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Posts Tagged ‘Daniel Bernoulli’

El siglo XVIII fue testigo del desarrollo de varias ideas matemáticas del siglo XVII: el cálculo fue un ejemplo importante. Leonhard Euler fue excepcional entre sus pares no solo por la amplitud y profusión de su obra, sino también por su gran originalidad; fundó gran parte de la teoría de números, definió el concepto moderno de función y formuló una teoría general para el cálculo de variaciones. Su renombre y virtuosismo fueron tales que el siglo XVIII a veces se conoce como la “Era de Euler”. 

Leonhard Euler nació en Basilea el 15 de abril de 1707. Su padre, Paul Euler, era un ministro protestante, y su madre, Margarete Brucker, era hija de un ministro; esta base religiosa permaneció con Euler a lo largo de su vida. El padre de Euler, que se había interesado en la matemática al haber asistido a las conferencias de Jakob Bernoulli en la Universidad de Basilea, educó a su hijo en sus primeros años. Debido a que su Gymnasium no enseñaba matemática, Euler estudió en privado con un matemático aficionado, y mostró un talento notable para alguien de su edad. En 1720 ingresó en la Universidad de Basilea y pronto estuvo bajo la guía de Johann Bernoulli. En 1722 recibió su licenciatura en artes, y un año más tarde su maestría en filosofía; a los 16 años, se unió al departamento de teología. 

Sin embargo, la fuerza de Euler estaba en la matemática, y pronto abandonó su ambición de ser ministro. Por esta época comenzó su propia búsqueda en la matemática y publicó un artículo sobre trayectorias recíprocas algebraicas. Había pocas oportunidades en Suiza para matemáticos jóvenes, por lo que Euler aceptó una oferta para unirse a la nueva Academia de Ciencias de San Petersburgo en 1727. Su nombramiento oficial fue como adjunto de fisiología, aunque se le permitió trabajar en matemática. Euler se convirtió en profesor de física en 1731 y en profesor de matemática en 1733; la atmósfera en la joven academia fue estimulante para Euler, quien interactuó con Jakob Hermann, Daniel Bernoulli y Christian Goldbach. 

La vida de Euler estuvo marcada por su notable diligencia y actividad. Su investigación matemática fue informada en las sesiones de la academia; mientras tanto, participó en la formación de científicos rusos, así como en el estudio del territorio ruso (Euler ayudó en la construcción de mapas geográficos) y en el desarrollo de nueva tecnología (Euler estudió problemas de construcción naval y de navegación). Pero sus contribuciones a la matemática fueron prolíficas: Euler preparó más de 80 obras en sus primeros 14 años en San Petersburgo. 

Muchas de sus mejores ideas fueron formuladas en su juventud, incluso en Basilea, y se desarrollaron mucho después. Debido a su voluminosa correspondencia con otros científicos, los descubrimientos de Euler a menudo se hicieron públicos antes de que fueran publicados; esto le trajo una gran cantidad de fama. En 1733 se casó con Katharina Gsell, y pronto tuvo dos hijos. Su tranquila vida fue estropeada solamente por la pérdida de la visión de su ojo derecho en 1738; según Euler, esto se debió a la sobrecarga de su trabajo cartográfico. Sin embargo, en 1740 la situación política en Rusia se volvió inestable, y Euler aceptó una oferta para trabajar en la Sociedad de Ciencias de Berlín. 

Euler se quedó en Berlín durante 25 años, tiempo durante el cual fue bendecido con muchos más hijos. Durante este período, trabajó en las academias de Berlín y San Petersburgo. Fue director de la Sociedad de Ciencias de Berlín, que transformó en gran medida. Además de las numerosas tareas administrativas, se ocupó de varios problemas prácticos, como la corrección del nivel del canal de Finow. Consultó con el gobierno sobre problemas de seguros, pensiones e hidráulica, e incluso organizó algunas loterías estatales. Mientras tanto, Euler recibió una pensión de la Academia de San Petersburgo y, a cambio, editó el diario de la academia, le informó sobre nuevas ideas científicas y supervisó competiciones. Euler recibió 12 premios de la Académie des Sciences de París de 1738 a 1772. 

