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Suavidad

Una función de golpe es una función suave con soporte compacto .

En análisis matemático , la suavidad de una función es una propiedad medida por el número de derivadas continuas que tiene sobre algún dominio, llamada clase de diferenciabilidad . [1] Como mínimo, una función podría considerarse suave si es diferenciable en todas partes (por lo tanto, continua). [2] En el otro extremo, también podría poseer derivadas de todos los órdenes en su dominio , en cuyo caso se dice que es infinitamente diferenciable y se la denomina función (o función) C-infinito . [3]

Clases de diferenciabilidad

La clase de diferenciabilidad es una clasificación de funciones según las propiedades de sus derivadas . Es una medida del orden más alto de derivada que existe y es continua para una función.

Considere un conjunto abierto sobre la recta real y una función definida con valores reales. Sea k un número entero no negativo . Se dice que la función es de clase de diferenciabilidad si las derivadas existen y son continuas en . Si es diferenciable en , entonces está al menos en la clase ya que son continuos . Se dice que la función es infinitamente diferenciable , suave o de clase , si tiene derivadas de todos los órdenes . (Así que todas estas derivadas son funciones continuas sobre .) [4] Se dice que la función es de clase , o analítica , si es suave (es decir, está en la clase ) y su expansión en serie de Taylor alrededor de cualquier punto de su dominio converge a la función en alguna vecindad del punto. Existen funciones que son fluidas pero no analíticas; por lo tanto está estrictamente contenido en . Las funciones de impacto son ejemplos de funciones con esta propiedad.

Para decirlo de otra manera, la clase consta de todas las funciones continuas. La clase consta de todas las funciones diferenciables cuya derivada es continua; tales funciones se llaman continuamente diferenciables . Así, una función es exactamente una función cuya derivada existe y es de clase . En general, las clases se pueden definir recursivamente declarando que son el conjunto de todas las funciones continuas y declarando que cualquier entero positivo es el conjunto de todas las funciones diferenciables cuya derivada está en . En particular, está contenido en for each y hay ejemplos que demuestran que esta contención es estricta ( ). La clase de funciones infinitamente diferenciables es la intersección de las clases que varían sobre los números enteros no negativos.

Ejemplos

Ejemplo: continuo ( C 0 ) pero no diferenciable

La función C 0 f ( x ) = x para x ≥ 0 y 0 en caso contrario.
La función g ( x ) = x 2 sin(1/ x ) para x > 0 .
La función con for y es diferenciable. Sin embargo, esta función no es continuamente diferenciable.
Una función fluida que no es analítica.

La función

x = 0C 0C 1

Ejemplo: diferenciable en tiempos finitos ( C k )

Para cada entero par k , la función

kxx = 0( k + 1)C kC jj > k

Ejemplo: diferenciable pero no continuamente diferenciable (no C 1 )

La función

Debido a que oscila cuando x → 0, no es continua en cero. Por tanto, es diferenciable pero no de clase C 1 .

Ejemplo: diferenciable pero no continuo de Lipschitz

La función

conjunto compactocontinua de Lipschitz

Ejemplo: Analítico ( C ω )

La función exponencial es analítica y, por tanto, pertenece a la clase C ω . Las funciones trigonométricas también son analíticas dondequiera que se definan, ya que son combinaciones lineales de funciones exponenciales complejas y .

Ejemplo: Suave ( C ) pero no Analítico ( C ω )

La función de golpe

C x = ±1C ωfsoporte compacto

Clases de diferenciabilidad multivariante

Se dice que una función definida en un conjunto abierto de [5] es de clase on , para un entero positivo , si todas las derivadas parciales

derivada de Fréchetcontinuamente diferenciables

Una función definida en un conjunto abierto de , se dice que es de clase en , para un entero positivo , si todos sus componentes

proyecciones

El espacio de funciones C k.

