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¿Por qué necesitamos el supremum cuando realizamos transformaciones de Legendre?

Las transformadas de Legendre aparecen en toda la física. Por ejemplo, en la mecánica estadística, nos permiten movernos entre descripciones en términos de diferentes potenciales termodinámicos. Del mismo modo, en la teoría cuántica de campos, se utilizan para construir la acción efectiva $\Gamma[\varphi]$ (el funcional generador de los correladores irreducibles de una partícula) de $W[J]$ la función generadora de los correlacionadores conectados.

La cuestión es que a menudo se ven estas transformaciones de dos formas diferentes. Puede ser $$\Gamma[\varphi] = \sup_J(J \cdot \varphi - W[J]),$$ véase, por ejemplo ici o simplemente $$\Gamma[\varphi] = J \cdot \varphi - W[J].$$ como está escrito ici y en Wikipedia . Entiendo que tomar el supremum asegura que $\Gamma[\varphi]$ termina siendo una función convexa de $\varphi$ . Entonces, ¿por qué algunas personas se preocupan por esto y otras no? ¿Hay algo más, tal vez con respecto a la invertibilidad?

7voto

Giacomo Verticale Puntos 1035

La solución del problema planteado es que la segunda fórmula es válida en un contexto diferente al de la primera.

La primera fórmula es la definición de la transformada de Legendre $\Gamma$ de $\phi$ y $J$ es una variable ficticia.

En la segunda fórmula ya se presupone que $\Gamma$ es la transformada de Legendre de $\phi$ y que $J$ es el maximizador en la primera fórmula (que se supone que existe). Es una identidad que se deduce bajo esta condición adicional de la primera fórmula.

6voto

Nathan Feger Puntos 7675

La segunda forma está mal definida: se quiere intercambiar la variable independiente de $J$ a $\varphi$ , por lo que no se puede tener ninguna dependencia de $J$ en la respuesta final.

Ese es el caso, explícitamente, en tu primera ecuación, pero también está implícito en la segunda forma, donde estará implícito que $J$ debe tomarse en un extremo o en la solución de alguna ecuación que codifique ese extremo. Sin embargo, tal y como lo has escrito, no hay suficiente información para definir completamente la transformación.

En general, suele ser una buena idea utilizar el supremio en lugar del máximo porque el supremio de cualquier conjunto no vacío de números reales siempre está definido (mientras que el máximo podría no estarlo, es decir, cuando el supremio no está en el conjunto), y esto asegura que se está definiendo realmente una función en lugar de una expresión que podría no producir una respuesta en algunos casos.

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