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¿Qué entienden los matemáticos por "equipado"?

Soy un analfabeto matemático, así que no sé a qué se refiere la gente cuando dice "equipado".

Por ejemplo, digo que un espacio de Hilbert es un espacio vectorial equipado con un producto interno. ¿Qué significa eso en realidad?

Obviamente, una interpretación es imaginar al profesor Hilbert como un fontanero con una herramienta extra colgando de su bolsillo trasero (también conocido como producto interior), pero matemáticamente ¿por qué no podemos hacer el producto interior en un espacio vectorial?

Tanto el espacio de Hilbert como el espacio vectorial funcionan con funciones y vectores, ¿no es así?

¿Por qué no podemos definir un espacio en el que todas las operaciones sean posibles?

65voto

Richard A Puntos 1745

La palabra "equipado" evita que se desate el pandemónium de la notación. Por ejemplo, si se quisiera ser un poco más formal, se diría

Un espacio de Hilbert es un par $(V, \left<\cdot,\cdot \right>)$ , donde $V$ es un espacio vectorial y $\left<\cdot,\cdot \right>\colon V\times V \to \mathbb{C}$ es un producto interno. Además, todas las secuencias de Cauchy en $V$ son convergentes en la norma inducida por el producto interior a un elemento en $V$ .

Pero la mayoría de las veces, no hay razón para desambiguar entre el espacio vectorial y el producto interno (quien pone un producto interno diferente en el set $L^2[0,1]$ ?), por lo que nos abstenemos de definir estos "pares", y simplemente "equipamos" nuestro espacio.

25voto

Creo que la mejor manera de explicar lo que significa estar equipado con algo es mostrando cómo se utiliza el término. Las matemáticas tienen un formalismo muy preciso, pero en su forma pura no suelen ser apropiadas para el uso cotidiano porque entonces incluso los problemas más sencillos se volverían muy difíciles. Equipamiento un objeto matemático con estructuras adicionales es uno de los trucos para permitirnos utilizar atajos con los que estamos familiarizados de la vida diaria sin renunciar a demasiada precisión.

Por ejemplo, podríamos definir un policía montado como un policía P equipado con un caballo H. Formalmente esto significa que un policía es un par ordenado (P,H) que consiste en un policía y un caballo. En realidad, hay algunas suposiciones no declaradas de que existe una cierta conexión entre el policía y el caballo. (El policía tiene que estar sentado en él. O, al menos, se le debe haber asignado el caballo para el turno de hoy). En las matemáticas, éstas tienden a ser más obvias y menos ambiguas.

Técnicamente habría que distinguir estrictamente entre el policía P y el policía montado M = (P,H) del que es el primer constituyente. Por ejemplo, si el policía tiene barba B(P), sólo significa que el primer elemento del policía montado (el policía, no el caballo o la pareja) tiene barba. Por supuesto, no es así como lo decimos en la práctica, y esa es precisamente la cuestión. Incluso los matemáticos puros se limitan a escribir B(M) en la mayoría de las situaciones (en lugar de algo como B(P(M))) porque, en última instancia, pensamos que un policía montado es principalmente un policía. Esto queda claro si se piensa en la cola del policía montado. No existe tal cosa, ¡aunque el caballo probablemente tenga una! Por eso no es en absoluto lo mismo equipar a un policía con un caballo que a un caballo con un policía.

De hecho, si pensamos en un policía como un hombre dotado de un determinado trabajo, decir que tiene barba significa realmente que el hombre parte m del policía tiene barba. Y si un hombre es una persona dotada de masculinidad y madurez, entonces que un hombre tenga barba significa realmente que esa persona tiene barba.

También podemos pensar en un policía a caballo como un policía a caballo que resulta ser hombre, o como un hombre a caballo que resulta tener un determinado trabajo. Técnicamente, todas estas interpretaciones dan lugar a diferentes definiciones de policía a caballo. Pero estas diferencias son inofensivas y en la mayoría de los contextos (incluso en la mayoría de los contextos matemáticos) se pueden ignorar: Es inofensivo identificar las diferentes definiciones de policía montada.

En las fórmulas, si m es el hombre, J es su trabajo y H es su caballo, entonces no importa en la práctica si pensamos en el policía como (m,J) y por tanto en el policía montado como ((m,J),H), o si pensamos en el hombre montado como (m,H) y por tanto en el policía montado como ((m,H),J). Mientras recordemos dónde hemos puesto el caballo y dónde hemos puesto el trabajo, siempre está claro cómo traducir de una representación a la otra. Formalmente, un hombre equipado con un trabajo de policía, y luego equipado con un caballo, es diferente de un hombre equipado con un caballo y luego equipado con un trabajo de policía. Pero en la práctica identificamos estos dos tipos de objetos. Es decir, consideramos que dos policías montados son lo mismo si los hombres subyacentes son los mismos, los caballos equipados son los mismos y los trabajos equipados son los mismos.

