Autor Tema: Sobre el concepto de diferencial

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26 Noviembre, 2011, 11:03 pm
Respuesta #30

Carlos Ivorra

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Al escribir \( \int_D f\, d\alpha  \) hay 3 objetos matemáticos involucrados:

Un dominio de integración \( D \),
una función \( f \),
la diferencial \( d\alpha \) respecto a cierta "cosa" \( \alpha \).

El tercero sólo es realmente un objeto si lo defines como una forma diferencial. Si no, es sólo una notación inseparable de los otros dos objetos sin un significado específico.

En general la función \( f \) es muy general y no tiene importancia en esta discusión.

Creo que la clave está en entender la relación entre la geometría de \( D \) y el sentido del diferencial \( d\alpha \).

Cuando tanto \( D \) como \( \alpha \) son suaves, se pueden aplicar transformaciones tipo Jacobiano, sustituciones, o teoremas tipo Green o Stokes, etc.

Cuando se empieza a perder la suavidad, ¿qué pasa?

La falta de suavidad en \( D \) tampoco es problemática dentro de lo razonable. Por ejemplo, puedes integrar sobre la superficie de un cubo, donde tienes aristas en las que la superficie no es regular. Más en general, se puede integrar sobre variedades con singularidades "despreciables" en un sentido que viene a decir que las partes singulares tienen dimensión menor que la variedad en sí, como las aristas de un cubo, que tienen dimensión 1, mientras que la superficie del cubo tiene dimensión 2. El teorema general de Stokes (para formas diferenciales arbitrarias, que incluye como casos particulares el teorema de Stokes, el teorema de la divergencia, etc.) se puede probar para variedades con singularidades en este sentido.

En cuanto a lo de considerar diferenciales de "cosas" no diferenciables, ¿realmente crees que es interesante la pregunta? Yo, personalmente, siempre he sido enemigo de generalizar "por curiosidad morbosa". Eso sólo lleva a teorías huecas llenas de "pseudo esto" y "cuasi lo otro".

Es cierto que la integral de Riemann-Stieljes tiene su utilidad, pero, ¿podrías ponerme ejemplos que justificaran la utilidad de extender la teoría de las formas diferenciables para dar sentido a diferenciales de "cosas" no diferenciables? A mí no se me ocurren y, en cualquier caso, creo que sería desvirtuar el hilo. La pregunta original es si es posible considerar rigurosas las manipulaciones con diferenciales "aisladas", es decir, sin estar dentro de un signo de integral.

El tema de los "elementos diferenciales" se pueden entender con un ejemplo.
Creo que matemáticamente aparecen sin más, y uno sabe que puede enunciarlo con rigor.

No sé si te entiendo, pero me sorprende leer esto del paladín del rigor matemático. Digo que me sorprende ver la facilidad con la que renuncias al rigor matemático en un contexto donde es posible y necesario exigirlo a la vez que lo exigías con tanta vehemencia donde ni es necesario ni es posible exigirlo (me refiero a este sentido de rigor formal que aquí nos ocupa, no el concepto de rigor que sí es posible aplicar en metamatemática y que a ti no te satisface).

No creo que sea tan simple como decir "se sabe que puede enunciarlo con rigor". Muchas demostraciones con "diferenciales salvajes" están llenas de lagunas. A menudo dicen cosas como "consideremos una región infinitesimal y supongamos que tiene forma de cubo", con lo cual, a lo sumo podrás justificar que el argumento vale para cubos, pero luego se pretende que valga para figuras no infinitesimales arbitrarias. Otras veces dicen "este término se puede despreciar" y eso con suerte equivale a que un cierto límite de cero, pero eso no tiene por qué ser trivial en absoluto, y aceptar la demostración diciendo que eso "se puede enunciar con rigor" es tanto como aceptar que tal límite da cero, o que tal serie converge sin pedir una demostración. No me parece más razonable que decir "la conjetura de Goldbach es cierta, porque de un modo u otro se podrá demostrar con rigor".

Sería el caso de teoremas como el de Green o el de Stokes.
Creo que discutir matemáticamente estas dos integrales podría echar mucha luz sobre el tema.

Decididamente no te sigo. Quiero decir que no sé qué estás planteando concretamente. ¿Luz sobre qué tema?

¿Será que los físicos son muy sueltos en esto?

