Autor Tema: Ayuda con una demostración

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09 Marzo, 2024, 01:35 pm
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indefinido

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Hola a todos, necesito ayuda con la resolución del siguiente problema ya que me he quedado atascado:
\(
con~ a>e \\
\begin{equation*}
a \cdot z^{n} = e^{z}
\end{equation*}
 \)
Demuestra que la ecuación tiene n raíces para el interior de \( \left |{z}\right | = 1 \)

Mi planteamiento aquí era emplear el teorema de Rouche y por lo tanto aplicando logaritmos:
\( \ln \left |{a}\right | + n\cdot\ln \left |{z}\right | = z \)
Pero me he quedado atascado escogiendo las funciones f(z) y g(z):
\( f(z) = n\cdot\ln \left |{z}\right | \\
g(z) = \ln \left |{a}\right | - z \)
Ya que siendo a>e no veo forma de demostrar que f(z) > g(z) en \( \left |{z}\right | = 1 \)
EDIT: me acabo de dar cuenta de que no necesito logarítmos,
\( \underbrace{a\cdot e^{n}}_{f(z)} + (\underbrace{-e^{z}}_{g(z)}) = 0 \\
para \left |{z}\right |= 1, \\
f(z) = a \\
g(x) = e \\
 \)
y como a>e, f(z)>g(z) ya puedo aplicar Rouche.
¿es esta la solución correcta?

09 Marzo, 2024, 06:03 pm
Respuesta #1

Masacroso

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En principio la igualdad \( \ln e^z=z \) no es cierta en general para \( z\in \mathbb{C} \). Lo que siempre es cierto es que \( e^{\ln z}=z \), por tanto yo aplicaría siempre exponenciales en vez de logaritmos, sabiendo que la función exponencial es \( i2\pi \)-periódica.

Entonces de la ecuación original \( az^n=e^z \) te queda \( e^{\ln a}e^{n\ln z}=e^z \), de donde obtenemos que \( z-n\ln z-\ln a\in i2\pi \mathbb{Z} \). Pero por aquí no se llega a nada, lo que hay que hacer es, efectivamente, aplicar el teorema de Rouché a la ecuación original que es más sencilla. Además el teorema de Rouché es para regiones, no contornos, es decir el ejercicio debería ser que tiene \( n \) raíces en \( \mathbb{D}:=\{z\in \mathbb{C}:|z|<1\} \).

Las funciones a comparar pueden ser \( f(z):=az^n \) y \( g(z):=-e^z \), entonces en \( \partial \mathbb{D} \) tienes que \( |f(z)|=e^{r}>|g(z)|=|e^z|=e^{\operatorname{Re}z}=e^{\cos \theta} \) para un \( r>1 \) (ya que nos dicen que \( a>e \)). Entonces \( f \) y \( f+g \) tienen el mismo número de ceros en \( \mathbb{D} \).

09 Marzo, 2024, 08:09 pm
Respuesta #2

ancape

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En principio la igualdad \( \ln e^z=z \) no es cierta en general para \( z\in \mathbb{C} \).
......

Debe haber algo oculto en lo que dices que no es cierto y que no logro ver. Me enseñaron que la definición de logaritmo neperiano es que el logaritmo natural de un número \( q \) es el número \( p \) cuya exponencial es \( q \), esto es \( ln(q)=p \) \( \Longleftrightarrow{} \) \( e^p=q \). O se ha cambiado la definición sin yo saberlo o hay algo escondido. Otra cosa es que digas que \( \ln e^z \) no sólo es igual a \( z \) sino que hay muchos otros valores para \( \ln e^z \).

Saludos

09 Marzo, 2024, 09:01 pm
Respuesta #3

Masacroso

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En principio la igualdad \( \ln e^z=z \) no es cierta en general para \( z\in \mathbb{C} \).
......

Debe haber algo oculto en lo que dices que no es cierto y que no logro ver. Me enseñaron que la definición de logaritmo neperiano es que el logaritmo natural de un número \( q \) es el número \( p \) cuya exponencial es \( q \), esto es \( ln(q)=p \) \( \Longleftrightarrow{} \) \( e^p=q \). O se ha cambiado la definición sin yo saberlo o hay algo escondido. Otra cosa es que digas que \( \ln e^z \) no sólo es igual a \( z \) sino que hay muchos otros valores para \( \ln e^z \).