El período de Berlín fue fructífero, ya que Euler produjo más de 380 obras, algunas de las cuales fueron extensas, sobre temas como el cálculo de variaciones, el cálculo de órbitas, balística, análisis, movimiento lunar y cálculo diferencial. Sus famosas Lettres à une princesse d’Allemagne sur buts sujets de physique et de philosophie (Cartas a una princesa alemana sobre diversos temas de física y filosofía) se escribieron de manera popular y se convirtieron en un gran éxito en Europa. Euler participó en muchos debates académicos sobre temas como la religión de la razón pura expuesta por Gottfried Leibniz, y el principio de mínima acción. 

Después de 1759, la relación de Euler con el rey Federico de Prusia se deterioró, y finalmente regresó a San Petersburgo en 1766. Poco después de su regreso, una breve enfermedad lo dejó completamente ciego; esto dificultó su capacidad de investigar, pero con la ayuda de asistentes pudo dictar sus pensamientos y así continuar su trabajo. El único cambio parece ser que sus artículos se volvieron más concisos, y la mitad del total de sus obras se produjo después de 1765. Su memoria (podía recitar literalmente la Eneida de Virgilio) permaneció impecable, y continuó teniendo ideas originales. La actividad de Euler en la academia no disminuyó cuando murió el 18 de septiembre de 1783, de una hemorragia cerebral.   

Euler fue uno de los matemáticos más importantes desde Sir Isaac Newton. Estaba profundamente interesado en las aplicaciones, pero desarrollaría la matemática pertinente a niveles profundos de abstracción y generalidad. Su tema principal fue el análisis, contribuyendo al cálculo de variaciones, la teoría de las ecuaciones diferenciales, las funciones de una variable compleja y la teoría de funciones especiales. Se le deben muchas convenciones y notaciones modernas, como el símbolo f(x) para el valor de una función y i para la raíz cuadrada de -1. 

En teoría de números, a Euler le preocupaba la teoría de la divisibilidad, introduciendo la llamada función de Euler, que cuenta la cantidad de divisores de un entero dado. Estos estudios lo llevaron al descubrimiento de la ley de la reciprocidad cuadrática, cuya prueba completa fue luego establecida por Carl Friedrich Gauss. Euler investigó las descomposiciones de números primos como combinaciones lineales de cuadrados, y trabajó en el análisis diofántico a través de fracciones continuas. Sus métodos eran algebraicos, pero Euler fue el primero en introducir métodos analíticos a la teoría de números, en particular, dedujo una famosa identidad que relacionaba sumas de cuadrados recíprocos con un producto de números primos, que fue un primer paso en el estudio de la función zeta de Riemann. Euler estudió varias constantes matemáticas, como e y pi, así como la constante de Euler (que surge en el estudio de la serie armónica divergente). 

Euler enunció el teorema que dice que un polinomio algebraico de grado n tiene n raíces de la forma a+bi, que ahora se conoce como el teorema fundamental del álgebra. Su prueba de 1751 tuvo algunas omisiones, que luego fueron corregidas por Gauss. Euler también intentó derivar una fórmula exacta para las raíces del polinomio de quinto grado, y sus fallas lo llevaron a métodos de aproximación de análisis numérico. 

Aunque muchos matemáticos habían estudiado series infinitas, Euler fue inusualmente exitoso en su cálculo, obteniendo fórmulas simples para sumas de recíprocos de potencias pares de enteros. A través de estos estudios, Euler estudió funciones especiales (como las funciones de Bessel) y descubrió la constante de Euler para la aproximación de la serie armónica. Hizo un gran uso de las series de potencias e introdujo series trigonométricas antes que Jean Baptiste Joseph Fourier como herramienta analítica. Euler creía que las series divergentes podían ser útiles, y este esfuerzo llegaría a buen término mucho más tarde, en el siglo XX. 

