Una función f:\Omega \rightarrow \mathbb{C} es diferenciable en z_0 \in \Omega si existe el límite:

f'(z_0) := \lim_{h \rightarrow 0} \frac{f(z_0 + h) - f(z_0)}{h},

donde f'(z_0) es la derivada de f(z) en z_0.

Diremos que f(z) es holomorfa en z_0 \in \Omega si es diferenciable en todos los puntos de un entorno \mathcal{U}(z_0). Diremos que es holomorfa  en \Omega si lo es \forall z \in \Omega. Diremos que una función es entera cuando \Omega = \mathbb{C}.

Si la función

f(z) = u(x,y) + i \, v(x,y)

es diferenciable en z_0 = (x_0,y_0) \in \Omega, existen u_x, u_y, v_x, v_y y cumplen las ecuaciones de Cauchy-Riemann (C-R):

u_x = v_y y u_y = -v_x.

Notar que para hablar de funciones holomorfas en relación a funciones de variable real, necesitamos funciones de dos variables cumpliendo C-R.

El principio del módulo máximo, que es un teorema, nos dice que si f(z) es holomorfa y no constante en un dominio abierto y conexo (si no es conexo, el teorema es válido para cada componente conexa) \Omega entonces |f(z)| no tiene ningún máximo en \Omega.

Tenemos dos corolarios:

  1. si \Omega acotado y f es contínua en \bar{\Omega}, entonces f asume el máximo en la frontera \partial \Omega,
  2. si tomamos g:=1/f tenemos el principio del módulo mínimo y su correspondiente versión en compactos.

Finalmente, diremos que una función u es armónica si cumple la ecuación de Laplace \Delta u = 0. Es fácil demostrar que si f (z)= u(x,y) + i \, v(x,y) es holomorfa en \Omega entonces u(x,y) y v(x,y) son armónicas en \Omega. Se las llama armónicas conjugadas.

Existe una versión del principio del módulo máximo para funciones armónicas: si u(x,y) es armónica en un dominio simplemente conexo \Omega, entonces la función u(x,y) no tiene ningún máximo en \Omega.

Una PDE cuasilineal de segundo orden en dos variables independientes x e y con función incógnita u(x,y) tiene la forma general:

a(x,y,u,u_x,u_y) u_{xx} + 2b(x,y,u,u_x,u_y) u_{xy}

+ c(x,y,u,u_x,u_y)u_{yy} + d(x,y,u,u_x,u_y) = 0,

donde a,b,c,d son funciones contínuas en un subconjunto abierto \mathcal{V} de \mathcal{U} \times \mathbb{R}^3 de las variables (x,y,u,u_x,u_y) donde \mathcal{U} es un abierto de \mathbb{R}^2.

Definimos el discriminante como

D(v^0) := a(v^0)c(v^0) - b^2(v^0),

con v^0 = (x^0,y^0,u^0,u_x^0,u_y^0) \in \mathcal{V}. Diremos que la ecuación anterior es:

  1. Elíptica en el punto v^0 si D(v^0) > 0,
  2. Parabólica en el punto v^0 si D(v^0) = 0,
  3. Hiperbólica en el punto v^0 si D(v^0) < 0.

Por tanto, el carácter elíptico, parabólico o hiperbólico depende no solo del punto (x^0,y^0) \in \mathcal{U} sino también del valor de una solución y sus derivadas parciales de primer orden en dicho punto. Además, en el caso de que la parte principal, los coeficientes que multiplican a las derivadas de segundo orden, sea de coeficientes constantes, el carácter se mantiene en todos los puntos donde esté definida la función d.

De esta manera, la ecuación de Laplace u_{tt} + u_{xx} = 0 es elíptica en todos los puntos; la ecuación del calor u_t - u_{xx} =0 es parabólica; y la ecuación de ondas u_{tt} - u_{xx} = 0 es hiperbólica.

En el caso de tener n variables independientes x_1, x_2, \ldots, x_n entonces la ecuación general tiene la forma:

a^{ij}(x_1,\ldots, x_n, u, u_{x_1},\ldots, u_{x_n}) u_{x_i, x_j} + \ldots =0,

donde a^{ij} es la parte principal y el resto son terminos de menor orden. En este caso, el carácter de la ecuación depende de la signatura de los valores propios de la matriz de coeficientes:

  1. Elíptica si los valores propios son todos positivos o todos negativos,
  2. Parabólica cuando todos los valores propios son positivos o negativos excepto uno que es zero,
  3. Hiperbólica si todos los valores propios son positivos excepto uno que es negativo o todos son negativos excepto uno que es positivo.

Finalmente, toda ecuación se puede reducir a una forma canónica, que corresponde a uno de los tres tipos clásicos: Laplace, calor u ondas.

