(937) - Notación de Landau ampliada

Veamos algunos ejemplos de notación de las llamadas O:

Denotamos $f(x)\in{\scriptsize \mathcal{O}}\big(g(x)\big)$ cuando $x\to a$ si existe $M>0$ para $|x-a|<\delta$ tal que $|f(x)|\lneq M g(x)$ o con su definición de límites, $\displaystyle \lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=0$

Denotamos $f(x)\in\mathcal{O}\big(g(x)\big)$ cuando $x\to a$ si existe $M>0$ para $|x-a|<\delta$ tal que $|f(x)|\leqslant M g(x)$ o con su definición de límites, $\displaystyle \limsup_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}<\infty$

Denotamos $f(x)\in\omega\big(g(x)\big)$ cuando $x\to a$ si existe $M>0$ para $|x-a|<\delta$ tal que $f(x)> M g(x)$ ocon su definición de límites, $\displaystyle \lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\infty$.

Denotamos $f(x)\in\Omega\big(g(x)\big)$ cuando $x\to a$ si existe $M>0$ para $|x-a|<\delta$ tal que $|f(x)|\geqslant M g(x)$ ocon su definición de límites, $\displaystyle \limsup_{x\to a}\left|\frac{f(x)}{g(x)}\right|>0$, es decir, si $f(x)\not\in{\scriptsize \mathcal{O}}\big(g(x)\big)$.

Denotamos $f(x)\in\Omega_{+}\big(g(x)\big)$ cuando $x\to a$ con su definición de límites, $\displaystyle \limsup_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}>0$.

Denotamos $f(x)\in\Omega_{-}\big(g(x)\big)$ cuando $x\to a$ con su definición de límites, $\displaystyle \liminf_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}<0$.

Denotamos $f(x)\in\Theta\big(g(x)\big)$ cuando $x\to a$ si existe $M_1,M_2>0$ para $|x-a|<\delta$ tal que $M_1g(x)\leqslant|f(x)|\leqslant M_2g(x)$ o con su definición de límites, $\displaystyle \liminf_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}>0 \quad \limsup_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}<\infty$

Denotamos $f(x)\sim g(x)$ cuando $x\to a$ si existe $\varepsilon>0$ para $|x-a|<\delta$ tal que $\displaystyle \left|1-\frac{f(x)}{g(x)}\right|<\varepsilon$ o con su definición de límites, $\displaystyle \lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=1$

También equiste la notación con virgulilla, por ejemplo $f(x)\in\tilde{\mathcal{O}}\big(g(x)\big)$, que que significa que existe $k\in\mathbb{N}$ tal que $f(x)\in\mathcal{O}\Big(g(x)\ln^k\!\big(g(x)\big)\Big)$


Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.

(929) - Todo es una aproximación lineal - Relatividad y polinomios de Taylor

La gran mayoría de los problemas tanto en matemáticas como en física no son problemas lineales. Un claro ejemplo es el péndulo simple, cuya solución hace falta de funciones elípticas. Es más, el problema del péndulo doble tiene una solución analítica, pero no cerrada (es decir, la solución es diferenciable en un punto con su serie convergendiendo a ella, pero no se puede expresar como una combinación finita de otras funciones bien definidas). Sin embargo, la existencia de puntos de equilibrio, nos dice que hay soluciones constantes bajo ciertas condiciones iniciales, lo que nos permite estudiar una muy buena aproximación: como las pequeñas oscilaciones o perturbaciones en torno a un punto de equilibrio. Volviendo al ejemplo del péndulo simple: $$ \ddot{\theta}+{\omega_0}^2\sin\theta=0 \implies \theta(t)\approx\theta_\mathrm{eq}+\delta\theta(t) = \begin{cases} \displaystyle \theta_0\cos(\omega_0t)+\frac{\dot{\theta}_0}{\omega_0}\sin(\omega_0t) & \theta_\mathrm{eq}=0 \\ \displaystyle \pm\pi + (\theta_0\mp\pi)\cosh(\omega_0t)+\frac{\dot{\theta}_0}{\omega_0}\sinh(\omega_0t) & \theta_\mathrm{eq}=\pm\pi \end{cases}$$ Este tipo de aproximaciones también se pueden ver en la relación entre mecánica clásica y relatividad. Muchas de las fórmulas de mecánica clásica, por ejemplo para el momento lineal o la energía cinética son en realidad las aproximaciones de Taylor a primer orden del momento lineal relativista y de la energía relativista. $$ \vec{p} = \gamma m_0 \vec{v} \implies T_1(\vec{p},0)(\vec{v}) = \underbrace{m_0\vec{v}}_\text{Momento lineal clásico} + \underbrace{\mathcal{O}\big(v^3\big)}_\text{Correcciones relativistas del momento lineal} \\ E^2 = (pc)^2 + {\big(m_0 c^2\big)}^2 \implies T_1(E,0)\big(v^2\big) = \underbrace{m_0 c^2}_\text{Energía interna} + \underbrace{\frac{1}{2}m_0 v^2}_\text{Energía cinética clásica} + \underbrace{\mathcal{O}(v^4)}_\text{Correcciones relativistas de la energía} $$
Otro ejemplo es el estudio de oscilaciones de un oscilador anarmónico, donde la energía potencial $U(x)$ viene dada por: $$ U(x) = \underbrace{U(x_\mathrm{eq}) + \frac{1}{2}m{\omega_0}^2(x-x_\mathrm{eq})^2}_\text{Términos armónicos} + \underbrace{\frac{1}{6}U^{(3)}(x_\mathrm{eq})\,(x-x_\mathrm{eq})^3+\frac{1}{24}U^{(4)}(x_\mathrm{eq})\,(x-x_\mathrm{eq})^4+\cdots}_\text{Términos estrictamente anarmónicos}$$ Otros ejemplos serían las leyes de Boyle-Mariotte, Charles y Gay-Lussac, o en el caso más general la ley de los gases ideales son en realidad aproximaciones asintóticas del comportamiento de un gas real.
Muchas veces no pensamos que realmente son aproximaciones de otras fórmulas, pero las tenemos tan interiorizadas y funcionan tan bien que uno ni se lo plantea. Muchas veces en física a la hora de estudiar un suceso no nos importa su comportamiento global o en todo momento, ya que puede entrañar mucha dificultad, sino lo que hacemos es estudiar su comportamiento asintótico en puntos concretos como en el infinito o puntos de equilibrio. Con esto no obtenemos una solución exacta, sino una aproximación local a la solución que nos permite estudiar el problema en un entorno y dar sucesivas aproximaciones. Muchas veces las aproximaciones se utilizan por conveniencia, ya que unos términos dominan sobre otras al ser varios órdenes de magnitud mayores.
Hace relativamente poco recuerdo que un profesor nos contó que realmente en física los distintos fenómenos y sucesos no son independientes ni aislados, sino que se dan muchas veces varios a la vez, pero estudiamos cada uno en una región donde predominan sobre el resto para enterder bien su comportamiento. Esto es lo que hacemos muchas veces: estudiar el comportamiento local para intentar entender mejor el general al descomponerlo.


Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.