   19.8.4 Application of Computer Algebra Systems  946
      19.8.4.1 Mathematica  946
      19.8.4.2 Maple  949

20 Computer Algebra Systems   953

20.1 Introduction  953
   20.1.1 Brief Characterization of Computer Algebra Systems  953
   20.1.2 Examples of Basic Application Fields  953
      20.1.2.1 Manipulation of Formulas  953
      20.1.2.2 Numerical Calculations  954
      20.1.2.3 Graphical Representations  955
      20.1.2.4 Programming in Computer Algebra Systems  955
   20.1.3 Structure of Computer Algebra Systems  955
      20.1.3.1 Basic Structure Elements  955
20.2 Mathematica  956
   20.2.1 Basic Structure Elements  956
   20.2.2 Types of Numbers in Mathematica  957
      20.2.2.1 Basic Types of Numbers in Mathematica  957
      20.2.2.2 Special Numbers  958
      20.2.2.3 Representation and Conversion of Numbers  958
   20.2.3 Important Operators  959
   20.2.4 Lists  959
      20.2.4.1 Notions  959
      20.2.4.2 Nested Lists, Arrays or Tables  960
      20.2.4.3 Operations with Lists  960
      20.2.4.4 Special Lists  961
   20.2.5 Vectors and Matrices as Lists  961
      20.2.5.1 Creating Appropriate Lists  961
      20.2.5.2 Operations with Matrices and Vectors  962
   20.2.6 Functions  963
      20.2.6.1 Standard Functions  963
      20.2.6.2 Special Functions  963
      20.2.6.3 Pure Functions  963
   20.2.7 Patterns  964
   20.2.8 Functional Operations  964
   20.2.9 Programming  966
   20.2.10 Supplement about Syntax, Information. Messages  966
      20.2.10.1 Contexts. Attributes  966
      20.2.10.2 Information  967
      20.2.10.3 Messages  967
20.3 Maple  968
   20.3.1 Basic Structure Elements  968
      20.3.1.1 Types and Objects  968
      20.3.1.2 Input and Output  969
   20.3.2 Types of Numbers in Maple  970
      20.3.2.1 Basic Types of Numbers in Maple  970
      20.3.2.2 Special Numbers  970
      20.3.2.3 Representation and Conversion of Numbers  970
   20.3.3 Important Operators in Maple  971
   20.3.4 Algebraic Expressions  971
   20.3.5 Sequences and Lists  972
   20.3.6 Tables, Arrays, Vectors and Matrices  973
      20.3.6.1 Tables and Arrays  973
      20.3.6.2 One-Dimensional Arrays  974
      20.3.6.3 Two-Dimensional Arrays  974
      20.3.6.4 Special Commands for Vectors and Matrices  975
   20.3.7 Procedures. Functions and Operators  975
      20.3.7.1 Procedures  975
      20.3.7.2 Functions  975
      20.3.7.3 Functional Operators  976
      20.3.7.4 Differential Operators  977
      20.3.7.5 The Functional Operator map  977
   20.3.8 Programming in Maple  977
   20.3.9 Supplement about Syntax, Information and Help  978
      20.3.9.1 Using the Maple Library  978
      20.3.9.2 Environment Variable  978
      20.3.9.3 Information and Help  978
20.4 Applications of Computer Algebra Systems  979
   20.4.1 Manipulation of Algebraic Expressions  979
      20.4.1.1 Mathematica  979
      20.4.1.2 Maple  981
   20.4.2 Solution of Equations and Systems of Equations  984
      20.4.2.1 Mathematica  984
      20.4.2.2 Maple  986
   20.4.3 Elements of Linear Algebra  988
      20.4.3.1 Mathematica  988
      20.4.3.2 Maple  989
   20.4.4 Differential and Integral Calculus  992
      20.4.4.1 Mathematica  992
      20.4.4.2 Maple  995
20.5 Graphics in Computer Algebra Systems  998
   20.5.1 Graphics with Mathematica  998
      20.5.1.1 Basic Elements of Graphics  998
      20.5.1.2 Graphics Primitives  999
      20.5.1.3 Syntax of Graphical Representation  999
      20.5.1.4 Graphical Options  1000
      20.5.1.5 Two-Dimensional Curves  1002
      20.5.1.6 Parametric Representation of Curves  1003
      20.5.1.7 Representation of Surfaces and Space Curves  1003
   20.5.2 Graphics with Maple  1005
      20.5.2.1 Two-Dimensional Graphics  1005
      20.5.2.2 Three-Dimensional Graphics  1008