Demasiado sueltos. En lugar de demostrar cosas, dicen que las han demostrado y así acaban antes.

¿O será que los libros de análisis de varias variables ya vienen mal escritos?

Esto no sé por qué lo dices. Hoy me resultas muy enigmático.

26 Noviembre, 2011, 11:11 pm
Respuesta #31

Carlos Ivorra

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Disculpa si entendí mal vuestro debate Carlos.

En la misma forma que la continuidad (salvo en un número finito de puntos) parecería ser una condición exigible a la función, la otra condición parecería ser que cada una de las partes del dominio fuera medible, en principio en el sentido Lebesgue, aunque también podríamos buscar otras generalizaciones usando otro tipo de medidas. La sumas se construirían así de esta manera:

\( S=\displaystyle\lim_{n \to\infty}{}\displaystyle\sum_{i=1}^n{}y_i\mu_i \)

no olvidando por supuesto que la partición del dominio se realizaría en partes de diámetro cada vez menor. Cada uno de los sumando es el que tendría la calidad de elemento diferencial, de manera que la integral se construye así como una suma infinita (numerable) de elementos diferenciales.

Saludos, Jabato. ;D

Creo que argentinator ha sido muy generoso al ver en tu descripción de la integral hecha unos posts más arriba la construcción de la integral de Riemann-Stieljes. Supongo que le ha despistado que escribías \( dD \) cuando lo usual es escribir \( dx \), pero antes estabas considerando meras particiones del dominio de la función, por lo que la integral que describías era la integral de Riemann pura y dura, mientras que ahora describes la integral de Lebesgue pura y dura. Para que la integral de Lebesgue esté bien definida no necesitas que el integrando sea continuo salvo en un número finito de puntos, sino simplemente que sea una función integrable Lebesgue, que es una condición mucho más general. Por ejemplo, la función que vale 1 en los irracionales y 0 en los racionales es integrable Lebesgue en \( [0,1] \) y no es continua en ningún punto.

El problema es que, por muchos trozos pequeños de dominio que consideres, eso no da sentido a la ecuación

\( dx^2 = 2x\,dx \),

así, sin integrales, pues no tiene sentido decir que \( dx^2 \) es un trocito de no sé qué dominio. Pese a ello podemos ver esa ecuación como una igualdad matemática rigurosa si entendemos que ambos miembros son formas diferenciales.

27 Noviembre, 2011, 12:00 am
Respuesta #32

argentinator

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Carlos, no te crispes.

No estoy renunciando al rigor, no veo en qué momento dije que el rigor no importa.

Pienso que se puede ir agregando rigor en cada cosa que vaya surgiendo.

No tengo mucho apuro, sin embargo, porque no sé si voy a tener que terminar escribiendo un libro de cada cosa que se discuta.
___________

En cuanto a los diferenciales en teoría abstracta de la medida, aparecen "sueltos" si uno quiere, cuando uno estudia las funciones absolutamente continuas respecto otra medida antes definida.

Algo como \( \displaystyle d\mu =\dfrac{d\mu}{d\nu}d\nu \) tiene sentido incluso en casos en que \( \dfrac{d\mu}{d\nu} \) no es una función diferenciable...

Ahí, tanto \( \mu \) como \( \nu \) son "medidas", y sin embargo aparecen escritos con notación de diferencial.

No son "formas diferenciales", pero son algo que se escribe parecido,
y en algunos contextos es claro que coinciden.

En efecto, todo esto viene por la "dD" que metió Jabato.
De todos modos, los "elementos diferenciales" cuando están puestos en función de "otros", tipo una regla de sustitución, ¿no amerita esto discutir qué pasa con el caso general de \( d\alpha \)?

Es natural transformar el dominio de integración.

________

No entiendo por qué dicen que estoy desvirtuando el debate.
Entiendo que se está hablando del uso de los diferenciales.

Los físicos los usan en forma "suelta", y aunque los argumentos como los que has expuesto de ellos son ciertamente muy dudosos, pienso que matemáticamente están todos justificados, y tendremos que mirar caso por caso.

____________

Yo no generalizo por deporte, los diferenciales se usan como "notación" de las integrales de medidas abstractas, las cuales involucran como caso particular a la teoría de probabilidad, de amplio uso en física.

________


Si en una integral aparecen un dominio D y una medida \( \mu \), no son parte de lo mismo, porque en un mismo conjunto se pueden definir medidas distintas.

