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note-math

analytic-struct-product_(tag) 积空间

不对称性: 𝑉≠𝑊 ==> 没有 𝑉⊙𝑊

只好使用 (⊙𝑛𝑉)⊗(⊙𝑚𝑊) 和偏微分

something like

𝑑𝑙𝑓(𝑥,𝑦):𝑣,𝑤⇝∑𝑛+𝑚=𝑙(𝑙𝑛,𝑚)∂𝑛+𝑚𝑓∂𝑣𝑛∂𝑤𝑚(𝑥,𝑦)(𝑣𝑛⊗𝑤𝑚)

mulitplication-analytic_(tag)

  • 𝕂→𝕂
(∑𝑛∈ℕ𝑎𝑛𝑣𝑛)(∑𝑚∈ℕ𝑏𝑚𝑣𝑚)=∑𝑙∈ℕ𝑐𝑙𝑣𝑙

with 𝑐𝑙=∑𝑛+𝑚=𝑙𝑎𝑛𝑏𝑚

收敛半径至少是 min(𝑅𝐴,𝑅𝐵)

(联系于 Cauchy product. 尝试寻找更好的证明方法)

𝑐1=𝑎1𝑏0+𝑎0𝑏1

恢复微分中的 1𝑛!, ∑𝑎𝑛𝑣𝑛∼∑1𝑛!𝑑𝑛𝑓(𝑥)(𝑣𝑛)

==> Leibniz-law-1d_(tag)

𝑑(𝑓𝑔)(𝑥)(𝑣)=(𝑑𝑓(𝑥)(𝑣))𝑔(𝑥)+𝑓(𝑥)(𝑑𝑔(𝑥)(𝑣)), or

∂(𝑓𝑔)∂𝑣=∂𝑓∂𝑣𝑔+𝑓∂𝑔∂𝑣, or

(𝑓𝑔)′=𝑓′𝑔+𝑓𝑔′

  • 𝕂𝑑→𝕂
(∑𝑛∈ℕ𝑎𝑛𝑣𝑛)(∑𝑚∈ℕ𝑏𝑚𝑣𝑚)=∑𝑙∈ℕ𝑐𝑙𝑣𝑙

收集 𝑛+𝑚 重张量 𝐴𝑛(𝑣1⋯𝑣𝑛)𝐵𝑚(𝑣𝑛+1⋯𝑣𝑛+𝑚)

let ∀𝑖,𝑣𝑖=𝑣 得到 𝑛+𝑚 多项式 𝐴𝑛(𝑣𝑛)𝐵𝑚(𝑣𝑚)

==> 𝐶𝑙(𝑣𝑙)=∑𝑛+𝑚=𝑙𝐴𝑛(𝑣𝑛)𝐵𝑚(𝑣𝑚)

𝐶1𝑣=𝐴1(𝑣)𝐵0+𝐴0𝐵1(𝑣)

==> Leibniz-law_(tag) ∂(𝑓𝑔)∂𝑣=∂𝑓∂𝑣𝑔+𝑓∂𝑔∂𝑣

mulitplication-inverse-analytic_(tag)

