En matemáticas , una función homogénea es una función de varias variables tal que se cumple lo siguiente: si cada uno de los argumentos de la función se multiplica por el mismo escalar , entonces el valor de la función se multiplica por alguna potencia de este escalar; la potencia se llama grado de homogeneidad , o simplemente grado . Es decir, si k es un entero, una función f de n variables es homogénea de grado k si
por cadayEsto también se conoce como una función homogénea de grado k o de orden k .
Por ejemplo, un polinomio homogéneo de grado k define una función homogénea de grado k .
La definición anterior se extiende a funciones cuyo dominio y codominio son espacios vectoriales sobre un cuerpo F : una funciónentre dos espacios vectoriales F es homogéneo de gradosi
para todos los valores distintos de ceroyEsta definición se generaliza a menudo a funciones cuyo dominio no es V , sino un cono en V , es decir, un subconjunto C de V tal queimplicapara cada escalar distinto de cero s .
En el caso de funciones de varias variables reales y espacios vectoriales reales , a menudo se considera una forma de homogeneidad ligeramente más general llamada homogeneidad positiva , que solo requiere que se cumplan las identidades anteriores paray permitiendo cualquier número real k como grado de homogeneidad. Toda función real homogénea es positivamente homogénea . Lo contrario no es cierto, pero sí lo es localmente en el sentido de que (para grados enteros) los dos tipos de homogeneidad no se pueden distinguir considerando el comportamiento de una función cerca de un punto dado.
Una norma sobre un espacio vectorial real es un ejemplo de función positivamente homogénea que no es homogénea. Un caso especial es el valor absoluto de los números reales. El cociente de dos polinomios homogéneos del mismo grado es un ejemplo de función homogénea de grado cero. Este ejemplo es fundamental en la definición de esquemas proyectivos .
Definiciones
El concepto de función homogénea se introdujo originalmente para funciones de varias variables reales . Con la definición de espacios vectoriales a finales del siglo XIX, el concepto se extendió naturalmente a funciones entre espacios vectoriales, ya que una tupla de valores de variables puede considerarse como un vector de coordenadas . Es este punto de vista más general el que se describe en este artículo.
Hay dos definiciones de uso común. La general funciona para espacios vectoriales sobre campos arbitrarios y está restringida a grados de homogeneidad que son enteros .
La segunda definición supone trabajar sobre el cuerpo de los números reales o, más generalmente, sobre un cuerpo ordenado . Esta definición restringe a valores positivos el factor de escala que aparece en ella, y por lo tanto se denomina homogeneidad positiva , omitándose a menudo el calificativo «positiva» cuando no hay riesgo de confusión. La homogeneidad positiva lleva a considerar más funciones como homogéneas. Por ejemplo, el valor absoluto y todas las normas son funciones homogéneas positivas que, sin embargo, no son homogéneas.
La restricción del factor de escala a valores reales positivos permite considerar también funciones homogéneas cuyo grado de homogeneidad sea cualquier número real.
homogeneidad general
Sean V y W dos espacios vectoriales sobre un cuerpo F. Un cono lineal en V es un subconjunto C de V tal que a pesar dey todos distintos de cero
Una función homogénea f de V a W es una función parcial de V a W que tiene como dominio un cono lineal C y satisface
para algún entero k , caday cada distinto de ceroEl número entero k se llama grado de homogeneidad , o simplemente grado de f .
Un ejemplo típico de función homogénea de grado k es la función definida por un polinomio homogéneo de grado k . La función racional definida por el cociente de dos polinomios homogéneos es una función homogénea; su grado es la diferencia entre los grados del numerador y el denominador; su cono de definición es el cono lineal de los puntos donde el valor del denominador no es cero.
Las funciones homogéneas desempeñan un papel fundamental en la geometría proyectiva, ya que cualquier función homogénea f de V a W define una función bien definida entre las proyecciones de V y W. Las funciones racionales homogéneas de grado cero (aquellas definidas por el cociente de dos polinomios homogéneos del mismo grado) desempeñan un papel esencial en la construcción de esquemas proyectivos mediante Proj .
homogeneidad positiva
Cuando se trabaja con números reales , o más generalmente con un cuerpo ordenado , suele ser conveniente considerar la homogeneidad positiva , cuya definición es exactamente la misma que la de la sección anterior, con " s distinto de cero " reemplazado por " s > 0 " en las definiciones de un cono lineal y una función homogénea.
