Course Syllabus
Obiettivi
Conoscenza e capacità di comprensione: lo studente dovrà apprendere concetti matematici fondamentali e tecniche di calcolo avanzate. In particolare, acquisirà familiarità con alcuni degli strumenti matematici fondamentali per lo studio di sistemi fisici: il calcolo differenziale e integrale nel piano complesso, operatori in spazi infinito dimensionali propedeutici per la formulazione della Meccanica Quantistica, e alcune tra le più usate trasformate integrali, quali la trasformata di Fourier e la trasformata di Laplace.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate: lo studente dovrà essere in grado di applicare gli strumenti matematici acquisiti allo studio di sistemi fisici e loro applicazioni tecnologiche. Sarà in grado di gestire programmi avanzati di calcolo analitico.
Autonomia di giudizio: lo studente svilupperà capacità critiche e di giudizio nel saper scegliere tra gli strumenti forniti a lezione quello più appropriato per la soluzione di un determinato problema specifico.
Abilità comunicative: lo studente dovrà acquisire un linguaggio scientifico corretto e appropriato alle tematiche svolte nel corso.
Capacità di apprendere: lo studente sarà in grado di approfondire concetti specifici, non presentati durante il corso, e di proseguire in modo autonomo nello studio avanzato su testi scientifici specializzati.
Contenuti sintetici
Analisi complessa
Funzioni olomorfe
Integrali di contorno
Teorema di Cauchy
Serie di Laurent e residui
Continuazione analitica
Applicazioni al calcolo di integrali
Functional Analysis and Transforms
Spazi di Hilbert e spazi Lp
Operatori lineari, autoaggiunti e unitari
Teoria spettrale
Serie di Fourier e trasformate di Fourier
Trasformata di Laplace
Programma esteso
Analisi complessa
Il piano complesso
Funzioni complesse di variabile complessa
Funzione derivabile in C
Condizioni di Cauchy-Riemann
Funzioni olomorfe in un sottoinsieme di C
Integrazione nel piano complesso
Teoremi di Cauchy
Sviluppo in serie di Laurent
Zeri e singolarità isolate
Comportamento di una funzione nell'intorno di una singolarità isolata
Poli
Teorema di Casorati-Weierstrass per singolarità essenziali
Teorema di Liouville
Definizione di residuo
Residuo all'infinito
Calcolo dei residui
Teorema dei residui
Tecniche di calcolo di integrali sull'asse reale mediante prolungamento analitico in C
Lemma di Jordan
Prolungamento analitico e funzioni polidrome
Spazi funzionali
Richiami sugli spazi topologici, spazi metrici, spazi di Banach
Spazi lp e l∞
Spazi di Hilbert
Prodotto interno e ortogonalità
Sistemi ortonormali completi
Teorema di Fischer–Riesz
Lp e L∞
Esempi di sistemi ortonormali notevoli: serie di Fourier, Polinomi di Hermite, Legendre, Laguerre, funzioni di Bessels.
Operatori lineari
Operatori lineari negli spazi di Hilbert e loro proprietà
Operatori continui e limitati
Norma di un operatore
Problema spettrale, classificazione degli autovalori
Autovalori e autofunzioni di operatori autoaggiunti
Teorema di decomposizione spettrale
Trasformata di Fourier
Definizione su L1 e L2 e sue proprietà
Tecniche di calcolo di trasformate di Fourier
Applicazioni alla risoluzione di equazioni differenziali rilevanti per la fisica
Trasformata di Laplace
Definizione e sue proprietà
Trasformata inversa
Tecniche di calcolo di trasformate di Laplace
Applicazioni alla risoluzione di equazioni differenziali rilevanti per la fisica
Prerequisiti
Conoscenza dei contenuti di base degli insegnamenti di matematica del primo anno
Modalità didattica
Lezioni frontali online, sincrone e/o asincrone, supportate da sessioni di esercitazioni in presenza a Pavia.
Materiale didattico
Lecture notes e files PDF delle lezioni ed esercitazioni sono presenti nella pagina elearning del corso.
Main References
G. Cicogna, Mathematical Methods of Physics, Springer
M. R. Spiegel, Complex Variables, Schaum Outline Series
J. Bak & D. J. Newman, Complex Analysis, Springer
L. Debnath & P. Mikusiński, Hilbert Spaces with Applications, Elsevier
M. R. Spiegel, Fourier Analysis, Schaum Outline Series
G. Pradisi, Lectures on Mathematical Methods of Physics, Edizioni della Normale
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame consiste in:
un esame scritto comprensivo di tutti gli argomenti del corso (5 esercizi in 3 ore)
un esame orale obbligatorio
Gli studenti posso fare l'esame orale solo se hanno ottenuto una votazione allo scritto di almeno 15/30. L'esame deve essere completato entro sei mesi dallo scritto.