Ayer asistí a la mesa redonda “the Frontiers of Physics: Status and Perspectives” en el IFIC con los Premios Nobel de física Sheldon Glashow (por el desarrollo de la teoría electrodébil) y Frank Wilczek (por la propiedad de la libertad asintótica en la teoría de la cromodinámica cuántica):

nobels

De los cuatro campos que propuso Frank como prometedores, dos son las ondas gravitacionales y la física computacional. Estamos de suerte en el grupo 🙂

Tenemos:

  1. \bar{r} := \frac{r}{r+a}
  2. \Delta := \frac{(1-\bar{r})^4}{a^2} \partial_{\bar{r}\bar{r}} + \frac{(1-\bar{r})^4}{a^2}\frac{2}{\bar{r}} \partial_{\bar{r}}
  3. \Delta \Theta_X = 6 \pi [ \frac{(1-\bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} S^*_{\bar{r}} + \frac{1 - \bar{r}}{a} \frac{2}{\bar{r}} S^*_{\bar{r}} + \frac{1-\bar{r}}{a} \frac{\cot \theta}{\bar{r}} S^*_{\theta}]
  4. \Delta X^{\bar{r}} = 8 \pi S^*_{\bar{r}} - \frac{1}{3} \frac{(1-\bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} \Theta_X
  5. \hat{A}^{\bar{r}\bar{r}} = \frac{4}{3}\frac{(1-\bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} X^{\bar{r}} - \frac{2}{3}2\frac{1-\bar{r}}{a}\frac{1}{\bar{r}} X^{\bar{r}}
  6. \Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2}[\frac{(1-\bar{r})^4}{a^2} \partial_{\bar{r}\bar{r}}u + \frac{(1-\bar{r})^3(2-\bar{r})}{2a^2} \frac{4}{\bar{r}}u + \frac{(1-\bar{r})^2}{a^2} \frac{2}{\bar{r}^2}u]

con:

u:=\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r}\bar{r}}

y:

\{\frac{2 (\bar{r}_i - 1)^4 (\bar{r_i} - (\bar{r}_{i+1} - \bar{r}_i))}{a^2 (\bar{r}_i - \bar{r}_{i-1}) \bar{r_i} (\bar{r}_{i+1} - \bar{r}_{i-1} )},

\frac{(\bar{r}_i - 1)^2 (\frac{-2}{h_\theta^2 \bar{r}_i^2} + \frac{(\bar{r}_i - 1)^2 ((r_{i+1}-r_i)-(r_i-r_{i-1})-2)}{(r_{i+1}-r_i)(r_i - r_{i-1})} + \frac{-2 \csc^2 \theta_i}{h_\varphi^2 \bar{r}_i^2})}{a^2},

\frac{2 (\bar{r}_i - 1)^4 ((\bar{r}_{i} - \bar{r}_{i-1}) + \bar{r_i})}{a^2 (\bar{r}_{i+1} - \bar{r}_i) \bar{r}_i (\bar{r}_{i+1} - \bar{r}_{i-1} )} \}

Para aproximar la primera y segunda derivada de una función f(x) mediante tres puntos estamos habituados a las fórmulas:

f'(x) \approx \frac{f_{i+1}-f_{i-1}}{2h} = \frac{-1}{2h} f_{i-1} + \frac{1}{2h} f_{i+1},

f''(x) \approx \frac{f_{i-1} - 2f_i + f_{i+1}}{h^2} = \frac{1}{h^2} f_{i-1} + \frac{-2}{h^2} f_i + \frac{1}{h^2} f_{i+1}.

En estas expresiones estamos asumiendo que los puntos están equiespaciados una distancia h. ¿Cómo quedan las formulas en el caso de que la distancia entre los dos primeros puntos lx sea diferente a la distancia entre los dos últimos rx? Existen varias maneras de calcularlo, por ejemplo mediante interpolación de Lagrange como ya hicimos en este post, y quedan:

f'(x) \approx \frac{-rx}{lx(lx+rx)} f_{i-1} + \frac{rx - lx}{lx rx} f_i + \frac{lx}{(lx+rx)rx} f_{i+1},

f''(x) \approx \frac{2}{lx(lx+rx)} f_{i-1} + \frac{-2}{lx rx} f_i + \frac{2}{(lx+rx)rx} f_{i+1}.

Una de las consecuencias mas asombrosas de la relatividad general de Einstein son los agujeros negros: soluciones de éstas en las que la curvatura del espacio-tiempo es tan extrema que incluso los rayos de luz quedan atrapados. Se cree que los agujeros negros se forman durante la muerte de estrellas con suficiente masa cuando ésta colapsa hacia dentro. Aunque no se pueden ver, las evidencias gravitacionales observadas consistentes con las predicciones avalan su existencia.

La definición mas intuitiva para la singularidad espacio-temporal es la de punto con curvatura infinita (aunque la mas apropiada técnicamente tiene que ver con cierto tipo de geodésicas incompletas).

 

Aparece en Science el artículo “Holographic description of quantum black hole on a computer” en el que parece ser el primer trabajo de gravedad cuántica numérica. Traduciremos a continuación el abstract y enlazaremos con futuras entradas donde explicaremos cada uno de los conceptos expuestos en éste.