Este cambio permite considerar funciones (positivamente) homogéneas con cualquier número real como sus grados, ya que la exponenciación con una base real positiva está bien definida.
Incluso en el caso de grados enteros, hay muchas funciones útiles que son positivamente homogéneas sin ser homogéneas. Este es, en particular, el caso de la función de valor absoluto y las normas , que son todas positivamente homogéneas de grado 1. No son homogéneas ya quesiEsto sigue siendo cierto en el caso complejo , ya que el campo de los números complejosy todo espacio vectorial complejo puede considerarse como un espacio vectorial real.
El teorema de la función homogénea de Euler es una caracterización de las funciones diferenciables homogéneas positivas , que puede considerarse como el teorema fundamental sobre funciones homogéneas .
Ejemplos

Ejemplo sencillo
La funciónes homogéneo de grado 2:
Valor absoluto y normas
El valor absoluto de un número real es una función positivamente homogénea de grado 1 , que no es homogénea, ya quesiy si
El valor absoluto de un número complejo es una función homogénea positiva del gradosobre los números reales (es decir, al considerar los números complejos como un espacio vectorial sobre los números reales). No es homogéneo, ni sobre los números reales ni sobre los números complejos.
En términos más generales, toda norma y seminorma es una función positivamente homogénea de grado 1 que no es una función homogénea. En cuanto al valor absoluto, si la norma o seminorma se define en un espacio vectorial sobre los números complejos, este espacio vectorial debe considerarse como un espacio vectorial sobre los números reales para aplicar la definición de función positivamente homogénea.
Mapas lineales
Cualquier mapa linealLa relación entre espacios vectoriales sobre un cuerpo F es homogénea de grado 1, por definición de linealidad: a pesar dey
De manera similar, cualquier función multilineales homogéneo de gradopor definición de multilinealidad: a pesar dey
Polinomios homogéneos
Monomios enLas variables definen funciones homogéneasPor ejemplo, es homogéneo de grado 10 ya que El grado es la suma de los exponentes de las variables; en este ejemplo,
Un polinomio homogéneo es un polinomio formado por la suma de monomios del mismo grado. Por ejemplo, es un polinomio homogéneo de grado 5. Los polinomios homogéneos también definen funciones homogéneas.
Dado un polinomio homogéneo de gradocon coeficientes reales que toman solo valores positivos, se obtiene una función positivamente homogénea de gradoal elevarlo al poderPor ejemplo, la siguiente función es positivamente homogénea de grado 1 pero no homogénea:
Mínimo/máximo
Por cada juego de pesasLas siguientes funciones son homogéneas positivas de grado 1, pero no homogéneas:
Funciones racionales
Las funciones racionales formadas como la razón de dos polinomios homogéneos son funciones homogéneas en su dominio , es decir, fuera del cono lineal formado por los ceros del denominador. Por lo tanto, sies homogéneo de gradoyes homogéneo de gradoentonceses homogéneo de gradolejos de los ceros de
No ejemplos
Las funciones reales homogéneas de una sola variable tienen la formapara alguna constante c . Entonces, la función afínel logaritmo naturaly la función exponencialno son homogéneos.
Teorema de Euler
En términos generales, el teorema de la función homogénea de Euler afirma que las funciones homogéneas positivas de un grado dado son exactamente la solución de una ecuación diferencial parcial específica . Más precisamente:
Teorema de la función homogénea de Euler : si f es una función (parcial) de n variables reales que es positivamente homogénea de grado k y continuamente diferenciable en algún subconjunto abierto deentonces satisface en este conjunto abierto la ecuación diferencial parcial
Por el contrario, toda solución máxima continuamente diferenciable de esta ecuación parcialmente diferenciable es una función positivamente homogénea de grado k , definida en un cono positivo (aquí, máxima significa que la solución no se puede extender a una función con un dominio mayor).
