¿Cómo la exponenciación de la transformación infinitesimal da una transformación finita intuitivamente?

Aquí hay una respuesta que quiere rigor. Considere el grupo de traducciones infinitesimales [matemáticas] \ Big (\ mathcal {T} _ {\ epsilon} f \ Big) (x) = f (x + \ epsilon) [/ math]. Suponiendo que [math] f [/ math] es analítico, ampliamos aproximadamente [math] \ epsilon = 0 [/ math] para obtener

[matemáticas] f (x + \ epsilon) = f (x) + \ epsilon f \, ‘(x) + \ frac {\ epsilon ^ 2} {2} f \,’ ‘(x) + \ frac {\ epsilon ^ 3} {6} f \, ” ‘(x) + \ cdots. [/ Math]

En términos del operador diferencial [math] \ mathcal {D} _x [/ math], tenemos el resultado formal

[matemáticas] \ Big (\ mathcal {T} _ {\ epsilon} f \ Big) (x) = \ Big (\ mathcal {I} + \ epsilon \ mathcal {D} _x + \ frac {\ epsilon ^ 2} {2} \ mathcal {D} _x ^ 2 + \ frac {\ epsilon ^ 3} {6} \ mathcal {D} _x ^ 3 + \ cdots \ Big) f (x) [/ math]

o

[math] \ Big (\ mathcal {T} _ {\ epsilon} f \ Big) (x) = \ exp \ Big (\ epsilon \ mathcal {D} _x \ Big) f (x). [/ math]

El generador infinitesimal de [math] \ mathcal {T} _ {\ epsilon} [/ math] es

[matemáticas] \ matemáticas {D} _x = \ izquierda. \ Big (\ frac {\ partial} {\ partial \ epsilon} \ mathcal {T} _ {\ epsilon} \ Big) \ right | _ {\ epsilon = 0} [/ math]

y el operador completo se recupera mediante la exponenciación de lo infinitesimal.

Puedes jugar el mismo juego con el grupo de dilataciones [math] \ Big (\ mathcal {S} _ {\ epsilon} f \ Big) (x) = f (e ^ {\ epsilon} x). [/ Math]

Una transformación finita se construye por la composición. Si comienza desde la identidad y aplica una pequeña transformación finita [matemática] T _ {\ Delta x} [/ matemática], puede construir una transformación finita más grande como [matemática] T_ {2 \ Delta x} = T _ {\ Delta x} T _ {\ Delta x} [/ matemática], [matemática] T_ {3 \ Delta x} = T _ {\ Delta x} T_ {2 \ Delta x} [/ matemática], y así sucesivamente hasta [matemática ] T_x = T _ {\ Delta x} T_ {x – \ Delta x} [/ math].

Este proceso es como exponenciación: construyes el resultado multiplicando iterativamente por la misma cosa en cada paso.

A medida que toma el límite cuando [math] \ Delta x [/ math] va a cero, obtiene una transformación “infinitesimal”, es decir, algo que cuando se aplica al origen, lo desplaza una cantidad “infinitesimal” del origen . De nuevo, puede imaginarse aplicando esta transformación “infinitesimal” de forma incremental a cualquier transformación finita para avanzar un poco. La misma transformación infinitesimal se utiliza en cada paso. Por lo tanto, siempre asigna [math] T_x [/ math] a [math] (I + T _ {\ mathrm {d} x}) T_x = T_x + T _ {\ mathrm {d} x} T_x [/ math] para que podamos vemos que este proceso de construir una transformación finita también es análogo a la exponenciación en el sentido de que la derivada siempre es proporcional a la función misma.

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