Analiza matematyczna

Analiza matematyczna – jeden z głównych działów nowożytnej matematyki, zaliczany do matematyki wyższej^[1]. Analiza to zespół różnych dyscyplin, które łączy użycie pojęcia granicy do badania funkcji o wartościach rzeczywistych i uogólnień tych funkcji^[2]. Podstawowe, charakterystyczne problemy rozwiązywane przez tę dziedzinę to m.in. obliczanie granic ciągów^[3], w szczególności działań nieskończonych jak sumy szeregów^[1], m.in. w celu obliczania miar jak długości krzywych, pola powierzchni, objętości czy prawdopodobieństwa. Z czasem pojęcie granicy zastosowano też do innych zagadnień jak badania ekstremów funkcji i znajdowanie asymptot ich wykresów. Przez uniwersalność pojęcia funkcji analiza:

• rozwiązuje problemy wielu dziedzin matematyki i innych nauk ścisłych;
• postawiła wiele nietrywialnych pytań;
• wprowadziła nowe pojęcia stosowane poza nią, np. zbiór otwarty i funkcja ciągła.

Rozwój analizy trwa nieprzerwanie od setek lat, przez całą nowożytność. Pojęcia i metody bliskie tej dziedzinie stosował już Archimedes z Syrakuz w III w. p.n.e. (metoda wyczerpywania), jednak za początek analizy jako samodzielnej dyscypliny przyjmuje się wiek XVII^[2][4]. Wtedy Isaac Newton i Gottfried Wilhelm Leibniz rozważali jej podstawowe pojęcia jak pochodna, całka i związek między nimi – zasadnicze twierdzenie analizy (twierdzenie Newtona–Leibniza). Od tego czasu ten rachunek różniczkowo-całkowy wielorako kontynuowano – udało się:

• obliczyć wiele całek nieoznaczonych,
• rozwiązać podobne problemy równań różniczkowych zwyczajnych,
• rozwinąć metody numeryczne rozmaitych przybliżeń,
• zasadzić analizę na ścisłym fundamencie – tak powstała analiza rzeczywista.

Równolegle rozwinięto inne dziedziny jak rachunek wariacyjny, równania różniczkowe cząstkowe, analiza zespolona czy harmoniczna. Powstałe w analizie pojęcie ciągłości zapoczątkowało topologię, która stała się samodzielną, odrębną dyscypliną.

Analiza oddziałuje wzajemnie z innymi działami matematyki:

• wyłoniła się z ilościowych badań w geometrii, rozwiązała w niej wiele problemów tego typu i przyczyniła się do wyklarowania jej pojęć. Formalizująca całkę teoria miary pozwoliła zdefiniować takie wielkości jak długość linii, pole powierzchni czy objętość, a potomna względem analizy topologia uściśliła pojęcie krzywej. Analiza poszerzyła też sam zakres badań geometrii; niektóre figury – zwłaszcza fraktale – są definiowane przez granice i zbieżność, a w XIX wieku geometria różniczkowa wprowadziła przestrzenie Riemanna. Z drugiej strony wpływ geometrii na analizę nie ograniczył się do genezy; w XX wieku idee geometryczne i algebraiczne stworzyły analizę funkcjonalną – przestrzenie funkcyjne stanowią uogólnienie klasycznej przestrzeni euklidesowej, a przestrzenie Hilberta są zdefiniowane przez iloczyn skalarny wywodzący się z geometrii analitycznej dwu- i trójwymiarowych wektorów;
• z analizy korzysta też teoria liczb – najpóźniej w XIX wieku powstała analityczna teoria liczb;
• niektóre pojęcia analizy jak pochodna zostały zastosowane w algebrze do badań wielomianów, w oderwaniu od pierwotnego znaczenia i kontekstu, a zasadnicze twierdzenie algebry jest dowodzone analitycznie;
• teoria miary stała się teoretyczną podstawą probabilistyki, a przez to statystyki matematycznej i różnych zastosowań matematyki w naukach empirycznych;
• analiza była też bodźcem do rozwoju teorii mnogości i innych podstaw matematyki; pojawiający się w nich aksjomat wyboru jest istotny w dowodzeniu podstawowych faktów analizy, a wynikający zeń paradoks Banacha-Tarskiego dotyczy teorii miary.

