Preface iii
Contents v
0 Preliminaries 1
0.1 Sets and Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
0.2 Mathematical Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
0.3 Countable and Uncountable Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
0.4 Completeness of Real Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
0.5 Consequences of the Completeness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
0.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
I Functions of One Variable 23
1 Sequences and Series 25
1.1 Limits of Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2 Limit Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3 The Bolzano-Weierstrass Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.4 Cauchy Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5 Monotone Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.6 Limits Superior and Inferior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.7 Series of Real Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.8 Convergence Tests for Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.9 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2 Limits and Continuity 57
2.1 Limits of Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2 Continuous Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3 Uniformly Continuous Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.4 Monotone Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3 Differentiation 77
3.1 Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2 Differentiation Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3 Exponential and Logarithmic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4 Mean Value Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5 L’Hospital’s Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.6 Taylor’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.7 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4 Integration 107
4.1 Riemann Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2 Properties of Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3 Further Properties of Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4 Fundamental Theorems of Calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.5 Improper Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5 Sequences and Series of Functions 147
5.1 Double Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.2 Pointwise and Uniform Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.3 Consequences of Uniform Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.4 Power Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.5 Taylor Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
II Functions of Several Variables 181
6 Euclidean Spaces 183
6.1 The Euclidean Space Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2 The Bolzano-Weierstrass Theorem in Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.3 Open and Closed Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.4 Compact Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.5 Connected Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7 Continuity of Multivariable Functions 207
7.1 Limit and Continuity in Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.2 Properties of Continuous Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
7.3 Contractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.4 Linear Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.5 The Weierstrass Approximation Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8 Differentiation of Multivariable Functions 235
8.1 Partial Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.2 Differentiability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.3 Chain Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.4 Mean Value Theorem in Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.5 Inverse Function Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.6 Implicit Function Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
8.7 Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
8.8 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9 Integration of Multivariable Functions 271
9.1 Integrals on Hyperrectangles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.2 Integrals on General Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
9.3 Sets of Volume Zero and Integrable Functions . . . . . . . . . . . . . . . . 280
9.4 Iterated Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
9.5 Change of Variables: Preliminary Lemmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
9.6 Change of Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
9.7 Evaluation of Some Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.8 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Bibliography 319
Hints for Problems 321
Index 325