___________

¿Cómo discutir la formalización de todo esto, si no se discuten antes, al menos informalmente, los contextos y modos en que aparece la notación de diferencial, y cómo se transforman unos integrandos en otros, incluso sobre dominios de distintas dimensiones?

Para mí todo está en juego en el debate. Me refiero a todo lo que involucra la notación "d" para integrales, o en formas diferenciales, o en derivadas.

Y no he mencionado la integral de Lebesgue esperando que alguien más lo haga, porque se ve que el interés general va más por el lado de la integral de Riemann.
Pero ahí el diferencial está más como una notación, indicando que se integra bajo la medida de Lebesgue, pero ya no se lo piensa como "elemento diferencial".

Y sin embargo, hasta cierto punto, ambos puntos de vista son compatibles.

__________________

Pero bueno, si el debate es otro, sepan disculpar.

Lo correcto entonces será tomar frases sueltas de los libros de física que involucren razonamientos con diferenciales, y discutirlos matemáticamente.

Yo no tengo a mano dichas frases. Las he visto, las he escuchado, pero no las tengo escritas para transcribirlas y discutirlas.


27 Noviembre, 2011, 12:19 am
Respuesta #33

argentinator

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 Hoy me resultas muy enigmático.

Es que es un debate general, no un cálculo.

Si hay que poner rigor se pone, y si no, no.

No creo que el asunto sea tan grave.
Prefiero atajar los penales a medida que van llegando.

Por ejemplo, de esas frases de los físicos, ver cuáles se pueden traducir al rigor matemático, y cuáles dan lugar a errores o malentendidos.


27 Noviembre, 2011, 01:06 am
Respuesta #34

Carlos Ivorra

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Carlos, no te crispes.

Ehh, que no me crispo en absoluto. Es que sinceramente me ha resultado muy difícil seguirte en tu post anterior y he tratado de explicarte lo que me chirriaba, pero nada de lo que he dicho ha pretendido expresar ninguna clase de enojo y mucho menos de crítica.

No estoy renunciando al rigor, no veo en qué momento dije que el rigor no importa.

Pienso que se puede ir agregando rigor en cada cosa que vaya surgiendo.

No tengo mucho apuro, sin embargo, porque no sé si voy a tener que terminar escribiendo un libro de cada cosa que se discuta.

Ojo, que no te he reprochado que dijeras cosas sin rigor (obviamente aquí no es plan de ponerse a demostrar cada cosa que se dice) sino que, salvo que te haya entendido mal, decías que no importaba que los argumentos con diferenciales no fueran rigurosos, porque siempre se podrían presentar de una forma alternativa rigurosa. Es decir, mi "queja" no era que no fueras riguroso, sino que parecías decir que no era importante ser riguroso (no en este hilo, sino al escribir libros de física).

En cuanto a los diferenciales en teoría abstracta de la medida, aparecen "sueltos" si uno quiere, cuando uno estudia las funciones absolutamente continuas respecto otra medida antes definida.

Algo como \( \displaystyle d\mu =\dfrac{d\mu}{d\nu}d\nu \) tiene sentido incluso en casos en que \( \dfrac{d\mu}{d\nu} \) no es una función diferenciable...

Ahí, tanto \( \mu \) como \( \nu \) son "medidas", y sin embargo aparecen escritos con notación de diferencial.

No son "formas diferenciales", pero son algo que se escribe parecido,
y en algunos contextos es claro que coinciden.

Estamos en las mismas. Cuando defines la integral de una función respecto a una medida, defines la expresión

\( \displaystyle \int_Af\,d\mu \)

"en bloque", sin asignarle un significado específico a \( d\mu \), con lo que la ecuación \( \displaystyle d\mu =\dfrac{d\mu}{d\nu}d\nu \) tampoco significa nada con rigor, salvo una "regla mnemotécnica" que sólo tiene significado cuando en la forma

\( \displaystyle \int_Af\,d\mu=\int_A f\,\frac{d\mu}{d\nu}\,d\nu \)

Que la derivada no sea diferenciable no es nada destacable, pues se trata de una función que aparece en el integrando de una integral, y estamos de acuerdo en que nada nos obliga a exigir diferenciabilidad en los integrandos.

