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Lemniscata (ad infinitum ∞) convergiendo hacia el número π

Posted by Albert Zotkin en enero 9, 2018

A partir de 1748 el genio de las matemáticas Leonhard Euler inició su estudio de una curiosa curva llamada lemniscata, y a raíz de eso descubrió el siguiente producto, que muestra una notable relación entre dos integrales elípticas:

\displaystyle  \int _0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}\int _0^1\frac{t^2dt}{\sqrt{1-t^4}} = \frac{\pi  }{4}  (1)
Aquí ofrezco, en maravilloso desorden, algunas relaciones semejantes que he encontrado por mi cuenta en mi pequeña investigación sobre el asunto:

\displaystyle  \int _0^1\frac{t^3dt}{\sqrt{1-t^3}}\int _0^1\frac{t^4dt}{\sqrt{1-t^6}}=\frac{\pi  }{15} (2)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^3dt}{\sqrt{1-t^8}}\int _0^1\frac{t^7dt}{\sqrt{1-t^8}}=\frac{\pi }{32} (3)
\displaystyle  \int _0^1\frac{tdt}{\sqrt{1-t^6}}\int _0^1\frac{t^4dt}{\sqrt{1-t^6}}=\frac{\pi }{12} (4)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^5dt}{\sqrt{1-t^{10}}}\int _0^1\frac{t^{10}dt}{\sqrt{1-t^{10}}}=\frac{\pi }{60} (5)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^4dt}{\sqrt{1-t^{10}}}\int _0^1\frac{t^{9}dt}{\sqrt{1-t^{10}}}=\frac{\pi }{50} (6)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^2dt}{\sqrt{1-t^{8}}}\int _0^1\frac{t^{6}dt}{\sqrt{1-t^{8}}}=\frac{\pi }{24} (7)
\displaystyle  \int _0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^{6}}}\int _0^1\frac{t^{3}dt}{\sqrt{1-t^{6}}}=\frac{\pi }{6} (8)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^5dt}{\sqrt{1-t^{12}}}\int _0^1\frac{t^{11}dt}{\sqrt{1-t^{12}}}=\frac{\pi }{72} (9)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^3dt}{\sqrt{1-t^{10}}}\int _0^1\frac{t^{8}dt}{\sqrt{1-t^{10}}}=\frac{\pi }{40} (10)
\displaystyle  \int _0^1\frac{tdt}{\sqrt{1-t^{8}}}\int _0^1\frac{t^{5}dt}{\sqrt{1-t^{8}}}=\frac{\pi }{16} (11)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^8dt}{\sqrt{1-t^{16}}}\int _0^1\frac{t^{16}dt}{\sqrt{1-t^{16}}}=\frac{\pi }{144} (12)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^4dt}{\sqrt{1-t^{12}}}\int _0^1\frac{t^{10}dt}{\sqrt{1-t^{12}}}=\frac{\pi }{60} (13)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^2dt}{\sqrt{1-t^{10}}}\int _0^1\frac{t^{7}dt}{\sqrt{1-t^{10}}}=\frac{\pi }{30} (14)
\displaystyle  \int _0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^{8}}}\int _0^1\frac{t^{4}dt}{\sqrt{1-t^{8}}}=\frac{\pi }{8} (15)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^9dt}{\sqrt{1-t^{18}}}\int _0^1\frac{t^{18}dt}{\sqrt{1-t^{18}}}=\frac{\pi }{180} (16)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^7dt}{\sqrt{1-t^{16}}}\int _0^1\frac{t^{15}dt}{\sqrt{1-t^{16}}}=\frac{\pi }{128} (17)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^3dt}{\sqrt{1-t^{12}}}\int _0^1\frac{t^{9}dt}{\sqrt{1-t^{12}}}=\frac{\pi }{48} (18)