Euler presentó la idea de que el análisis matemático es el estudio de las funciones; para este fin, definió más claramente el concepto de función, que se aproxima mucho a la noción moderna. A través de la consideración del logaritmo de los números negativos, Euler llegó a un entendimiento de la exponenciación de números imaginarios, derivando muchos hechos elementales cruciales. Avanzó en el conocimiento de los números complejos, descubriendo las ecuaciones diferenciales que relacionan las partes real e imaginaria de una función analítica. Euler aplicó sus técnicas al cálculo de integrales reales.  

También realizó numerosos descubrimientos en el cálculo diferencial e integral, derivando reglas de sustitución, validando el intercambio de derivadas parciales y fundando el concepto de integrales múltiples. Como resultado de los muchos casos especiales y técnicas de integración que empleó, se descubrieron las funciones beta y gamma, que son útiles en física. Euler hizo grandes contribuciones al campo de las ecuaciones diferenciales, incluido el método de variación de constantes, así como el uso de curvas características. Algunas de las aplicaciones de este trabajo incluyen problemas de cuerdas vibrantes, hidrodinámica y el movimiento del aire en las tuberías. 

Sus estudios en el cálculo de variaciones lo llevaron a la ecuación diferencial de Euler, y su exposición del tema se convirtió en un clásico. Euler fue el primero en formular los principales problemas de este tema y los principales métodos de solución. En geometría, Euler investigó la trigonometría esférica y fundó una teoría de líneas sobre una superficie, uno de los pasos iniciales hacia el moderno tema de la geometría diferencial. Analizó la curvatura de una superficie en términos de la curvatura de las curvas principales embebidas e introdujo las coordenadas gaussianas, que se usaron ampliamente en el siglo XIX. 

Euler también fue el primer autor en topología, resolviendo el famoso enigma de siete puentes de Königsberg; estudió poliedros, obteniendo lo que más tarde se conocería como la característica de Euler, una fórmula que relaciona su número de aristas, caras y vértices. 

Además de estas contribuciones a la matemática pura, Euler trabajó en mecánica, astronomía y óptica. Euler sistematizó la mecánica, introduciendo métodos analíticos que simplificaron enormemente el tema. Estudió mecánica celeste y elasticidad, derivando la famosa fórmula de pandeo de Euler, utilizada para determinar la fuerza de las columnas. En mecánica de fluidos, estudió las posiciones de equilibrio y presentó tres obras clásicas sobre el movimiento de los fluidos incompresibles; Euler también mejoró el diseño de la turbina hidráulica. 

En astronomía, Euler estaba interesado en la determinación de órbitas de cometas y planetas, en la teoría de la refracción y en la naturaleza física de los cometas. Presentó una extensa teoría lunar, que permitía un cálculo más preciso de la posición longitudinal de un barco en el mar. Euler ayudó a la física matemáticamente (es decir, al introducir muchas técnicas de análisis para comprender mejor ciertos problemas). De hecho, se le acredita como fundador de la física matemática. Estudió también la óptica, construyendo una teoría de la luz no como partícula que veía la iluminación como el producto de ciertas oscilaciones en el éter ambiental.  

Euler fue un hombre humilde, pero también uno de los mejores científicos y matemáticos de todos los tiempos, y especialmente del siglo XVIII; fue reconocido por sus compañeros como un genio sobresaliente. Su investigación matemática ha estimulado una enorme cantidad de actividad posterior, y muchas de sus ideas se adelantaron a su tiempo.

 


Fuente bibliográfica:

  • McElroy, Tucker (2005) A to Z of Mathematicians. Facts On File, Inc.
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A comienzos del siglo XIX en Alemania, Carl Friedrich Gauss ya había hecho descubrimientos sobresalientes en teoría de números. De sus muchos sucesores, Dirichlet es memorable como un matemático de gran habilidad que extendió significativamente el conocimiento de la teoría de números.  

Gustav Dirichlet nació en Düren en 1805. Su padre era un administrador de correos, y Gustav se educó en una escuela pública. Antes de los 12 años, expresó un celoso interés por la matemática, incluso gastando su dinero extra en libros de matemática. En 1817 ingresó al Gymnasium en Bonn, y progresó rápidamente en sus estudios. Dos años después, Dirichlet fue transferido a un colegio jesuita en Colonia, donde completó sus exámenes principales a los 16 años. Aunque sus padres deseaban que Dirichlet estudiara derecho, prefirió seguir su pasión: la matemática, y viajó a París en 1822 para aprender más de los grandes matemáticos franceses. 

