Wednesday, June 20, 2012

Carroll, Robert - Mathematical Physics

Carroll, Robert  - Mathematical Physics




Released: 1988
Publisher: North-Holland
Page Count: 411
Format: pdf
Language: English
ISBN-10: 0444704434
ISBN-13: 9780444704436



PREFACE
A  great  deal  of mathematics  is used  in studying  physics,  as  is well  known,
and  it is my  belief  that  a  great  deal  of  physics  is used  in developing  math-
ematics  (more  than  is perhaps  realized).  At  one  time  it seemed  convenient
(for  me  at  least)  to think  of an  equation  physics  =  geometry,  but  one  might
also  make  a  case  for  physics  =  probability,  or  physics  =  recursion,  etc.
It also  seemed  attractive  at one  time  (to  me)  to think  of  the  study  of  phy-
sics  (and  perhaps  also  mathematics)  in the  context  of  "recognizing  God's
handiwork  and  praising  it".  But  one  can  also  ask  of  course  whether  God  had
any  choice  in creation  (cf.  here  [Pl]  which  deals  with  complexity,  entropy,
information,  recursive  games,  self-reproducing  machines,  etc.).  It is also
perhaps  fitting to  think  of  relations  between  gods  and  civilizations  (cf.
[Tul]).  Frequently  one  makes  mathematical  models  of  a  physical  situation
and  if the  model  is any  good  its mathematical  study  will  lead  to  informa-
tion  of use  in physics.
physical  intuition  then  so  much  the  better;  one  will  be  looking  then  at  phy-
sically  interesting  features  and  the  mathematical  questions  asked  and  inves-
tigated  will  be  enriched  by  the  interaction  with  physics.  Such  an  input  can
also  arise  from  numerical  or  computer  study  of a  mathematical  model;  the
computational  algorithmic  thinking  toward  solvable  numerical  problems  can
lead  to  theoretical  insight  into  the  model.  One  is of  course  advised  not  to
ask  only  those  questions  whose  answers  can  be  computed  (but  there  may  be
several  schools  of  thought  here  as  well).
We  try  to  provide  in general  a  rich  selection  of material  and  to  indicate
as  well  current  areas  of  interest  and  different  points  of  view.
pecially  interested  in the  interaction  of  ideas  from  apparently  different
areas  and  their  synthesis  in the  discovery  process.  In this  direction we
also  feel  that  the  use  of  language  is enriched  by  knowledge  of  other  lan-
guages.
If this  study  can  be  directed  or  guided  also  by
We  are  es-
We  try whenever  possible  to  exhibit  patterns  and  structure  and  will
vi  ROBERT  CARROLL
emphasize  structure  as  providing  a  cradle  for  the  nuturing  of  theory.
will  give totally  elementary  introductions  to many  areas  with  complete  de-
tails  and  will  then  continue  to  develop  the  themes  in various  ways  at  vari-
ous  places  in the  book.
result  that  may  be  needed  for  illumination  (with  references)  and  no  apology
seems  necessary  for  omitting  the  proof.
times  but the  necessary  details  are  usually  there  in the  text  or  in the  ap-
pendices,
in a  way  we  have  found  personally  instructive  in learning  and  which  we  have
used  effectively  in teaching.  For  example  in Chapter  2,  83-5,  we  develop  a
number  of  structural  formulas  and  results,  in working  out  the  necessary  tech-
nical  machinery  as  we  go  along,  sometimes  in a  heuristic  manner.  In fact
we  do  not  prove  the abstract  spectral  theorem  in  Hilbert  space  for  a  self
adjoint  operator  as  such  (it is  stated  however  in  §2.2),and  we  do  not  give
an  "axiomatic"  treatment  of  spectral  measures,  projection  operators,  etc.
However  we  give  the  necessary  formulas,  details,  and  background  to  deal  with
all  these  ideas  and  use  the  material  in a  way  which  amounts  to proving  e.g.
the  spectral  theorem  after all.  In fact  in this  way  much  more  is done,in
that  connections  between  various  points  of  view  are  displayed  as  wel1,and
one  sees  the  role of  the  various  ingredients  in practice.
needed  is  proved  or  sketched  more  or  less  completely  so  that the  details
can  be  filled  in  in  any  case.  The  presentation  thus  may  appear  somewhat
disjointed  at  times  but  we  have  found  it pedagogically  more  satisfactory
than  a  theorem-proof  format  and  it has  more  meaning  personally  to proceed
in this  way.  In this  spirit we  have  organized much  material  throughout  the
book  in a  remark  format  (instead  of  theorem-proof)  with  the  proofs  of  state-
ments  indicated  or  carried  out  in the  text,  along  with  the  general  discus-
sion.  Exercises  are  then  interspersed  throughout  the  text.
We  have  extracted material  from  many  sources  with  ample  references.
various  ideas  of  proof  or  presentation,  which  we  have  found  particularly
illuminating or  stimulating,  are  hopefully  conveyed  to  the  reader.  In or-
der  to  include  enough  material  to  justify  a  title as  pretentious  as  "mathe-
matical  physics"  we  have  resorted  to  certain  space  saving  devices  (to  mini-
mize  the  number  of  pages  and  the  price).
goes  on  there  are progressively  fewer  displayed  formulas  and  we  use  the  fol-
lowing  substitute.  There  are  6 dark  symbols,  *,  *, 0, by +,  ., which  are
used  as  display  "indicators"  in the  text  in  the  following  order:  *, A, 0,