\displaystyle  \int _0^1\frac{tdt}{\sqrt{1-t^{10}}}\int _0^1\frac{t^{6}dt}{\sqrt{1-t^{10}}}=\frac{\pi }{20} (19)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^2dt}{\sqrt{1-t^{12}}}\int _0^1\frac{t^{8}dt}{\sqrt{1-t^{12}}}=\frac{\pi }{36} (20)
\displaystyle  \int _0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^{10}}}\int _0^1\frac{t^{5}dt}{\sqrt{1-t^{10}}}=\frac{\pi }{10} (21)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^9dt}{\sqrt{1-t^{20}}}\int _0^1\frac{t^{19}dt}{\sqrt{1-t^{20}}}=\frac{\pi }{200} (22)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^7dt}{\sqrt{1-t^{18}}}\int _0^1\frac{t^{16}dt}{\sqrt{1-t^{18}}}=\frac{\pi }{144} (23)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{15}dt}{\sqrt{1-t^{16}}}\int _0^1\frac{t^{13}dt}{\sqrt{1-t^{16}}}=\frac{\pi }{96} (24)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{}dt}{\sqrt{1-t^{12}}}\int _0^1\frac{t^{7}dt}{\sqrt{1-t^{12}}}=\frac{\pi }{24} (25)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{12}dt}{\sqrt{1-t^{24}}}\int _0^1\frac{t^{24}dt}{\sqrt{1-t^{24}}}=\frac{\pi }{312} (26)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{10}dt}{\sqrt{1-t^{22}}}\int _0^1\frac{t^{21}dt}{\sqrt{1-t^{22}}}=\frac{\pi }{242} (27)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{8}dt}{\sqrt{1-t^{20}}}\int _0^1\frac{t^{18}dt}{\sqrt{1-t^{20}}}=\frac{\pi }{180} (28)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{6}dt}{\sqrt{1-t^{18}}}\int _0^1\frac{t^{15}dt}{\sqrt{1-t^{18}}}=\frac{\pi }{126} (29)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{4}dt}{\sqrt{1-t^{16}}}\int _0^1\frac{t^{12}dt}{\sqrt{1-t^{16}}}=\frac{\pi }{80} (30)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{2}dt}{\sqrt{1-t^{14}}}\int _0^1\frac{t^{9}dt}{\sqrt{1-t^{14}}}=\frac{\pi }{42} (31)
\displaystyle  \int _0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^{12}}}\int _0^1\frac{t^{6}dt}{\sqrt{1-t^{12}}}=\frac{\pi }{12} (32)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{13}dt}{\sqrt{1-t^{26}}}\int _0^1\frac{t^{26}dt}{\sqrt{1-t^{26}}}=\frac{\pi }{364} (33)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{11}dt}{\sqrt{1-t^{24}}}\int _0^1\frac{t^{23}dt}{\sqrt{1-t^{24}}}=\frac{\pi }{288} (34)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{9}dt}{\sqrt{1-t^{22}}}\int _0^1\frac{t^{21}dt}{\sqrt{1-t^{22}}}=\frac{\pi }{220} (35)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{7}dt}{\sqrt{1-t^{20}}}\int _0^1\frac{t^{19}dt}{\sqrt{1-t^{20}}}=\frac{\pi }{160} (36)
\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{5}dt}{\sqrt{1-t^{18}}}\int _0^1\frac{t^{17}dt}{\sqrt{1-t^{18}}}=\frac{\pi }{108} (37)

