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Máster y doctorado

Integrales oscilatorias

Sumar muchas contribuciones grandes puede dar un resultado pequeño si unas compensan a otras. En una integral oscilatoria la exponencial gira mientras la amplitud indica cuánto pesa cada punto. Vamos a calcular primero un caso exacto; después veremos por qué los bordes y los puntos donde la fase se frena cambian la respuesta.

1. La amplitud mide el tamaño y la fase organiza las cancelaciones

Estudiamos I(\lambda)=\int e^{i\lambda\varphi(x)}a(x)\,dx para λ→+∞. La fase φ es real y la amplitud a puede ser compleja. El módulo de la exponencial es uno, así que la cota absoluta ∫|a| no mejora al crecer λ. La mejora puede venir de la suma de fases distintas.

Oscilar más no reduce la amplitud, pero sí puede reducir la integral
La amplitud no baja; cambia la fase.cos(4x)−101cos(16x)−101∫₋₁¹ cos(λx) dx = 2 sin λ / λLos dos gráficos tienen amplitud 1.
Los dos cosenos se dibujan en el mismo intervalo menos uno uno, con la misma escala horizontal y la misma amplitud vertical uno. El primero tiene fase cuatro x y el segundo dieciséis x. Las oscilaciones más rápidas crean más cancelaciones entre contribuciones positivas y negativas. Sus integrales son dos seno de lambda dividido por lambda, mientras que una cota absoluta que ignore el signo no detecta ese mecanismo. Se representa la parte real de la exponencial; no se afirma una cota inferior uniforme.

Primero fijamos a y φ, y aumentamos λ. La rapidez del giro depende de λ∇φ. Un punto crítico cumple ∇φ=0; allí la fase se frena. Si amplitud o fase también cambian con λ, hacen falta cotas uniformes de sus derivadas y control de sus críticos.

Cuatro flechas pueden sumar cero

Contribuciones complejas uno, i, −1 y −i.

  1. Tamaños

    Cada una tiene módulo uno; la suma de módulos es cuatro.

  2. Agrupar

    Uno con −1 da cero; i con −i también.

  3. Suma

    El resultado total es cero.

Resultado

La cota absoluta no detecta la cancelación.

Lo comprobamos

No se ha reducido el tamaño individual de ninguna contribución.

Una amplitud variable puede deshacer el giro

φ(x)=x y a_{λ}(x)=e elevado a −iλx por b(x), con b suave compacta.

  1. Multiplicar

    La exponencial de la fase y la de a_{λ} se cancelan.

  2. Integral

    I(λ)=∫b(x)dx, independiente de λ.
  3. Hipótesis

    Las derivadas de a_{λ} crecen con λ, aunque su módulo sea |b|.

Resultado

No hay decaimiento uniforme con solo controlar ∫|a_{λ}|.

Lo comprobamos

El ejemplo explica por qué declaramos qué datos se mantienen fijos.

2. Sin críticos, integrar por partes extrae una potencia de lambda

Si φ′ no se anula en el soporte de a, la cadena da e^{i\lambda\varphi}=\frac1{i\lambda\varphi^{\prime}}\frac{d}{dx}e^{i\lambda\varphi}. Para a suave compacta dentro de esa región, no aparece borde al integrar por partes. Obtenemos I(\lambda)=-\frac1{i\lambda}\int e^{i\lambda\varphi}\left(a/\varphi^{\prime}\right)\prime\,dx.

Cada repetición aporta λ⁻¹, pero también derivadas de a y recíprocos de φ′. En el soporte compacto, |φ′| tiene un mínimo positivo. De ahí I(λ)=O(λ⁻ᴺ) para cada N, con constantes que dependen de esas derivadas y de ese mínimo. No son las mismas para fases cuya derivada se aproxima a cero.

Fase lineal con amplitud suave compacta

φ(x)=3x.

  1. Derivar

    φ′=3, nunca cero.
  2. Una vez

    I=−1/(3iλ) por la integral de e elevado a 3iλx por a′.
  3. Repetir

    Dos veces permiten una cota ‖a″‖₁/(9λ²).

