(911) - Derivación logarítmica y función poligamma (digamma)

Antes de empezar propiamente digamos qué es la letra digamma: en el alfabeto griego en el periodo arcaico existía la letra digamma Ϝ, ϝ (en $\LaTeX$ se puede poner como $\Gamma \hspace{ -3mm }\raise-.8ex\hbox{$\Gamma$}$). Esta letra, que representaba el sonido /w/, estaba presente varias veces en los primeros versos de la Iliada antes de que se perdiera el sonido y la letra:
Μῆνιν ἄϝειδε Θεὰ Πηληϊάδεω Ἀχιλῆος // οὐλομένην, ἣ μυρί᾽ Ἀχαιοῖς ἄλγε᾽ ἔθηκε, // πολλὰς δ᾽ ἰφθίμους ψυχὰς Ἄϝιδι προΐαψεν // ἡρώων, αὐτοὺς δὲ ἑλώρια τεῦχε κύνεσσιν // οἰωνοῖσί τε πᾶσι, Διὸς δ᾽ ἐτελείετο βουλή, // ἐξ οὗ δὴ τὰ πρῶτα διαστήτην ἐρίσαντε // Ἀτρεΐδης τε ϝάναξ ἀνδρῶν καὶ δῖος Ἀχιλλεύς.

La función digamma, inexplicablemente representada con la letra psi, $\psi(x)$, se define: $$ \psi(x) = \psi^{(0)}(x) \overset{\mathrm{def}}{=} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \ln\Gamma(x) = \frac{\Gamma^{(1)}(x)}{\Gamma(x)} $$ Mientras que la función poligamma se define como las sucesivas derivadas de la función digamma: $$ \psi^{(n)}(x) \overset{\mathrm{def}}{=} \frac{\mathrm{d}^{n+1}}{\mathrm{d}x^{n+1}} \ln\Gamma(x) = \frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}x^n} \psi(x) $$ Derivando recursivamente se obtiene que: $$\begin{array}{ cccc }
\psi^{(n)} : & \mathbb{R} & \longrightarrow & \mathbb{R}\\[1ex]
& x & \longmapsto & \displaystyle (-1)^{n+1}\!\!\int_0^\infty\!\! \frac{t^n e^{-x t}} {1-e^{-t}} \text{d}t
\end{array}$$ Muchas veces estas expresiones, de la derivación logarítmica, se usan para estudiar la variación de una variable o función con respecto al valor instantáneo, en especial cuando tienen un comportamiento exponencial o factorial incluso. Veamos algunos ejemplos en termodinámica: $$ \alpha_P \overset{\mathrm{def}}{=} \frac{\partial}{\partial T}\ln V(P,T,\cdots) \qquad \beta_V \overset{\mathrm{def}}{=} \frac{\partial}{\partial T}\ln P(V,T,\cdots) \qquad \kappa_T \overset{\mathrm{def}}{=} \frac{\partial}{\partial V}\ln P(V,T,\cdots) $$


Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.

(907) - Fórmulas de cuadratura de Newton-Cotes (Integración Numérica)