let 𝑓:𝕂𝑑→𝕂, 𝑓=∑𝐴𝑛(𝑣𝑛), 𝐴0≠0

use 𝑓=1−𝑔 and 11−𝑔=1+𝑔+𝑔2+⋯

or 直接计算

let 1𝑓=∑𝐵𝑚𝑣𝑚, 1𝑓⋅𝑓=1, use 乘法

𝑚=0: 1=𝐴0𝐵0

𝑚≥1: 0=𝐶𝑙=∑𝑛+𝑚=𝑙𝐴𝑛𝐵𝑚

==> 𝐵𝑚=−1𝐴0∑𝑛=1𝑚𝐴𝑛𝐵𝑚−𝑛, use induction 𝐵0,…,𝐵𝑚−1

differential-of-multiplication-inverse_(tag) use Leibniz law

0=∂𝑣(1𝑓⋅𝑓)=∂𝑣(1𝑓)𝑓+1𝑓∂𝑣𝑓⟹∂𝑣(1𝑓)=−1𝑓2∂𝑣𝑓, or

(1𝑓)′=−𝑓′𝑓2

in particular, (1𝑥)′=−1𝑥2

收敛半径

try 归纳证明 |𝐵𝑚|≤𝑅𝑚

|𝐴0||𝐵𝑚|≤∑𝑛=1𝑚|𝐴𝑛||𝐵𝑚−𝑛|≤∑𝑛=1𝑚|𝐴𝑛|𝑅𝑚−𝑛(by induction 𝐵1,…,𝐵𝑚−1)=𝑅𝑚∑𝑛=1𝑚|𝐴𝑛|(1𝑅)𝑛≤𝑅𝑚∑𝑛=1∞|𝐴𝑛|(1𝑅)𝑛

为完成归纳, use 𝑅 with 1|𝐴0|∑𝑛=1∞|𝐴𝑛|(1𝑅)𝑛≤1

compose-op-analytic_(tag)

  • 𝕂→𝕂

let 𝑓(𝑦+𝑤)=∑𝑎𝑛𝑣𝑛, 𝑔(𝑥+𝑣)=∑𝑏𝑚𝑤𝑚

with 𝑎0=𝑓(𝑦)=𝑓(𝑔(𝑥))=𝑓(𝑏0)

𝑓(𝑔(𝑥+𝑣))∘=𝑓(𝑏0+∑𝑚=1∞𝑏𝑚𝑣𝑚)=𝑎0+∑𝑛=1∞𝑎𝑛(∑𝑚=1∞𝑏𝑚𝑣𝑚)𝑛=𝑐0+∑𝑙=1∞𝑐𝑙𝑣𝑙

where 复合后的 𝑣𝑙 的所有可能来源

𝑣𝑙=(𝑣1)𝑖1⋯(𝑣𝑙)𝑖𝑙=𝑣1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙 with 𝑙=1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙

从而只能来自 for 𝑘=1,…,𝑙

(𝑏1𝑣+⋯+𝑏𝑙𝑣𝑙)𝑘=∑𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘(𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)𝑏1𝑖1⋯𝑏𝑙𝑖𝑙 (cf. #link(<multi-combination>)[])

==>

𝑐𝑙𝑣𝑙=∑𝑘=1,…,𝑙∑𝑖1,…,𝑖𝑙∈ℕ𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙(𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)𝑎𝑘𝑏1𝑖1⋯𝑏𝑙𝑖𝑙𝑣1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙

𝑐1=𝑎1𝑏1. 写为微分 chain-rule-1d_(tag)

𝑑(𝑓∘𝑔)(𝑥)(𝑣)=𝑑𝑓(𝑔(𝑥))(𝑑𝑔(𝑥)(𝑣)), or

(𝑓∘𝑔)′(𝑥)=𝑓′(𝑔(𝑥))𝑔′(𝑥)

  • 𝕂𝑑→𝕂𝑑′
𝐶𝑙(𝑣𝑙)=∑𝑘=1,…,𝑙∑𝑖1,…,𝑖𝑙∈ℕ𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙(𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)𝐴𝑘(𝐵1𝑖1⋯𝐵𝑙𝑖𝑙(𝑣1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙))

where 𝐵1𝑖1⋯𝐵𝑙𝑖𝑙(𝑣1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙)=(𝐵1(𝑣⊙1))⊙𝑖1⊙⋯⊙(𝐵𝑙(𝑣⊙𝑙))⊙𝑖𝑙

𝐶1(𝑣)=𝐴1(𝐵1(𝑣)), 写为微分就是 chain-rule_(tag)

𝑑(𝑓∘𝑔)(𝑥)(𝑣)=𝑑𝑓(𝑔(𝑥))(𝑑𝑔(𝑥)(𝑣))

一般的写为微分的形式

  • 𝐶𝑙∼1𝑙!𝑑𝑙(𝑓∘𝑔)

  • 𝐴𝑘∼1𝑘!𝑑𝑘𝑓

  • 𝐵𝑗∼1𝑗!𝑑𝑗𝑔

in 𝑑𝑙(𝑓∘𝑔)(𝑥)(𝑣𝑙)= formula of 𝑑𝑘𝑓,𝑑𝑗𝑔

将 𝑙!,1𝑘!,(1𝑗!)𝑖𝑗 提取

置于 (𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)=𝑘!𝑖1!⋯𝑖𝑙!