\displaystyle  \cdots

Evidentemente, podemos seguir ad infinitum 8, pero es más interesante saber si existe una fórmula genérica para estos pares de integrales que dan fracciones unitarias de p. En principio, parece fácil hallar un término general para esta clase de productos. Supongamos que, para cada par de integrales, las dos raíces cuadradas de los denominadores poseen el mismo exponente en la variable t. En la lista que he presentado, la expresión (2) sería una excepción ya que vemos que los exponentes son distintos, el 3 y el 8. Llamemos a ese exponente, que aparece en la raíz cuadrada, grado. Por ejemplo el producto que halló Euler que he escrito en la identidad (1) sería el primer elemento de una sucesión de grado 4. Esa sucesión sería la siguiente:

\displaystyle  \int _0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^{4}}}\int _0^1\frac{t^{2}dt}{\sqrt{1-t^{4}}}=\frac{\pi }{4}\text{,} \\ \\  \int _0^1\frac{t^{}dt}{\sqrt{1-t^{4}}}\int _0^1\frac{t^{3}dt}{\sqrt{1-t^{4}}}=\frac{\pi }{8}\text{,} \\ \\ \int _0^1\frac{t^{2}dt}{\sqrt{1-t^{4}}}\int _0^1\frac{t^{4}dt}{\sqrt{1-t^{4}}}=\frac{\pi }{12}\text{,}

\displaystyle \cdots

\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{n-1}dt}{\sqrt{1-t^{4}}}\int _0^1\frac{t^{n+1}dt}{\sqrt{1-t^{4}}}=\frac{\pi }{4 n}

donde n es el n-ésimo elemento de ese sucesión. Y en general para cualquier grado k, tendremos:

\displaystyle  \int _0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^{k}}}\int _0^1\frac{t^{k/2}dt}{\sqrt{1-t^{k}}}=\frac{\pi }{k}\text{,} \\ \\  \int _0^1\frac{t^{}dt}{\sqrt{1-t^{k}}}\int _0^1\frac{t^{1+k/2}dt}{\sqrt{1-t^{k}}}=\frac{\pi }{2k}\text{,} \\ \\ \int _0^1\frac{t^{2}dt}{\sqrt{1-t^{k}}}\int _0^1\frac{t^{2+k/2}dt}{\sqrt{1-t^{k}}}=\frac{\pi }{3k}\text{,}

\displaystyle \cdots

\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{n-1}dt}{\sqrt{1-t^{k}}}\int _0^1\frac{t^{n-1 +k/2}dt}{\sqrt{1-t^{k}}}=\frac{\pi }{nk}   (38)
Elijamos, por ejemplo, la identidad (33) en la lista de arriba, la cual es:

\displaystyle  \int _0^1\frac{t^{13}dt}{\sqrt{1-t^{26}}}\int _0^1\frac{t^{26}dt}{\sqrt{1-t^{26}}}=\frac{\pi }{364}
Esto quiere decir que ese elemento pertenece a la sucesión de grado k = 26, y es el elemento n = 14 de la misma.

Saludos lemniscáticos a todos 😛

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LISA Pathfinder: el enésimo intento de probar la existencia de ondas gravitacionales que fallará de nuevo

Posted by Albert Zotkin en diciembre 1, 2015

Hoy la ESA (Agencia Espacial Europea) ha lanzado desde la Guayana francesa el satélite LISA Pathfinder, llamado a abrir la vía a un futuro observatorio espacial capaz de detectar las famosas ondas gravitacionales teorizadas por Albert Einstein. Un cohete Vega ha puesto en órbita con éxito al LISA Pathfinder, construido por Airbus Defense & Space en el marco de un proyecto de la ESA.

Una vez más, todo ha sido un éxito, menos el hallazgo de la existencia de las ondas gravitacionales. El proyecto LISA (Laser Interferometer Space Antenna) es un proyecto conjunto de la ESA y la NASA para detectar ondas gravitacionales. Estas ondas son una predicción de la Relatividad General de Einstein, y sólo se tienen evidencias indirectas de su existencia. Pero, el método científico no admite las pruebas indirectas como válidas, requiere evidencias directas. El decaimiento orbital observado en pulsares binarios es simplemente una evidencia indirecta de esa predicción relativista, es indirecta porque ese decaimiento orbital podría tener otra causa muy distinta a las ondas gravitacionales. Y efectivamente ahí está el meollo de la cuestión. Nadie se atreve a cuestionar la Relatividad General. Nadie tiene lo que hay que tener para decir que las ondas gravitacionales son una predicción errónea de la Relatividad General. Ese decaimiento orbital observado en púlsares binarios es simplemente la evidencia directa de que existe pérdida de información cuántica en toda interacción gravitatoria. La naturaleza (aún no sabemos muy bien cómo) realiza inmensos cálculos cuánticos, pero esos cálculos no poseen una precisión infinita. Es pues esa pérdida de información cuántica la causa real de que exista decaimiento orbital. Esto se puede demostrar fácilmente programando una simulación de dos cuerpos orbitando entre sí. Si, por ejemplo, aplicamos frame a frame, como si de una cadena de Markov se tratara, unas ecuaciones para describir órbitas circulares, comprobaremos, con asombro que los círculos no serán exactos, y que a cada revolución los cuerpos estarán cada vez más próximos. Eso es así porque, en un proceso de Markov no existe memoria de los estados pasados del sistema. Para que una órbita fuera exactamente circular, la naturaleza debería guardar de alguna forma todo el número π con toda su precisión infinita, y eso es imposible.