Resultado

Podemos repetir hasta cualquier orden si a es C∞ compacta.

Lo comprobamos

Es una cota para cada N, no una afirmación de que I sea exactamente cero.

Un crítico fuera del soporte no estorba

φ=x² y a está soportada dentro de (1,2).

  1. Crítico de la fase

    Está en cero.

  2. Sobre el dato

    En el soporte, φ′=2x está separado de cero.
  3. Conclusión

    El principio no estacionario se aplica y da decaimiento rápido.

Resultado

Importan los críticos donde realmente actúa la amplitud.

Lo comprobamos

No se divide por φ′ en una región que contenga el origen.

3. Un borde sin anular puede dejar una contribución de orden uno entre lambda

En un intervalo cerrado, la integración por partes añade \left[e^{i\lambda\varphi}a/(i\lambda\varphi^{\prime})\right]_{A}^{B}. Si la amplitud no se anula en los extremos, ese término suele ser del orden λ⁻¹. La conclusión de decaimiento rápido necesitaba amplitud suave con soporte interior.

La cuenta exacta \int_{-1}^1e^{i\lambda x}\,dx=2\sin\lambda/\lambda muestra el efecto. La amplitud vista en R es un indicador, con dos bordes. Su módulo tiene cota 2/|λ|. No es comparable por abajo a 1/|λ| para todo λ grande, porque el seno tiene ceros.

Hacer toda la integración

Fase x en [−1,1], λ≠0.

  1. Primitiva

    Es e elevado a iλx dividido por iλ.

  2. Extremos

    Queda (e elevado a iλ−e elevado a −iλ)/(iλ).

  3. Identidad

    La diferencia de exponenciales es 2i sin λ, así que queda 2 sin λ/λ.

Resultado

El borde produce el resultado completo.

Lo comprobamos

La fase no tiene críticos; no por eso desaparecen los extremos.

Una cota superior no es un tamaño exacto

Tomar λ=kπ, con k entero positivo.

  1. Seno

    sin(kπ)=0.
  2. Integral

    El resultado exacto es cero.

  3. Cota

    Sigue siendo cierto |I|≤2/(kπ), pero no una cota inferior positiva por 1/λ.

Resultado

La notación O indica control superior.

Lo comprobamos

No equivale a un término principal no nulo.

4. Un crítico cuadrático mantiene coherencia a escala raíz inversa de lambda

Si φ′(x₀)=0 y φ″(x₀)≠0, Taylor empieza con φ(x₀)+φ″(x₀)(x−x₀)²/2.

La fase cambia una cantidad de orden uno cuando λ|x−x₀|² es de orden uno. La anchura correspondiente es λ⁻¹ᐟ².

Un crítico más plano mantiene una región coherente más ancha
λ=16; zona donde λφ(x)≤116x²16x⁴−101|x|≤1/4|x|≤1/2
Las curvas son dieciséis x al cuadrado y dieciséis x a la cuarta, con las mismas escalas de coordenadas. La línea horizontal punteada es el nivel uno. Para la cuadrática se alcanza en x igual a más o menos un cuarto; para la cuarta potencia se alcanza en más o menos un medio. Los segmentos inferiores representan esos intervalos con la misma escala horizontal que las curvas. El dibujo muestra la escala de cambio de fase, no una prueba completa de la expansión asintótica ni un soporte exacto de la contribución.

El lema de Morse permite convertir localmente la fase en una cuadrática exacta, pasando el jacobiano a la amplitud. El modelo \int_{\mathbb R}e^{-(\varepsilon-i\lambda)x^2}\,dx=\sqrt\pi\,(\varepsilon-i\lambda)^{-1/2} usa ε>0 y la raíz continua desde el semiplano de parte real positiva.

Al quitar la amortiguación y con λ>0, da e elevado a iπ/4 por √(π/λ).

Es un límite oscilatorio, no una integral absoluta.

La ventana de una cuadrática

φ=x² y λ=16.