得到 𝑙!(1!)𝑖1⋅𝑖1!⋯(𝑙!)𝑖𝑙⋅𝑖𝑙! (this is not 𝑙!(1⋅𝑖1)!⋯(𝑙⋅𝑖𝑙)!=(𝑙1⋅𝑖1,…,𝑙⋅𝑖𝑙))

𝑑𝑙(𝑓∘𝑔)=∑𝑘=1,…,𝑙∑𝑖1,…,𝑖𝑙∈ℕ𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙𝑙!(1!)𝑖1⋅𝑖1!⋯(𝑙!)𝑖𝑙⋅𝑖𝑙!𝑑𝑘𝑓(𝑑1𝑔)𝑖1⋯(𝑑𝑙𝑔)𝑖𝑙

inverse-analytic_(tag)

let 𝑓∼∑𝐴𝑛(𝑣𝑛), 𝕂𝑑→𝕂𝑑, 𝐴1∈GL(𝑑,𝕂)

let 𝑓−1(𝑦+𝑣)=∑𝐵𝑚(𝑣𝑚)

  • 一阶微分计算. 𝑓∘𝑓−1=𝑓−1∘𝑓=𝟙:𝑣⇝𝑣, use 复合

𝟙(𝑣)=∑𝐶𝑙(𝑣𝑙)

𝐶0=0𝐶1=𝟙𝐶𝑙=0,∀𝑙≥2

𝟙(𝑣)=𝐶1(𝑣)=𝐴1(𝐵1(𝑣))⟹𝐵1=𝐴1−1 by 𝐴1∈GL(𝑑,𝕂)

  • 高阶微分计算. use 归纳 for 𝐵1,…,𝐵𝑙−1

𝐵𝑙 只来自

𝑖1=⋯=𝑖𝑙−1=0 and 𝑖𝑙=1 ==> 1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙

𝑖1+⋯+𝑖𝑙=1

(𝑙0,…,𝑙)=1

==> (省略 (𝑣𝑙))

0=𝐶𝑙=𝐴1𝐵𝑙+∑𝑘=2,…,𝑙∑𝑖1,…,𝑖𝑙∈ℕ𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙(𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)𝐴𝑘𝐵1𝑖1⋯𝐵𝑙−1𝑖𝑙−1

𝐴1∈ GL ==>

𝐵𝑙=−𝐴1−1∑𝑘=2,…,𝑙∑𝑖1,…,𝑖𝑙∈ℕ𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙(𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)𝐴𝑘𝐵1𝑖1⋯𝐵𝑙−1𝑖𝑙−1

由于可能不收敛, 𝑓∼∑𝑛≥1𝐴𝑛(𝑣𝑛) 无法直接作为 𝕂𝑑→𝕂𝑑 函数

但是可以扩充到 𝑓:⨁𝑛=1∞Lin(⊙𝑛𝕂𝑑→𝕂𝑑′)→ self

使得 𝑓∘𝑓−1=𝑓−1∘𝑓=𝟙 of ⨁𝑛=1∞Lin(⊙𝑛𝕂𝑑→𝕂𝑑′)

  • 逆函数的收敛半径非零 (p.77 of ref-4)

Reference

𝐵𝑙=−𝐴1−1∑𝑘=2,…,𝑙∑𝑖1,…,𝑖𝑙∈ℕ𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙(𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)𝐴𝑘𝐵1𝑖1⋯𝐵𝑙−1𝑖𝑙−1