Las fórmulas de cuadratura de Newton-Cotes son un conjunto de expresiones para aproximar la integral numérica de una función dada.
Consideremos una función $f(x)\in\mathcal{C}\big([a,b]\big)$, es decir, una función continua en un intervalo genérico. Tomemos una sucesión de nodos equiespaciados (para simplificar): $$\Delta: a=x_0\leqslant x_1 \leqslant \cdots \leqslant x_i \leqslant \cdots \leqslant x_N \qquad x_i = a+\frac{b-a}{N}i \quad i=0,1,\cdots,N$$ Construyamos ahora el polinomio interpolador en los nodos ya definidos. El teorema de aproximación de Weierstrass nos afirma que hay una sucesión que polinomios que converge uniformente a cualquier función continua en el intervalo $[a,b]$ (en otros términos el conjunto de polinomios es denso en el conjunto de funciones continuas con la norma infinito). Esto nos permite acotar el error al aproximar una función por un suma ponderada de la función evaluada en los nudos: $$ \left| \int_a^b\! f(x)\;\mathrm{d}x - \int_a^b\! P_N(x)\;\mathrm{d}x \right| = \left| \int_a^b\! \big(f(x)-P_N(x)\big)\;\mathrm{d}x \right| \leqslant \int_a^b\! \big|f(x)-P_N(x)\big|\;\mathrm{d}x \leqslant \int_a^b \|f-P_N\|_\infty \;\mathrm{d}x = \|f-P_N\|_\infty (b-a) \leqslant \varepsilon\,(b-a) $$ El polinomio interpolador de Lagrange se puede escribir de la forma $$ P_N(x) = \sum_{i=0}^N f(x_i) \ell_i(x) \implies \int_a^b\! P_N(x)\;\mathrm{d}x = \int_a^b\! \sum_{i=0}^N f(x_i) \ell_i(x) \;\mathrm{d}x = \sum_{i=0}^N f(x_i) \int_a^b \ell_i(x) \;\mathrm{d}x = \sum_{i=0}^N \omega_i f(x_i) $$ Donde se satisface que: $$ \omega_i = \int_a^b\! \ell_i(x) \;\mathrm{d}x \qquad \sum_{i=0}^N \omega_i = b-a $$ La regla del trapecio ($N=1$), de Simpson $1/3$ ($N=2$), de Simpson $3/8$ ($N=4$), y de Boole ($N=5$) son ejemplos de fórmulas de cuadraturas de Newton-Cotes tomando los extremos del intervalo. Si en cambio no se toman los extremos como nodos de interpolación se tiene la regla del rectángulo/punto medio ($N=2$), la del trapecio ($N=3$) o la de Milne ($N=4$).
De hecho hay una familia de fórmulas de cuadraturas que por su similitud se podrían considerar también de Newton-Cotes como la regla adaptativa de Simpson ($N=4$), la de Hardy ($N=6$), la de Weedle ($N=6$), la de Shovelton ($N=10$), las dos de Woolhouse ($N=10,28$), o la de Durand para un $N$ genérico.


Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.

(887) - Trigonometría elíptica de Jacobi

¿Alguien se ha preguntado el lector por qué cuando se ve el péndulo simple en bachillerato, siempre se aproxima, nunca dando su solución exacta, aun siendo un problema ideal? Esto a veces ocurre hasta en los cursos inferiores de universidad. El problema no es que no tenga una solución analítica cerrada, sino que la introducción matemática previa para poder comprenderlo, es demasiado a veces.

En física hay ciertas ecuaciones diferenciales cuyas soluciones hacen necesario emplear una familia de funciones: las funciones elípticas de Jacobi. Algunos de estos casos son el péndulo simple (como ya hemos comentado), el oscilador de Duffing, o la solución de la I Ley de Kepler en Relatividad general.

Esta familia de funciones puede ser muy laboriosa y engorrosa de trabajar y lidiar con ellas, ya que son funciones univariables que se definen en función de un parámetro a través de integrales. Algunas se definen simplemente como la inversa de otra, añadiendo otro grado de dificultad en algunos puntos.