En efecto, ahí \( d\mu \) no es una forma diferencial porque no es nada, al igual que no es nada \( dx \) cuando defines la integral de Riemann o de Lebesgue \( \displaystyle\int_{a}^{b}f(x)\,dx \).

En efecto, todo esto viene por la "dD" que metió Jabato.
De todos modos, los "elementos diferenciales" cuando están puestos en función de "otros", tipo una regla de sustitución, ¿no amerita esto discutir qué pasa con el caso general de \( d\alpha \)?

Es natural transformar el dominio de integración.

Lo siento, no lo hago adrede, pero me vuelvo a perder. Sí, es natural transformar el dominio de integración, mediante aplicaciones diferenciables, y ahí está el teorema de cambio de variables, que admite una expresión muy elegante y natural en términos de formas diferenciales. No sé a dónde quieres ir a parar.

No entiendo por qué dicen que estoy desvirtuando el debate.
Entiendo que se está hablando del uso de los diferenciales.

Hombre, está claro que se puede debatir sobre cualquier cosa, pero entiendo que discutir sobre el uso que se hace de los diferenciales no es lo mismo que estudiar hasta qué punto se podría generalizar la noción de "diferencial" para ir mucho más allá del uso que realmente se hace de los diferenciales, que es lo que me parecía entender que proponías, y todavía no tengo muy claro. Disculpa si no te sigo bien.

Los físicos los usan en forma "suelta", y aunque los argumentos como los que has expuesto de ellos son ciertamente muy dudosos, pienso que matemáticamente están todos justificados, y tendremos que mirar caso por caso.

Hombre, claro. Nunca he pretendido afirmar que los teoremas que usan los físicos puedan ser falsos. Imagina un libro de física que presenta sin demostración los resultados matemáticos que necesita. Es razonable que si lo consultas y no ves en ellos nada sospechoso, aceptes que, en efecto, esos resultados se pueden demostrar con rigor, sólo que en ese momento no te interesa la prueba. No digo que haya motivos para sospechar que uno de ellos pueda ser falso, sino que únicamente señalo que ahí no está demostrado. Igualmente, si un libro de física "demuestra" los resultados matemáticos mediante malabarismos con diferenciales, lo que digo es que eso es peor que enunciarlos sin demostración, pues lo cierto es que no está demostrando nada y, en cambio, pretende convencer al lector de lo contrario.

Yo no generalizo por deporte, los diferenciales se usan como "notación" de las integrales de medidas abstractas, las cuales involucran como caso particular a la teoría de probabilidad, de amplio uso en física.

Ah, pero es que eso no es lo mismo que estudiar si es posible definir una noción de \( d\alpha \) para funciones \( \alpha \) no necesariamente diferenciables, que es lo que entendía que proponías.

Si en una integral aparecen un dominio D y una medida \( \mu \), no son parte de lo mismo, porque en un mismo conjunto se pueden definir medidas distintas.

Aquí eres tú el que no me a entendido. Lo que yo decía es que tú defines \( \int_Df\,d\mu \) como una única expresión con tres variables libres, \( D,f,\mu \) de modo que en teoría, daría igual que la escribieras así que en la forma \( I(f, D, \mu) \), pues no has definido realmente nada llamado \( d\mu \).

¿Cómo discutir la formalización de todo esto, si no se discuten antes, al menos informalmente, los contextos y modos en que aparece la notación de diferencial, y cómo se transforman unos integrandos en otros, incluso sobre dominios de distintas dimensiones?

Para mí todo está en juego en el debate. Me refiero a todo lo que involucra la notación "d" para integrales, o en formas diferenciales, o en derivadas.

En gran medida estoy de acuerdo con lo que dices aquí, pero dicho literalmente así es capcioso, porque una cosa es definir algo de la forma \( d \)"algo" y otra cosa definir algo y en la notación empleada para expresar la definición colar una "d" de contrabando, sin definición específica, lo cual es riguroso (puedes usar la notación que quieras), pero capcioso, pues ahí no tienes realmente ninguna "d" definida.

Y no he mencionado la integral de Lebesgue esperando que alguien más lo haga, porque se ve que el interés general va más por el lado de la integral de Riemann.
Pero ahí el diferencial está más como una notación, indicando que se integra bajo la medida de Lebesgue, pero ya no se lo piensa como "elemento diferencial".

