¿Qué representa el producto escalar?

En un artículo anterior acerca del producto escalar, se explicó detalladamente cómo se define matemáticamente esta operación. En la presente entrada se explicará qué representa realmente esta operación entre dos vectores, la noción «intuitiva» del mismo; algo imprescindible para entender qué estamos calculando realmente en otras ciencias (por ejemplo física) cuando es empleado.

Dados dos vectores, desde un punto de vista estrictamente matemático podríamos definir infinitas operaciones con ellos, por ejemplo el «producto payaso» de los vectores de n dimensiones u y v, se denota mediante u 🤡 v y se define así:

u 🤡 v = (u1·vn·|u|, u2·vn-1·|v|, u3·vn-2·|u|, …, un·v1·|v|)

Donde las coordenadas impares se multiplican por |u| y las pares por |v|.

Entonces, ¿por qué la operación conocida como producto escalar es importante? Un profesor de matemáticas podría responder a esta pregunta de sus alumnos afirmando que entenderán su importancia en la asignatura de física, donde es muy usado, pues tal vez en matemáticas no tenga un valor especial, pero esta respuesta es un tanto esquiva. La razón por la que es importante en física es precisamente por su interpretación geométrica (ergo matemática), pero esta sistemáticamente se omite, de manera que en física los alumnos deben resignarse a aplicarlo ciegamente.

La explicación a grosso modo no debería rehuirse pues no es ningún concepto especialmente complejo ni requiere de matemáticas «superiores»: el producto escalar de dos vectores, u·v, expresa «cuánto» de u «descansa» en la dirección de v, escalado al tamaño de v. (Esto ya se expresó sucintamente en el artículo anterior) Una vez expuesto esto, resulta mucho más intuitivo entender porqué en física se emplea para:

El trabajo

En la mítica representación del trabajo en Bachillerato:

trabajo en fisica

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Aritmética modular para entender el complemento a 2

Los ordenadores codifican internamente los números en binario. Los enteros pueden representarse mediante dos sistemas de representación: el complemento a 2 (Ca2 para abreviar) y el de signo y magnitud. Para los humanos es más amigable el segundo de ellos, pues consiste en reservar el primer bit para indicar si se trata de un positivo o negativo (0 o 1) y el resto es el valor absoluto del número. No obstante, en la mayoría de ordenadores hace ya bastantes años que se emplea el primero, pues goza de dos ventajas: un mayor rango de representación posible al mismo número de bits – pues tiene una única representación para el 0 – y mayor velocidad de ejecución por parte del microprocesador de las operaciones de resta y suma. En el presente artículo, se explicará cómo funciona el complemento a dos, porqué permite realizar las operaciones aritméticas más rápidamente y porqué su resultado debe interpretarse.

En primer lugar, para entender cómo funciona, el lector debe conocer lo básico de la aritmética modular y las clases de equivalencia. En caso de que lo desconozca o bien necesite refrescarlo, al inicio de este artículo se introducen.

Los procesadores representan los números enteros en 8, 16, 32 o 64 bits dependiendo del microprocesador. Para simplificar los ejemplos inicialmente se emplearán 3 bits, que permiten representar 23 = 8 dígitos, es decir, los números comprendidos entre el 0 y el 7. Si se excede el rango, debido a la aritmética modular se sigue obteniendo un resultado, por ejemplo:

  • 2 + 4 = 6 No sobrepasa el límite, el resultado es el esperado.
  • 4 * 2 = 0, pues 0 ≡ 8 (mod 8)
  • 4 + 5 = 1, pues 1 ≡ 9 (mod 8)

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Expresión analítica y geométrica del producto escalar

El producto escalar es una operación entre dos vectores que retorna un escalar, es decir, un número real. Existen dos definiciones de esta operación que darán el mismo resultado, aunque inicialmente no sea muy intuitivo que así sea: la analítica y la geométrica. Veamos la primera de ellas:

Dados dos vectores del espacio vectorial ℝn, u = (u1, u2, …, un) y v = (v1, v2, …, vn), se define el producto escalar de ambos, u · v como:

u·v = u1 · v1 + u2 · v2 + … + un · vn

En todo espacio vectorial euclídeo, y por lo tanto normado, podemos usar también la definición geométrica, esta nos dice que el producto escalar de dos vectores es el producto del módulo (o norma) de cada uno de ellos por el coseno del ángulo que forman:

Producto escalar

(2)

A continuación, veamos dos ejemplos sencillos en el plano cartesiano, ℝ2, para ver que ambas formas arrojan el mismo resultado. Ya nos advirtió Johan Cruyff: «Un palomo no hace verano», por lo que estos dos ejemplos no pretenden demostrar nada sino ejemplificar este concepto poco intuitivo. El primer ejemplo consistirá en los vectores u = (2, 2) y v = (2, -2):

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i elevado a i

Una serie de artículos acerca de la exponenciación con números complejos, que di por finalizada en su tercera entrega, y a los que el lector puede recurrir si no entiende algo de lo que en el presente artículo se explica, voy a ampliarla para el curioso caso de ii, y digo curioso pues el resultado es un número real.

Vimos que la generalización de la exponenciación, ab, sean a y b reales1 o complejos, es:

Exponenciación generalizada

En el presente caso, a = i, y si bien el logaritmo complejo existe, aplicando la fórmula de Euler, podremos obtener la forma exponencial para calcular fácilmente ii. En primer lugar, vamos a expresar i en forma polar para obtener dos datos que necesitaremos: el módulo y el argumento. El módulo, obviamente, será 1 y el argumento será π/2 radianes, pues i forma un ángulo recto con la parte real o eje de las ordenadas:

El número imaginario en el plano cartesiano complejo

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Ecuación de la asíntota oblicua

Es frecuente que a los alumnos se les enseñe que, si una función tiene un asíntota oblicua que viene dada por y = ax + b, los términos a y b se calcularán a partir de dos fórmulas que deben memorizar:

término b

(1)

término a

(2)

Pero, ¿de dónde provienen? Si tenemos poca memoria y/o preferimos entender el porqué de las cosas, algo bastante conveniente en matemáticas, debemos tener en cuenta que, para una x infinitamente grande, por las propiedades de los límites, se cumplirá f(x) – y = 0:

ecuación asintota oblicua

(3)

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