Orario di ricevimento
Per appuntamento, scrivendo a: silvia.penati@unimib.it, oppure silvia.penati@mib.infn.it
Sustainable Development Goals
Aims
Knowledge and understanding: The student will learn fundamental mathematical concepts and advanced calculus techniques. The student will become familiar with some of the main mathematical tools for the study of physical systems: differential and integral calculus in the complex plane, operators in infinite dimensional spaces useful for the formulation of Quantum Mechanics, and some of the most common integral transforms, like the Fourier and Laplace transforms.
Applying knowledge and understanding: The student will learn to apply the acquired mathematical tools to the study of physical systems and their technological applications. The student will learn how to handle advanced programs of analytical calculus.
Making judgments: The student will develop critical thinking and judgment skills in selecting the most appropriate tool, among those provided during the course, to solve a specific problem.
Communication skills: The student will be expected to acquire a correct and appropriate scientific language suited to the topics covered in the course.
Learning skills: The student will be able to deepen their understanding of specific concepts not covered during the course and to independently pursue advanced study using specialised scientific texts.
Contents
Complex Analysis
Holomorphic functions
Contour integration
Cauchy's theorem
Laurent series and residues
Analytic continuation
Applications to evaluating integrals
Functional Analysis and Transforms
Hilbert spaces and Lp spaces
Linear, self-adjoint, and unitary operators
Spectral theory
Fourier series and Fourier transforms
Laplace transforms
Detailed program
Complex Analysis
The complex plane
Maps in C
Complex-valued functions of a complex variable
Complex differentiability
Cauchy–Riemann conditions
Holomorphic functions on an open subset of C
Integration in the complex plane
Cauchy's theorems
Laurent series expansions
Zeros and isolated singularities
Behavior of functions near isolated singularities
Poles
Casorati–Weierstrass theorem for essential singularities
Liouville's theorem
Definition of residue
Residue at infinity
Calculation of residues
Residue theorem
Techniques for evaluating real integrals through analytic continuation into C
Jordan's lemma
Analytic continuation and multivalued functions
Functional Spaces
Review of topological spaces, metric spaces, and Banach spaces
Sequence spaces lp and l∞
Hilbert spaces
Inner products and orthogonality
Complete orthonormal systems
Fischer–Riesz theorem
Lp and L∞
Important orthonormal systems:
Fourier series
Hermite polynomials
Legendre polynomials
Laguerre polynomials
Bessel functions
Linear Operators
Linear operators on Hilbert spaces and their properties
Continuous and bounded operators
Operator norm
Spectral problems and classification of eigenvalues
Definition of eigenfunctions
Self-adjoint operators
Eigenvalues and eigenfunctions of self-adjoint operators
Spectral decomposition theorem
Projectors and their properties
Isometric operators and their properties
Unitary operators and their properties
Linear functionals on Hilbert spaces
Dual space
Riesz representation theorem
Fourier Transform
Definition on L1 and L2 and main properties
Techniques for computing Fourier transforms
Applications to solving differential equations relevant to physics
Laplace Transform
Definition and main properties
Inverse transform
Techniques for computing Laplace transforms
Applications to solving differential equations relevant to physics
Prerequisites
Knowledge of the basic contents of the first year mathematics courses
Teaching form
Online synchronous and asynchronous lectures, supported by in-person tutorial sessions in Pavia.
Textbook and teaching resource
Lecture notes and PDF files from lectures and exercise sessions are available on the course e-learning page.
Main References
G. Cicogna, Mathematical Methods of Physics, Springer
M. R. Spiegel, Complex Variables, Schaum Outline Series
J. Bak & D. J. Newman, Complex Analysis, Springer
L. Debnath & P. Mikusiński, Hilbert Spaces with Applications, Elsevier
M. R. Spiegel, Fourier Analysis, Schaum Outline Series
G. Pradisi, Lectures on Mathematical Methods of Physics, Edizioni della Normale
Semester
Second semester
Assessment method
The exam consists of:
A comprehensive written exam covering the entire syllabus (5 exercises in 3 hours)
A mandatory oral examination
Students may take the oral exam only if they obtain a written exam grade of 15/30 or higher.
The examination process must be completed within six months from the written exam date.
Office hours
By appointment, via email: silvia.penati@unimib.it, or silvia.penati@mib.infn.it