¿Por qué no? Todo lo que he dicho yo en mis posts anteriores vale indistintamente para la integral de Riemann o la de Lebesgue. La integral de Lebesgue induce un elemento de medida (una forma diferencial en \( \mathbb{R}^n \)) que a su vez induce un elemento diferencial en cada subvariedad regular de  \( \mathbb{R}^n \), con lo que perfectamente puedes tomar la medida de Lebesgue (y la integral de Lebesgue) como el sustrato de toda la teoría de integración de funciones en subvariedades regulares de \( \mathbb{R}^n \). El partir de la integral de Lebesgue o la integral de Riemann simplemente modifica el conjunto de formas diferenciables integrables (que es más extenso si consideras la integral de Lebesgue). A decir verdad, yo siempre he hecho "mis cuentas" considerando la integral de Lebesgue, y ahora mismo no sabría decirte si al tratar de hacerlas con la integral de Riemann (en variedades, quiero decir) no podrían surgir problemas delicados. No lo sé.


Pero bueno, si el debate es otro, sepan disculpar.

Pues... ya estoy hecho un lío y no sé si estamos debatiendo sobre lo mismo o no. Es probable que sí.

Lo correcto entonces será tomar frases sueltas de los libros de física que involucren razonamientos con diferenciales, y discutirlos matemáticamente.

Yo no tengo a mano dichas frases. Las he visto, las he escuchado, pero no las tengo escritas para transcribirlas y discutirlas.

Veré si encuentro algunas. Debo de tener ejemplos relativamente a mano, pero ahora mismo es tarde para ponerme a buscar.


 Hoy me resultas muy enigmático.

Es que es un debate general, no un cálculo.

Si hay que poner rigor se pone, y si no, no.

No creo que el asunto sea tan grave.
Prefiero atajar los penales a medida que van llegando.

Que sí, que sí. Si no trataba de cuestionar la forma en que planteabas el debate, ni mucho menos acusarte de falta de rigor. Sólo trataba de hacerte ver que, por algún extraño motivo, no era capaz de entender qué estabas afirmando, o proponiendo, o planteando, y sigo sin tenerlo del todo claro, aunque creo que te voy entendiendo y, en efecto, no es grave en absoluto. No creo que tardemos mucho en centrarnos.

Por ejemplo, de esas frases de los físicos, ver cuáles se pueden traducir al rigor matemático, y cuáles dan lugar a errores o malentendidos.

Buscaré.

27 Noviembre, 2011, 04:38 am
Respuesta #35

argentinator

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Una vez un profesor de física que tuve metió en una integral algo como esto:

\(  \int (algo) d(\sqrt{u^2+v^2})  \).

No recuerdo los detalles, sólo me acuerdo la anécdota.

Me lo tomé de buen humor, porque veía que matemáticamente tenía sentido, si uno lo escribía "bien".

No recuerdo si usó un argumento "de hechicería física", pero como me dí cuenta que eso matemáticamente se podía escribir correctamente, me quedé tranquilo.

Hay veces que algunas manipulaciones son correctas,
si uno las mira "con cariño".

Por supuesto que no está de más discutirlas, y este topic es el mejor lugar para hacerlo.


27 Noviembre, 2011, 09:19 am
Respuesta #36

Jabato

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Vamos a ver si soy capaz de llevar el debate al asunto que me preocupa, porque hasta ahora no parece que eso sea así. Consideremos las integrales curvilineas, de superficie y de volumen de una función que en principio puede ser escalar ó vectorial (por simplicidad en la exposición y porque en fisica no suele ser habitual otra cosa consideraré un espacio \( \mathbb R^3 \), aunque todo esto es creo generalizable a espacios de cualquier dimensión):

\( \displaystyle\oint_{\gamma}{}F(x,y,z)ds \)            \( \displaystyle\iint_{\sigma}{}F(x,y,z)da \)            \( \displaystyle\iiint_{\tau}{}F(x,y,z)d\tau \)

Y admitamos que se dan las condiciones adecuadas para que dichas integrales pueden resolverse usando los métodos más formales de la ortodoxia matemática.

Y ahora me planteo las preguntas que me interesa resolver.

¿Puedo resolver estas integrales usando la técnica antes descrita de partir el dominio en partes de diámetro cada vez menor y realizar las sumas de los elementos considerados y en el proceso de paso al límite esperar obtener un resultado correcto, es decir un resultado coincidente con el que obtendríamos al aplicar el método ortodoxo?