  1. Pedir poco cambio

    16x²≤1.
  2. Despejar

    |x|≤1/4.
  3. Anchura

    El intervalo completo tiene longitud 1/2; su radio es λ⁻¹ᐟ²=1/4.
Resultado

La zona coherente se estrecha cuando crece λ.

Lo comprobamos

No se afirma que la integral tenga soporte solo en esa ventana.

El signo de la curvatura cambia la fase compleja

Comparar x² y −x² con amplitud real simétrica.

  1. Conjugación

    Las exponenciales son conjugadas una de otra.

  2. Modelo positivo

    El factor de Fresnel tiene fase +π/4.

  3. Modelo negativo

    Su conjugado tiene fase −π/4, con el mismo módulo.

Resultado

La curvatura aporta una fase además de una escala.

Lo comprobamos

Ignorar ese factor puede dar una suma incorrecta entre varios críticos.

5. La fórmula estacionaria incluye valor, curvatura y amplitud en el crítico

Con a∈C∞ compacta, φ real suave y un único crítico no degenerado x₀ en su soporte, I(\lambda)=e^{i\lambda\varphi(x_0)+i\pi\operatorname{sign}(\varphi^{\prime\prime}(x_0))/4}\sqrt{\frac{2\pi}{\lambda|\varphi^{\prime\prime}(x_0)|}}\,a(x_0)+O(\lambda^{-3/2}).

Se entiende λ→+∞ con los datos fijos.

La expansión continúa en potencias enteras de λ⁻¹ que multiplican el factor λ⁻¹ᐟ².

Si a(x₀)=0, el término mostrado desaparece.

Si hay varios críticos aislados no degenerados, se suman sus contribuciones después de localizar con cortes suaves; pueden cancelarse.

Sustituir todos los datos antes de simplificar

φ(x)=5+3(x−2)², y a suave compacta con a(2)=4.

  1. Crítico

    φ′=6(x−2): x₀=2.
  2. Datos locales

    φ(2)=5 y φ″(2)=6>0.
  3. Principal

    Es 4√(π/(3λ)) por e elevado a i5λ+iπ/4.

Resultado

El error es O(λ⁻³ᐟ²).

Lo comprobamos

El seis de la segunda derivada está dentro del denominador de la raíz.

Una amplitud que anula completamente la integral

φ=x² y a(x)=xχ(x), con χ suave compacta y par.

  1. En el crítico

    a(0)=0, así que el primer término es cero.
  2. Paridad

    La exponencial y χ son pares; el factor x hace impar todo el integrando.

  3. Integral

    La integral en R es exactamente cero por simetría.

Resultado

La tasa λ⁻¹ᐟ² no es una cota inferior universal.

Lo comprobamos

Incluso todos los términos pueden desaparecer en un ejemplo con simetría.

6. En varias dimensiones cuenta toda la Hessiana, no una derivada aislada

Sin críticos, el campo L=\frac{\nabla\varphi\cdot\nabla}{i\lambda|\nabla\varphi|^2} satisface L(e elevado a iλφ)=e elevado a iλφ. Su adjunto por integración por partes actúa sobre a. Bajo las mismas condiciones de soporte y separación de cero da decaimiento rápido.

Para un crítico con Hessiana Q invertible, el término principal es (2\pi/\lambda)^{n/2}\,e^{i\lambda\varphi(x_0)+i\pi\operatorname{sgn}(Q)/4}\,a(x_0)/\sqrt{|\det Q|}, con error O de λ elevado a −n/2−1. La firma sgn(Q) es número de autovalores positivos menos negativos. Una Hessiana con núcleo queda fuera de este enunciado.

Un mínimo en dos dimensiones

φ(x, y)=x²+4y².

  1. Hessiana

    Q=diag(2,8): determinante dieciséis y firma dos.
  2. Volumen

    (2π/λ)/√16=π/(2λ).
  3. Fase

    e elevado a iπ·2/4=i, así que el principal es iπa(0,0)/(2λ).
Resultado

Las dos direcciones aportan juntas λ⁻¹.

Lo comprobamos

La amplitud se supone suave compacta con el origen como único crítico.

Un punto de silla conserva el módulo pero cambia la fase

φ(x, y)=x²−4y².