Analiza matematyczna to fundament nowożytnej fizyki – podstawowe prawa fizyki jak równania ruchu czy pól fizycznych są formułowane przez równania różniczkowe lub zasady wariacyjne. Przez ten ścisły związek fizyka stymulowała rozwój analizy, czasem otwierając jej nowe dziedziny jak teoria dystrybucji. Analizą zajmowali się najwybitniejsi matematycy wszech czasów – nie tylko Archimedes, Newton i Leibniz, ale również Leonhard Euler, Joseph Louis Lagrange, Pierre Laplace, Joseph Fourier, Carl Friedrich Gauss, Augustin Louis Cauchy, Bernhard Riemann, Karl Weierstraß, David Hilbert i inni^[2]. W XX wieku powstały czasopisma badawcze poświęcone w całości analizie lub nawet jej konkretnym dziedzinom, np. polskie „Studia Mathematica” – analizie funkcjonalnej.

Kwestie związane z granicami trapiły już filozofów przedsokratejskich, zwłaszcza eleatów. Paradoksy Zenona z Elei wyrażają m.in. fakt zbieżności nieskończonego szeregu oraz podnoszą kwestię tego, czy ruch składa się z chwilowych spoczynków – na co później odpowiedziano negatywnie, za sprawą pojęcia prędkości chwilowej.

Rozumowania oparte na przejściach granicznych skutecznie stosował Archimedes z Syrakuz, obliczając tak m.in.^[5]:

• pole powierzchni koła;
• przybliżenie liczby pi (π);
• pole powierzchni sfery;
• objętość kuli.

W okresie hellenistycznym metody te rozwijał Pappus z Aleksandrii^[6] – twierdzenia Pappusa-Guldina opisują pola powierzchni i objętości ogólnych brył obrotowych^[7]. Równolegle do matematyków greckich tworzył Liu Hui, który w III w. n.e. metodą podobną do tej Archimedesa obliczył przybliżenie pi z wyższą dokładnością^[8].

W XIV wieku Mikołaj z Oresme udowodnił rozbieżność szeregu harmonicznego^[9].

XVII wiek to między innymi:

• kontynuacja badań nad szeregami – Gottfried Wilhelm Leibniz opublikował kryterium zbieżności nazwane jego nazwiskiem oraz szereg przybliżający liczbę pi (π)^[10];
• nowym przedmiot rozważań – iloczyny nieskończenie wielu wyrazów. Wzór Wallisa wiąże jeden z takich iloczynów z liczbą pi (π)^[11];
• początki rachunku różniczkowego i całkowego, między innymi twierdzenie Newtona–Leibniza;
• twierdzenie Rolle’a;
• szereg Taylora;
• reguła de l’Hospitala;
• paradoks rogu Gabriela (trąbki Torricellego);
• zasada Cavalieriego;
• podstawowe metody numeryczne;
• podstawy poddziedziny analizy, jaką jest rachunek wariacyjny – postawiono wtedy i rozwiązano problem brachistochrony.

Wiek XVIII to kontynuacja wcześniejszego kierunku badań, zwłaszcza za sprawą Leonharda Eulera, Joseph Louis Lagrange’a i Jeana Le Ronda d’Alemberta. Ten pierwszy między innymi:

• wykazał metodami analitycznymi wzór Eulera na eksponens liczby urojonej;
• rozwiązał przykładowe zagadnienie Plateau i problem bazylejski.