En París, después de sobrevivir a un ataque de viruela, Dirichlet asistió a las clases en el Collège de France, y en 1823 consiguió un atractivo puesto como tutor de los hijos de un famoso general francés. A través de esta situación, Dirichlet se adentró en la vida intelectual francesa. Entre sus conocidos matemáticos, se sintió especialmente atraído por Jean Baptiste Joseph Fourier, quien continuaría ejerciendo una influencia significativa en el trabajo posterior de Dirichlet. 

Su primer interés fue la teoría de números, y esta continuó siendo la principal área de contribución de Dirichlet a la matemática. En 1825 presentó su primer artículo sobre las llamadas ecuaciones diofánticas de grado cinco (ecuaciones en más de dos variables que implican potencias quintas y que requieren soluciones enteras). Los resultados de este trabajo en la teoría de números algebraicos llevaron a un progreso adicional en el Último Teorema de Fermat, una famosa conjetura sin resolver (probada en 1994 por Andrew Wiles) de la teoría de números. 

En 1825, el empleador de Dirichlet murió y regresó a Alemania. Aunque no tenía un doctorado, obtuvo un puesto en la Universidad de Breslau; Posteriormente, Dirichlet obtuvo sus estipendios con una tesis sobre los divisores principales de ciertos polinomios. También contribuyó con la ley de la reciprocidad bicuadrática, basándose en el trabajo pionero de Gauss. El ambiente en Breslau no era propicio para la investigación, por lo que Dirichlet se trasladó a Berlín en 1828, convirtiéndose allí en profesor de la academia militar. En 1831 se casó con Rebecca Mendelsohn-Bartholdy, y también se convirtió en miembro de la Academia de Ciencias de Berlín. 

Dirichlet pasó casi tres décadas como profesor en Berlín, y durante este tiempo ejerció una profunda influencia en el desarrollo de la matemática alemana. Entrenó a muchos estudiantes y continuó escribiendo trabajos de la más alta calidad y relevancia. Dirichlet era tímido y retraído, expresando una modesta renuencia a hacer apariciones públicas. Durante estos años, Dirichlet se comunicó con Carl Jacobi, otro gran matemático alemán. 

Los primeros trabajos de Dirichlet en teoría de números ahondaron en temas que Gauss había esbozado en sus Disquisitiones Arithmeticae (Investigaciones Aritméticas) de 1801 -temas como las formas cuadráticas, las leyes cuadráticas y biquádricas de reciprocidad, y la teoría de números de enteros Gaussianos. En una reunión de 1837 de la Academia de Ciencias, Dirichlet presentó su primer trabajo sobre la teoría analítica de números, en el que estableció que cualquier progresión aritmética debe contener un número infinito de primos. Algunos documentos posteriores resolvieron la convergencia de las llamadas series de Dirichlet, así como también determinaron el número de clase para las formas cuadráticas. En esta literatura, uno encuentra por primera vez el “principio del casillero” de Dirichlet, utilizado en muchas pruebas matemáticas, que establece que si se colocan más de n objetos en n agujeros, al menos un agujero debe tener más de un objeto dentro. Dirichlet estaba buscando una teoría general de números algebraicos que fuera válida para campos de grado arbitrario. Sus técnicas incluyeron una generalización de las formas cuadráticas. 

Mientras tanto, Dirichlet estaba investigando el análisis matemático, y estaba especialmente interesado en la serie de Fourier. Estas series de potencias podían aproximar tanto funciones continuas como discontinuas, y Daniel Bernoulli y Leonhard Euler las utilizaron para modelar las vibraciones de las cuerdas. El método de Dirichlet para probar la convergencia de una serie trigonométrica difería del enfoque anterior de Augustin-Louis Cauchy, y su enfoque se convirtió luego en estándar. En un artículo de 1837, Dirichlet formula la noción moderna de una función como una correspondencia especial entre un par de variables. 