“El descubrimiento de que los agujeros negros radían partículas y eventualmente pueden evaporarse llevó a Hawking a plantear la conocida paradoja de la pérdida de información. Esta paradoja provocó un largo y sério debate ya que afirmaba que las leyes fundamentales de la mecánica cuántica podían ser violadas. Una posible solución ha emergido recientemente desde la teoría de supercuerdas, una teoría consistente de gravedad cuántica: si el la descripción holográfica de un agujero negro cuántico basada en la dualidad gauge/gravedad es correcta, la información no se pierde y los mecanismos cuánticos permanecen válidos. Aquí ponemos a prueba esta dualidad gauge/gravedad en un ordenador al nivel de gravedad cuántica por primera vez. La masa del agujero negro obtenida por simulaciones Monte Carlo de la teoría gauge dual reproduce de manera precisa los efectos de gravedad cuántica en un agujero negro en evaporación. Este resultado abre nuevas perpectivas totalmente nuevas hacia la gravedad cuántica ya que uno puede simular agujeros negros cuánticos a través de las teorías gauge duales.”

Interesante, no? 🙂

En el apartado de noticias de la página oficial de la misión Kepler de la NASA, aparece esta fantástica noticia: descubierto el primer planeta de un tamaño similar al de la Tierra (lo que parece garantizar también una composición similar) y que orbita dentro de la zona habitable (de existir agua, podemos encontrarla en estado líquido) de su estrella.

El planeta es Kepler-186f, es decir, el quinto planeta encontrado en el sistema de la estrella Kepler-186, una estrella enana de tipo M a unos 150 años luz de la Tierra. Como una imagen vale mas que mil palabras, el siguiente esquema de la NASA resume perfectamente todo lo que he escrito hasta ahora y además compara el Sistema Kepler-186 con el Sistema Solar:

Kepler186f_ComparisonGraphic

Esta semana he asistido a un curso interesantísimo sobre el estandar C++11, es decir, sobre lo último que nos pueden ofrecer los compiladores de C++, impartido por Jacek Generowicz, del CERN y que controla bastante el tema, en el IFIC.

En palabras del propio Jacek, ésta es brevemente la guía de estilo para el nuevo estandar:

  • utilizar nullptr para punteros nulos,
  • inferencia automática de tipos mediante auto,
  • definición de rangos para los bucles,
  • utilizar funciones begin y end y no las correspondientes funciones miembro,
  • inizializaciones con {},
  • lambda funciones: facilitan los algorimos tipo STL, la inyección remota de código para metaprogramación y en la concurrencia,
  • nueva semantica move como optimización de copy y con la consiguiente implementación del move constructor, el move assignment y el swap, junto con los clásicos copy constructor, copy assignment y destructor,
  • smart pointers unique_ptr y shared_ptr que, de alguna manera, permiten cierto tipo de gestión automatica de la memoria,
  • concurrencia: threads, mutex, etc…

Ya tengo instalado el gcc 4.8, que con -std=c++11 soporta todas estas novedades, y con ganas de aplicar estos potentes mecanismos a mis códigos :–)

Geometría euclideana, geometría analítica, geometría afín, geometría proyectiva, geometría elíptica, geometría hiperbólica, geometría simplectica, geometría Riemanniana, geometría Lorentziana, geometría conforme, geometría diferencial, geometría lineal, geometría algebraica

¿Qué es, en esencia, una geometría? Felix Klein en su Programa de Erlangen nos lo aclara: es el estudio de los invariantes bajo un grupo de transformaciones, donde grupo se refiere a la estructura algebraica y no al mero conjunto.

Cuando en matemáticas estudiamos una estructura algebraica determinada, un objeto en la Teoria de categorías, supongamos el espacio afín para fijar ideas, a continuación siempre se estudian las aplicaciones entre éstas, los morfismo en la Teoría de categorías, que conservan la estructura en realidad, aplicaciones entre las estructuras que respetan ciertos invariantes característicos de estas estructuras (la idea es que obtendremos el mismo valor para el invariante si trabajamos en la estructura de salida y finalmente transformamos a la estructura  que si primero transformamos para trabajar en el destino), en particular aquellas cuyos conjuntos de salida y de llegada coinciden, los endomorfismos, que en el caso que nos ocupa, por ejemplo, serían las transformaciones afines o afinidades. De esta manera, la geometría afín es el estudio de los invariantes por las traslaciones.

Es mas, no es la geometría la que induce el grupo, sino el grupo el que genera la geometría: dame el grupo de transformaciones admisible y te construiré su geometría.

Ya comentamos en este post el formalismo Lagrangiano (coordenadas generalizadas de posiciones y velocidades). Vamos a comentar ahora la imagen Hamiltoniana.

Como en el caso anterior, utilizamos coordenadas de posición generalizadas q^1, \ldots, q^n que ahora irán acompañadas de las coordenadas de los momentos generalizados p^1, \ldots, p^n. Para una única partícula libre,  el momento no es mas que las velocidad multiplicada por la masa, y en general, siempre podemos obtenerlo a partir del Lagrangiano:

p_r = \frac{\partial}{\partial \dot{q}^r} \mathcal{L},

que nos proporciona las coordenadas para el espacio cotangente y poder escribir el covector como p_a dq^a.