Este último punto es diferente del uso del lenguaje natural, donde consideraríamos que M1 = (Inspector Jefe Derrick, Rosie) y M2 = (Inspector Jefe Derrick, Jack) son el mismo policía montado. En cambio, en matemáticas seríamos más precisos y diríamos que M1 y M2 son el mismo como policías (no equipados) .

23voto

Milo Brandt Puntos 23147

Generalmente, cuando utilizamos la palabra "equipado", no nos referimos a que esté posible para hacer una operación, pero tenemos una en mente. Esto es en un espacio vectorial como $\mathbb R^2$ podríamos pensar en varios productos internos que serían suficientes. Por ejemplo, las dos operaciones siguientes son productos internos: $$(x_1,x_2)\cdot(y_1,y_2)=x_1y_1+x_2y_2$$ $$(x_1,x_2)*(y_1,y_2)=(x_1+x_2)(y_1+y_2)+x_2y_2$$ pero son diferentes. Esto significa que, cuando elegimos un producto interno, estamos añadiendo una estructura adicional a $\mathbb R^2$ - Sólo en un espacio vectorial simple, no tenemos la noción de ortogonal, y podemos elegir un producto interno apropiado para hacer que cualquier par de vectores sea ortogonal. Por ejemplo, en el ejemplo anterior, bajo el producto interior $\cdot$ tenemos que $(0,1)$ y $(1,0)$ son ortogonales, pero bajo el segundo producto interior $*$ tienen producto $1$ y no son ortogonales (sin embargo, los vectores $(1,-1)$ y $(1,0)$ son, lo que no es cierto para la primera métrica). Del mismo modo, nociones como la de vector unitario no pueden definirse en un espacio vectorial, ya que diferentes productos internos darán respuestas diferentes. Por lo tanto, debemos equipar el espacio vectorial con algún producto interno particular antes de que podamos hablar con sentido de un producto interno - lo que significa que estamos manteniendo la estructura antigua (de un espacio vectorial), pero añadiendo alguna estructura nueva sobre ella.

Una notación, que está bastante extendida en el campo del sinsentido general abstracto es escribir algo como "un conjunto $G$ equipado con una operación binaria $\cdot:G\times G\rightarrow G$ "sería referirse a ella como una tupla $(G,\cdot)$ - es decir, tomamos un grupo (o magma ) no sea sólo el conjunto sobre el que tenemos alguna operación externa, sino que tome tanto el conjunto como la operación en una sola estructura, ya que una no tiene sentido sin la otra.

11voto

Johanna Puntos 4297

Pues bien, a veces queremos trabajar con espacios en los que se permitan el menor número posible de operaciones. A menudo, en matemáticas, queremos encontrar el entorno más general en el que se cumple una propiedad, por lo que queremos trabajar en espacios con el menor número posible de propiedades. Es interesante ver lo que podemos hacer sin la necesidad de utilizar un producto interior, o una métrica, o la falta de divisores cero, por nombrar algunos. Cuando se dota a un espacio vectorial de un producto interior, se añade una propiedad del espacio que hace que los resultados sean inmediatamente menos generales. Si se requiere un producto interno, el resultado no puede aplicarse a espacios vectoriales generales.

Si se define un espacio en el que todo está permitido, entonces por definición no sería un espacio muy interesante.

8voto

Tanner Swett Puntos 1737

Fundamentalmente, "equipado con" sólo significa "y". Un espacio de Hilbert es un objeto que consta de dos componentes: un espacio vectorial y un producto interno sobre ese espacio vectorial.

Esto significa que, estrictamente hablando, un espacio de Hilbert y un espacio vectorial son objetos diferentes: un espacio de Hilbert no es un espacio vectorial, y un espacio vectorial no es un espacio de Hilbert.

Pero la razón por la que un matemático escribe "equipado con" es que no quiere hablar estrictamente; quiere hablar de forma imprecisa, porque es más fácil. Así que lo que tu frase quiere decir es esto:

Un espacio de Hilbert es un objeto que consta de dos componentes: un espacio vectorial y un producto interno sobre ese espacio vectorial. Sin embargo, espero que sea conveniente hablar como si un espacio de Hilbert dado fuera la misma cosa que el espacio vectorial que es su componente principal, y así lo haré.

Y así, en adelante, siempre que el matemático hable de un espacio de Hilbert $V$ A menudo hablarán como si $V$ fueron un espacio vectorial, en lugar de tener simplemente un espacio vectorial como componente.

¿Por qué no se pueden hacer productos internos en espacios vectoriales en general? Bueno, nadie ha definido nunca la palabra "producto interior" de forma que tenga sentido para todos los espacios vectoriales. No puedes hacer un producto interior hasta que no hayas decidido qué significa la frase "producto interior" en tu caso concreto.

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