Autor Tema: Región simplemente conexa

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26 Febrero, 2020, 04:56 pm
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german.jablo

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¿Alguien podría demostrar la verdad o falsedad de la siguiente proposición?

Si D es una región simplemente conexa y el campo \( \vec{F} \) cumple la propiedad de las derivadas parciales cruzadas en D, ENTONCES las derivadas parciales de primer orden de \( \vec{F} \) en D son continuas.

26 Febrero, 2020, 05:37 pm
Respuesta #1

Luis Fuentes

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Hola

¿Alguien podría demostrar la verdad o falsedad de la siguiente proposición?

Si D es una región simplemente conexa y el campo \( \vec{F} \) cumple la propiedad de las derivadas parciales cruzadas en D, ENTONCES las derivadas parciales de primer orden de \( \vec{F} \) en D son continuas.

Sería bueno saber EXACTAMENTE a que llamas "la propiedad de las derivadas parciales cruzadas" (exactamente que condiciones de existencia y continuidad se presuponen a cada una de las diferentes agentes implicados: función, sus derivadas primeras y sus derivadas segunda).

En principio si simplemente te refieres a que las derivadas parciales cruzadas exista y coincidan, la respuesta es que la afirmación es FALSA.

Considera una función \( g:\Bbb R\to \Bbb R  \) derivable en todo punto pero con derivada no continua en cero.

Define el campo escalar \( F:\Bbb R^2\times \Bbb R, F(x,y)=g(x) \) las derivadas cruzadas \( \dfrac{\partial^2F}{\partial x\partial y} \) y \( \dfrac{\partial^2F}{\partial y\partial x} \) son nulas en todo punto (por tanto coinciden) pero sin embargo  \( \dfrac{\partial F}{\partial x}=g'(x) \) NO es continua.

Saludos.

26 Febrero, 2020, 06:19 pm
Respuesta #2

Masacroso

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Guiándome por lo de "simplemente conexo" otra posible interpretación a la pregunta de german.jablo es entender lo de "las derivadas parciales cruzadas" como las condiciones de integrabilidad de la 1-forma correspondiente al campo vectorial F.

En ese caso F sería un campo gradiente, y por tanto la derivada de un campo escalar, pero sabemos que una función escalar dos veces Fréchet diferenciable no es necesariamente de clase \( C^2 \) (aunque no tengo un contra-ejemplo a mano), lo que implica que las derivadas parciales de un campo gradiente no tienen por qué ser continuas.

ACLARACIÓN: lo marcado en verde es una aplicación del lema de Poincaré, pero como vemos después en este mismo tema cabe la posibilidad de que el lema de Poincaré no sea aplicable en este caso, a no ser que asumamos de facto lo que queremos demostrar.

26 Febrero, 2020, 06:48 pm
Respuesta #3

german.jablo

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Gracias a ambos. Pido perdón por no especificar lo de las derivadas cruzadas. Mi duda surge de las siguientes citas:

  • Stewart 7ed, p. 1079:
    Citar
    Sea \( \vec{F}=P\vec{i}+Q\vec{j} \) un campo vectorial sobre una región simplemente conexa D. Supongamos que P y Q tienen derivadas continuas de primer orden y \( \frac{{\partial P}}{{\partial y}}=\frac{{\partial Q}}{{\partial x}} \) en toda la región D. Entonces F es conservativo.
  • Rogawski ed¿? p.974:
    Citar
    Sea F un campo vectorial en un dominio simplemente conexo D. Si F cumple la condición de las parciales cruzadas, entonces F es conservativo.
    Donde define la condición de las parciales cruzadas como:
    \( \frac{{\partial F_1}}{{\partial y}}=\frac{{\partial F_2}}{{\partial x}} \) ; \( \frac{{\partial F_2}}{{\partial z}}=\frac{{\partial F_3}}{{\partial y}} \) ; \( \frac{{\partial F_3}}{{\partial x}}=\frac{{\partial F_1}}{{\partial z}} \)


Por lo que entiendo, los enunciados son idénticos a excepción de que Stewart especifica que las derivadas tienen que ser continuas. Mi duda es si es un detalle que se le ha pasado por alto a Rogawski, es decir, ¿Es su teorema incorrecto?

26 Febrero, 2020, 06:54 pm
Respuesta #4

Masacroso

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Gracias a ambos. Pido perdón por no especificar lo de las derivadas cruzadas. Mi duda surge de las siguientes citas:

  • Stewart 7ed, p. 1079:
    Citar
    Sea \( \vec{F}=P\vec{i}+Q\vec{j} \) un campo vectorial sobre una región simplemente conexa D. Supongamos que P y Q tienen derivadas continuas de primer orden y \( \frac{{\partial P}}{{\partial y}}=\frac{{\partial Q}}{{\partial x}} \) en toda la región D. Entonces F es conservativo.
  • Rogawski ed¿? p.974:
    Citar
    Sea F un campo vectorial en un dominio simplemente conexo D. Si F cumple la condición de las parciales cruzadas, entonces F es conservativo.
    Donde define la condición de las parciales cruzadas como:
    \( \frac{{\partial F_1}}{{\partial y}}=\frac{{\partial F_2}}{{\partial x}} \) ; \( \frac{{\partial F_2}}{{\partial z}}=\frac{{\partial F_3}}{{\partial y}} \) ; \( \frac{{\partial F_3}}{{\partial x}}=\frac{{\partial F_1}}{{\partial z}} \)


Por lo que entiendo, los enunciados son idénticos a excepción de que Stewart especifica que las derivadas tienen que ser continuas. Mi duda es si es un detalle que se le ha pasado por alto a Rogawski, es decir, ¿Es su teorema incorrecto?