Ecuación diferencial y solución para el ángulo de un péndulo simple: $$ \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}t^2} \theta(t) + {\omega_0}^2 \sin\!\big(\theta(t)\big) = 0 \implies \theta(t) = 2\operatorname{am}\!\left( \frac{\sqrt{2+c_1\,}}{2}(\omega_0t+c_2) \Big| \frac{4}{2+c_1} \right) $$ Las funciones elípticas de Jacobi se definen como un conjunto de funciones integrales paramétricas: Veamos algunos ejemplos de cómo varían según este parámetro: $$ \lim_{m\to 0} \operatorname{sn}(u|m) = \sin(u) \qquad \lim_{m\to 1} \operatorname{sn}(u|m) = \operatorname{tgh}(u) $$ $$ \lim_{m\to 0} \operatorname{cn}(u|m) = \cos(u) \qquad \lim_{m\to 1} \operatorname{cn}(u|m) = \frac{1}{\cosh(u)} $$ $$ \lim_{m\to 0} \operatorname{dn}(u|m) = 1 \qquad \lim_{m\to 1} \operatorname{dn}(u|m) = \frac{1}{\cosh(u)} $$ $$ \lim_{m\to 0} \operatorname{am}(u|m) = u \qquad \lim_{m\to 1} \operatorname{am}(u|m) = \operatorname{gd}(u) $$ Donde $\operatorname{gd}(u)$ es la función gundermaniana, definida como $$ \operatorname{gd}(u) \overset{\mathrm{def}}{=} \int_0^u \frac{1}{\cosh(t)}\;\mathrm{d}t = \arctan\!\big(\sinh(u)\big) $$


Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.

(883) - Una de las joyas de la corona de la geometría moderna. Simedianas

Consideremos un triángulo cualquiera de vértices A, B, C. Dibujemos el punto medio de cada pareja de vértices A’, B’, C’. Unamos cada vértice con el punto medio del lado opuesto. A este segmento de recta se lo conoce como mediana.

Volvamos ahora a nuestro triángulo original, y dibujemos en cada vértice la bisectriz, es decir, la recta que subdivide el ángulo en dos subángulos iguales.

Ahora tenemos dos segmentos que pasan por cada vértice. En cada uno de los vértices, reflejemos cada mediana por su bisectriz, es decir, trazar la imagen especular de la mediana la situar un espejo en la bisectriz. Este segmento de recta se le conoce como simediana (en inglés symmedian de symmetric median – mediana simétrica por su construcción). La simediana tiene una importante propiedad: forma con su bisectriz el mismo ángulo que la bisectriz forma con la mediana, dicho de otro modo, la bisectriz del par mediana-simediana es la misma que la del vértice en el que parten.

Sabemos que las bisectrices se cortan en un punto llamado incentro (centro de la circunferencia circunscrita al triángulo - X(1) en la enciclopedia de centros de triángulos), y las medianas en el centroide (el centro de masa al colocar masas idénticas en los vértices - X(4) en la enciclopedia de centros de triángulos). Las tres simedianas de un triángulo también se cortan en un punto: el punto de Lemoine-Grebe o el punto simediano (el X(6) en la enciclopedia de centros de triángulos).

Esta construcción que en principio parece tan arbitraria tiene su por qué: Tanto la mediana, la bisectriz, o la simediana son cevianas, ternas de rectas o de segmentos de rectas que pasan por los vértices de un triángulo y algún punto del lado opuesto. A los pares de rectas reflejados respecto a la bisectriz se los llama conjugados isogonales (nótese que la bisectriz es su conjugada reflejada isogonal). Además, esta propiedad además de ser la mediana una ceviana hace que la simediana herede propiedades muy buenas y deseables. Por ejemplo, un teorema nos dice que si tres cevianas se cortan en un punto, sendas tres conjugadas isogonales también se cortan en un punto.

Las rectas a rayas son las medianas, las punteadas son las bisectrices, y las rayadas-punteadas son las simedianas. En magenta el centroide, en cian el incentro, y en amarillo el punto de Lemoine-Grebe.

Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.

(881) - ¿Cuál es la altura máxima de una montaña de arena?

Supongamos que estamos en el campo o en la playa, y empezamos a hacer un montículo de arena. A todos nos ha pasado que, sobre todo cuando la arena está más seca, al verter arena esta se desliza por la pendiente aumentando la base de la montaña de arena, pero no su altura.