En el caso de que la pregunta no tenga una respuesta claramente afirmativa:

¿Cuales serían las condiciones que deberían cumplirse para que dicho método nos condujera al valor correcto? Es claro y notorio que dicho método conduce al valor correcto muy frecuentemente, aunque claro está que podría ocurrir que dicho resultado no estuviera garantizado en todos los casos en que la matemática sí es capaz de devolvernos un valor para dichas integrales.

Yo creo que ambas preguntas tienen su respuesta, lo cual no quiere decir que sea fácil responderlas, pero si conseguimos hacerlo habremos dado un paso de gigante para dar una definición precisa de lo que son los "elementos diferenciales" con los que se trabaja en las ingenierías y otras ciencias aplicadas. Cuestiones que deberían ser el objeto de este debate, salvo que yo ande muy desorientado, que también podría ser.

En el caso de que la respuesta a la primera pregunta fuera afirmativa entonces existe una interpretación geométrica muy clara para los componentes de la integral representados por \( ds,\ da,\ d\tau \), ya que dichos símbolos representan lisa y llanamente a la medida de una cualquiera de las partes en que queda dividido el dominio de integración. Los símbolos de integración en cada caso hacen solo referencia al hecho del sumatorio y el paso al límite que debe realizarse para obtener el resultado final, de forma que existiría una interpretación independiente de los elementos de longitud \( ds \), de superficie \( da \) y de volumen \( d\tau \), utilizados en la expresión de la integral. Primer paso fundamental, sin duda, para llegar a concretar lo que son los "elementos diferenciales".

Saludos, Jabato. ;D

27 Noviembre, 2011, 02:04 pm
Respuesta #37

feriva

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Una vez un profesor de física que tuve metió en una integral algo como esto:

\(  \int (algo) d(\sqrt{u^2+v^2})  \).

No recuerdo los detalles, sólo me acuerdo la anécdota.

Me lo tomé de buen humor, porque veía que matemáticamente tenía sentido, si uno lo escribía "bien".


Claro; esas cosas las hacía yo también cuando estudiaba integrales  :laugh:
Como para mí era una afición y no soñaba con terminar la carrera, perdí más tiempo buscando algo así como un método general de de integración que en hacer ejercicios (y no conseguí encontrar nada, como es de suponer).
 Ese profesor lo que seguramente hizo fue un cambio de variable

 Dada la integral de una función \( f(x) \), entonces, con un cambio de

variable, \( g(x)=t \) (donde "g" es una función que, con alguna o algunas

otras, compone a \( f(x) \), tendremos \( dt=h(x) \), de donde

podemos escribir la integral de varias formas, incluso poniendo \( f(x)  \)

en función de "t" y de "x" y "dt" en función de "x", combinando variables. Es

sólo una forma de escribirlo, claro que tiene sentido (pero recuerdo que no

servía para nada, no servía para lograr ningún método de resolución más corto, por lo menos en mi caso nunca lo conseguía ).

Saludos. 

27 Noviembre, 2011, 02:05 pm
Respuesta #38

Carlos Ivorra

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Una vez un profesor de física que tuve metió en una integral algo como esto:

\(  \int (algo) d(\sqrt{u^2+v^2})  \).

No recuerdo los detalles, sólo me acuerdo la anécdota.

El caso es que, si entendemos que \( u \) y \( v \) son funciones de \( t \) derivables y que no se anulan simultáneamente, esa expresión es perfectamente válida y rigurosa si la entendemos en términos de formas diferenciales. De hecho (a falta de precisar "algo" y el dominio de integración):

\( \displaystyle  \int (algo) d(\sqrt{u^2+v^2}) =  \int (algo) (\frac{u}{\sqrt{u^2+v^2}}\,du+\frac{v}{\sqrt{u^2+v^2}}\,dv) \)

\( \displaystyle= \int (algo) (\frac{u(t)}{\sqrt{u(t)^2+v(t)^2}}\,u'(t)\,dt+\int (algo) (\frac{v(t)}{\sqrt{u(t)^2+v(t)^2}}\,v'(t)\,dt \),

donde cada integral es una integral bien definida de una forma diferencial bien definida, y todas las manipulaciones son aplicaciones legítimas de las propiedades de las formas diferenciales y sus integrales. Otra cosa es que tu profesor supiera eso.