Ah, tienes razón, creo que la continuidad es necesaria. Estoy viendo un libro que demuestra el lema de Poincaré y la continuidad aparece como una de las condiciones del lema (asumo entonces que es necesaria). Entonces mi argumentación anterior es incorrecta porque para aplicar el lema de Poincaré (cosa que hice de manera implícita) hay que asumir que F es continuamente diferenciable.

Eso "responde" tu segunda pregunta (cosa que igualmente habría que comprobar buscando un contra-ejemplo) pero no la pregunta original del tema.

AÑADO: en la demostración del lema de Poincaré que conozco la continuidad de las derivadas parciales de una 1-forma asegura que estas derivadas parciales son integrables. Ahora bien, si en la demostración en vez de utilizar la integral de Riemann o de Lebesgue se utilizase la integral de Henstock-Kurzweil entonces toda derivada es integrable y por tanto en principio no sería necesario imponer la continuidad a las derivadas parciales para demostrar el lema, aunque no sé si al usar esa integral aparecerían otros problemas.

En cualquier caso parece que a Rogawski se le olvidó citar esa condición.

26 Febrero, 2020, 11:10 pm
Respuesta #5

Luis Fuentes

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    Hola


\( \frac{{\partial F_1}}{{\partial y}}=\frac{{\partial F_2}}{{\partial x}} \) ; \( \frac{{\partial F_2}}{{\partial z}}=\frac{{\partial F_3}}{{\partial y}} \) ; \( \frac{{\partial F_3}}{{\partial x}}=\frac{{\partial F_1}}{{\partial z}} \)[/li][/list]

Con esa definición de la propiedad de derivadas cruzadas, la respuesta a esto:

Si D es una región simplemente conexa y el campo \( \vec{F} \) cumple la propiedad de las derivadas parciales cruzadas en D, ENTONCES las derivadas parciales de primer orden de \( \vec{F} \) en D son continuas.

vuelve a ser NO.

Como ejemplo:

\( F(x,y,z)=(g(x),0,0) \)

siendo \( g(x) \) derivable en todo punto pero con derivada discontinua en el origen. Cumple la condición de derivadas cruzadas pero las parciales no son continuas.

Saludos.

26 Febrero, 2020, 11:33 pm
Respuesta #6

german.jablo

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Gracias Luis. Estoy viendo que Stewart introduce y define esa propiedad como el recíproco de la misma pero sin exigir que D sea simplemente conexa; pero luego al enunciarla aparece misteriosamente la adición de que las derivadas sean continúas. Aparentemente, esto se debe a que en el capítulo siguiente la demuestra a partir del Teorema de Green (a la que se le impone la condición de que las derivadas parciales sean continuas). Rogawski no demuestra la propiedad pero dice que se basa en el teorema de Stokes (que según wikipedia, es un caso general del teorema de Green). ¿Crees que Stewart impone esa condición innecesariamente? ¿O más bien que la propiedad de Rogawski es incorrecta como considera Masacroso? (no domino los conceptos que el menciona) jeje. Por tu contraejemplo intuyo que es lo segundo, pero quizás estoy obviando algo. Nuevamente gracias y disculpa las molestias.

27 Febrero, 2020, 08:02 am
Respuesta #7

Masacroso

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¿Crees que Stewart impone esa condición innecesariamente? ¿O más bien que la propiedad de Rogawski es incorrecta como considera Masacroso?

Más que incorrecta es una condición que se impone para poder hacer la demostración. Sin embargo es posible que no sea necesaria esa condición, pero en ese caso la demostración utilizaría herramientas más complejas, aunque también es posible que haya un contra-ejemplo que demuestre la necesidad de la continuidad de las derivadas.

En cualquier caso habría que ver la demostración de Rogawski del teorema para ver si en su demostración hace uso de la continuidad de las derivadas (quizá de manera velada) o no. Si en la demostración hace uso de tal continuidad entonces simplemente se le ha olvidado mencionarlo.

El lema de Poincaré simplemente afirma que toda 1-forma cerrada (cerrada aquí significa que cumple lo de las derivadas cruzadas) en un espacio simplemente conexo es exacta (es decir, que tal 1-forma tiene una primitiva), lo que es equivalente a decir que si un campo vectorial \( F \) continuamente diferenciable en una región simplemente conexa cumple la condición de las derivadas cruzadas entonces es un campo conservativo (lo que es equivalente a decir que es un campo gradiente, es decir, que tiene una primitiva, denominada en física como función potencial, que no es más que otra forma de decir campo escalar).

La relación con las 1-formas es que a todo campo vectorial \( F \) se le puede asociar una única 1-forma que no es más que \( F(x)dx \), y viceversa: a cada 1-forma se le puede asociar un campo vectorial. Son conceptos intercambiables (en cierto sentido), todo para decir que si \( C \) es un camino cerrado en \( D \) entonces \( \int_{C}F(x)dx=0 \), es decir, que \( F \) es conservativo (o equivalentemente, que la 1-forma \( F(x)dx \) es exacta). Espero que ahora haya quedado más claro todo.

También he editado mi primera respuesta para añadir una aclaración para mostrar dónde fallaría mi argumentación.

27 Febrero, 2020, 10:39 am
Respuesta #8

geómetracat

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No he pensado en contraejemplos (ni tengo claro si los hay o no), pero he estado echando un vistazo rápido al Rogawski y yo asumiría que está suponiendo continuidad en las derivadas parciales.

Por lo que he visto, no parece un libro muy fiable sobre las condiciones exactas de derivabilidad y continuidad en los teoremas. De hecho he ido a mirar la demostración, como sugería Masacroso, y no la da. Tampoco da condiciones de ningún tipo sobre las funciones en el teorema de Green ni el de Stokes, y desde luego algo hay que asumir para que se cumplan.
La ecuación más bonita de las matemáticas: \( d^2=0 \)