21 Tables   1010

21.1 Frequently Used Mathematical Constants  1010
21.2 Natural Constants  1010
21.3 Metric Prefixes  1012
21.4 International System of Physical Units (SI-Units)  1012
21.5 Important Series Expansions  1015
21.6 Fourier Series  1020
21.7 Indefinite Integrals  1023
   21.7.1 Integral Rational Functions  1023
      21.7.1.1 Integrals with X = ax + b  1023
      21.7.1.2 Integrals with X = ax2 + bx + c  1025
      21.7.1.3 Integrals with X = a2 ± x2  1026
      21.7.1.4 Integrals with X = a' ± x3  1028
      21.7.1.5 Integrals with X = a4 + x4  1029
      21.7.1.6 Integrals with X = a4 - x4  1029
      21.7.1.7 Some Cases of Partial Fraction Decomposition  1029
   21.7.2 Integrals of Irrational Functions  1030
      21.7.2.1 Integrals with pr and a2 ± b2x  1030
      21.7.2.2 Other Integrals with pF  1030
      21.7.2.3 Integrals with p ax + b  1031
      21.7.2.4 Integrals with p ax + b and p fx + g  1032
      21.7.2.5 Integrals with po2 - x2  1033
      21.7.2.6 Integrals with p x2 + a2  1035
      21.7.2.7 Integrals with p x2 - a2  1036
      21.7.2.8 Integrals with ax2 + bx + c  1038
      21.7.2.9 Integrals with other Irrational Expressions  1040
      21.7.2.10 Recursion Formulas for an Integral with Binomial Differential  1040
   21.7.3 Integrals of Trigonometric Functions  1041
      21.7.3.1 Integrals with Sine Function  1041
      21.7.3.2 Integrals with Cosine Function  1043
      21.7.3.3 Integrals with Sine and Cosine Function  1045
      21.7.3.4 Integrals with Tangent Function  1049
      21.7.3.5 Integrals with Cotangent Function  1049
   21.7.4 Integrals of other Transcendental Functions  1050
      21.7.4.1 Integrals with Hyperbolic Functions  1050
      21.7.4.2 Integrals with Exponential Functions  1051
      21.7.4.3 Integrals with Logarithmic Functions  1053
      21.7.4.4 Integrals with Inverse Trigonometric Functions  1054
      21.7.4.5 Integrals with Inverse Hyperbolic Functions  1055
21.8 Definite Integrals  1056
   21.8.1 Definite Integrals of Trigonometric Functions  1056
   21.8.2 Definite Integrals of Exponential Functions  1057
   21.8.3 Definite Integrals of Logarithmic Functions  1058
   21.8.4 Definite Integrals of Algebraic Functions  1059
21.9 Elliptic Integrals  1061
   21.9.1 Elliptic Integral of the First Kind F{ip, k), k = sina  1061
21.9.2 Elliptic Integral of the Second Kind E ( 1061
   21.9.3 Complete Elliptic Integral, k = sin a  1062
21.10 Gamma Function  1063
21.11 Bessel Functions (Cylindrical Functions)  1064
21.12 Legendre Polynomials of the First Kind  1066
21.13 Laplace Transformation  1067
21.14 Fourier Transformation  1072
   21.14.1 Fourier Cosine Transformation  1072
   21.14.2 Fourier Sine Transformation  1078
   21.14.3Fourier Transformation  1083
   21.14.4Exponential Fourier Transformation  1085
21.15 Z Transformation  1086
21.16 Poisson Distribution  1089
21.17 Standard Normal Distribution  1091
21.17.1 Standard Normal Distribution for 0.00  1091
21.17.2 Standard Normal Distribution for 2.00  1092
21.18 x2 Distribution  1093
21.19 Fisher F Distribution  1094
21.20 Student t Distribution  1096
21.21 Random Numbers  1097