  1. Hessiana

    Q=diag(2,−8): |det Q|=16.
  2. Firma

    Un positivo menos un negativo da cero.

  3. Principal

    El factor de fase es uno: queda πa(0,0)/(2λ).

Resultado

No se usa el signo del determinante como sustituto de la firma.

Lo comprobamos

Ambos ejemplos tienen el mismo valor absoluto del determinante, pero fases distintas.

7. Un crítico más plano puede decaer más despacio

El lema de van der Corput en un intervalo da una cota C_{k}(cλ) elevado a −1/k si |φ elevado a la derivada k|≥c>0, para k≥2. Con amplitud controlada aparecen factores como ‖a‖∞+‖a′‖₁. Para k=1 se añade monotonía de φ′ junto a su separación de cero.

Para φ=x⁴, la segunda derivada se anula en el crítico.

El cambio x=λ⁻¹ᐟ⁴y explica la escala λ⁻¹ᐟ⁴; la cuarta derivada es veinticuatro. Una amplitud suave localizada con valor no nulo en cero tiene un término principal no nulo de ese orden. Si la fase es constante, no hay cancelación creciente.

Comparar las ventanas con el mismo lambda

λ=16, fases x² y x⁴.

  1. Cuadrática

    16x²≤1 da radio 1/4.
  2. Cuártica

    16x⁴≤1 da radio 1/2.
  3. Comparar

    La fase cuártica es más plana cerca de cero: conserva una región coherente mayor.

Resultado

No se puede imponer la tasa cuadrática a un crítico degenerado.

Lo comprobamos

Un dibujo de una curvatura pequeña no reemplaza la comprobación de φ″(0).

Fase constante

φ=7 en el soporte y ∫a=2.

  1. Sacar el factor

    I(λ)=e elevado a 7iλ por ∫a.
  2. Dato

    I(λ)=2e elevado a 7iλ.
  3. Módulo

    |I|=2 para todo λ.
Resultado

Una exponencial compleja no garantiza decaimiento por sí sola.

Lo comprobamos

Aquí no hay variación de fase entre los puntos del soporte.

8. Separar regiones funciona mientras los críticos no se fusionan

Una partición de unidad divide el soporte en vecindades de los críticos y una región residual. En la residual, |∇φ| tiene un mínimo positivo; en cada vecindad crítica se usa su modelo. La suma finita reúne las respuestas sin perder el significado de cada hipótesis.

Cuando varía otro parámetro, esa separación puede fallar. El factor |det Q|⁻¹ᐟ² avisa de que la fórmula no es uniforme si Q pierde invertibilidad. Cerca de una fusión de críticos se necesitan modelos uniformes distintos; no basta seguir sustituyendo en una expresión cuyo denominador se hace cero.

Dos críticos se acercan

\varphi_\mu(x)=x³/3−μx, con μ>0.

  1. Resolver

    \varphi_\mu^{\prime}=x²−μ: los críticos son ±√μ.
  2. Curvaturas

    \varphi_\mu^{\prime\prime}=2x, así que valen ±2√μ.

  3. Límite

    Al bajar μ a cero se fusionan; el factor de curvatura crece como μ⁻¹ᐟ⁴.

Resultado

La expansión separada no es uniforme cerca de μ=0.

Lo comprobamos

En cero la fase es cúbica, no cuadrática.

Un borde y un crítico se analizan por separado

Fase x² sobre un intervalo que contiene cero, con amplitud no anulada en sus extremos.

  1. Cortar

    Un recorte suave pequeño aísla el origen.

  2. Centro

    La pieza central usa fase estacionaria de orden λ⁻¹ᐟ².

  3. Resto

    Lejos del crítico se integra por partes y se conservan los posibles bordes de orden λ⁻¹.

Resultado

Hay dos mecanismos con tasas diferentes dentro de una misma integral.

Lo comprobamos

No se descartan los bordes por haber encontrado un punto crítico.