Saludos


No funciona porque como comentaba la función exponencial es \( 2\pi i \) periódica, es decir que para cualquier \( z\in \mathbb{C} \) y \( k\in \mathbb{Z} \) tienes que \( e^{z+i2\pi k}=e^{z} \), por tanto si la identidad del logaritmo anterior fuese cierta tendrías que \( z+i2\pi k=z \), lo cual es imposible si \( k\neq 0 \).

09 Marzo, 2024, 09:04 pm
Respuesta #4

indefinido

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En principio la igualdad \( \ln e^z=z \) no es cierta en general para \( z\in \mathbb{C} \). Lo que siempre es cierto es que \( e^{\ln z}=z \), por tanto yo aplicaría siempre exponenciales en vez de logaritmos, sabiendo que la función exponencial es \( i2\pi \)-periódica.

Entonces de la ecuación original \( az^n=e^z \) te queda \( e^{\ln a}e^{n\ln z}=e^z \), de donde obtenemos que \( z-n\ln z-\ln a\in i2\pi \mathbb{Z} \). Pero por aquí no se llega a nada, lo que hay que hacer es, efectivamente, aplicar el teorema de Rouché a la ecuación original que es más sencilla. Además el teorema de Rouché es para regiones, no contornos, es decir el ejercicio debería ser que tiene \( n \) raíces en \( \mathbb{D}:=\{z\in \mathbb{C}:|z|<1\} \).

Las funciones a comparar pueden ser \( f(z):=az^n \) y \( g(z):=-e^z \), entonces en \( \partial \mathbb{D} \) tienes que \( |f(z)|=e^{r}>|g(z)|=|e^z|=e^{\operatorname{Re}z}=e^{\cos \theta} \) para un \( r>1 \) (ya que nos dicen que \( a>e \)). Entonces \( f \) y \( f+g \) tienen el mismo número de ceros en \( \mathbb{D} \).
Gracias por la respuesta. El enunciado es tal cual lo he puesto. A lo mejor no está muy riguroso, pues estoy cursando física... He revisado algún problema de años anteriores con polinomios y los definían como contornos. Sustituían \(  \left |{z}\right | = 1  \) y calculaban el valor de f(x) y de g(x) para demostrar que se puede aplicar el teorema. No entiendo muy bien lo que haces tú cuando sustituyes, perdona las molestias.

09 Marzo, 2024, 09:16 pm
Respuesta #5

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Gracias por la respuesta. El enunciado es tal cual lo he puesto. A lo mejor no está muy riguroso, pues estoy cursando física... He revisado algún problema de años anteriores con polinomios y los definían como contornos. Sustituían \(  \left |{z}\right | = 1  \) y calculaban el valor de f(x) y de g(x) para demostrar que se puede aplicar el teorema. No entiendo muy bien lo que haces tú cuando sustituyes, perdona las molestias.

Tendrás que ser más específico sobre que sustitución o paso es el que no entiendes. Por si lo siguiente te aclara algo: si nos dicen que \( a>e \) entonces \( a=e^{r} \) para algún \( r>1 \), ya que la función exponencial, restringida a valores reales, es estrictamente creciente y \( e^1=e<a=e^{\ln a} \).

Por otra parte el valor absoluto en \( \mathbb{C} \) tiene la propiedad al igual que en \( \mathbb{R} \) que \( |z\cdot w|=|z|\cdot |w| \) para todo \( z,w\in \mathbb{C} \), de ahí se sigue que \( |az^n|=|a|\cdot |z^n|=a\cdot |z|^n=a \) ya que \( |a|=a \) al ser \( a>0 \) y \( |z|=1 \) en el contorno de \( \mathbb{D} \).

Además observa que si describimos \( z \) como \( z=a+bi \) para \( a,b\in \mathbb{R} \) entonces \( |e^{z}|=|e^{a}|\cdot |e^{ib}|=e^a \) ya que \( e^a>0 \) para todo \( a\in \mathbb{R} \) y \( e^{ib}=\cos b+i \sin b \) y por tanto \( |e^{ib}|=\sqrt{\cos ^2 b+\sin ^2 b}=1 \). De ahí se sigue que \( |e^z|= e^{\operatorname{Re} z} \), siendo \( \operatorname{Re}z \) la parte real de \( z \).