Con todo ésto, la función Hamiltoniana se define como:

\mathcal{H} := \mathcal{H}(q^1,\ldots,q^n;p_1,\ldots,p_n),

y una manera de obtenerlo a partir del Lagrangiano es:

\mathcal{H} = [\dot{q}^r \frac{\partial}{\partial\dot{q}^r} - 1 ] \mathcal{L},

reescrita en términos de los momentos (y no las velocidades, que son las que aparecen en \mathcal{L}).

Al pasar al mundo cuántico, podemos identificar los momentos con los operadores diferenciales introduciendo el factor \hbar := \frac{h}{2 \pi}:

p_a = i \hbar \frac{\partial}{\partial x^a},

para el momento asociado a la posición x^a.

Y no solo eso. Si consideramos las variables de los momentos p_a como primarias y queremos obtener las de posición x^a a partir de éstas, exite una simetría muy precisa entre el espacio de momentos y el espacio de posiciones, de manera que tenemos:

x^a = i \hbar \frac{\partial}{\partial p_a},

donde la transformada de Fourier juega un papel importante también ahora.

En ambos casos, podemos obtener la regla de conmutación canónica que relaciona posiciones y momentos lineales:

p_a x^a - x^a p_a = i \hbar \delta^a_b.

Dos funciones continuas f,g: X \rightarrow Y son homotópicas si podemos transformar continuamente una en otra, es decir, si existe una función continua:

H:[0,1] \times X \rightarrow Y,

tal que H(0,\mathbf{x})=f(\mathbf{x}) y H(1,\mathbf{x})=g(\mathbf{x}).

A continuación, dos animaciones que hemos creado donde podemos ver estas deformaciones continuas, mediante combinaciones convexas, de curvas (1-variedades) y superficies (2-variedades):

Recordemos lo ya expuesto en este post: que en las coordenadas esferoidales prolatas (\mu, \nu, \varphi), las dos primeras (\mu, \nu) provienen de las coordenadas elípticas, donde \mu \in ]0,+\infty[ y \nu \in ]0,2\pi[, mientras que la última \varphi \in ]0,2\pi[ proviene de rotarlas alrededor del eje que une los focos.

Compactificamos la primera coordenada mediante \boxed{\mu = b \tan \frac{\pi \bar{\mu}}{2}}.

El Laplaciano y las fuentes, en estas coordenadas y con esta compactificación, utilizando una nueva función en Mathematica que nos lo calcula todo, quedan:

lap_ellComNor2

\boxed{\Delta \Theta_{X} = 6 \pi \mathcal{D}^j S^*_j}

s1_ellComNor2

\boxed{\Delta X^{i} = 8 \pi f^{ij} S^*_j - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_X}

s21_ellComNor2

\underline{\hat{A}^{ij} = \mathcal{D}^i X^j + \mathcal{D}^j X^i - \frac{2}{3} \mathcal{D}_k X^k f^{ij}}

A1x_ellComNor2

A2x_ellComNor2

A3x_ellComNor2

\boxed{\Delta \psi = -2 \pi E^* \psi^{-1} - \frac{1}{8}(f_{il} f_{jm} \hat{A}^{lm} \hat{A}^{ij}) \psi^{-7} }

\boxed{\Delta (\alpha \psi) = [ 2 \pi (E^* + 2 S^*) \psi^{-7} + \frac{1}{8}(f_{il} f_{jm} \hat{A}^{lm} \hat{A}^{ij}) \psi^{-8} ] (\alpha \psi) }

\boxed{\Delta \Theta_{\beta} = \frac{3}{4} \mathcal{D}_i \mathcal{D}_j (2 \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} )}

\boxed{\Delta \beta^i = \mathcal{D}_j ( 2 \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_{\beta} }

Las coordenas elípticas vienen definidas por:

x = a \, \mbox{cosh} \mu \cos \nu,

y = a \, \mbox{sinh} \mu \sin \nu,

donde las líneas coordenadas son elípses e hipérbolas:

Para pasar a coordenadas tridimensionales tenemos tres opciones:

  1. extruir a lo largo del eje z: coordenadas cilíndricas elípticas,
  2. rotar alrededor del eje que une los dos focos: coordenadas esferoidales prolatas,
  3. rotar alrededor del eje perpendicular al eje anterior y que separa ambos focos: coordenadas esferoidales oblatas.

A continuación un gráfico donde se ven combinadas:

sphBiSph

La salida ahora para un tensor dos veces contravariante en la base ortonormal queda:

CovDerTen2BiSphCom1,

Para primera ecuación:

\boxed{\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i \mathcal{D}_j (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}) },

definimos como antes

V^i := \mathcal{D}_j \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij},

de manera que la ecuación original la reescribimos como

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i,

De esta manera, en nuestras coordenadas obtenemos:

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i = \frac{3}{2} (\mathcal{D}_{\xi} V^{\xi} + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} V^{\bar{\eta}} + \mathcal{D}_{\varphi} V^{\varphi}) =

div_biSphComNor1

donde

V^{\xi} = \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \bar{\eta}} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \varphi} ),

V^{\bar{\eta}} = \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \bar{\eta}} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \varphi} ),

V^{\varphi} = \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \bar{\eta}} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi} ),

que desarrollando las covariantes quedan:

