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sábado, 2 de enero de 2021

Happiness

 

There are infinitely many objects and situations that make us to feel better, the life is as complicated as a mathematical millennium problem and any small thing that can help us is really appreciated. “The cosmos is within us, we are made of star-stuff, we are the way for the universe to know itself” [i] thus, since the beginning, the mankind has wondered about its purpose in this world and developed a lot of instruments to improve its residence in it, but it´s very easy to get lost in the little universe of superficial tools and the searching for that purpose is contracted to the basic thought of having it all. We are usually looking outside these precious things that we always have inside.



If you have the CR7 tennis, you will be able to play soccer like him. If you drink a glass of that carbonated soft soda, you will be the happiest person in the world. These might be common ideas in many advertisements in last years, although the object itself doesn´t contain the happiness (or the ability), it’s related to the perception which we create in our brain when we experiment some situation, with some objects, that makes it the source of a smile. Our mind is a powerful tool, it can make a heaven of hell or a hell of heaven, thus the happiness will depend on the things that are happening in our minds and perspectives that we have built. That’s the deep way of getting real love, contentment, gratitude, joy, optimism, excitement and pride, with a real knowledge of ourselves and sometimes it’s named spirituality. There is a viral video on the internet of a man who couldn’t turn on his car for going to work, so he took a skateboard and was riding it to the job, drinking a juice and singing an old song, that was enough to become the world’s king. Whatever can happen will happen says the Murphy’s law, but If the damage in the car hadn’t happened, probably it would have been really boring like an usual day and the good internal vibes of the man wouldn’t have left.

 

We are here for living and experiment a lot of things, and our mind is the mechanism that we have for doing that, although sometimes it seems like to be against us. There exists a vast universe inside us that we can explore and try to understand to explore and live in a better way in the vast exterior around us. I think that’s the key of actual happiness like individuals and essential parts of the society which are constructing a better future and new purposes.

[i] Quote by Carl Sagan

martes, 15 de agosto de 2017

El quehacer del profesor en el aula de clase

Fue hace algunos años cuando llegaba a mi primer día de clase en la universidad y en el ambiente se sentía mi miedo hacia lo desconocido. Llegué con mis compañeros que acababa de conocer al salón de clases, tome un lugar y en ese momento apareció con muchas canas y un curioso saco el profesor Jesús Hernando Perez (Pelusa),  él hizo un dibujo en el tablero de varios conjuntos y mi miedo se hacia más fuerte con cada uno de ellos pero cuando Pelusa comenzó a hablar el miedo que sentía desapareció y me embargó una gran emoción. 

Desde aquel momento comprendí que la labor principal del profesor en el aula de clase es llevar a sus estudiantes en la dirección correcta por medio de la temática propuesta, no sólo para que puedan pasar el examen final, sino para que aprendan y practiquen procedimientos y técnicas para la vida misma. Así fue como quise, algún día, ser como Pelusa y guiar a mis estudiantes en eso desconocido para ellos. Recientemente, algunos estudiantes me han hecho la siguiente pregunta: ¿Para qué sirven las matemáticas en mi vida? A lo que les he contestado: para todo. Las matemáticas están presentes en todo nuestro entorno y en todo lo que hacemos a diario, en nuestro universo (en principio $\mathbb{R}^{3}$) y en todas las formas que en este espacio están, cuando compramos media libra de carne que es casi $\frac{1}{4}$ de kilo de carne, etc. Esa concienciación es una de las cosas mas valiosas e importantes que hacemos en el salón de clase y que trascienden a él.   

En este proceso de enseñanza, profesor y estudiante aprenden el uno del otro, el profesor innova todo su conocimiento y aprende de las ideas y de la fuerza de voluntad del estudiante y el estudiante recibe toda la experiencia y sabiduría del profesor. Es por eso que es mucho mas valioso un profesor que durante 15 años innova en los temas que enseña y en la forma en que los enseña que un profesor que durante 15 años enseña los mismos temas de la misma forma. Nuestros procesos de aprendizaje nunca paran y precisamos tener la mente abierta y mucha fortaleza para continuar, "Ser Más Para Servir Mejor'' (Frase de San Ignacio de Loyola).

lunes, 25 de mayo de 2015

Introduction to Heat Equation on Manifolds

Yovani Villanueva

Some people think that the universe is locally like a box ($\mathbb{R}^{3}$), but actually it's a little bit complicated than the usual interpretation. Our world is so beautiful and a lot of mysterious things belong to it, however, in the deeper space can exist weird forms that got another physical properties so we aren't able to see. Althougt our intuition doesn't work very well int his situation, we can use all that we know in this locally and understand the rest through the pretty properties that we have in our close space. Differential geometry have done this possible and considering these transformations, this chapter pretends to serve as an introduction to global analysis through the study of the heat equation.

The Laplacian

Let $(M,g)$ be a n-dimensional Riemannian manifold.

Exercise 1: Show that for all $p \in M$, $g_{p}$ induces an isomorphism $\phi_{g}: T_{p}M \to T^{*}_{p}M$. between the tangent and cotangent spaces at the point $p$.