Por lo tanto, la demostración de que no existen las ondas gravitacionales simplemente está en la constatación del hecho de que el número π es un número irracional, o la constatación de que la longitud de una órbita elíptica no puede ser calculada exactamente, por el hecho de que su cálculo requiere resolver una integral elíptica completa de segunda clase.

Cuando los físicos teóricos se den cuenta de que, aunque las leyes naturales obedezcan a formalismos matemáticos exactos que incluyan constantes numéricas irracionales o procesos no lineales, la naturaleza sólo puede computar discretamente con precisión finita los procesos naturales que resultan de esa aplicación de sus leyes, y eso se traduce inevitablemente en pérdida de información cuántica, entonces, y sólo entonces la física teórica empezará a resolver seriamente sus problemas.

Saludos

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Longitud de una elipse

Posted by Albert Zotkin en mayo 2, 2014

Resulta bastante extraño que la longitud de una elipse no pueda ser calculada de forma exacta nunca. Existen fórmulas que dan valores aproximados, y fórmulas exactas, pero son series infinitas cuyas sumas no pueden ser expresadas de forma genérica en función de valores conocidos. Hay que decir que el cálculo de la longitud de una elipse nos presenta el problema de calcular una integral elíptica completa de segunda especie, la cual está definida en función de la excentricidad k de la elipse así:

\displaystyle                E(k) = \frac{\pi}{2} \left(1- \sum _{i=1}^{\infty } \frac{(2 i -1)\text{!!}^2\; k^{2 i}}{(2\text{  }i)\text{!!}^2 \;(2 i-1)}\right)    (1)
y la longitud total de una elipse sería entonces:

\displaystyle                L= 4\ a\ E(k)  (2)

siendo la excentricidad

\displaystyle                k= \cfrac{\sqrt{a^2 - b^2}}{a} (3)

donde a es el eje mayor de la elipse, y b es el eje menor.

La función (1) tambien puede ser expresada de esta forma:

\displaystyle                E(k) = \frac{\pi}{2} \left(1- \sum _{i=1}^{\infty } \frac{(2 i)!^2 \; k^{2 i}}{\left(2^i\text{  }i!\right)^4 (2 i-1)}\right)    (4)

la cual se expande en sus primeros términos así:

\displaystyle                E(k) =\frac{\pi  }{2}\left[1- \left(\frac{1}{2}\right)^2k^2 - \left(\frac{1 \times 3}{2 \times 4}\right)^2\frac{k^4}{3}- \left(\frac{1 \times 3  \times5}{2 \times 4 \times 6}\right)^2\frac{k^6}{5}- \text{...}\right] (5)

O sea la longitud total de la elipse es:

\displaystyle                L= 2 \pi a\left[1- \left(\frac{1}{2}\right)^2k^2 - \left(\frac{1 \times 3}{2 \times 4}\right)^2\frac{k^4}{3}- \left(\frac{1 \times 3  \times5}{2 \times 4 \times 6}\right)^2\frac{k^6}{5}- \text{...}\right] (6)

esto significa que la longitud de una elipse es igual a la longitud de una circunferencia de radio a menos la longitud de una circunferencia de radio