Lagrange jest za to wiązany z twierdzeniem o wartości średniej dającym pewien fundament szeregom Taylora. Obaj uczeni są upamiętnieni nazwami równań Eulera-Lagrange’a w rachunku wariacyjnym, np. w stworzonej przez Lagrange’a mechanice analitycznej. Oprócz tego d’Alembert:

• zapoczątkował teorię równań cząstkowych – konkretniej ich hiperbolicznej odmiany jak klasyczne równanie falowe;
• podał jedno z kryteriów zbieżności ciągów i szeregów (kryterium d’Alemberta).

Na początku XIX wieku Pierre Laplace i Siméon Denis Poisson kontynuowali badania równań różniczkowych, m.in. metodami operatorów różniczkowych i transformat całkowych; tworzyli tak podwaliny klasycznej teorii potencjału. Następnie pojawiły się początki pojęciowego rygoru – Bernard Bolzano, Augustin Louis Cauchy i Karl Weierstraß zdefiniowali ściśle granice ciągów, a Bernhard Riemann – całkę oznaczoną, w tej postaci nazwanej całką Riemanna. Tamto stulecie otworzyło również nowe poddziedziny analizy:

• Cauchy zapoczątkował analizę zespoloną;
• Jean Baptiste Joseph Fourier opisał podstawy analizy harmonicznej;
• Riemann zrewolucjonizował geometrię różniczkową, wprowadzając przestrzenie Riemanna – wychodząc poza paradygmat euklidesowy;
• Gibbs i Heaviside uprościli wcześniejsze obliczenia na kwaternionach, m.in. na potrzeby równań Maxwella; był to początek analizy wektorowej i późniejszej teorii form różniczkowych.

Henri Poincaré, Camille Jordan, Georg Cantor i inni na gruncie analizy zbudowali też podstawy topologii. W tym samym stuleciu pojawiły się też zastosowania analizy do najstarszej dziedziny matematyki – podstawy analitycznej teorii liczb.

W XX wieku pojawiły się dalsze dziedziny analizy, przede wszystkim:

• Henri Poincaré przez badania mechaniki nieba rozwinął teorię układów dynamicznych, która zrodziła teorię ergodyczną, chaosu i katastrof;
• Henri Lebesgue swoim uogólnieniem całki Riemanna – na szerszą klasę funkcji – zapoczątkował teorię miary;
• David Hilbert i jego kontynuatorzy – jak Hugo Steinhaus, Stefan Banach i reszta lwowskiej szkoły matematycznej – rozważali przestrzenie funkcyjne, tworząc analizę funkcjonalną;
• Laurent Schwartz przedstawił teorię dystrybucji – uściśliło to funkcje uogólnione jak delta Diraca, wcześniej rozważane nieformalnie na potrzeby fizyki;
• Abraham Robinson w II połowie stulecia wprowadził liczby hiperrzeczywiste, formalizujące koncepcję infinitezymali („nieskończenie małych”) obecną u Leibniza. Powstała tak analiza niestandardowa pozostała w pewnej niszy.

Wśród problemów milenijnych znalazły się co najmniej dwa należące do szeroko rozumianej analizy:

• równania Naviera-Stokesa,
• hipoteza Riemanna.

W 2024 roku oba pozostają nierozwiązane.

Analiza korzysta z innych dyscyplin, w pewnym sensie bardziej fundamentalnych jak:

• teoria mnogości – wykazano, że aksjomat wyboru ma znaczące konsekwencje dla analizy, w tym bardzo nieintuicyjne, a przez to dyskusyjne implikacje dla teorii miary jak paradoks podwojenia kuli;
• topologia – analiza posługuje się jej podstawowymi pojęciami;
• algebra, zwłaszcza liniowa, choć badania równań różniczkowych cząstkowych korzystały też z teorii grup Liego^{[potrzebny przypis]}.

Geometria różniczkowa zatryumfowała w topologii – na tej dziedzinie geometrii opiera się hipoteza Thurstona, która pozwoliła udowodnić hipotezę Poincarégo w topologii algebraicznej.