We recall that the Riemannian metric $g$ is a family of inner products subindexed by $p \in M$,

\begin{equation}
g_{p}: T_{p}M \times T_{p}M \to \mathbb{R},
\end{equation}

such that in local coordinates $g_{p} \in C^{\infty}(M)$. Let $\phi_{g}(X): T_{p}M \to \mathbb{R}$ be the element of $T_{p}^{*}M$ that, for tangent vectors, returns the element

\begin{equation}
\phi_{g}(X)(Y):=g_{p}(X,Y).
\end{equation}

$\phi_{g}$ is an isomorphism because
  • If $\phi_{g}(X)=0$, $\phi_{g}(X)(X)=g_{p}(X,X)=0$, as the inner product has the property that $g_{p}(X,X)=0$ if and only if $X=0$, then $ker(\phi_{g})=0$ and $\phi_{g}$ is injective.
  • Dim($T_{p}M$)=Dim($T^{*}_{p}M$), so $\phi_{g}$ is surjective $\square$
Definition
We define the \textit{gradient} of $f \in C^{\infty}(M)$, $\nabla:C^\infty(M) \to \Gamma(TM)$ as

\begin{equation*}
\nabla (f):=(\phi_{g})^{-1}(df)
\end{equation*}

Let $U$ be an open subset of $\mathbb{R}^{n}$ and $\psi : U \rightarrow M$ a chart of the manifold M, $\psi = (x_{1}, \dots, x_{n})$. We define

\begin{equation*}
g_{ij}:=g \left( \frac{\partial}{\partial x_{i}},\frac{\partial}{\partial x_{j}} \right),
\end{equation*}

where $\{\frac{\partial}{\partial x_{i}}|_p \}_{i \in [n]}$ is the base of $T_{p}M$ associated to the chart $\psi$ $\square$

Exercise 2: Show that the matrix $(g_{ij})$ is invertible.

We take again the property $g_{p}(X,X)=0$ if and only if $X=0$. Then we infer
  • If $g(X,Y)=0$ for each $Y \in T_{p}M$ then $X=0$.
  • If $g(X,Y)=0$ for each $X \in T_{p}M$ then $Y=0$.
Therefore $g_{p}$ is a symmetric bilinear form and then $(g_{ij})$ is invertible $\square$

Exercise 3:  Deduce the following expression for the gradient in local coordinates

\begin{equation*}
\nabla(f)(x)=\sum_{j=1}^{n} \sum_{k=1}^{n} g^{jk}(x)\frac{\partial f}{\partial{x_{k}}}\frac{\partial}{\partial{x_{j}}}.
\end{equation*}

Let $X=\sum_{i=1}^{n}a_{i}(X)\frac{\partial}{\partial x_{i}}$ a derivation in local coordinates. The definition 1.1 can be expressed as  $g(\nabla (f), X)=(\phi_{g})(\nabla (f))(X)=df(X)=X(f)$.

To simplify notation we denote $\partial_{i}=\frac{\partial}{\partial x_{i}}$, and $(g^{ij})$ as the inverse matrix of $(g_{ij})$. So, by the bilinearity of the inner product for each $g_{ij}$

\begin{equation*}
X(f)=\sum_{i=1}^{n}a_{i}\partial_{i}f=\sum_{ijk} (g_{ij}g^{jk})a_{i}\partial_{k}f=g \left(X,\sum_{j=1}^{n} \sum_{k=1}^{n} (g^{jk}\partial_{k}f) \partial_{j}\right) \square
\end{equation*}

{\bf Exercise 4:} If we consider $\mathbb{R}^{n}$ as a Riemannian manifold with the usual inner product and given $f \in C^{\infty}(\mathbb{R}^{n})$, demostrate that $\nabla(f)=(\partial_{1}(f), \cdots,\partial_{n}(f))$.

Taking the canonical base of $\mathbb{R}^{n}$ ($T_{p}\mathbb{R}^{n} \simeq \mathbb{R}^{n}$) and the equation (3)

\begin{equation*}
\nabla(f)=\sum_{j=1}^{n} \sum_{k=1}^{n} \delta_{jk}\partial_{k} f \partial_{j}=\sum_{k=1}^{n}(\partial_{k}f) \partial_{k}=(\partial_{1}(f), \cdots,\partial_{n}(f)) \; \square
\end{equation*}

Exercise 5: Recall the definitions of volume form and Lie
derivatives of $p$--forms.

A \textit{volume form} is a no-where-vanishing differential n-form in $M$.

Definition

The \textit{inner product} of differential r-forms \cite{IC} is defined, according to \cite{IC}, by $i_{X}: \bigwedge^{r} T_{p}M^{*} \rightarrow \bigwedge^{r-1} T_{p}M^{*}$ such that

\begin{equation*}
i_{X}v (Y_{1},\dots, Y_{r-1}):= v(X, Y_{1},\dots, Y_{r-1})
\end{equation*}

\noindent and the Lie derivative is defined by

\begin{equation}
L_{X} := i_{X} \circ d + d \circ i_{X}
\end{equation}

Definition

We define the divergence of $X$ with respect to $\omega$ by the equation:

\begin{equation*}
L_X(\omega)=(div(X))\omega \; \square
\end{equation*}

Observe that $div(X) \in C^{\infty}(M)$.