Dado un radio $r$ de la montaña de arena, ¿cuál es la altura máxima que puede tener? La respuesta está en la física. Hay que considerar que cada grano de arena de masa $m$ en la pendiente de ángulo $\theta$ sufre una fuerza (gravedad) que lo empuja pendiente abajo. Esta fuerza es $mg\sin\theta$ . Sin embargo, al estar en contacto con la propia pendiente de arena, hay una fuerza de fricción que se resiste al movimiento, de magnitud $\mu mg\cos\theta$ , donde $\mu$ es el coeficiente de fricción. El ángulo crítico donde esto ocurre es cuando cada grano de arena está en equilibrio estático, es decir, cuando ambas son iguales, $mg\sin\theta_\text{crit} = \mu_S mg\cos\theta$ , por lo que $\mu_S = \tan\theta_\text{crit}$ , donde $\mu_S$ es el coeficiente de fricción estática.

Por pura trigonometría, la reñación entre el ángulo, la altura $h$ y el radio $r$ viene dado por: $$ \mu_S = \tan\theta_\text{crit} = \frac{h}{r} \implies h = \mu_S\, r $$ Es decir, la altura máxima es directamente proporcional al radio.

Lo que implica un volumen de: $$ V = \frac{1}{3}\pi\mu_S\, r^3 $$ Y un área de: $$ A = \pi r^2 \left( 1+\sqrt{1+{\mu_S}^2\;}\; \right) $$ Donde se puede aproximar según los valores de $\mu_S$ $$ A = \pi r^2 \left( 2+\frac{{\mu_S}^2}{2}+\cdots \right) \qquad \mu_S\to0 \\ A = \pi r^2 ( 1+\mu_S + \cdots ) \qquad \mu_S\to\infty $$ El límite $\mu_S\to0$ corresponde a donde todo grano de arena se cae y la montaña son dos círculos puestos uno encima de otro (altura y volumen $0$), mientras que el límite $\mu_S\to\infty$ corresponde a que la fricción es tal que ningún grano de arena cae, y la montaña es un cilindro infinito.


Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.

(877) - La Identidad de Euler con funciones integrales

La última vez veíamos la identidad de Euler con cuaterniones. Veámosla hoy con funciones integrales. Primero recordemos cómo es en su forma usual. $$ e^{\pi\mathrm{í}}+1=0 \qquad e^{\mathrm{í}\theta}=\cos\theta + \mathrm{í}\sin\theta \qquad e^z = e^{\Re(z)}\Big(\cos\big(\Im(z)\big)+\mathrm{í}\sin\big(\Im(z)\big)\Big) $$ Tomemos esta versión para poder trabajar $$ e^{-\mathrm{í}t}=\cos t - \mathrm{í}\sin t $$ Dividamos ahora entre el argumento e integremos en el intervalo $[z,\infty)$ tal que: $$ \int_z^\infty \frac{e^{\mathrm{í}t}}{\mathrm{í}t} \mathrm{í}\;\mathrm{d}t = \int_z^\infty \frac{\cos t}{t} \;\mathrm{d}t + \mathrm{í} \int_z^\infty -\frac{\sin t}{t} \;\mathrm{d}t $$ Ahora haciendo un pequeño cambio de variable: $$ \int_{\mathrm{í}z}^\infty \frac{e^{-s}}{s} \;\mathrm{d}s = \int_z^\infty \frac{\cos t}{t} \;\mathrm{d}t + \mathrm{í} \int_z^\infty -\frac{\sin t}{t} \;\mathrm{d}t $$ Por lo que se tiene la Identidad de Euler: $$ \operatorname{E}_1(\mathrm{í}z) = -\operatorname{ci}(z) + \mathrm{í} \operatorname{si}(z) $$ Donde se tienen que: $$ \operatorname{E}_1(z)\overset{\mathrm{def}}{=} \int_z^\infty \frac{e^{-t}}{t} \;\mathrm{d}t \qquad \operatorname{ci}(z)\overset{\mathrm{def}}{=} -\int_z^\infty \frac{\cos t}{t} \;\mathrm{d}t \qquad \operatorname{si}(z)\overset{\mathrm{def}}{=} -\int_z^\infty \frac{\sin t}{t} \;\mathrm{d}t$$
Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.

