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Buenas demostraciones físicas de las matemáticas abstractas

Me gusta utilizar demostraciones físicas cuando enseño matemáticas (poniendo la física al servicio de las matemáticas, por una vez, en vez de al revés), y sería estupendo conseguir más ideas para utilizar.

Busco ideas no triviales en matemáticas abstractas que puedan demostrarse con algún artilugio, construcción o intuición física.

Por ejemplo, se puede replantear la prueba de Euler de que $\sum \frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}$ en términos del flujo de un fluido incompresible con fuentes en los puntos enteros del plano.

O bien, consideremos el problema de demostrar que, para un poliedro convexo cuyo $i^{th}$ cara tiene área $A_i$ y el vector normal orientado hacia el exterior $n_i$ , $\sum A_i \cdot n_i = 0$ . Esto se puede demostrar intuitivamente suponiendo que el poliedro está lleno de gas a presión uniforme. La fuerza que el gas ejerce sobre el $i_th$ cara es proporcional a $A_i \cdot n_i$ con la misma proporcionalidad para cada cara. Pero la suma de todas las fuerzas debe ser cero; de lo contrario, este poliedro (considerado como un sólido) podría alcanzar el movimiento perpetuo.

Para un ejemplo que muestre matemáticas menos básicas, considere "mostrar" la doble tapa de $SO(3)$ por $SU(2)$ al tener que girar la mano 720 grados para volver a la misma orientación.

¿Alguien tiene más demostraciones de este tipo?

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Matthew Trevor Puntos 5277

En el artículo Ronald N. Bracewell. The Fourier Transform, Scientific American, 1989 hay una bonita imagen de un rayo de sol resuelto en un espectro por un prisma. Así que puede considerarse como un dispositivo físico analógico que realiza la transformación de Fourier. La luz blanca como una función complicada que se descompone en la suma de armónicos.

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Kevin Dente Puntos 7732

Existe el teorema de la bola peluda, que afirma que ninguna esfera par admite un campo vectorial continuo no evanescente. En el caso de $S^2$ La demostración física de esto es que uno no puede peinar el cabello de una pelota sin que se le forme un remolino.

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James Sulak Puntos 9959

Algunos principios de la geometría inversa pueden demostrarse utilizando Inversor de Peaucellier Un dispositivo de enlace diseñado para transformar el movimiento circular en movimiento en línea recta y viceversa. Hay varias demostraciones en línea, pero tal vez quieras construir uno "real" por ti mismo. El libro "Mathematical Models" de Cundy y Rollett tiene un capítulo entero dedicado a la fabricación de modelos mecánicos, que incluye el anterior y otros similares.

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Andrew Grant Puntos 35305

Del artículo de la wikipedia sobre Teorema Egregio de Gauss :

Una aplicación del Teorema Egregio se ve en una estrategia común para comer pizza: Una porción de pizza puede verse como una superficie con curvatura gaussiana constante 0. Si se dobla suavemente una porción se debe mantener aproximadamente esta curvatura (suponiendo que la curva es aproximadamente una isometría local). Si se dobla una rebanada horizontalmente a lo largo de un radio, se crean curvaturas principales distintas de cero a lo largo de la curva, lo que dicta que la otra curvatura principal en estos puntos debe ser cero. Esto crea una rigidez en la dirección perpendicular al pliegue, un atributo deseable cuando se come pizza (ya que evita que los ingredientes de la pizza se caigan).

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Ray Puntos 22127

No me resisto a mencionar el truco del camarero como demostración física de que $SO(3)$ no está simplemente conectado. Para quien no lo conozca, es lo siguiente: se sostiene un plato en la mano y se realizan dos giros (uno por encima del codo, otro por debajo) en la misma dirección y se vuelve a la posición original. Supongo que se puede encontrar en youtube si no está claro.

Para ver por qué ambas cosas están relacionadas, tomo prestada la siguiente explicación de Harald Hanche-Olsen en MathOverflow:

Dibuja una curva a través de tu cuerpo desde un punto inmóvil, como el pie, subiendo por la pierna y el torso y saliendo por el brazo, terminando en el plato. Cada punto a lo largo de la curva traza una curva en SO(3), definiendo así una homotopía. Después de haber completado el truco y haber terminado de nuevo en la posición original, ahora tienes una homotopía de la doble rotación del plato con una curva constante en la identidad de SO(3). No puedes detenerte en el punto medio, bloquear el plato y la mano en su lugar, ahora en la posición original, y desenroscar el brazo: Esto refleja el hecho de que el bucle único en SO(3) no es homotópico nulo.

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