Me lo tomé de buen humor, porque veía que matemáticamente tenía sentido, si uno lo escribía "bien".

No recuerdo si usó un argumento "de hechicería física", pero como me dí cuenta que eso matemáticamente se podía escribir correctamente, me quedé tranquilo.

Hay veces que algunas manipulaciones son correctas,
si uno las mira "con cariño".

Claro. Yo te puedo demostrar ahora mismo la conjetura de Goldbach: Demostración: se cumple la conjetura de Goldbach. QED

Si mañana aparece alguien que da una demostración "más detallada" (y convincente), simplemente habrá "desarrollado mi demostración", como tú hiciste con la de tu profesor, pero, ¿quien demostró realmente el teorema, tu profesor o tú? ¿Puedo atribuirme el mérito de haber demostrado la conjetura de Goldbach por haber presentado una "prueba" con "algunas lagunas", o más bien no hay prueba que valga hasta que no se comprueban las lagunas?

Por supuesto que no está de más discutirlas, y este topic es el mejor lugar para hacerlo.

Voy a poner un ejemplo sencillo, aunque buscando bien se pueden encontrar otros más duros. Imaginemos que un físico quiere calcular el volumen de una esfera de centro el origen de coordenadas y radio \( R \), y para ello razona así: partimos la esfera en infinitas rodajas infinitesimales de espesor \( dx \). Cada una de ellas es "aproximadamente cilíndrica". Concretamente, la que está en la posición \( x \) se aproxima por un cilindro de radio \( \sqrt{R^2-x^2} \), luego la superficie de su base es \( \pi(R^2-x^2) \), luego el volumen de la rodaja es

\( dV=\pi(R^2-x^2)\,dx \)

Por consiguiente, el volumen de la esfera es

\( V=\displaystyle\int_{-R}^{R}\pi(R^2-x^2)\,dx=\frac 43\pi R^3 \)

Yo digo: ese razonamiento tiene una laguna fundamental, y es que no justifica por qué las rodajas de esfera se pueden aproximar por cilindros, cuando no son cilindros. Ciertamente, es fácil convertir ese argumento en un argumento riguroso usando para ello un resultado que no es trivial: el teorema de Fubini. En principio, para calcular el volumen de la esfera habría que divididir la esfera en cubitos pequeños y estudiar qué pasa, pero el teorema de Fubini te garantiza que puedes integrar primero respecto de \( dy \) y \( dz \) (con lo que te sale el área de un círculo de radio \( \sqrt{R^2-x^2} \)) y luego integrar respecto de \( x \), que es lo que hemos hecho.

La sociedad protectora de físicos dirá que eso son pejigueras de matemático, pues, al fin y al cabo, el físico con sus rodajas llega al resultado correcto, luego su método es bueno porque "funciona", y preocuparse por las puñeterías del matemático no es más que una pérdida de tiempo. Pero yo respondo lo siguiente:

Consideremos un lector cándido que se ve esa "demostración" del volumen de una esfera y se queda satisfecho con ella (sin preocuparse para nada de si es aplicable el teorema de Fubini). Entonces voy a calcularle a ese lector el área de una esfera por el mismo método: dividimos la esfera en rodajas de espesor infinitesimal y las aproximamos por cilindros. La superficie lateral de cada rodaja infinitesimal será el perímetro de la base: \( 2\pi\sqrt{R^2-x^2} \) multiplicado por la altura:

\( dS=2\pi \sqrt{R^2-x^2}\,dx \),

luego el área de la esfera es

\( \displaystyle S=2\pi \int_{-R}^R \sqrt{R^2-x^2}\,dx= \pi^2R^2 \)

¡Pero esto es mentira!, ya que el resultado correcto es, como todo el mundo sabe, \( 4\pi R^2 \).

La conclusión es que no se puede aproximar el área de una rodaja de esfera por el área del cilindro correspondiente, pero eso lo sabemos a posteriori, cuando vemos que no sale lo que tiene que salir. Si el cándido lector no supiera cuánto tiene que dar la superficie de la esfera, ¿tendría algún motivo para desconfiar de esta "demostración" que no lo obligara a desconfiar también de la demostración para el volumen?