Exercise 6: Prove that $(div X)\omega=d(i_X\omega )$.

Since $dw=0$ and applying this in the equation (2) we get

\begin{equation*}
L_{X}(w)=(i_{X} \circ d + d \circ i_{X})(w)=(i_{X} \circ d)(w) + (d \circ i_{X})(w)
\end{equation*}

\begin{equation*}
=i_{X}(dw) + d (i_{X}w)=i_{X}(0) + d (i_{X}w)=d (i_{X}w) \; \square
\end{equation*}

Definition

We say that the manifold M is orientable if there exists a covering $\{(U_{i}, \; \psi_{i})\}_{i\in I}$ of charts ($\phi_{i}:U_{i} \subseteq \mathbb{R}^{n} \rightarrow M$) such that the Jacobians of the transition maps $\psi_{i} \circ \psi_{j}^{-1}$ have positive determinants. This definition is equivalent to the existence of a volume form \cite{IC}.

Exercise 7: Let $\{ (U_{i}, \psi_{i}) \}_{i \in I}$ be a compatible charts covering, then the locally defined form $\omega:=\sqrt{det((g_{ij}))} \; dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_n$ is in fact a global form.

Let $(x_{1}, \dots, x_{n})=\psi_{i}:U \subseteq \mathbb{R}^{n} \rightarrow M$ and $(x^{'}_{1}, \dots, x^{'}_{n})=\psi_{j}:V \subseteq \mathbb{R}^{n} \rightarrow M$. If we take the following two volume forms $\omega_{1}:=\sqrt{det((g_{ij}))} \; dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_n$ and $\omega_{2}:=\sqrt{det((g^{'}_{ij}))} \; dx^{'}_1 \wedge \cdots \wedge dx^{'}_n$, then we need to proof that $\omega_{1}|_{U \cap V}=\omega_{2}|_{U \cap V}$.

Firstly, since $\partial_{i}=\sum_{k=1}^{n}\frac{\partial x^{'}_{k}}{\partial x_{i}} \frac{\partial }{\partial x^{'}_{k}}$ we have

\begin{equation*}
\sqrt{det((g_{ij}))}=\sqrt{det((g(\partial_{i},\partial_{j})))}=\sqrt{det\left( \left( \sum_{k,l=1}^{n}\frac{\partial x^{'}_{k}}{\partial x_{i}}\frac{\partial x^{'}_{l}}{\partial x_{j}} g\left( \partial^{'}_{k}, \partial^{'}_{l}\right) \right)\right)}
\end{equation*}

\begin{equation*}
=\sqrt{det\left( \left( \frac{\partial x^{'}_{k}}{\partial x_{i}} \right)^{T}  \left( \frac{\partial x^{'}_{l}}{\partial x_{j}}\right) (g(\partial^{'}_{k},\partial^{'}_{l}))  \right)} = det(J)\sqrt{det((g^{'}_{kl}))}
\end{equation*}

where $J=\left( \frac{\partial x^{'}_{k}}{\partial x_{i}} \right)$ is the derivative of the change of coordinates. Also, we can realise that $dx^{'}_{i}=\sum_{k=1}^{n}\frac{\partial x^{'}_{k}}{\partial x_{i}} dx_{k}$, so

\begin{equation*}
dx^{'}_1 \wedge \cdots \wedge dx^{'}_n = \sum_{j_{1},\dots,j_{n}} \frac{\partial x^{'}_{1}}{\partial x_{j_{1}}} \dots \frac{\partial x^{'}_{n}}{\partial x_{j_{n}}} dx_{j_1} \wedge \cdots \wedge dx_{j_n}
\end{equation*}

\begin{equation*}
= \sum_{j_{1} < j_{2} < \dots < j_{n}} \frac{\partial x^{'}_{1}}{\partial x_{j_{1}}} \dots \frac{\partial x^{'}_{n}}{\partial x_{j_{n}}} dx_{j_1} \wedge \cdots \wedge dx_{j_n} = det(J)dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_n
\end{equation*}

$\square$

Exercise 8: Suppose that $M$ is an oriented Riemaniann
manifold. Let $X$ be a vector field of $M$. If $X=\sum_{i=1}^n a_i(x) \partial_{i}$ in local coordinates, prove that

\begin{equation*}
div(X)=g^{-1/2} \partial_{j}(g^{1/2}).
\end{equation*}

Hint: Exercise 6 could help.


From \cite[Pag 150]{IC}

\begin{equation*}
(div(X))(w)=L_{X}(w)=d(i_{X}(w))=d(i_{X}(\sqrt{g} \; dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_n))
\end{equation*}

\begin{equation*}
=d \left( \sum_{j=1}^{n} (-1)^{j-1} a_{i}(x) \sqrt{g} \; dx_1 \wedge \cdots \wedge \widehat{dx_{j}} \wedge \dots \wedge dx_n \right)
\end{equation*}

\begin{equation*}
= \sum_{j=1}^{n} (-1)^{j-1} d(a_{i}(x) \sqrt{g}) \wedge dx_1 \wedge \cdots \wedge \widehat{dx_{j}} \wedge \dots \wedge dx_n
\end{equation*}

\begin{equation}
= \sum_{j=1}^{n} \frac{\partial (a_{i}(x) \sqrt{g})}{\partial x_{j}} \; dx_1 \wedge \cdots \wedge dx_n = \left( \frac{1}{\sqrt{g}} \sum_{j=1}^{n} \frac{\partial (a_{i}(x) \sqrt{g})}{\partial x_{j}} \right) (w)
\end{equation}

$\square$

Exercise 9: Consider $M:=\mathbb{R}^{n}$ as a Riemaniann manifold.