Dirichlet también es conocido por sus contribuciones a la mecánica, donde desarrolló un método para evaluar integrales a través de un factor de discontinuidad. La ecuación diferencial parcial de Laplace con una restricción en los valores límite de la solución ahora se conoce como el problema de Dirichlet; un documento de 1850 de Dirichlet trata esta ecuación, que tiene aplicaciones en calor, magnetismo y electricidad. Un artículo de 1852 trata la hidrodinámica, dando la primera integración exacta para las ecuaciones hidrodinámicas. 

Después de la muerte de Gauss en 1855, la Universidad de Göttingen solicitó a Dirichlet como reemplazo del difunto príncipe de la matemática, y Dirichlet pasó sus últimos años en el entorno superior de investigación de Göttingen. Continuó su trabajo en mecánica hasta que sufrió un ataque al corazón, muriendo más tarde el 5 de mayo de 1859. 

Dirichlet debe ser visto como sucesor de Gauss en su trabajo en teoría de números. Sin embargo, sus logros en análisis, mecánica y ecuaciones diferenciales también son bastante notables. A través de su extensa tutela, Dirichlet también transmitió su pasión y conocimiento en matemática a una nueva generación de alumnos, entre los que se incluyen Richard Dedekind y Leopold Kronecker .

 


Fuente bibliográfica:

  • McElroy, Tucker (2005) A to Z of Mathematicians. Facts On File, Inc.

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El campo de la astronomía se había desarrollado rápidamente en el siglo XIX, y la matemática conservaba su importancia vital para esta ciencia hermana. Friedrich Bessel no sólo se convirtió en uno de los más grandes astrónomos, calculando con precisión varias distancias astronómicas y siendo calificado como el fundador de la escuela alemana de astronomía práctica, sino que también desarrolló teorías matemáticas sobresalientes para explicar las perturbaciones de las órbitas planetarias. 

El 22 de julio de 1784, Friedrich Bessel nació en Minden, Alemania. Su padre era un funcionario público de esa ciudad, y su madre era hija de un ministro. Bessel tenía una familia grande, conformada por seis hermanas y dos hermanos. Bessel asistió al Gymnasium (instituto alemán) en Minden, pero después de cuatro años lo abandonó para convertirse en aprendiz de comerciante. Mientras estaba en la escuela, tuvo una inclinación hacia la matemática y la física, pero no mostró ningún grado digno de ser  destacado hasta que alcanzó los 15 años de edad. En 1799 comenzó su aprendizaje con Kulenkamp, una firma famosa mercantilista; rápidamente demostró su facilidad con los cálculos y la contabilidad, y como resultado se le proporcionó un sueldo escaso, que permitió que se emancipara de la dependencia de sus padres.

Mientras tanto, Bessel pasaba las noches estudiando varios temas como preparación para su futura carrera como oficial de carga. Pronto dominó la geografía, el español y el inglés, así como el arte de la navegación; esta disciplina despertó por primera vez su fascinación por la astronomía. No contento simplemente con conocer la tecnología de su comercio, Bessel comenzó a investigar los aspectos más profundos de la astronomía y la matemática, considerando que este conocimiento fundamental era esencial. Entre sus primeros logros en el campo de la astronomía encontramos la determinación de la longitud de Bremen, utilizando un sextante que había construido. Él también comenzó a leer literatura astronómica, y de esta manera descubrió las observaciones de 1607 del astrónomo Thomas Harriot del cometa Halley. Después de completar la reducción de las observaciones de Harriot (un proceso que implica compensar la refracción de la luz causada por la atmósfera terrestre y generalmente liberar las observaciones de errores), se la presentó al astrónomo Heinrich Olbers con su propio cálculo de la órbita en 1804. El resultado estaba en estrecho acuerdo con el trabajo de Halley, y Olbers alentó a Bessel a complementar estas reducciones con algunas observaciones adicionales; el fruto de este trabajo fue un artículo impreso en el Monatliche Correspondenz. Con la profundidad digna de un material de tesis doctoral, este artículo atrajo la atención de muchos lectores y marcó una transición en la vida de Bessel.