Naturalmente, nadie encontrará nunca esta "demostración" en un libro de física serio, pero eso sólo significa que los libros "serios" enuncian resultados demostrables con rigor, si bien esto lo sabemos porque el libro en cuestión tiene fama de "serio" o porque nos ponemos a comprobar que lo que se "demuestra" en él se puede demostrar (sin comillas), pero no porque las "demostraciones" del libro lo justifiquen. A efectos prácticos, es lo mismo que los resultados aparezcan así "demostrados" o que aparezcan enunciados sin demostración (salvo por el hecho de que las "demostraciones" pueden dar ideas aprovechables para obtener demostraciones, claro, pero eso también lo hacen los libros serios mediante indicaciones o esbozos de prueba, con la ventaja de que dejan claro qué demuestran y qué dejan a cargo del lector, en lugar de aparentar que demuestran cuando no es así.)


27 Noviembre, 2011, 02:20 pm
Respuesta #39

Carlos Ivorra

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¿Puedo resolver estas integrales usando la técnica antes descrita de partir el dominio en partes de diámetro cada vez menor y realizar las sumas de los elementos considerados y en el proceso de paso al límite esperar obtener un resultado correcto, es decir un resultado coincidente con el que obtendríamos al aplicar el método ortodoxo?

El "método" del que hablas es la definición de integral de Riemann (y, con algunos tecnicismos adicionales, podría valer como descripción de la integral de Lebesgue), así que el "método" del que hablas no es una alternativa al "método ortodoxo", sino que no es ni más ni menos que "el método ortodoxo". La respuesta a tu pregunta es trivialmente afirmativa.

¿Cuales serían las condiciones que deberían cumplirse para que dicho método nos condujera al valor correcto? Es claro y notorio que dicho método conduce al valor correcto muy frecuentemente, aunque claro está que podría ocurrir que dicho resultado no estuviera garantizado en todos los casos en que la matemática sí es capaz de devolvernos un valor para dichas integrales.

Obviamente, hacen falta condiciones, pero todas ellas son razonables y bien conocidas (en el sentido de bien estudiadas). Si consideramos las integrales como integrales de Lebesgue, que son más cómodas de manejar en teoría, necesitas que el dominio de integración sea medible Lebesgue y que los integrandos sean funciones integrables Lebesgue en el dominio considerado, donde la clase de las funciones integrables Lebesgue es muy amplia. Si el dominio es compacto incluye a todas las funciones continuas y muchas más. Como ya te dije, incluso la función característica de los números racionales (o los irracionales) es integrable Lebesgue en cualquier intervalo acotado.

Yo creo que ambas preguntas tienen su respuesta, lo cual no quiere decir que sea fácil responderlas,

Como te digo, ambas son triviales (apoyándonos en la teoría de la medida, claro, para Lebesgue no fue trivial).

pero si conseguimos hacerlo habremos dado un paso de gigante para dar una definición precisa de lo que son los "elementos diferenciales" con los que se trabaja en las ingenierías y otras ciencias aplicadas.

No creo que estos hechos que citas ayuden en nada. De hecho, como ya te digo, ambos están resueltos.

En el caso de que la respuesta a la primera pregunta fuera afirmativa entonces existe una interpretación geométrica muy clara para los componentes de la integral representados por \( ds,\ da,\ d\tau \), ya que dichos símbolos representan lisa y llanamente a la medida de una cualquiera de las partes en que queda dividido el dominio de integración.

"Representan" en un sentido muy vago y carente de rigor lo que dices que representan, pues cada una de esas partes tiene en principio una medida distinta y, en cualquier caso, no justifican que escribas algo así como \( dx^2 = 2x\,dx \) ¿Cómo tendría que entenderse esta ecuación en términos de esas "partes"?

Los símbolos de integración en cada caso hacen solo referencia al hecho del sumatorio y el paso al límite que debe realizarse para obtener el resultado final, de forma que existiría una interpretación independiente de los elementos de longitud \( ds \), de superficie \( da \) y de volumen \( d\tau \), utilizados en la expresión de la integral.

Todo lo contrario: no existe una interpretación independiente (por el camino que señalas), pues esas "partes" sólo tienen interpretación como paso intermedio de un proceso que conduce a la integral. Una expresión como \( dx^2 = 2x\,dx \), así, sin ninguna integral a la vista, no tiene ninguna interpretación en el sentido que propones.