Por aclararte algo sobre el teorema de Rouché, éste viene a decir que si en una región del plano complejo, llamémosla \( U \) a esa región, rodeada por un contorno \( \partial U \), si \( f \) y \( g \) son dos funciones holomorfas en \( U \) (y continuas en \( \partial U \)) tal que \( |g(z)|<|f(z)| \) para todo \( z\in \partial U \) entonces las funciones \( f \) y \( f+g \) tienen el mismo número de ceros en \( U \) (no en \( \partial U \)).

10 Marzo, 2024, 12:00 am
Respuesta #6

ancape

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No funciona porque como comentaba la función exponencial es \( 2\pi i \) periódica, es decir que para cualquier \( z\in \mathbb{C} \) y \( k\in \mathbb{Z} \) tienes que \( e^{z+i2\pi k}=e^{z} \), por tanto si la identidad del logaritmo anterior fuese cierta tendrías que \( z+i2\pi k=z \), lo cual es imposible si \( k\neq 0 \).

Según este razonamiento tendríamos: \( \sqrt[ ]{9}=3 \), \( \sqrt[ ]{9}=-3 \) y por tanto \( 3=-3 \). ¿No será que el logaritmo natural tiene varias ramas?

Saludos

10 Marzo, 2024, 03:33 pm
Respuesta #7

indefinido

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Gracias por la respuesta. El enunciado es tal cual lo he puesto. A lo mejor no está muy riguroso, pues estoy cursando física... He revisado algún problema de años anteriores con polinomios y los definían como contornos. Sustituían \(  \left |{z}\right | = 1  \) y calculaban el valor de f(x) y de g(x) para demostrar que se puede aplicar el teorema. No entiendo muy bien lo que haces tú cuando sustituyes, perdona las molestias.

Tendrás que ser más específico sobre que sustitución o paso es el que no entiendes. Por si lo siguiente te aclara algo: si nos dicen que \( a>e \) entonces \( a=e^{r} \) para algún \( r>1 \), ya que la función exponencial, restringida a valores reales, es estrictamente creciente y \( e^1=e<a=e^{\ln a} \).

Por otra parte el valor absoluto en \( \mathbb{C} \) tiene la propiedad al igual que en \( \mathbb{R} \) que \( |z\cdot w|=|z|\cdot |w| \) para todo \( z,w\in \mathbb{C} \), de ahí se sigue que \( |az^n|=|a|\cdot |z^n|=a\cdot |z|^n=a \) ya que \( |a|=a \) al ser \( a>0 \) y \( |z|=1 \) en el contorno de \( \mathbb{D} \).

Además observa que si describimos \( z \) como \( z=a+bi \) para \( a,b\in \mathbb{R} \) entonces \( |e^{z}|=|e^{a}|\cdot |e^{ib}|=e^a \) ya que \( e^a>0 \) para todo \( a\in \mathbb{R} \) y \( e^{ib}=\cos b+i \sin b \) y por tanto \( |e^{ib}|=\sqrt{\cos ^2 b+\sin ^2 b}=1 \). De ahí se sigue que \( |e^z|= e^{\operatorname{Re} z} \), siendo \( \operatorname{Re}z \) la parte real de \( z \).

Por aclararte algo sobre el teorema de Rouché, éste viene a decir que si en una región del plano complejo, llamémosla \( U \) a esa región, rodeada por un contorno \( \partial U \), si \( f \) y \( g \) son dos funciones holomorfas en \( U \) (y continuas en \( \partial U \)) tal que \( |g(z)|<|f(z)| \) para todo \( z\in \partial U \) entonces las funciones \( f \) y \( f+g \) tienen el mismo número de ceros en \( U \) (no en \( \partial U \)).