We
Occasionally  (but  rarely)  we  will  simply  state  a
The  pace  may  appear  to  be  fast  at
Once  beyond  the  first  chapter  some  of the material  is presented
What  is actually
Thus
Thus  in particular  as  the  book
PREFACE  vi i
6, 6, ., **,  *A,  ..., *.,  A*, AA,  ..., Am,  ..., .*,  ..., .my  ***,  **A,...,
**my  *A*,  ... This  tends  to  make  the  text  rather  dense  at times  but  with  a
little  patience  and  practice  this  notation  is  quite  efficient  and  useful.
There  is  a  great  deal  on  functional  analysis  in  the  book,  probably  enough
for  a  semester  course  in  functional  analysis,  and  most  details  are  provided.
In  particular  the  theory  of  distributions  or  generalized  functions  is  devel-
oped  in  several  ways.
chaos,  black  holes,  index  theory,  superstrings,  etc.)  we  do  manage  to  touch
upon  many  topics  of  current  interest  (e.g.  superconductivity,  gauge  field
theory,  geometric  quantization,  Feynman  integrals,  quantum  field  theory,  in-
verse  problems,  soliton  theory,  etc.),  some  of  it  in  considerable  detail
(e.g.  inverse  scattering  and  soliton  theory).
many  in  terms  of  overall  perspective)  sections  based  on  the  author's  work
and  this  should  not  be  construed  entirely  as  vanity  (in  particular  it allows
us  to  develop  considerable  detail  in  areas  which  we  know  best).
ial  in  e.g.  51.6,  1.11,  2.6,  2.7  provides  a  good  model  for  discussing  cer-
tain  areas  of  research  and  we  have  employed  it successfully  in  lectures;  the
theory  of  necessary  ingredients  such  as  spectral  measures  etc.  is  developed
as  one  goes  along  and  this  seems  to make  for  meaningful  pedagogy.  In  a  sense
one  of  the  main  contributions  of  the  book  may  involve  Chapter  2  where  a
rather  full  discussion  of  inverse  scattering  and  elementary  sol iton  theory
is  given.  There  are  a  number  of  new  results  and  a  lot  of  recent material.
We  have  not  spent  much  time  on  physical  derivations  or  the  philosophy  of
physics.  This  is  a  serious  gap  but  one  not  possible  to  bridge  under  the  im-
posed  space  limitations.  It  is  very  productive  to  link  mathematical  devel-
opment  with  physical  reasoning.  For  example  a  nice  complex  of  ideas  revol-
ves  around  causality,  hyperbol ic  PDE,  Fourier  transforms  and  Pal ey-Wiener
ideas,  scattering,  triangularity  of  operators,  etc.  Similarly  one  has  ide-
as  of  cohomology,  gauge  theory,  currents,  charges,  etc.  in  field  theory.  We
feel  the  present  era  to  be  revolutionary  in  science  and  mathematics  and
have  tried  to  develop  enough  machinery  to  help  the  reader  storm  the  barri-
cades.  In  the  area  of  nonlinear  PDE  for  example  the  methods  of  functional
analysis  have  reached  a  very  hybrid  abstract  form,and  we  have  preferred  to
give  a  presentation  of  earlier  versions  of  the  theory,where  there  is  more
contact  with  the  original  problems,and  motivation  is  more  visible.  One  can
emphasize  here  that  it  is  wise  to  stay  reasonably  close  to  the  source  of
mathematical  problems  in  physics  in  order  to  retain  nourishment  and  vitality.
Although  there  are  many  omissions  (nothing  about
There  are  some  (clearly  too
The  mater-
viii  ROBERT  CARROLL
Abstraction  for  itself  is often  attractive  but  we  pursue  this  only  in the
interest  of  nutrient  structure.  One  should  be  free  to  use  intuition,  pic-
tures,  analogy,  etc.  to  develop  the  appropriate  language  for  whatever  phy-
sics  is under  consideration.  The  religion of  embalming  mathematics  in axi-
omatic  systems  does  not  prove  too  profitable  in mathematical  physics  (al-
though  the  reader  will  detect  vestiges  of  a  former  flirtation with  the  Muse
of  N.  Bourbaki).  The  book  makes  very  modest  claims.  We  hope  it can  be  use-
ful  as  a  text,  even  a  more  or  less  introductory text,  while  serving as  a
guide  to  some  research  areas  of  current  interest.
sophisticated material  with  hopefully  enough  rigor to  be  believable  and
enough  heuristic  content  to stimulate  further  study.
The  author  would  like to  thank  L.  Nachbin  for  adding  this  book  to the  Notas
de  Matematica  series.
various  people  who  made  it possible  to  travel  to  conferences  and  give  semi-
nar  talks  in the  past  3  years  while the  book  was  being written;  we  mention
in particular  L.  Bragg,  J.  Dettman,  J.  Donaldson,  A.  Favini,  T.  Gill,  R.
Gilbert,  T.  Kailath,  E.  Magenes,  P.  McCoy,  C.  Pucci,  L.  Raphael,  F.  Santosa,
and  W.  Zachary.  I  would  also  like to  acknowledge  relevant  conversation  dur-
ing  this  period  with the  above  people  as  well  as  with  (in particular)  A.
Arosio,  C.  Baiocchi,  M.  Berger,  M.  Bernardi,  A.  Bruckstein,  M.  Cheney,  D.
Colton,  J.  Cooper,  S.  Dolzycki,  C.  Foias,  J.  Goldstein,  D.  Isaacson,  H.
Kaper,  T.  Kappeler,  D.  Kaup,  M.  Kon,  I.  Lasiecka,  P.  Lax,  T.  Mazumdar,  J.
Neuberger,  P.  Newton,  R.  Newton,  A.  Pazy,  H.  Pollak,  J.  Rose,  T.  Seidman,
G.  Strang,  W.  Strauss,  W.  Symes,  P.  Tondeur,  G.  Toth,  and  A.  Yagle  (with
apologies  for  omissions).  Finally  the  book  is dedicated  to  my  wife  Joan.


Download