W miarę rozwiązywania kolejnych problemów stawianych przez analizę matematyczną powstawały zupełnie nowe działy matematyki, które dziś wchodzą w skład analizy:

• algebry Banacha i analiza harmoniczna,
• analiza funkcjonalna,
• funkcje specjalne,
• funkcje zmiennej zespolonej (jednej zmiennej),
• funkcje zespolone wielu zmiennych,
• rachunek wariacyjny,
• rozmaitości różniczkowalne,
• równania całkowe,
  • przekształcenie Mellina,
• równania różniczkowe cząstkowe,
• równania różniczkowe zwyczajne,
• teoria dystrybucji,
• teoria form różniczkowych,
• teoria miary i całki,
• teoria reprezentacji grup Liego,
• teoria szeregów ortogonalnych,
• układy dynamiczne i ergodyczność.

Historycznie jako dziedzinę analizy wyróżniano też „teorię funkcji” badającą funkcje rzeczywiste i zespolone, jednej lub wielu zmiennych^[12][4].

Analizie matematycznej przysłużyli się między innymi:

Analizą zajmowali się też matematycy związani z Polską:

• Józef Maria Hoene-Wroński badał równania różniczkowe zwyczajne, a jego wkład honoruje nazwa wrońskianu;
• Polska szkoła matematyczna badała różne obszary analizy i pokrewnych, „sąsiednich” dziedzin matematyki:
  • szkoła krakowska badała klasyczny temat równań różniczkowych;
  • szkoła lwowska rozwijała nową wówczas analizę funkcjonalną;
  • w szkole warszawskiej analiza nie dominowała, jednak przeważająca tam topologia stanowi fundament dla analizy, a przedstawiciele tej szkoły jak Wacław Sierpiński publikowali na temat funkcji rzeczywistych.

Oprócz tego Franz Mertens – czasem zaliczany do grona uczonych polskich – badał analityczne aspekty teorii liczb. Inny polski przedstawiciel tego pogranicza dziedzin to Henryk Iwaniec, związany zawodowo z USA.

• Konstruktywna analiza niestandardowa

• Wojciech Żakowski: analiza matematyczna [w:] Mały słownik matematyczny. Warszawa: Wydawnictwo „Wiedza Powszechna”, 1972.

Informacje w projektach siostrzanych

Podręczniki w Wikibooks

Definicje słownikowe w Wikisłowniku

Polskojęzyczne

• Rafał Czyż, Leszek Gasiński, Marta Kosek, Jerzy Szczepański i Halszka Tutaj-Gasińska, materiały dydaktyczne – Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego (MIM UW) we współpracy z Uniwersytetem Jagiellońskim (UJ), wazniak.mimuw.edu.pl [dostęp 2025-10-12]:
  • Analiza matematyczna 1
  • Analiza matematyczna 2
• Michał Krych, Analiza matematyczna 1 i 2, mimuw.edu.pl [dostęp 2025-10-12].
• Otwarte zasoby edukacyjne – Politechnika Wrocławska (OZE PWr), oze.pwr.edu.pl [dostęp 2025-10-12]:
  • Janusz Górniak, Analiza matematyczna 1 – wykłady i zbiór zadań z rozwiązaniami; praca zbiorowa: ćwiczenia;
  • Adam Marczak, Analiza matematyczna 2.1 – wykłady.
• Analiza matematyczna, Khan Academy, kanał „KhanAcademyPoPolsku” na YouTube [dostęp 2025-10-28].

Anglojęzyczne

• Eric W.E.W. Weisstein Eric W.E.W., Analysis, [w:] MathWorld, Wolfram Research  (ang.). [dostęp 2023-06-01].
• Mathematical analysis (ang.), Encyclopedia of Mathematics, encyclopediaofmath.org [dostęp 2023-08-10].
• Analysis, philosophical issues in (ang.), Routledge Encyclopedia of Philosophy, rep.routledge.com [dostęp 2023-05-10].