Muchas gracias. El problema lo tenía con la forma en la que habías expresado a dada la condición. Pero ahora ya lo entiendo. Me quedan un par de dudas. Creo que no he entendido bien el tema de contorno y región. La región \( D \) que tu defines, ¿no debería ser \( \mathbb{D}:=\{z\in \mathbb{C}:|z|\leq{1}\} \)? ¿El contorno y la frontera son lo mismo? He editado el enunciado, me acabo de dar cuenta de que el original pide para el interior de \( \left |{z}\right | = 1 \)

10 Marzo, 2024, 03:49 pm
Respuesta #8

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Muchas gracias. El problema lo tenía con la forma en la que habías expresado a dada la condición. Pero ahora ya lo entiendo. Me quedan un par de dudas. Creo que no he entendido bien el tema de contorno y región. La región \( D \) que tu defines, ¿no debería ser \( \mathbb{D}:=\{z\in \mathbb{C}:|z|\leq{1}\} \)?

Denotemos \( \overline{\mathbb{D}}:=\{z\in \mathbb{C}: |z|\leqslant 1\} \) y \( \mathbb{D} \) como en mi respuesta anterior. Entonces tú puedes tomar \( \overline{\mathbb{D}} \) como la región donde contar ceros, pero los ceros del teorema de Rouché siempre van a estar en \( \mathbb{D} \), es decir, nunca habrá un cero en \( \partial \mathbb{D}=\overline{\mathbb{D}}\setminus \mathbb{D} \) porque entonces la integral que cuenta los ceros y en la que se basa el teorema de Rouché no estaría definida.

Citar
¿El contorno y la frontera son lo mismo?

Sí, es lo mismo.

He editado el enunciado, me acabo de dar cuenta de que el original pide para el interior de \( \left |{z}\right | = 1 \)

Es algo chapucero porque, estrictamente hablando (en terminología matemática) el interior de \( \partial \mathbb{D} \) es vacío (porque la palabra "interior" en matemáticas en este contexto tiene un significado muy preciso ya asignado). Entiendo que con esa frase aluden a \( \mathbb{D} \) como el "interior" de \( \partial \mathbb{D} \), pero como digo es una expresión poco afortunada en este contexto.

10 Marzo, 2024, 04:02 pm
Respuesta #9

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Muchas gracias. El problema lo tenía con la forma en la que habías expresado a dada la condición. Pero ahora ya lo entiendo. Me quedan un par de dudas. Creo que no he entendido bien el tema de contorno y región. La región \( D \) que tu defines, ¿no debería ser \( \mathbb{D}:=\{z\in \mathbb{C}:|z|\leq{1}\} \)?

Denotemos \( \overline{\mathbb{D}}:=\{z\in \mathbb{C}: |z|\leqslant 1\} \) y \( \mathbb{D} \) como en mi respuesta anterior. Entonces tú puedes tomar \( \overline{\mathbb{D}} \) como la región donde contar ceros, pero los ceros del teorema de Rouché siempre van a estar en \( \mathbb{D} \), es decir, nunca habrá un cero en \( \partial \mathbb{D}=\overline{\mathbb{D}}\setminus \mathbb{D} \) porque entonces la integral que cuenta los ceros y en la que se basa el teorema de Rouché no estaría definida.

Citar
¿El contorno y la frontera son lo mismo?

Sí, es lo mismo.

He editado el enunciado, me acabo de dar cuenta de que el original pide para el interior de \( \left |{z}\right | = 1 \)

Es algo chapucero porque, estrictamente hablando (en terminología matemática) el interior de \( \partial \mathbb{D} \) es vacío (porque la palabra "interior" en matemáticas en este contexto tiene un significado muy preciso ya asignado). Entiendo que con esa frase aluden a \( \mathbb{D} \) como el "interior" de \( \partial \mathbb{D} \), pero como digo es una expresión poco afortunada en este contexto.
Entiendo. Sí, de hecho los ceros en este caso son para \( z=0 \). Acerca del enunciado, era lo que me esperaba. Al fín y al cabo mis profesores de métodos matemáticos son todos físicos teóricos y en concreto la parte "práctica" de la asignatura creo que la llevan los doctorandos. Supongo que tendrá algo que ver. Muchísimas gracias por la ayuda. Definitivamente lo entregaré con la terminología correcta que me has enseñado y supongo que acudiré más a menudo al foro en busca de aprendizaje.
Un saludo.