V^{\xi} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi}] ),

V^{\bar{\eta}} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta}) + 2 \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} - \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi} ] ),

V^{\varphi} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi}] ),

que combinandolo con la anterior, queda:

Finalmente, las ecuaciones:

\boxed{\Delta \beta^i = 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_{\beta} },

con las que procederemos de manera similar a como hemos hecho con las X^i, es decir, calculando las fuentes en una base, haciendo un cambio de base que las desacople (cartesianas), resolviendolas de manera independiente y volviendo a la base original:

S^i_\beta (\bar{r},\theta,\varphi) := 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}_i \Theta_{\beta},

que quedan:

S^{\xi}_\beta= 2 \big [ \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \bar{\eta}}) + \mathcal{D}_{\varphi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \varphi}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\xi} \Theta_\beta,

S^{\bar{\eta}}_\beta = 2 \big [ \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \bar{\eta}}) + \mathcal{D}_{\varphi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \varphi}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{\eta}} \Theta_\beta,

S^{\varphi}_\beta = 2 \big [ \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\varphi} \Theta_\beta,

donde las derivadas covariantes del tensor dos veces contravariante:

T^{ij}:=\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}

son como acabamos de hacer en la ecuación anterior y las del escalar \Theta_\beta es como ya hicimos con las X^i:

S^{\xi} = 2 V^{\xi} - \frac{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}{3a} \partial_{\xi} \Theta_{\beta},

S^{\bar{\eta}} = 2 V^{\bar{\eta}} - \frac{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}{3a} \frac{(\bar{\eta} - 1)^2}{b} \partial_{\bar{\eta}} \Theta_{\beta},

S^{\varphi} = 2 V^{\varphi} - \frac{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}{3a} \csc \xi \partial_{\varphi} \Theta_{\beta}.

Hacemos a continuación el cambio:

[S^{\xi}(\xi,\bar{\eta},\varphi),S^{\bar{\eta}}(\xi,\bar{\eta},\varphi),S^{\varphi}(\xi,\bar{\eta},\varphi)] \rightarrow

\rightarrow [S^x(\xi,\bar{\eta},\varphi), S^y(\xi,\bar{\eta},\varphi), S^z(\xi,\bar{\eta},\varphi)],

y resolvemos:

\Delta \beta^{x} = S^{x}

\Delta \beta^{y} = S^{y}

\Delta \beta^{z} = S^{z},

deshaciendo el cambio:

[\beta^x(\xi,\bar{\eta},\varphi), \beta^y(\xi,\bar{\eta},\varphi), \beta^z(\xi,\bar{\eta},\varphi)] \rightarrow

\rightarrow [\beta^{\xi}(\xi,\bar{\eta},\varphi),\beta^{\bar{\eta}}(\xi,\bar{\eta},\varphi),\beta^{\varphi}(\xi,\bar{\eta},\varphi)]

para terminar.

Recordemos lo ya expuesto en este post: que en las coordenadas biesféricas (\xi, \eta, \varphi), las dos primeras (\xi, \eta) provienen de las coordenadas bipolares, donde la primera indica el ángulo entre las dos rectas que unen nuestro punto con los dos focos que necesitamos para determinar las bipolares y la segundo es el logartimo del ratio entre la longitud de estas dos rectas, mientras que la última proviene de rotarlas alrededor del eje que une los focos.

Compactificamos la segunda coordenada mediante \boxed{\eta = \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}}}.

El Laplaciano, en estas coordenadas y con esta compactificación, queda:

\Delta = \frac{(\cos \xi - \mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1-\bar{\eta}})^2}{a^2} \big [ \partial_{\xi \xi} + \csc \xi \frac{-1 + \cos \xi \, \mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1-\bar{\eta}}}{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1-\bar{\eta}} - \cos \xi} \partial_{\xi}

+\frac{(\bar{\eta} - 1)^4}{b^2} \partial_{\bar{\eta} \bar{\eta}} + \frac{(\bar{\eta} - 1)^2}{b^2} (2(\bar{\eta}-1) -\frac{b \, \mbox{\scriptsize sinh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}}}{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}) \partial_{\bar{\eta}} + \csc^2 \xi \partial_{\varphi} \big ],

las derivadas covariantes de covectores (1-formas):

CovDer_BiSphComNor1

y las fuentes:

\boxed{\Delta \Theta_{X} = 6 \pi \mathcal{D}^j S^*_j}

\Delta \Theta_X = 6 \pi f^{ji} \mathcal{D}_i S^*_j = 6 \pi ( \mathcal{D}_{\xi} S^*_{\xi} + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} S^*_{\bar{\eta}} + \mathcal{D}_{\varphi} S^*_{\varphi} ) =

s1_biSphComNor1

\boxed{\Delta X^{i} = 8 \pi f^{ij} S^*_j - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_X}

Pasando la derivada contravariante a covariante mediante la métrica, queda:

\Delta X^{i} = 8 \pi f^{ij} S^*_j - \frac{1}{3} f^{ik} \mathcal{D}_k \Theta_X.