22 Bibliography   1098


List of Tables

1.1 Definition of powers  8
1.2 Pascal's triangle  13
1.3 Auxiliary values for the solution of equations of degree three  42
2.1 Domain and range of trigonometric functions  77
2.2 Signs of trigonometric functions  78
2.3 Values of trigonometric functions for 0°, 30°, 45°, 60° and 90°  78
2.4 Reduction formulas and quadrant relations of trigonometric functions  78
2.5 Relations between the trigonometric functions of the same argument in the interval
0 < o: < tt/2  80
2.6 Domains and ranges of the inverses of trigonometric functions  85
2.7 Relations between two hyperbolic functions with the same arguments for x > 0  90
2.8 Domains and ranges of the area functions  92
2.9 For the approximate determination of an empirically given function relation  112
3.1 Names of angles in degree and radian measure  129
3.2 Properties of some regular polygons  139
3.3 Defining quantities of a right angled-triangle in the plane  141
3.4 Defining quantities of a general triangle, basic problems  144
3.5 Conversion between Degrees and Gons  145
3.6 Directional angle in a segment with correct sign for arctan  145
3.7 Regular polyeders with edge length a  154
3.8 Defining quantities of a spherical right-angled triangle  168
3.9 First and second basic problems for spherical oblique triangles  170
3.10 Third basic problem for spherical oblique triangles  171
3.11 Fourth basic problem for spherical oblique triangles  172
3.12 Fifth and sixth basic problemes for a spherical oblique triangle  173
3.13 Scalar product of basis vectors  186
3.14 Vector product of basis vectors  186
3.15 Scalar product of reciprocal basis vectors  186
3.16 Vector product of reciprocal basis vectors  186
3.17 Vector equations  188
3.18 Geometric application of vector algebra  189
3.19 Equation of curves of second order. Central curves ((5 ^ 0)  205
3.20 Equations of curves of second order. Parabolic curves (5 = 0)  206
3.21 Coordinate signs in the octants  208
3.22 Connections between Cartesian, cylindrical, and spherical polar coordinates  210
3.23 Notation for the direction cosines under coordinate transformation  211
3.24 Type of surfaces of second order with 5 ^ 0 (central surfaces)  224
3.25 Type of surfaces of second order with 5 = 0 (paraboloid, cylinder and two planes)  224
3.26 Tangent and normal equations  226
3.27 Vector and coordinate equations of accompanying configurations of a space curve  241
3.28 Vector and coordinate equations of accompanying configurations as functions of the arclength  241
3.29 Equations of the tangent plane and the surface normal  246
5.1 Truth table of propositional calculus  286
5.2 NAND function  288
5.3 NOR function  288
5.4 Primitive Bravais lattice  310
5.5 Bravais lattice, crystal systems, and crystallographic classes  311
5.6 Some Boolean functions with two variables  344
5.7 Tabular representation of a fuzzy set  360
5.8 t- and s-norms, p G IR  367
5.9 Comparison of operations in Boolean logic and in fuzzy logic  369
6.1 Derivatives of elementary functions  381
6.2 Differentiation rules  386
6.3 Derivatives of higher order of some elementary functions  387
7.1 The first Bernoulli numbers  412
7.2 First Euler numbers  413
7.3 Approximation formulas for some frequently used functions  419
8.1 Basic integrals  428
8.2 Important rules of calculation of indefinite integrals  430
8.3 Substitutions for integration of irrational functions I  435
8.4 Substitutions for integration of irrational functions II  436
8.5 Important properties of definite integrals  443
8.6 Line integrals of the first type  465
8.7 Curve elements  465
8.8 Plane elements of area  474
8.9 Applications of the double integral  475
8.10 Elementary volumes  479
8.11 Applications of the triple integral  480
8.12 Elementary regions of curved surfaces  482
11.1 Roots of the Legendre polynomial of the first kind  574
13.1 Relations between the components of a vector in Cartesian, cylindrical, and spherical coordinates  648
13.2 Fundamental relations for spatial differential operators  658
13.3 Expressions of vector analysis in Cartesian, cylindrical, and spherical coordinates  659
13.4 Line, surface, and volume elements in Cartesian, cylindrical, and spherical coordinates  660
14.1 Real and imaginary parts of the trigonometric and hyperbolic functions  700
14.2 Absolute values and arguments of the trigonometric and hyperbolic functions  700
14.3 Periods, roots and poles of Jacobian functions  704
15.1 Overview of integral transformations of functions of one variable  708
15.2 Comparison of the properties of the Fourier and the Laplace transformation  730
16.1 Collection of the formulas of combinatorics  747
16.2 Relations between events  748
16.3 Frequency table  773
16.4 x2 test  776
16.5 Confidence level for the sample mean  777
16.6 Error description of a measurement sequence  794
17.1 Steady state types in three-dimensional phase space  809
19.1 Helping table for FEM  916
19.2 Orthogonal polynomials  920