A principios de 1806, antes de terminar su aprendizaje, Bessel se convirtió en asistente en un observatorio privado cerca de Bremen, que era propiedad de un rico funcionario con interés en la astronomía que tenía contactos con muchos científicos. En el observatorio Bessel adquirió una escolarización completa en la observación de planetas y cometas, y mientras tanto hizo otras contribuciones al cálculo de órbitas de cometas. En 1807 comenzó la reducción de observaciones de James Bradley para 3.222 estrellas, lo que marcó uno de los logros más grandes de Bessel. Friedrich Wilhelm III de Prusia construyó un nuevo observatorio en Königsberg y Bessel fue nombrado director y profesor de astronomía en 1809. Dado que no tenía doctorado, la Universidad de Göttingen le dio uno por sugerencia de Carl Friedrich Gauss, quien había conocido a Bessel en 1807.

Durante la construcción del observatorio, Bessel continuó su trabajo en la reducción de los datos de Bradley; por sus tablas de refracción resultantes, fue galardonado con el Premio Lalande en 1811 por el Institut de France. En 1813 comenzó sus observaciones en el observatorio ya terminado, y permaneció en Königsberg como profesor e investigador por el resto de su vida. En 1812 se casó con Johanna Hagen, con quien tuvo dos hijos y tres hijas. Este afortunado matrimonio fue ensombrecido por la enfermedad y las muertes tempranas de sus hijos, y Bessel encontró distracción en caminar y cazar.

Bessel logró mucho en el campo de la astronomía. La reducción de los datos de Bradley permitió una correcta determinación de las posiciones y movimientos de las estrellas, pero el propio programa de observación y reducción inmediata de Bessel dio como resultado datos altamente precisos. También dio la primera estimación precisa de la distancia a una estrella fija, utilizando técnicas de triangulación y un heliómetro. También participó en la geodesia, la medición de la Tierra, completando una triangulación de Prussia del Este en 1830 con un nuevo aparato de medición y el método de mínimos cuadrados de Gauss. La estimación resultante de Bessel de los parámetros de las dimensiones de la Tierra le valió fama internacional.

Bessel estaba interesado en la matemática a través de su estrecha conexión con la astronomía. El problema de la perturbación en la astronomía era susceptible de análisis utilizando ciertas funciones hipergeométricas confluentes especiales, más tarde llamadas funciones de Bessel. Hubo dos efectos de un planeta intruso en la órbita elíptica de un planeta dado: el efecto directo de la perturbación gravitacional y el efecto indirecto que surge del movimiento del sol causado por el planeta perturbador. Bessel separó las dos influencias, y las funciones de Bessel aparecen como coeficientes en el desarrollo en serie del efecto indirecto. En su estudio del problema, Bessel hizo un estudio intensivo de estas funciones especiales que se describen en su tratado de Berlín de 1824. Casos especiales de estas funciones se conocían desde hacía más de un siglo, descubiertos por Johann Bernoulli y Gottfried Leibniz; Daniel Bernoulli (1732) y Leonhard Euler (1744) también habían investigado los coeficientes de Bessel. Pero la motivación de Bessel surgió de su aplicación a la astronomía, no como un estudio separado en matemática pura.

Su salud fue en declive a partir de 1840, y su último viaje importante a Inglaterra fue en 1842; como resultado de su participación en el Congreso de la Asociación Británica en Manchester, Bessel se animó a completar y publicar algunas investigaciones restantes. Después de dos años agonizantes luchando contra el cáncer, murió el 17 de marzo de 1846, en Königsberg.

Aunque Bessel es conocido principalmente como astrónomo, al igual que Gauss, hizo contribuciones sobresalientes a la matemática pura que podrían aplicarse a la astronomía. Su nombre está ligado a las funciones especiales mencionadas anteriormente, así como a una desigualdad que se utiliza hoy en el análisis de Fourier y la teoría de los espacios de Hilbert. Tanto las funciones de Bessel como la desigualdad de Bessel tienen una relevancia perdurable para los matemáticos modernos.

 


Fuente bibliográfica:

  • McElroy, Tucker (2005) A to Z of Mathematicians. Facts On File, Inc.

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