Show that $div(X)=\sum_{i=1}^n \partial_{i}(a_i(x))$.

Since $\sqrt{g}=\sqrt(det((\hat{g}_{ij})))=1$ choosing the canonical base of $\mathbb{R}^{n}$ with the usual inner product and orientation, the exercise 8 shows that

\begin{equation*}
div(X)=\sum_{j=1}^{n} \frac{\partial (a_{i}(x))}{\partial x_{j}}
\end{equation*}

Stokes's Theorem

If $M$ is an open and oriented manifold that has a smooth boundary $\partial M$, let $\phi$ a differential k-form in $M$ and $In:\partial M \rightarrow M$ the inclusion of the boundary to the manifold., then

\begin{equation}
\int _{M} d\phi = \int _{\partial M} IN^{*}\phi
\end{equation}

$\square$

Exercise 10: Use Stokes theorem to prove $\int_M (div X)\omega=\int i_X(\omega)$.

From the exercise 6, $(div(X))w=d(i_{X}w)$, the divergence is the exterior derivative of the form $w(X)$, therefore using the Stoke's theorem

\begin{equation*}
\int _{M} d(i_{x}w) = \int _{M} (div(X))w = \int _{\partial M} i_{x}w
\end{equation*}

$\square$


Exercise 11: Suppose that $(M,[\omega])$ is an oriented manifold with boundary. Prove that $\partial M$ has an orientation inherited
from the orientation of $M$.


Let $p \in \partial M$ an element of the boundary, we consider $T_{p}M$,the tangent space of the boundary at $p$, $T_{p}\partial M$, and  $E=\{N \in T_{p}M ; a^{n} \leq 0 \; and \;  \sum_{i=1}^{n-1}a^{i}\partial_{i} + a^{n}\partial_{n} = N \}$.

There exists an orientation of the boundary at $p$ defined as: $B^{'}=\{ e_{2},\dots,e_{n} \}$ is a positively oriented basis of $T_{p}\partial M$ if $B_{N}=\{ N, e_{2},\dots,e_{n} \}$ is positively oriented in $(T_{p}M, [w|_{p}])$ for each $N \in E$. This orientation is induced by $E$ and $[\omega]$.

This definition doesn't depend on either $B^{'}$ or $N$, if we take another basis $\hat{B}^{'}$ and $\hat{N} \in E$ then


\begin{equation*}
M_{B_{N}}^{\hat{B}_{\hat{N}}}=\left(
                                          \begin{array}{cc}
                                            a_{1} & 0 \cdots 0 \\
                                            a_{2} & \\
                                            \vdots & M_{B^{'}}^{\hat{B}^{'}} \\
                                            a_{n} & \\
                                          \end{array}
                                        \right)
\end{equation*}

where $a_{1}>0$. So $B_{N}$ has the same orientation of ${\hat{B}_{\hat{N}}}$ iff the orientations of ${B^{'}}$ and ${\hat{B}^{'}}$ are consistent.

Remark that

\begin{equation*}
i_{N}\omega|_{T_{p}\partial M}(e_{2}, \dots, e_{n})=\omega(N,e_{2},\dots,e_{n})>0 \; \forall N \in E
\end{equation*}

So $i_{N}\omega|_{T_{p}\partial M}$ is a volume element in $T_{p}\partial M$ and is consistent with the induced orientation. $\square$

The following exercises provide an interpretation of the
divergence on Riemannian manifolds.

Exercise 12: Suppose that $M$ is an oriented Riemannian
manifold with boundary. Show that if $\omega=dvol_g(x)$ is the
volume form defined in exercise 8, then for all $X\in \Gamma (TM)$
and $x \in
\partial M$

$i_X(\omega)(x)=g(X,n)(x) dvol(x),$

where $n$ is the unitary vector orthogonal to $T_x \partial M$
such that $n$ joined to any compatible oriented base of $T_x
\partial M$ conforms an compatible oriented base of $T_x M$.

Let $X^{'}=X-g(X,N)N \in \Gamma (TM)$, then

\begin{equation*}
i_{X}\omega=i_{X^{'}}\omega(v_{2}, \dots, v_{n})+g(X,N)i_{N}\omega (v_{2}, \dots, v_{n})
\end{equation*}

So $i_{N}\omega|_{\partial M} = dvol_{S}$. Let $\{ v_{2}, \dots v_{n} \}$ be vectors of $T_{p}\partial M$, then $\{X^{'}, v_{2}, \dots v_{n} \}$ aren't linearly independent and $(i_{X^{'}}\omega(v_{2}, \dots, v_{n}))=0$. $\square$

In the next exercises we will make use of the  following theory on
measure theory.