List of Tables

19.3 Number systems  937
19.4 Parameters for the basic forms  939
19.5 Mathematica, numerical operations  946
19.6 Mathematica, commands for interpolation  947
19.7 Mathematica, numerical solution of differential equations  948
19.8 Maple, options for the command fsolve  950
20.1 Mathematica, Types of numbers  957
20.2 Mathematica, Important operators  959
20.3 Mathematica, Commands for the choice of list elements  960
20.4 Mathematica. Operations with lists  960
20.5 Mathematica, Operation Table  961
20.6 Mathematica, Operations with matrices  962
20.7 Mathematica, Standard functions  963
20.8 Mathematica, Special functions  963
20.9 Maple, Basic types  968
20.10 Maple, Types  968
20.11 Maple, Types of numbers  970
20.12 Maple, Arguments of function convert  971
20.13 Maple, Standard functions  975
20.14 Maple, Special functions  976
20.15 Mathematica, Commands for manipulation of algebraic expressions  979
20.16 Mathematica, Algebraic polynomial operations  980
20.17 Maple, Operations to manipulate algebraic expressions  981
20.18 Mathematica, Operations to solve systems of equations  986
20.19 Maple, Matrix operations  990
20.20 Maple, Operations of the Gaussian algorithm  991
20.21 Mathematica, Operations of differentiation  992
20.22 Mathematica, Commands to solve differential equations  994
20.23 Maple, Options of operation dsolve  997
20.24 Mathematica, Two-dimensional graphic objects  999
20.25 Mathematica, Graphics commands  999
20.26 Mathematica, Some graphical options  1000
20.27 Mathematica, Options for 3D graphics  1005
20.28 Maple, Options for Plot command  1006
20.29 Maple, Options of command plot3d  1008
21.1 Frequently Used Constants  1010
21.2 Natural Constants  1010
21.3 Metric Prefixes  1012
21.4 International System of Physical Units (SI-Units)  1012
21.5 Important Series Expansions  1015
21.6 Fourier Series  1020
21.7 Indefinite Integrals  1023
21.8 Definite Integrals  1056
21.9 Elliptic Integrals  1061
21.10 Gamma Function  1063
21.11 Bessel Functions (Cylindrical Functions)  1064
21.12 Legendre Polynomials of the First Kind  1066
21.13 Laplace Transformation  1067
21.14 Fourier Transformation  1072
21.15 Z- Transformation  1086
21.16 Poisson Distribution  1089

List of Tables XLIII

21.17 Standard Normal Distribution  1091
21.18 x2 Distribution  1093
21.19 Fisher F Distribution  1094
21.20 Student t Distribution  1096
21.21 Random Numbers  1097


Index  1109
Mathematic Symbols  1160

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