(863) - La Identidad de Euler con cuaterniones

Creo que todo el mundo es familiar con la idendidad de Euler en algunas de sus formas: $$ e^{\pi\mathrm{í}}+1=0 \qquad e^{\mathrm{í}\theta}=\cos\theta + \mathrm{í}\sin\theta \qquad e^z = e^{\Re(z)}\Big(\cos\big(\Im(z)\big)+\mathrm{í}\sin\big(\Im(z)\big)\Big) $$ Hace poco encontré cómo expresarla para cuaterniones. Los cuateriones se deben a Sir William Rowan Hamilton ($1805-1865$), también el padre de la mecánica hamiltoniana. Los orígenes de los cuaterniones y su evolución al álgebra y cálculo vectorial se contará en otro momento. Veamos cómo los podemos expresar. $$ q\in\mathbb{H} \qquad q = a + b \mathrm{í} + c \mathrm{j} + d \mathrm{k} \qquad (a,b,c,d)\in\mathbb{R}^4$$ Además satisfacen la curiosa relación multiplicatica (al ser no conmutativos) $$ \mathrm{íj} = -\mathrm{jí} = \mathrm{k} \qquad \mathrm{ík} = -\mathrm{kí} = -\mathrm{j} \qquad \mathrm{jk} = -\mathrm{kj} = \mathrm{í} $$ Donde $$ \mathrm{í}^2 = \mathrm{j}^2 = \mathrm{k}^2 = -1 $$ Ahora si definimos lo siguiente se tiene que: $$ \beta = \sqrt{b^2+c^2+d^2\;} \qquad \textbf{i} = \frac{b \mathrm{í} + c \mathrm{j} + d \mathrm{k}}{\beta} = \frac{b \mathrm{í} + c \mathrm{j} + d \mathrm{k}}{\sqrt{b^2+c^2+d^2\;}} \implies q = a + \beta\,\textbf{i} $$ Donde $\textbf{i}$ funciona como si fuese la $\mathrm{í}\in\mathbb{C}$ , es decir, $\textbf{i}^2=-1$ . Entonces se tiene: $$ e^q = e^{a+\beta\,\textbf{i}} = e^a (\cos\beta + \textbf{i}\sin\beta) = e^a \left(\cos\sqrt{b^2+c^2+d^2\;} + \frac{b \mathrm{í} + c \mathrm{j} + d \mathrm{k}}{\sqrt{b^2+c^2+d^2\;}}\sin\sqrt{b^2+c^2+d^2\;}\right)$$ Sin embargo, dado $q = a + b \mathrm{í} + c \mathrm{j} + d \mathrm{k}$ Hamilton llamaba $a$ la parte escalar y el resto como la parte vectorial (de ahí el nombre y orgien que ya veremos). Por lo que puede ser útil reescribir como: $$ q = a + \vec{B}\cdot\vec{\imath} \qquad \vec{B} = \Im(q) = (b,c,d)\in\mathbb{R}^3 \qquad \vec{\imath} = (\mathrm{í},\mathrm{j},\mathrm{k}) \qquad (\vec{B}\cdot\vec{\imath})^2 = B^2 \imath^2 = - B^2 $$ Simplemente ahora se tiene que: $$ e^q = e^{a+\vec{B}\cdot\vec{\imath}} = e^a \left(\cos B + \frac{\vec{B}\cdot\vec{\imath}}{B}\sin B\right)$$ Estas identidades nos permiten escribir algunas curiosas: $$ \mathrm{í}^\mathrm{í} = \mathrm{j}^\mathrm{j} = \mathrm{k}^\mathrm{k} = e^{-\frac{\pi}{2}} \qquad \mathrm{í}^\mathrm{j} = \mathrm{k} $$


Autor: Đɑvɪẟ Ƒernández-De la Cruʒ.