¿Cuáles son las matemáticas con las que los físicos están familiarizados?

Mi punto de partida será “todo físico sabe [definitivamente debería saber] algo si se imparte en una clase de física de secuencia principal (o matemáticas requeridas), incluidas las clases de posgrado”.

Todos saben (o deberían saber, de todos modos):

  • Material básico (cálculo vectorial y álgebra lineal de matriz)
  • Ecuaciones diferenciales (resolución de EDO lineales y ciertas PDE por separación de variables y funciones de Green, análisis de sistemas no lineales)
  • Serie de Fourier / transformaciones
  • Algunos análisis complejos (integrales de contorno)
  • Algunos análisis asintóticos (de Stat Mech)
  • Algunos álgebra lineal más avanzada (espacio de Hilbert, de QM)
  • Estadísticas básicas (principalmente de clases de laboratorio)

Otros temas que son comunes pero no universales:

  • Análisis numérico (en el sentido aplicado, no teórico), que incluye técnicas más avanzadas de álgebra matricial (por ejemplo, trabajar con matrices dispersas)
  • Métodos más generales de resolución / aproximación de PDE
  • Estadísticas mucho más sofisticadas

Principalmente teóricos (todavía no universal, pero bastante común al menos en cierto grado, especialmente entre personas de alta energía / gravitación):

  • Topología / geometría: las conexiones en paquetes de medidores son fundamentales para QFT (incluida QFT no relativista) y en el paquete tangente específicamente para GR
  • Álgebra abstracta y alguna teoría de la representación (especialmente grupos de mentiras)

Quizás para algunos teóricos:

  • Geometría algebraica (entiendo que tiene aplicaciones, pero no las he visto personalmente, así que no puedo verificar cuán integrales son; dicho esto, no creo que esto sea necesariamente común, independientemente de su importancia)
  • Teoría de la medida (pragmáticamente, es para medidas de probabilidad a lo sumo, aunque algunos físicos pueden saber más por pura curiosidad)
  • Combinatoria (al menos en ciertos casos limitantes; de lo contrario, es probable que sean problemas individuales seleccionados, lo que no creo que cuente)
  • Análisis más complejo (continuación analítica y similares)
  • Funciones especiales (todos las aprendieron alguna vez, pero solo esperaría que los físicos las conocieran, en lugar de solo conocerlas y buscarlas cuando sea necesario) si han trabajado mucho con ellas, e incluso entonces probablemente solo los específicos)

Prácticamente siempre ignorable:

  • La mayor parte del resto del análisis (especialmente criterios mínimos para la diferenciabilidad y similares, así como la mayoría de los problemas de convergencia técnica, incluidas las preocupaciones de existencia / unicidad para las EDO y las PDE estudiadas por matemáticos)
  • Teoría de los números (quizás los problemas individuales son importantes de vez en cuando, pero rara vez se necesitan muchas cosas)
  • Teoría de Galois (quizás algo sobre extensiones de campo, pero lo dudo)
  • Otros temas más avanzados (que van desde la teoría de categorías hasta el álgebra homológica)

Entonces: diría que un teórico con inclinación matemática tiene un rango de conocimiento matemático comparable al de un estudiante de doctorado en matemáticas de mitad de carrera (antes de que se vayan y aprendan mucho sobre una disciplina en particular).

No seré tan arrogante como para afirmar que lo saben tan bien como los matemáticos, porque no lo saben. Pero, aunque no lo conocen tan profundamente como los matemáticos, necesitan tener algunas habilidades básicas en casi todas las áreas.

Por supuesto, todo físico necesita saber cálculo, tanto de una variable como de múltiples variables. El siguiente campo absolutamente necesario es el álgebra lineal. Hay muchos más, pero los omitiré y enumeraré algunos que no esperaba que un físico supiera antes de comenzar a estudiar física.

Teoría de números: cuando se estudia cómo una pequeña perturbación de un sistema no caótico hace que aparezca el caos, la teoría de números es muy importante, véase la teoría de KAM.

Teoría de grafos (ni siquiera matemática, más como informática): muy útil para estudiar gases interactivos en mecánica estadística.

Teoría de la medida: en realidad, esperarías eso, pero en 3 dimensiones. En los sistemas dinámicos, a veces se usa un poco más (en mi caso 4, en algún momento 8) y en la mecánica estadística, puede ser tanto como [math] 10 ^ {24} [/ math] dimensiones. Ahí es donde se pone interesante y antes de mi quinto semestre, realmente no esperaba necesitar la medida de Lebesgue en un espacio tan dimensional.

Teoría de grupo: como resultado, la teoría de grupo es útil mucho más de lo que esperaba, ya que se usa para representar, por ejemplo, transformaciones de espacio (tiempo), como rotaciones y transformaciones de Lorentz. Algunos grupos también son extremadamente eficientes para describir el mundo subnuclear, como todo tipo de bariones.

Esta es una pregunta muy amplia, por lo que te señalaré algunos textos clásicos con los que la mayoría de los físicos de cierta edad (es decir, los míos) están familiarizados y generalmente están a la distancia de mi escritorio.

  1. Métodos de física matemática por Mathews y Walker
  2. Métodos de física teórica por Morse y Feshbach
  3. Física Matemática por Menzel

… y parece que mi estudiante está prestando mi copia de Courant e Hilbert. También agregaría el excelente libro de Arfkin.

Yo diría que la mayoría de los físicos están familiarizados con la mayoría de los temas en estos y casi todos los físicos están muy familiarizados con alguna parte (dependiendo de su especialización).

  1. Técnicas para resolver ecuaciones diferenciales, como la separación de variables.
  2. Funciones de von Neuman, funciones de Bessel, etc.
  3. Técnicas de interpolación
  4. Técnicas para encontrar los extremos de los datos.
  5. …y mucho más…

En mi humilde opinión, los físicos deben hablar abierta y ampliamente con fluidez en todos los aspectos de las matemáticas.

Consideremos solo dos ejemplos: Einstein descubrió que necesitaba aprender geometría diferencial y ciertos tipos de geometrías no euclidianas para descubrir la Relatividad General, y Stephen Hawking se topó (por cortesía de Roger Penrose) que necesitaba aprender Topología para estudiar ciertos aspectos de La física de los agujeros negros.

Saludos cordiales, GEN

Álgebra lineal, matrices, valores propios, vectores propios.

Ecuaciones diferenciales.

Integrales.

Operadores diferenciales, como rotor y div.

Tensores

En física de partículas elementales se necesitan más matemáticas.