Sea un subconjunto abierto de la recta real. El conjunto de todas las funciones con valores reales definidas en es un espacio vectorial de Fréchet , con la familia contable de seminormas

conjuntos compactosunión

El conjunto de funciones encima también forma un espacio de Fréchet. Se utilizan las mismas seminormas que las anteriores, excepto que se permite abarcar todos los valores enteros no negativos.

Los espacios anteriores ocurren naturalmente en aplicaciones donde son necesarias funciones que tienen derivadas de ciertos órdenes; sin embargo, particularmente en el estudio de ecuaciones diferenciales parciales , a veces puede resultar más fructífero trabajar con los espacios de Sobolev .

Continuidad

Los términos continuidad paramétrica ( C k ) y continuidad geométrica ( G n ) fueron introducidos por Brian Barsky , para mostrar que la suavidad de una curva se podía medir eliminando las restricciones en la velocidad con la que el parámetro traza la curva. [6] [7] [8]

Continuidad paramétrica

La continuidad paramétrica ( C k ) es un concepto aplicado a las curvas paramétricas , que describe la suavidad del valor del parámetro con la distancia a lo largo de la curva. Se dice que una curva (paramétrica) es de clase C k , si existe y es continua en , donde las derivadas en los puntos finales y se consideran derivadas unilaterales (desde la derecha en y desde la izquierda en ).

Como aplicación práctica de este concepto, una curva que describe el movimiento de un objeto con un parámetro de tiempo debe tener continuidad C 1 y su primera derivada es diferenciable, para que el objeto tenga una aceleración finita. Para un movimiento más suave, como el de la trayectoria de una cámara mientras se hace una película, se requieren órdenes más altos de continuidad paramétrica.

Orden de continuidad paramétrica

Dos segmentos de curva de Bézier adjuntos que son solo C 0 continuos
Dos segmentos de curva de Bézier unidos de tal manera que sean C 1 continuos

Los distintos órdenes de continuidad paramétrica se pueden describir de la siguiente manera: [9]

Continuidad geométrica

Curvas con contacto G 1 (círculos,líneas)

lápiz de secciones cónicas con G 2 -contacto: p fijo, variable ( : círculo, : elipse, : parábola, : hipérbola)

El concepto de continuidad geométrica o continuidad geométrica ( Gn ) fue aplicado principalmente a las secciones cónicas (y formas relacionadas) por matemáticos como Leibniz , Kepler y Poncelet . El concepto fue un intento temprano de describir, a través de la geometría más que del álgebra, el concepto de continuidad expresado a través de una función paramétrica. [10]

La idea básica detrás de la continuidad geométrica era que las cinco secciones cónicas eran en realidad cinco versiones diferentes de la misma forma. Una elipse tiende a un círculo cuando la excentricidad se acerca a cero, o a una parábola cuando se acerca a uno; y una hipérbola tiende a una parábola cuando la excentricidad desciende hacia uno; también puede tender a líneas que se cruzan . Así, hubo continuidad entre las secciones cónicas. Estas ideas llevaron a otros conceptos de continuidad. Por ejemplo, si un círculo y una línea recta fueran dos expresiones de la misma forma, quizás una línea podría considerarse como un círculo de radio infinito . Para que tal sea el caso, habría que cerrar la línea permitiendo que el punto sea un punto en el círculo, y que for y sean idénticos. Tales ideas fueron útiles para elaborar la idea moderna, definida algebraicamente, de la continuidad de una función y de (ver línea real extendida proyectivamente para más información). [10]

Orden de continuidad geométrica

Se puede describir que una curva o superficie tiene continuidad, siendo la medida creciente de suavidad. Considere los segmentos a ambos lados de un punto en una curva:

En general, existe continuidad si las curvas se pueden reparametrizar para que tengan continuidad (paramétrica). [11] [12] Una reparametrización de la curva es geométricamente idéntica a la original; sólo el parámetro se ve afectado.

De manera equivalente, dos funciones vectoriales y tienen continuidad si y , para un escalar (es decir, si la dirección, pero no necesariamente la magnitud, de los dos vectores es igual).