9. Fourier de una superficie ve las direcciones normales

Fourier de una función C∞ compacta tiene fase lineal sin críticos en la dirección no nula: integrar por partes explica su decrecimiento rápido. En una superficie, la fase se restringe al espacio tangente. Puede ser estacionaria cuando la dirección frecuencial es normal a la superficie.

En la esfera de dimensión n−1 de Rⁿ, para n≥2, hay dos puntos normales a una dirección dada. Su curvatura produce críticos no degenerados. La dimensión de integración es n−1, así que la cota es del orden |ξ| elevado a −(n−1)/2. La tasa depende de la dimensión integrada, no de la ambiental sin restar uno.

Verlo exactamente para la esfera en tres dimensiones

Sin constante de normalización, integrar e elevado a −irω₃ sobre S².

  1. Altura

    Usar z=ω₃: la medida integrada sobre cada franja es 2π dz.

  2. Una variable

    Queda 2π∫ de −1 a uno de e elevado a −irz dz.

  3. Resultado

    Es 4π sin r/r, de tamaño como máximo 4π/r.

Resultado

El exponente es uno porque la superficie tiene dimensión dos.

Lo comprobamos

Los ceros del seno impiden afirmar una cota inferior de ese tamaño para todo r.

Comparar un círculo

En S¹, la fase de dirección horizontal es cos θ.

  1. Críticos

    La derivada −sin θ se anula en cero y π.

  2. Segundas derivadas

    −cos θ vale −1 y +1: ambos son no degenerados.

  3. Escala

    Cada contribución es de orden r⁻¹ᐟ² porque solo se integra una variable.

Resultado

La misma idea produce una tasa distinta en una curva.

Lo comprobamos

La suma de los dos principales conserva sus factores de fase y puede oscilar.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Fase lineal exacta

Calcula I(λ)=∫₋₁¹e^(iλx)dx para λ≠0.

  1. Hipótesis

    λ≠0 permite dividir por iλ.
  2. Primitiva

    e elevado a iλx dividido por iλ.

  3. Evaluar

    I=(e elevado a iλ−e elevado a −iλ)/(iλ).
  4. Euler

    La diferencia del numerador es 2i sin λ.

  5. Simplificar

    I=2 sin λ/λ.
  6. Comprobar

    |sin λ|≤1 da |I|≤2/|λ|.

    Los bordes explican que no se aplique la conclusión de amplitud C∞ compacta.

Resultado

I(λ)=2 sin λ/λ.

Lo comprobamos

Su módulo no supera 2/|λ|.

EJEMPLO RESUELTO 2

Encontrar un crítico

Para φ(x)=x² en R, localiza y clasifica el punto crítico.

  1. Fase

    φ(x)=x².
  2. Primera derivada

    φ′(x)=2x.
  3. Crítico

    2x=0 tiene una única solución: x=0.
  4. Segunda derivada

    φ″(x)=2, también en cero.
  5. Clasificar

    Es no degenerado porque la segunda derivada no se anula.

  6. Método

    La fórmula con 1/φ′ falla cerca de cero; allí se usa el modelo cuadrático de fase estacionaria.

Resultado

El crítico no degenerado está en 0.

Lo comprobamos

No se puede usar la fórmula con 1/φ′ cerca de él.

Los símbolos que hemos usado

I(λ)=∫e^iλφ(x)a(x)dx
Integral con fase real φ, amplitud a y parámetro λ>0 que tenderá a infinito; los ejemplos exactos pueden admitir λ negativo.
a∈C∞_c
Amplitud suave de soporte compacto, hipótesis que elimina los términos de borde en toda la recta o Rⁿ.
x₀ crítico
Punto donde ∇φ(x₀)=0; en dimensión uno, φ′(x₀)=0.
Q=D²φ(x₀)
Hessiana real simétrica de la fase en el crítico. Es no degenerado si det Q≠0.
sgn Q
Firma: número de autovalores positivos menos número de autovalores negativos de la Hessiana.
O(λ^−α)
Cota de módulo por Cλ^−α para λ grande, con C independiente de λ pero dependiente de los datos indicados.
Partición de unidad
Descomposición de la amplitud mediante cortes suaves que permite estudiar por separado regiones de fase distintas.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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