Definition

A family $\{ E_{r} \}_{r>0}$ of Borel subsets of $\mathbb{R}^{n}$ is said to \textit{shrink nicely} if


  • $E_{r} \subset B(r,x)$ for each r.
  • There is a constant $\alpha>0$, independent of r, such that $m(E_{r})>\alpha m(B(r,x))$.

Theorem

Let $f \in C^\infty(M)$. We will work in some coordinates $x_1,\cdots, x_n$ of an open $U \subset M$ diffeomorphic to $\mathbb{R}^n$. For
all $r>0$ we define the function $A_r(f)$ in $C^\infty(M)$ by:

$A_r(f)(x)=\frac{\int_{E_r}f(y)dvol_g(y)}{\int_{E_r} dvol_g(y)}$

where $E_r$ is a family that shrinks nicely to $x$.

Exercise 13: Let $X \in \Gamma (TM)$. Prove that $\lim_{r
\to 0} A_r(div_g(X)) =div_g(X)(x)$.

By the divergence theorem

\begin{equation*}
\int_{M}div(w)=\int_{\partial M} i^{*}w
\end{equation*}

Using the theorem 3.22 from \cite{GF}, as $div(X) \in L_{1}$ the result is reached.

$\square$

Definition

Now we define the Laplacian as:

\begin{equation}
\Delta_{g}f(x)=\lim_{\epsilon \rightarrow 0} \frac{\int_{B_{\epsilon}(x)} n \cdot \nabla f(g) \;\; dVol_{g}(y)}{Vol(B_{\epsilon}(x))}.
\end{equation}

Bibliography

  1. {IC}Chavel, I. Riemannian Geometry. Second Edition. 2006.
  2. {GF}Folland, G. Real analysis: modern techniques and their applications.  Ed. 2. Wiley Interscience. 1999. 
  3. {MS}Spivak, M. Calculus on Manifolds. Brandeis University. 1965.
  4. {FW}Warner, F. Foundations of Differentiable Manifolds and Lie Groups. University of Pennsylvania.

viernes, 15 de junio de 2012

Axiomatización de la Física Matemática



“Las investigaciones en los fundamentos de la geometría sugieren
el siguiente problema: Tratar de la misma manera, por medio de
axiomas, aquellas ciencias físicas en las que la matemática juegue
un papel importante: en primer lugar la teoría de probabilidades
y la mecánica".
David Hilbert

Los griegos fueron los que formalizaron el conocimiento y muchos avances técnicos de la antigüedad, es por esto que se les atribuyen todos estos logros  aunque en realidad ellos no hayan inventado o descubierto. El teorema de Pitágoras era conocido y utilizado mucho antes de que Pitágoras lo escribiera y demostrara, en el siglo $XIX$ se encontraron tablas con trinas pitagóricas en escritura cuneiforme (Mesopotamia); muchos enunciados que se encuentran en los “Elementos” de Euclides, tales como teoremas trigonométricos, constituyeron la base técnica de algunas de las edificaciones más reconocidas del mundo antiguo, como las pirámides, y de cálculos astronómicos. Si estos saberes no se hubieran precisado, probablemente se hubieran perdido en el tiempo y la humanidad no tendría los avances que tiene ahora, entre otros no existirían las geometrías hiperbólica y esférica, esta última donde se establece la relatividad general.

Es por eso que Hilbert estaba muy interesado en el problema de la axiomatización de la física matemática como un medio para la referencia y deducción de teorías del mismo modo que la geometría de Euclides sirve muchísimo para el desarrollo de la ciencia.

Sin embargo, los axiomas deben ser independientes ya que en otro caso uno de ellos ameritaría una demostración a partir de los otros sin la cual la teoría quedaría incompleta. El quinto postulado de Euclides, “por un punto exterior a una recta dada sólo cabe trazar una paralela”, se debatió durante dos milenios pues se creía que era resultado de los anteriores postulados; razonando por reducción al absurdo se verifico que el quinto postulado no es un teorema y que existen otras geometrías, como la de Lobachevsky y la de Riemann, donde el quinto postulado no se tiene.

Además de la independencia, surge una dificultad lógica en cualquier demostración, de la validez de las hipótesis y del valor de verdad del proceso que se hace para llegar a la tesis dependerá el éxito de la prueba, para verificar las hipótesis es necesario considerarlas como tesis, si se hiciera siempre sería un proceso infinito, o suponerlas como ciertas. Es por eso que se exige una serie de axiomas o pilares irrefutables de donde partir, pero estos axiomas no deben conducir a contradicciones. Por ejemplo, la paradoja de Russell aparece al considerar el axioma del esquema de comprensión en los axiomas de Zermelo-Fraenkel, pero con el axioma del esquema de separación se elimina la contradicción.

Por tales razones, Hilbert expone la necesidad de matematización en las ciencias porque todas caen bajo el método axiomático. Esto genera orientación y orden en los procesos subsiguientes y lo observamos en la historia de la física.

Galileo Galilei fue, históricamente, el primero en considerar expresiones matemáticas para describir los fenómenos físicos que observaba, pero el más reconocido es Isaac Newton, quien formalizó matemáticamente las leyes de movimiento de los cuerpos con velocidades pequeñas a partir de la masa, la posición, la velocidad y la aceleración, ayudado con su noción de límite. Con el mismo espíritu de Newton, Maxwell, Planck y muchos otros observaron su entorno, le dieron nombre a las características más importantes de los fenómenos y jugaron matemáticamente con ellas, tomando como axiomas lo más general.