Si bien puede ser obvio que una curva requeriría continuidad para parecer suave, para una buena estética , como la que se aspira en la arquitectura y el diseño de automóviles deportivos , se requieren niveles más altos de continuidad geométrica. Por ejemplo, los reflejos en la carrocería de un automóvil no aparecerán uniformes a menos que la carrocería tenga continuidad.

Un rectángulo redondeado (con arcos circulares de noventa grados en las cuatro esquinas) tiene continuidad, pero no tiene continuidad. Lo mismo ocurre con un cubo redondeado , con octantes de esfera en sus esquinas y cuartos de cilindro en sus aristas. Si se requiere una curva editable con continuidad, normalmente se eligen splines cúbicas ; Estas curvas se utilizan con frecuencia en el diseño industrial .

Otros conceptos

Relación con la analiticidad

Si bien todas las funciones analíticas son "suaves" (es decir, tienen todas las derivadas continuas) en el conjunto en el que son analíticas, ejemplos como las funciones de relieve (mencionadas anteriormente) muestran que lo contrario no es cierto para las funciones en los reales: existen funciones reales suaves. funciones que no son analíticas. Se pueden crear ejemplos sencillos de funciones que son fluidas pero no analíticas en ningún punto mediante series de Fourier ; Otro ejemplo es la función de Fabius . Aunque podría parecer que tales funciones son la excepción y no la regla, resulta que las funciones analíticas están muy dispersas entre las suaves; Más rigurosamente, las funciones analíticas forman un escaso subconjunto de las funciones suaves. Además, para cada subconjunto abierto A de la línea real, existen funciones suaves que son analíticas en A y en ningún otro lugar [ cita necesaria ] .

Es útil comparar la situación con la de la ubicuidad de los números trascendentales en la recta real. Tanto en la recta real como en el conjunto de funciones suaves, los ejemplos que se nos ocurren a primera vista (números algebraicos/racionales y funciones analíticas) se comportan mucho mejor que la mayoría de los casos: los números trascendentales y las funciones analíticas en ninguna parte tienen medida completa (sus complementos son escasos).

La situación así descrita contrasta marcadamente con las funciones diferenciables complejas. Si una función compleja es diferenciable solo una vez en un conjunto abierto, es infinitamente diferenciable y analítica en ese conjunto [ cita necesaria ] .

Suaves particiones de unidad

Las funciones suaves con soporte cerrado dado se utilizan en la construcción de particiones suaves de unidad (ver partición de unidad y glosario de topología ); Estos son esenciales en el estudio de variedades suaves , por ejemplo, para mostrar que las métricas de Riemann se pueden definir globalmente a partir de su existencia local. Un caso simple es el de una función de tope sobre la recta real, es decir, una función suave f que toma el valor 0 fuera de un intervalo [ a , b ] y tal que

Dado un número de intervalos superpuestos en la línea, se pueden construir funciones de relieve en cada uno de ellos, y en intervalos semiinfinitos y para cubrir toda la línea, de modo que la suma de las funciones sea siempre 1.

Por lo que se acaba de decir, las particiones de la unidad no se aplican a funciones holomorfas ; su comportamiento diferente en relación con la existencia y la continuación analítica es una de las raíces de la teoría de la gavilla . Por el contrario, los haces de funciones suaves tienden a no contener mucha información topológica.

Funciones suaves en y entre colectores

Dada una variedad suave , de dimensión y un atlas , entonces un mapa es suave si para todos existe un gráfico tal que y es una función suave desde una vecindad de en a (todas las derivadas parciales hasta un orden dado son continuas). La suavidad se puede verificar con respecto a cualquier carta del atlas que contenga, ya que los requisitos de suavidad en las funciones de transición entre cartas aseguran que si es suave en un gráfico, lo será en cualquier otro gráfico.