Definimos ahora

S_X^i := 8 \pi f^{ij} S^*_j - \frac{1}{3} f^{ik} \mathcal{D}_k \Theta_X,

de manera que:

S_X^{\xi} = 8 \pi f^{\xi j} S^*_j - \frac{1}{3} f^{\xi k}\mathcal{D}_{k} \Theta_X = 8 \pi S^*_{\xi} - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\xi} \Theta_X =

= 8 \pi S^*_{\xi} - \frac{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}{a} \partial_{\xi} \Theta_X

S_X^{\bar{\eta}} = 8 \pi f^{\bar{\eta} j} S^*_j - \frac{1}{3} f^{\bar{\eta} k} \mathcal{D}_{k} \Theta_X = 8 \pi S^*_{\bar{\eta}} - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{\eta}} \Theta_X =

= 8 \pi S^*_{\bar{\eta}} - \frac{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}{a} \frac{(\bar{\eta} - 1)^2}{b} \partial_{\bar{\eta}} \Theta_X

S_X^{\varphi} = 8 \pi f^{\varphi j} S^*_j - \frac{1}{3} f^{\varphi k} \mathcal{D}^{k} \Theta_X = 8 \pi S^*_{\varphi} - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\varphi} \Theta_X =

= 8 \pi S^*_{\varphi} - \frac{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}{a} \csc \xi \partial_{\varphi} \Theta_X

En este punto tenemos que el vector

(S_X^{\xi}(\xi,\bar{\eta},\varphi),S_X^{\bar{\eta}}(\xi,\bar{\eta},\varphi),S_X^{\varphi}(\xi,\bar{\eta},\varphi))

expresado en la base que resulta de normalizar la base coordenada \{ \partial_{\xi}, \partial_{\bar{\eta}}, \partial_{\varphi} \}. Lo que hacemos ahora es expresar este vector en la nueva base \{ \partial_x, \partial_y, \partial_z \}, de manera que obtenemos

(S_X^{x}(\xi,\bar{\eta},\varphi),S_X^{y}(\xi,\bar{\eta},\varphi),S_X^{z}(\xi,\bar{\eta},\varphi)).

y como es esta base las ecuaciones están desacopladas y \Theta_X es un campo escalar, resolvemos independientemente:

\Delta X^{x} = S_X^{x},

\Delta X^{y} = S_X^{y},

\Delta X^{z} = S_X^{z}.

Finalmente, con el cambio de base inverso, calculamos a partir de (X^{x},X^{y},X^{z}) el vector (X^{\xi},X^{\bar{\eta}},X^\varphi) .

\underline{\hat{A}^{ij} = \mathcal{D}^i X^j + \mathcal{D}^j X^i - \frac{2}{3} \mathcal{D}_k X^k f^{ij}}

Necesitamos ahora la derivada covariante de un vector (hasta ahora habían coincidido las derivadas covariantes de vectores y covectores, pero en este caso no):

CovDer_BiSphComNor1_vec

volvemos a pasar las derivadas contravariantes a covariantes:

\hat{A}^{ij} = f^{im} \mathcal{D}_m X^j + f^{jn} \mathcal{D}_n X^i - \frac{2}{3} f^{ij} \mathcal{D}_k X^{k}

y obtenemos:

\hat{A}^{\xi \xi} = f^{\xi m} \mathcal{D}_m X^{\xi} + f^{\xi n} \mathcal{D}_n X^{\xi} - \frac{2}{3} \mathcal{D}_k X^{k} = \frac{2}{3}( 2 \mathcal{D}_{\xi} X^{\xi} - \mathcal{D}_{\bar{\eta}} X^{\bar{\eta}} - \mathcal{D}_{\varphi} X^{\varphi}) =

A11_biSphComNor1

\hat{A}^{\xi \bar{\eta}} = f^{\xi m} \mathcal{D}_m X^{\bar{\eta}} + f^{\bar{\eta} n} \mathcal{D}_n X^{\xi} = \mathcal{D}_{\xi} X^{\bar{\eta}} + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} X^{\xi} =

A12_biSphComNor1

\hat{A}^{\xi \varphi} = f^{\xi m} \mathcal{D}_m X^{\varphi} + f^{\varphi n} \mathcal{D}_n X^{\xi} = \mathcal{D}_{\xi} X^{\varphi} + \mathcal{D}_{\varphi} X^{\xi} =

A13_biSphComNor1

\hat{A}^{\bar{\eta} \bar{\eta}} = f^{\bar{\eta} m} \mathcal{D}_m X^{\bar{\eta}} + f^{\bar{\eta} n} \mathcal{D}_n X^{\bar{\eta}} - \frac{2}{3} \mathcal{D}_k X^{k} = \frac{2}{3}( - \mathcal{D}_{\xi} X^{\xi} + 2 \mathcal{D}_{\bar{\eta}} X^{\bar{\eta}} - \mathcal{D}_{\varphi} X^{\varphi}) =

A22_biSphComNor1

\hat{A}^{\bar{\eta} \varphi} = f^{\bar{\eta} m} \mathcal{D}_m X^{\varphi} + f^{\varphi n} \mathcal{D}_n X^{\bar{\eta}} = \mathcal{D}_{\bar{\eta}} X^{\varphi} + \mathcal{D}_{\varphi} X^{\bar{\eta}} =