Aunque estos resultados no son muy exactos, son una muy buena aproximación de las condiciones reales (se adaptan a los experimentos) y cabe resaltar, casi todo lo que hemos hecho hasta ahora se fundamenta en la mecánica clásica, la geometría euclidiana y los fundamentos de la electricidad. Por ejemplo el viaje del Apollo $XI$ a la luna se logró con la mecánica celeste producida por Newton (ley de gravitación universal), Euler, Lagrange y Poincare (problema de tres cuerpos restringido) aunque los cálculos no fueran muy exactos, de hecho está abierto el problema de los tres cuerpos visto desde la teoría de Newton por su complejidad.

Después llego la época “anti intuitiva” de la física donde el mundo dejo de ser el confiable $\mathbb{R}^{3}$ surgieron la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. La teoría cuántica surgió particularmente del experimento de la doble rendija donde se vio que las partículas de tamaño menor a $10^{-9}$ m no se comportaban como las de tamaño mayor (mecánica clásica). Entonces Heisenberg y Schrödinger tomaron sus teorías de matrices y de ondas y axiomatizaron la mecánica cuántica, ahora se está trabajando con geometría algebraica y grupos cuánticos booleanos:
  1. El estado de uno o más objetos cuánticos (sistema) se describe por los vectores de $V=\mathbb{C}^{n}$, un espacio con producto interno. El sistema cuántico más simple tiene el espacio $V=\mathbb{C}^{2}$ y es llamado qubit.
  2. La evolución del sistema se describe por operadores unitarios que actúan sobre el espacio de estados.
  3. Antes de efectuar la medición del estado del sistema no tenemos certeza del resultado, sólo las probabilidades de los posibles resultados.
  4. El espacio de estados de un sistema cuántico compuesto es el producto tensorial de los espacios de estados de sus componentes.
Uno de los más interesantes teoremas que se deducen de estos axiomas es que existen estados no factorizables en $\mathbb{C}^{4}$, lo que implica físicamente que dos qubits sufren cambios en sus estados aunque estén en dos extremos de la galaxia, esto es conocido como ENTANGLEMENT y es un fenómeno que se dedujo matemática y estadísticamente pero se considera muy extraño, el mismo Einstein no creía en él, lo consideraba una propiedad mágica. Luego de mucho tiempo se pudo comprobar que existen pares de partículas con esta propiedad y ahora constituye un hecho muy importante, entre otros, en la solución en tiempo Polinomial de problemas NP con ordenadores cuánticos.

En la teoría de la relatividad Einstein utilizó un lenguaje matemático muy amplio para su formalización, ecuaciones de Lorenz, tensores y geometría diferencial. En esta última encontró un gran apoyo ya que tenía el teorema de Gauss-Bonnet  y las geodésicas para encontrar la curvatura de las variedades diferenciables propuestas por Riemann. Su comprobación en la realidad no fue para nada trivial, se llevó a cabo durante un eclipse donde se observó que la luz se curvea cuando pasa cerca al sol.

En conclusión, es muy difícil concebir el universo como un todo y saber todo de él, pero podemos concebir algunas reglas básicas que funcionan en algunos entornos, estos axiomas deben ser independientes y no deben conducir a contradicciones pero sobre todo deben tener una presentación formal en alguna geometría, es decir debe existir un modelo que toma teorías matemáticas y las aplica a las formas o cuerpos de la realidad que la soporte.    

Bibliografía
  • Hilbert, David. Pensamiento Axiomático. Zúrich. 1917.
  • Historia de la geometría. http://www.euclides.org/menu/articles/historiadelageometria.htm
  • López, Manuel. Algunos descubrimientos matemáticos del siglo XX. Valencia. España. 2007.
  • Rañada, Manuel. David Hilbert, Hermann Minkowski, la Axiomatización de la Física y el Problema número seis. Universidad de Zaragoza. 2003.

sábado, 5 de noviembre de 2011

Esta chatarra se lentea!!!!

¡Esta chatarra se lentea! o ¡se murió esta cosa! son algunas de las expresiones que escuchamos con frecuencia sobre los computadores, las necesidades de computo son cada vez mayores y aunque la tecnología evoluciona a pasos agigantados esta no alcanza a solventar los requerimientos del mundo moderno.

Los transistores, componentes fundamentales de cualquier maquina actual, tienen que ser más y más pequeños, un gran problema pero también la posible gran solución, ahora elementos de la mecánica cuántica como fotones y electrones los reemplazarían, dando solución a muchos de nuestros problemas.
Principios
  • El estado de uno o más objetos cuánticos (sistema) se describe por los vectores de $V=\mathbb{C}^{n}$, un espacio con producto interno. El sistema cuántico más simple tiene el espacio $V=\mathbb{C}^{2}$ y es llamado qubit. 
  • La evolución del sistema se describe por operadores unitarios que actúan sobre el espacio de estados.
  • Antes de efectuar la medición del estado del sistema no tenemos certeza el resultado, sólo las probabilidades de los posibles resultados.
  • El espacio de estados de un sistema cuántico compuesto es el producto tensorial de los espacios de estados de sus componentes.
Un computador clásico se resume como un conjunto de compuertas lógicas en circuitos que actúan en secuencia sobre la configuración interna (estado) del sistema. En un computador cuántico un circuito lo forman operadores unitarios y mediciones (compuertas cuánticas) que actúan sobre el espacio de estados de un n-qubit.