Si es un mapa de a una variedad de dimensiones , entonces es suave si, para cada hay un gráfico que contiene y un gráfico que contiene tal que y es una función suave de

Los mapas suaves entre variedades inducen mapas lineales entre espacios tangentes : para , en cada punto, el empuje hacia adelante (o diferencial) asigna vectores tangentes en a vectores tangentes en : y en el nivel del paquete tangente , el empuje hacia adelante es un homomorfismo de paquete de vectores : el dual al avance está el retroceso , que "tira" de los covectores de regreso a los covectores y de las formas a las formas: de esta manera, las funciones fluidas entre variedades pueden transportar datos locales , como campos vectoriales y formas diferenciales , de una variedad a otra, o hasta el espacio euclidiano donde se entienden bien cálculos como la integración .

Las imágenes previas y los avances a lo largo de funciones suaves, en general, no son múltiples sin suposiciones adicionales. Las preimágenes de puntos regulares (es decir, si el diferencial no desaparece en la preimagen) son variedades; este es el teorema de la preimagen . De manera similar, los avances a lo largo de las incrustaciones son múltiples. [13]

Funciones suaves entre subconjuntos de variedades.

Existe una noción correspondiente de mapa suave para subconjuntos arbitrarios de variedades. If es una función cuyo dominio y rango son subconjuntos de variedades y respectivamente. se dice que es suave si para todos hay un conjunto abierto con una función suave tal que para todos

Ver también

Referencias

  1. ^ Weisstein, Eric W. "Función suave". mathworld.wolfram.com . Archivado desde el original el 16 de diciembre de 2019 . Consultado el 13 de diciembre de 2019 .
  2. ^ "Suave (matemáticas)". TheFreeDictionary.com . Archivado desde el original el 3 de septiembre de 2019 . Consultado el 13 de diciembre de 2019 .
  3. ^ "Función suave - Enciclopedia de Matemáticas". www.encyclopediaofmath.org . Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2019 . Consultado el 13 de diciembre de 2019 .
  4. ^ Warner, Frank W. (1983). Fundamentos de variedades diferenciables y grupos de mentiras. Saltador. pag. 5 [Definición 1.2]. ISBN 978-0-387-90894-6. Archivado desde el original el 1 de octubre de 2015 . Consultado el 28 de noviembre de 2014 .
  5. ^ Henri Cartan (1977). Curso de cálculo diferencial . París: Hermann.
  6. ^ Barsky, Brian A. (1981). El Beta-spline: una representación local basada en parámetros de forma y medidas geométricas fundamentales (Ph.D.). Universidad de Utah, Salt Lake City, Utah.
  7. ^ Brian A. Barsky (1988). Gráficos por computadora y modelado geométrico mediante Beta-splines . Springer-Verlag, Heidelberg. ISBN 978-3-642-72294-3.
  8. ^ Richard H. Bartels; John C. Beatty; Brian A. Barsky (1987). Introducción a los splines para su uso en gráficos por computadora y modelado geométrico . Morgan Kaufman. Capítulo 13. Continuidad paramétrica versus geométrica. ISBN 978-1-55860-400-1.
  9. ^ van de Panne, Michiel (1996). "Curvas paramétricas". Notas en línea de otoño de 1996 . Universidad de Toronto, Canadá. Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2020 . Consultado el 1 de septiembre de 2019 .
  10. ^ ab Taylor, Charles (1911). «Continuidad Geométrica»  . En Chisholm, Hugh (ed.). Enciclopedia Británica . vol. 11 (11ª ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 674–675.
  11. ^ Barsky, Brian A.; DeRose, Tony D. (1989). "Continuidad geométrica de curvas paramétricas: tres caracterizaciones equivalentes". Aplicaciones y gráficos por computadora IEEE . 9 (6): 60–68. doi : 10.1109/38.41470. S2CID  17893586.
  12. ^ Hartmann, Erich (2003). "Geometría y algoritmos para el diseño asistido por computadora" (PDF) . Universidad Técnica de Darmstadt . pag. 55. Archivado (PDF) desde el original el 23 de octubre de 2020 . Consultado el 31 de agosto de 2019 .
  13. ^ Guillemin, Víctor; Pollack, Alan (1974). Topología diferencial . Acantilados de Englewood: Prentice-Hall. ISBN 0-13-212605-2.