\displaystyle              r= a\left[ \left(\frac{1}{2}\right)^2k^2 + \left(\frac{1 \times 3}{2 \times 4}\right)^2\frac{k^4}{3}+ \left(\frac{1 \times 3  \times5}{2 \times 4 \times 6}\right)^2\frac{k^6}{5}+ \text{...}\right] (7)
HACIA LA COMPRESIÓN GEOMÉTRICA DE LA LONGITUD DE LA ELIPSE

Fijémonos ahora en la gráfica de la elipse inscrita en el círculo cuyo radio es el eje mayor a de dicha elipse

e-1

dibujemos seguidamente el circulo de radio eje menor b, e inscribamos en él una elipse más pequeña, pero de igual excentricidad que la original:

e-2

Para no liarnos mucho podemos usar subindices para los sucesivos ejes. Así, podemos llamar al eje mayor

\displaystyle a = b_0

y al eje menor

\displaystyle b = b_1

Así, podemos seguir profundizando en la inscripción de círculos, y ahora para el siguiente, el eje menor b1 pasa a tomar el papel de eje mayor, con lo cual la siguiente elipse inscrita de igual excentricidad que las dos anteriores, tendrá como eje menor b2

e-3

En general, tendremos que la n-ésima elipse inscrita de esta clase poseerá un eje menor que puede ser expresado así:

\displaystyle b_n = \cfrac{b_{n-1}^2}{b_{n-2}}

lo cual implica que puede ser expresado en función de b0 y b1 así:

\displaystyle b_n = \cfrac{b_1^{n-1}}{b_0^{n-2}}

Supongamos ahora que a la longitud de la circunferencia original, le restamos y sumamos alternativamente las sucesivas longitudes de las circunferencias inscritas. Sabemos que la longitud de la circunferencia original es

\displaystyle l_0 = 2\pi b_0

Por lo tanto, tendremos la suma infinita:

\displaystyle L' = 2\pi b_0 - 2\pi b_1 +  2\pi\sum _{n=2}^{\infty } \frac{b_1^{n-1}}{ b_0^{n-2}}(-1)^n (8)
Atención, pregunta: ¿tiene algo que ver el valor L’, expresado en (8), con el valor L de la longitud de una elipse expresado en (6)?

Pogámoslo un poco más claro. Deshagamos los subíndices, así podemos expresar:

\displaystyle b_n = \cfrac{b^{n-1}}{a^{n-2}}

y sabiendo que:

\displaystyle b = a \sqrt{1-k^2}

tenemos

\displaystyle b_n = a (1-k^2)^{\frac{n-1}{2}}

con lo cual tenemos

\displaystyle  \boxed{L' = 2\pi a  \left(1- \sum _{n=2}^{\infty } (1-k^2)^{\frac{n-1}{2}} \; (-1)^{n}\right)}    \displaystyle    \boxed{L = 2\pi a \left(1- \sum _{n=1}^{\infty } \frac{(2 n)!^2 \; k^{2 n}}{\left(2^n\text{  }n!\right)^4 (2 n-1)}\right)}      (9)
Atención, pregunta: . Demostrar que:

\displaystyle \left(\sum _{n=1}^{\infty } (1-k^2)^{\frac{n-1}{2}}\right) \left(\sum _{n=1}^{\infty } \cfrac{(2 n)!^2 k^{2 n}}{\left(2^i\text{  }n!\right)^4 (2 n-1)}\right) = \cfrac{1}{2} (10)
Es fácil demostrar que (10) no es cierto, ya que

\displaystyle  \sum _{n=1}^{\infty } (1-k^2)^{\frac{n-1}{2}} =\cfrac{1}{1-\sqrt{1-k^2}}

Cuando nos adentramos hacia la comprensión de la interpretación geométrica de la longitud de una elipse, vemos que no había que ir sumando alternando sumas y restas de las longitudes de los círculos concéntricos de esa clase definida arriba, sino que más bien había que restar de la longitud original la suma de todas las restantes longitudes de los círculos concéntricos inscritos. Todo queda en una aproximación:

\displaystyle  L \approx \pi a  \left(1+ \sqrt{1-k^2}\right)  (11)

Saludos

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