Con esta concepción cuántica de la computación muchos problemas que requieren un tiempo muy largo para solucionarse ahora se pueden tratar en un tiempo razonablemente corto.

Por ejemplo, con algoritmos implementados en futuros computadores cuánticos será posible romper la seguridad contemporánea de cuentas de correo y archivos personales que usualmente se basan en la factorización como producto de primos muy grandes, pero también surgen nuevas formas mucho más seguras de proteger nuestra información.

miércoles, 20 de agosto de 2008

La ilógica de la lógica

Pensamos que todo debe tener un sentido coherente y periódico, a lo que llamamos lógica. Pero hay momentos en que se ve desafiada por cosas que no tienen sentido para nuestro conocimiento y actuamos casi irracionalmente, tomando decisiones que no nos favorecen.

Por ejemplo, los griegos pensaban todo de una forma ontológica basada en el ser y sus postulados como la armonía y coherencia de lo existente. Los pitagóricos creían que el número, como punto, era el principio constituyente de todas las cosas y se identificaba en todos los cuerpos, evidenciando la antología con números naturales y racionales positivos y sus operaciones.

Pero de pronto ocurrió algo... descubrieron que podía haber procesos infinitos “magnitudes geométricas no expresables en enteros, inconmensurables” llamados alogon. Como la aplicación del teorema de Pitágoras en el triángulo rectángulo isósceles, que no se podía expresar con los números existentes. Esto desafiaba todo el sistema que tenían, entonces no los catalogaron como números. En este ensayo se comprobara que si son números y a ellos se deben los reales.

Los griegos intentaron salirse del problema cambiando la unidad de medida, pero las cosas seguían igual. Después de saberlo decidieron no tratarlo, a excepción de algunos como Zenón de Elea y su atomismo infinito, expresando una división sin límite por ejemplo en las rectas, serían infinitamente grandes o infinitesimales, lo que no era lógico, aunque practico. También Eudoxo, quien planteo la teoría de las proporciones desde razones inconmensurables. Esto lo retomo Euclides en el capítulo $V$ y $X$ de los “Elementos”, introduciendo un método de aproximación, no de exactitud que era la constante.

Los griegos le daban mucha relevancia al ser y su principal característica era la armonía, pero este descubrimiento amenazaba todo lo que habían construido, por eso lo catalogaron de irracional o no pensable. Esta actitud parece ser constante en la historia, lo que no se sabe o se conoce y amenaza cambiarlo todo es censurado; la iglesia persiguió a cualquiera que pensara para mantener su sistema de sumisión, retrasando la evolución de la ciencia occidental un milenio.

Viene el decaimiento de occidente y el oriente se fortalece tomando los conocimientos antiguos de occidente. Sobresalen los hindúes, quienes abordaron la trigonometría y la aritmética sin un rigor establecido, se les atribuye la invención de los números negativos y el tratamiento de los irracionales con métodos de los racionales. Los árabes también hicieron aportes, utilizando estos temas en el álgebra, con soluciones geométricas para avanzar en la aritmética, dando un planteamiento numérico empírico-lógico.

Los árabes dieron un paso muy grande, al abordar su investigación sin ningún precepto filosófico, seguramente porque no los afectaba. Propusieron a las generaciones futuras que es posible tratar cualquier cosa.
Luego decae la cultura de oriente alrededor del siglo $XIII$, y Europa comienza a ganar terreno de nuevo, Fibonacci hizo una aproximación a una raíz irracional con una fracción sexagesimal. En el siglo $XVI$ se dan aproximaciones con algoritmos de raíces y ecuaciones, dando paso hacia las fracciones decimales, pero esto sólo se realizaba para cálculos astronómicos y geométricos. En el siglo $XVIII$ se clasifican los números en trascendentes o que van más allá de los métodos algebraicos, como los irracionales, y los algebraicos.

De todo esto salió el concepto actual, a través de un límite o conjunto de sucesiones numéricas de racionales cuyo límite o coyuntura es un irracional, definible por número decimal infinito no periódico. Este describe las mismas propiedades de los racionales, por lo tanto serían similares a su complemento, formando un nuevo conjunto numérico, el de los reales. Son representables en la recta real pero como no es exacto, no se puede precisar.

En esta época se pudo observar que el espíritu moderno e idealista nos lleva por un buen camino, aceptando todo lo que se nos presenta sin censurarlo para nuestro progreso. Esto demuestra que los irracionales si son números, es decir símbolo de un punto y/o cantidad, los cuales cumplen ciertas propiedades.

Bibliografía

  • http://www.comenius.usach.cl/webmat2/conceptos/encontexto/numeros_irracionales_contexto.htm
  • ROMERO, Isabel. La introducción del número real en la enseñanza secundaria: una experiencia de investigación acción.