==>

|𝐵𝑙|≤1|𝐴1|∑𝑘=2,…,𝑙∑𝑖1,…,𝑖𝑙∈ℕ𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙(𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)|𝐴𝑘||𝐵1|𝑖1⋯|𝐵𝑙−1|𝑖𝑙−1

use (𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)∈ℝ≥0 (indeed ∈ℕ)

构造 (几乎) ℝ≥0 的非零收敛半径的幂级数控制 |𝐴𝑘|≤𝑎𝑘,|𝐵𝑘|≤𝑏𝑘

if by induction, for 𝐴2,…,𝐴𝑙, 𝐵1,…,𝐵𝑙−1, |𝐴𝑘|≤𝑎𝑘, |𝐵𝑗|≤𝑏𝑗

where ∑𝑘≥1𝑎𝑘𝑣𝑘 with 𝑘≥2⟹𝑎𝑘∈ℝ≥0

其逆是 ∑𝑗≥1𝑏𝑗𝑣𝑗 with 𝑗≥1⟹𝑏𝑗∈ℝ≥0. ℝ≥0 to prove. 收敛半径非零 to prove

use case of 𝕂→𝕂

𝑏𝑙=−1𝑎1∑𝑘=2,…,𝑙∑𝑖1,…,𝑖𝑙∈ℕ𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙(𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)𝑎𝑘𝑏1𝑖1⋯𝑏𝑙−1𝑖𝑙−1

to get 𝑏𝑗≥0, use 𝑎1<0

==>

|𝐵𝑙|≤1|𝐴1|∑𝑘=2,…,𝑙∑𝑖1,…,𝑖𝑙∈ℕ𝑖1+⋯+𝑖𝑙=𝑘1⋅𝑖1+⋯+𝑙⋅𝑖𝑙=𝑙(𝑘𝑖1,…,𝑖𝑙)|𝐴𝑘||𝐵1|𝑖1⋯|𝐵𝑙−1|𝑖𝑙−1≤−𝑎1|𝐴1|𝑏𝑙

|𝐵1|=1|𝐴1|, 𝑏1=1−𝑎1

to get |𝐵𝑙|≤𝑏𝑙, |𝐵1|≤𝑏1, use 𝑎1=−|𝐴1|≕𝛼

to get 𝑘≥2⟹|𝐴𝑘|≤𝑎𝑘, use 𝑎𝑘=(sup𝑘≥2{|𝐴𝑘|1𝑘})𝑘≕𝛽𝑘

now prove 幂级数 𝑎𝑘 的逆幂级数 𝑏𝑘 收敛半径非零

∑𝑛≥1𝑎𝑘𝑣𝑘=𝛼𝑣+∑𝑛≥2𝛽𝑘𝑣𝑘∼𝛼𝑣+11−𝛽𝑣−1−𝛽𝑣=𝛼𝑣+(𝛽𝑣)21−𝛽𝑣

let 𝑓(𝑣)=𝛼𝑣+(𝛽𝑣)21−𝛽𝑣∼∑𝑎𝑘𝑣𝑘, 𝑓−1(𝑣)=𝑔(𝑣)∼∑𝑏𝑗𝑣𝑗

为了求 𝑓 的逆映射 𝑓−1=𝑔, 解方程 𝛼𝑔(𝑣)+(𝛽𝑔(𝑣))21−𝛽𝑔(𝑣)=𝑣

==> 𝑔(𝑣) 的二次方程, 有两个根

use 𝑓(0)=0⟹𝑔(0)=0, 选取正确的根

𝑔(𝑣)=−(𝛼+𝛽𝑣)−((𝛼+𝛽𝑣)2+4𝛽(𝛽−𝛼)𝑣)122𝛽(𝛽−𝛼)

use (1+𝑤)12∼∑𝑛∈ℕ(12𝑛)𝑤𝑛 收敛半径 1 ==> 𝑔(𝑣)∼∑𝑏𝑗𝑣𝑗 非零收敛半径

use |𝐵𝑙|≤𝑏𝑙 ==> ∑𝐵𝑗𝑣𝑗 非零收敛半径

虽然这里无法给出确切的收敛半径, 但是对于纯微分方法, 压缩不动点原理证明逆函数的方法也不能给出确切的极大局部可逆区域

differential-of-inverse_(tag)