A23_biSphComNor1

\hat{A}^{\varphi \varphi} = f^{\varphi m} \mathcal{D}_m X^{\varphi} + f^{\varphi n} \mathcal{D}_n X^{\varphi} - \frac{2}{3} \mathcal{D}_k X^{k} = \frac{2}{3}( - \mathcal{D}_{\bar{r}} X^{\bar{r}} - \mathcal{D}_{\theta} X^{\theta} +2 \mathcal{D}_{\varphi} X^{\varphi}) =

A33_biSphComNor1

Las dos ecuaciones no lineales correspondientes al factor conforme \psi y al lapse \alpha, como no contienen derivadas covariantes, quedan como las teniamos:

\boxed{\Delta \psi = -2 \pi E^* \psi^{-1} - \frac{1}{8}(f_{il} f_{jm} \hat{A}^{lm} \hat{A}^{ij}) \psi^{-7} }

\boxed{\Delta (\alpha \psi) = [ 2 \pi (E^* + 2 S^*) \psi^{-7} + \frac{1}{8}(f_{il} f_{jm} \hat{A}^{lm} \hat{A}^{ij}) \psi^{-8} ] (\alpha \psi) }

Finalmente, para el shift \beta y su ecuación auxiliar tenemos:

\boxed{\Delta \Theta_{\beta} = \frac{3}{4} \mathcal{D}_i \mathcal{D}_j (2 \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} )}

\boxed{\Delta \beta^i = \mathcal{D}_j ( 2 \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_{\beta} }

que trataremos en el siguiente post.

El círculo de Apolonio de focos F_1 y F_2 de razón r es el lugar geométrico de los puntos de plano P tales que:

\overline{PF_1}/\overline{PF_2} = r.

Definimos las coordenadas bipolares (\xi,\eta) de la siguiente manera:

x = a \frac{\mbox{\scriptsize sinh} \eta}{\mbox{\scriptsize cosh} \eta - cos \xi},

y = a \frac{\sin \eta}{\mbox{\scriptsize cosh} \eta - cos \xi},

donde en los puntos F_1=(-a,0) y F_2=(a,0) tenemos definidos los dos focos.

La interpretación geométrica es la siguiente: dado un punto P=(x,y) del plano, la coordenada \xi es el ángulo que forman los vectores u:=\overline{PF_1} y v:=\overline{PF_2}:

\xi = \arccos \frac{u \cdot v}{|u||v|}, de manera que \xi \in [-\pi,\pi],

mientras que la coordenada \eta es el rátio entre los módulos de éstos:

\eta = \log \frac{|u|}{|v|}, por lo que \eta \in ]0,\infty[,

que si las expresamos de manera que aparezcan explicitamente las coordenadas cartesianas, quedan:

\xi = \arccos \frac{x^2 + y^2 - a^2}{\sqrt{(a-x)^2 + y^2}\sqrt{(a+x)^2+y^2}},

\eta = \frac{\log[(a+x)^2+y^2] - \log[(a-x)^2+y^2]}{2}.

A continuación, una imagen con lineas coordenadas:

BiSphCoo

Para pasar a coordenadas en tres dimensiones, lo único que hacemos es añadir una nueva coordenada \varphi que nos indica un ángulo de rotación respecto de un eje. Si el eje es la recta que une los focos, obtenemos las coordenadas biesféricas, que son las que nos interesarán y utilizaremos en posteriores entradas. Si lo que hacemos es rotar respecto a la recta perpendicular a la anterior, la que separa los dos focos, obtenemos las coordenadas toroidales.

La salida ahora para un tensor dos veces contravariante en la base ortonormal queda:

CovDerTen2SphCom1,

Para primera ecuación:

\boxed{\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i \mathcal{D}_j (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}) },

definimos como antes

V^i := \mathcal{D}_j \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij},

de manera que la ecuación original la reescribimos como

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i,

De esta manera, en nuestras coordenadas obtenemos:

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i = \frac{3}{2} (\mathcal{D}_{\bar{r}} V^{\bar{r}} + \mathcal{D}_{\theta} V^{\theta} + \mathcal{D}_{\varphi} V^{\varphi}) =

= \frac{3 - 3\bar{r} }{2a \bar{r}} [ (\bar{r}-\bar{r}^2) \partial_{\bar{r}} V^{\bar{r}} + 2 V^{\bar{r}} + \partial_{\theta} V^{\theta} + \cot \theta V^{\theta} + \csc \theta \partial_{\varphi} V^{\varphi} ],

donde

V^{\bar{r}} = \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi} ),

V^{\theta} = \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \varphi} ),

V^{\varphi} = \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \theta} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi} ),

que desarrollando las covariantes quedan:

V^{\bar{r}} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi}] ),

V^{\theta} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta}) + 2 \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} - \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi} ] ),

V^{\varphi} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi}] ),

que combinandolo con la anterior, queda (solo escribimos como empezaría debido a la longitud de la ecuación):