Razona-mientos


“Un ser existe en la medida que otro ser sepa que existe”

 

RAZONA-MIENTOS

 


Desde los comienzos del hombre, este se ha interesado en aprehender todos los fenómenos1 que lo rodean para poder desenvolverse y sobrevivir en el mundo. Sin embargo, no tiene pruebas fehacientes de que lo que se le muestra a través de los sentidos exista, y si existe que sea independiente de estos.

Filósofos como Platón y Aristóteles dieron algunas interpretaciones acerca de esto; el primero enuncio que no había que creer en el mundo que nos muestran los sentidos porque son sólo apariencias, el hombre debe acceder al mundo de las ideas a través de la mente y la razón para aprehender el noúmeno2 (si existe), es decir que la verdad y las esencias se encuentran solamente pensando racionalmente en ellas; Aristóteles planteó que la esencia o realidad de las cosas se encuentra en lo que nos ofrecen los sentidos y la razón y por cualquier camino es posible llegar a la esencia de las cosas. 


Al resultado del acto de pensar por cualquier camino se le denomina pensamiento, y este pensamiento viene de la cosa que se aparece a través de los sentidos, la mente toma una representación de esta y comienza a racionalizarla. En este punto y partiendo que lo que se nos presenta a través de los sentidos es real o nos muestra la esencia de las cosas, ¿Es la realidad fundamento del pensamiento o el pensamiento es fundamento de la realidad?
 

Este ha sido el problema fundamental de la filosofía y todo lo que se ha filosofado en el fondo es acerca de este. Filósofos y escritores como Descartes, Kant, Hegel, Heidegger y Joseph de Vries han abordado la pregunta en sí así:

Descartes manifestó que el posible llegar a la esencia de las cosas solamente por medio de la razón, en otras palabras, el pensamiento es fundamento del mismo pensamiento, el pensamiento se basta así mismo.
 

Esto no es posible puesto que se esta afirmando que existen ideas innatas o reminiscencia, ya que no existen. Por ejemplo, la idea de Dios surge de la ignorancia de los hombres al igual que su soledad espiritual; la idea del amor es instintiva y no conciente, despertándose viendo como copia de otros en cuanto expresión de su sexualidad.

Kant propuso que el hombre sólo puede pensar y/o conocer los fenómenos y no los noúmenos, es decir que el resultado de esto o el pensamiento (el pensamiento es igual al conocimiento cuando llegan a las causas primeras y son necesarias) no depende de la realidad porque no sale de la cosa en sí, sino de una variante de esta, por lo tanto su fundamento es la impresión inmediata, la cual no es verdadera y es limitada.

Justamente este es el error que comete Kant, considerar que la esencia de las cosas no es asequible para nosotros a través de nuestro entendimiento, es decir, tiende hacia Platón al considerar que por medio de lo material no se puede alcanzar la esencia de las cosas y un conocimiento verdadero. 

Hegel expuso que a través de razonamientos dialécticos; como el de abajo, es posible evolucionar la conciencia para llegar a principios3 reales y verdaderos; pero en realidad, parten de la realidad porque se basa en ideas como las de la lógica.
 

TESIS ANTITESIS SINTESIS
REALIDAD LOCURA PENSAMIENTO
MATERIALISMO PSICOLOGÍA FENOMENOLOGIA

 

A partir de esto es posible plantear que la realidad y el pensamiento son fundamento de ellos y entre ellos, sin embargo esto no es posible por incompatibilidad de momento histórico y significado.
 

De Vries formuló que no hay certeza en la realidad de lo que nos muestran los sentidos, plantea que no hay diferencia sustancial entre lo que llamamos realidad y lo que llamamos sueño sino en orden de las imágenes, el sueño no es lógico ni razonable; pero partiendo de cualquiera, mínimo una, se puede pensar a partir de ella para llegar al pensamiento que se convierte en verdades, principios, principios universales o axiomas como juicios de la conciencia hacia el objeto dando una correlación entre el símbolo y el objeto en sí.
 

Esto se relaciona en el término realidad como fundamento de la realidad, es decir, la realidad es independiente del pensamiento, el sujeto sólo esta como un espectador que puede opinar pero no actuar. Esto es equivoco en la praxis4 porque el pensamiento puede ser fundamento de la realidad cuando el sujeto cambia la realidad modificándola hacia este, es decir se convierte en la representación de ese proceso como lo son actualmente las ciudades, espacios modificados por el hombre para su supervivencia y progreso.
Una propuesta ecléctica para esto puede ser que la realidad es fundamento del pensamiento hasta que se racionaliza y se convierte en principio, esta tiene mayor peso sobre este proceso, y el pensamiento es el fundamento de la realidad cuando ese principio se pasa a la praxis; partiendo de que la realidad que perciben nuestros sentidos es verdadera.

 

Bibliografía


  • Blauberg-Kopnin-Pantin. Diccionario filosófico marxista. Editorial Armadillo. 1975.
  • De Vries, Joseph. Pensar y ser. Editorial Razón y Fe. Madrid. 1963
  • Ríos Castillo, Jesús Hemel. Epistemología. Universidad Santo Tomas.
  • Rábade Romero, Sergio. Teoría del conocimiento. Editorial Akal.