𝟙 of  power series space =𝑓∘𝑓−1⟹𝟙 of  GL =𝑑𝑓(𝑓−1(𝑥))𝑑𝑓−1(𝑥)⟹𝑑𝑓−1(𝑥)=(𝑑𝑓(𝑓−1(𝑥)))−1

or (𝑓−1)′(𝑥)=1𝑓′(𝑓−1(𝑥))

implicit-function_(tag)

use #link(<analytic-struct-product>)[]

𝐹(𝑥,𝑦)=0 and ∂𝐹∂𝑦(𝑥,𝑦)∈ GL

==> 𝐹(𝑥,𝑓(𝑥))=0, 𝑑𝑓(𝑥)=−(∂𝐹∂𝑦)−1∂𝐹∂𝑥(𝑥,𝑓(𝑥))

微分和微分函数的计算不需要预先有级数

  • 有限点处收敛半径为零的 𝐶∞ 函数

    exp 11−𝑥2 接上 0

  • 处处 𝐶∞ 但处处收敛半径 0 的函数

wiki: Non-analytic_smooth_function

𝐹(𝑥)≔∑𝑘∈ℕ𝑒−2𝑘cos(2𝑘𝑥)

Since the series ∑𝑘∈ℕ𝑒−2𝑘(2𝑘)𝑛 converges for forall 𝑛∈ℕ, this function is easily seen to be of class 𝐶∞, by a standard inductive application of the Weierstrass M-test to demonstrate uniform convergence of each series of derivatives.

We now show that 𝐹(𝑥) is not analytic at any dyadic rational multiple of 𝜋, that is, at any 𝑥≔𝜋⋅𝑝⋅2−𝑞 with 𝑝∈ℤ and 𝑞∈ℕ.

Since the sum of the first q terms is analytic, we need only consider 𝐹>𝑞(𝑥), the sum of the terms with 𝑘>𝑞.

For forall orders of derivation 𝑛=2𝑚 with 𝑚∈𝑁, 𝑚≥2 and 𝑚>𝑞2 we have

𝐹>𝑞(𝑛)≔∑𝑘∈ℕ𝑘>𝑞𝑒−2𝑘(2𝑘)𝑛cos(2𝑘𝑥)=∑𝑘∈ℕ𝑘>𝑞𝑒−2𝑘(2𝑘)𝑛≥𝑒−𝑛𝑛2𝑛(as 𝑛→∞)

where we used the fact that cos(2𝑘𝑥)=1 for forall 2𝑘>2𝑞, and we bounded the first sum from below by the term with 2𝑘=22𝑚=𝑛2.

As a consequence, at any such 𝑥∈ℝ,

lim sup𝑛→∞(|𝐹>𝑞(𝑛)|𝑛!)1𝑛=∞

Since the set of analyticity of a function is an open set, and since dyadic rationals are dense, we conclude that 𝐹>𝑞, and hence 𝐹, is nowhere analytic in ℝ

  • 连续但处处不可微

wiki: Weierstrass_function

𝑓(𝑥)=∑𝑛=0∞𝑎𝑛cos(𝑏𝑛𝜋𝑥)

where 0<𝑎<1, 𝑏 is positive odd integer, and 𝑎𝑏>1+32𝜋

  • 𝑘 阶可微但不 𝑘+1 阶可微: 使用 Weierstrass 函数的各阶积分

  • 𝑘 阶可微但 𝑘 阶不连续可微 (虽然 𝑘 阶可微蕴含 𝑘−1 阶连续可微): 使用 𝑥2 sin 1𝑥, 1 阶可微但不 1 阶连续可微, 使用其各阶积分

  • 连续同胚但不微分同胚不解析同胚. 𝑥3

  • 微分同胚但不解析同胚. 光滑但处处不解析函数中取 𝑑𝑓≠0 的部分得到局部微分同胚. 局部到全局 by 用 𝑥1−𝑥 得到 (−1,1)→ℝ 的解析同胚