\Delta \Theta_\beta = \frac{3 - 3\bar{r} }{2a \bar{r}} \Big [ (\bar{r}-\bar{r}^2) \partial_{\bar{r}} [\frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) + \ldots ] + \ldots \Big ]

Finalmente, las ecuaciones:

\boxed{\Delta \beta^i = 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_{\beta} },

con las que procederemos de manera similar a como hemos hecho con las X^i, es decir, calculando las fuentes en una base, haciendo un cambio de base que las desacople (cartesianas), resolviendolas de manera independiente y volviendo a la base original:

S^i_\beta (\bar{r},\theta,\varphi) := 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}_i \Theta_{\beta},

que quedan:

S^{\bar{r}}_\beta= 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \mathcal{D}_{\varphi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{r}} \Theta_\beta,

S^{\theta}_\beta = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta}) + \mathcal{D}_{\varphi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \varphi}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\theta} \Theta_\beta,

S^{\varphi}_\beta = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{y}} \Theta_\beta,

donde las derivadas covariantes del tensor dos veces contravariante:

T^{ij}:=\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}

son como acabamos de hacer en la ecuación anterior y las del escalar \Theta_\beta es como ya hicimos con las X^i:

S^{\bar{r}} = 2 V^{\bar{r}} - \frac{(1-\bar{r})^2}{3a} \partial_{\bar{r}} \Theta_{\beta},

S^{\theta} = 2 V^{\theta} - \frac{1-\bar{r}}{3a\bar{r}} \partial_{\theta} \Theta_{\beta},

S^{\varphi} = 2 V^{\varphi} - \frac{1-\bar{r}}{3a\bar{r}} \csc \theta \partial_{\varphi} \Theta_{\beta}.

Hacemos a continuación el cambio:

[S^{\bar{r}}(\bar{r},\theta,\varphi),S^{\theta}(\bar{r},\theta,\varphi),S^{\varphi}(\bar{r},\theta,\varphi)] \rightarrow

\rightarrow [S^x(\bar{r},\theta,\varphi), S^y(\bar{r},\theta,\varphi), S^z(\bar{r},\theta,\varphi)],

y resolvemos:

\Delta \beta^{x} = S^{x}

\Delta \beta^{y} = S^{y}

\Delta \beta^{z} = S^{z},

deshaciendo el cambio:

[\beta^x(\bar{r},\theta,\varphi), \beta^y(\bar{r},\theta,\varphi), \beta^z(\bar{r},\theta,\varphi)] \rightarrow

\rightarrow [\beta^{\bar{r}}(\bar{r},\theta,\varphi),\beta^{\theta}(\bar{r},\theta,\varphi),\beta^{\varphi}(\bar{r},\theta,\varphi)]

para terminar.

La salida ahora para un tensor dos veces contravariante en la base ortonormal queda:

CovDerTen2CarCom2,

Para primera ecuación:

\boxed{\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i \mathcal{D}_j (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}) },

definimos como antes

V^i := \mathcal{D}_j \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij},

de manera que la ecuación original la reescribimos como

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i,

De esta manera, en nuestras coordenadas obtenemos:

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i = \frac{3}{2} (\mathcal{D}_{\bar{x}} V^{\bar{x}} + \mathcal{D}_{\bar{y}} V^{\bar{y}} + \mathcal{D}_{\bar{z}} V^{\bar{z}}) =

= \frac{3}{2} (\frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} V^{\bar{x}}+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} V^{\bar{y}} + \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} V^{\bar{z}}),

donde

V^{\bar{x}} = \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}} ) + \mathcal{D}_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}} ),

V^{\bar{y}} = \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}} ) + \mathcal{D}_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}} ),

V^{\bar{z}} = \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}} ) + \mathcal{D}_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}} ),

que desarrollando las covariantes quedan:

V^{\bar{x}} = \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}} ) + \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}} ),

V^{\bar{y}} = \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}} ) + \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}} ),

V^{\bar{z}} = \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}} ) + \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}} ).

Por tanto, combiando todo, tenemos:

\Delta \Theta_\beta =

= \frac{3 + 3cos(\pi \bar{x})}{2 a \pi} \partial_{\bar{x}} \big [ \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}} ) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}} ) \big ] +

+ \frac{3 + 3 \cos (\pi \bar{y})}{2b \pi} \partial_{\bar{y}} \big [ \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}} ) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}} ) \big ] +

+ \frac{3 + 3 \cos(\pi \bar{z})}{2c \pi} \partial_{\bar{z}} \big [ \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) +

\frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}} ) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}} ) \big ],

Finalmente, las ecuaciones:

\boxed{\Delta \beta^i = 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_{\beta} }.

son:

\Delta \beta^{\bar{x}} = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{x}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{y}} = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{y}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{z}} = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{z}} \Theta_\beta,

y al sustituir las derivadas covariantes:

\Delta \beta^{\bar{x}} = \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}}) - \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{3a \pi} \partial_{\bar{x}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{y}} = \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{z})}{c} \partial_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) - \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{3b \pi} \partial_{\bar{y}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{z}} = \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}}) - \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{3c \pi} \partial_{\bar{z}} \Theta_\beta.

junio 2017
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