Para tener fórmulas más simples, establecimos La primera parte se obtiene utilizando la regla de la cadena para diferenciar ambos lados de la ecuación.con respecto ay tomando el límite del resultado cuando s tiende a 1 .
Lo contrario se demuestra integrando una ecuación diferencial simple . Seaestar en el interior del dominio de f . Para s suficientemente cercano a 1 , la función está bien definido. La ecuación diferencial parcial implica que Las soluciones de esta ecuación diferencial lineal tienen la forma Por lo tanto,si s está suficientemente cerca de 1. Si esta solución de la ecuación diferencial parcial no estuviera definida para todo s positivo , entonces la ecuación funcional permitiría prolongar la solución, y la ecuación diferencial parcial implica que esta prolongación es única. Por lo tanto, el dominio de una solución máxima de la ecuación diferencial parcial es un cono lineal, y la solución es positivamente homogénea de grado k .
Como consecuencia, sies continuamente diferenciable y homogéneo de gradosus derivadas parciales de primer ordenson homogéneos de grado Esto se obtiene a partir del teorema de Euler al diferenciar la ecuación diferencial parcial con respecto a una variable.
En el caso de una función de una sola variable real (), el teorema implica que una función continuamente diferenciable y positivamente homogénea de grado k tiene la formaparayparaLas constantesyno son necesariamente lo mismo, como ocurre con el valor absoluto .
Aplicación a ecuaciones diferenciales
La sustituciónconvierte la ecuación diferencial ordinaria dóndeyson funciones homogéneas del mismo grado, en la ecuación diferencial separable
Generalizaciones
Homogeneidad bajo una acción monoide
Las definiciones dadas anteriormente son todos casos especializados de la siguiente noción más general de homogeneidad en la quepuede ser cualquier conjunto (en lugar de un espacio vectorial) y los números reales pueden ser reemplazados por la noción más general de un monoide .
Dejarser un monoide con elemento identidaddejarysean conjuntos, y supongamos que en ambosyexisten acciones monoides definidas deDejarSea un número entero no negativo y seaSé un mapa. EntoncesSe dice que es homogéneo de gradoencimasi por caday Si además hay una funcióndenotado porentonces se le llama valor absolutoSe dice que es absolutamente homogéneo en cuanto a su grado.encimasi por caday
Una función es homogénea sobre(resp. absolutamente homogéneo sobre) si es homogéneo de gradoencima(resp. absolutamente homogéneo de gradoencima).
De manera más general, es posible que los símbolosser definido paraconser algo distinto de un número entero (por ejemplo, sison los números reales yes un número real distinto de cero entoncesse define aunqueno es un número entero). Si este es el caso, entoncesse denominará homogéneo de gradoencimaSi se mantiene la misma igualdad:
La noción de ser absolutamente homogéneo en gradoencimaSe generaliza de forma similar.
Distribuciones (funciones generalizadas)
Una función continuaenes homogéneo de gradosi y solo si para todas las funciones de prueba compatibles de forma compacta; y real distinto de ceroDe forma equivalente, realizar un cambio de variablees homogéneo de gradosi y solo si a pesar dey todas las funciones de pruebaLa última visualización permite definir la homogeneidad de las distribuciones . Una distribuciónes homogéneo de gradosi para todos los números reales distintos de ceroy todas las funciones de pruebaAquí los corchetes angulares denotan el emparejamiento entre distribuciones y funciones de prueba, yes la aplicación de la división escalar por el número real
Glosario de variantes de nombres
Dejarsea una aplicación entre dos espacios vectoriales sobre un campo(normalmente los números reales)o números complejos). Sies un conjunto de escalares, como por ejemploopor ejemplo, entoncesSe dice quehomogéneo sobresi por caday escalar Por ejemplo, toda aplicación aditiva entre espacios vectoriales eshomogéneo sobre los números racionalesaunque podría no serlohomogéneo sobre los números reales
Los siguientes casos especiales y variaciones comunes de esta definición tienen su propia terminología:
- (Estricto )Homogeneidad positiva : [ 1 ]a pesar dey todo positivo real
- Cuando la funciónsi se valora en un espacio vectorial o campo, entonces esta propiedad es lógicamente equivalente [ prueba 1 ] ahomogeneidad no negativa , que por definición significa: [ 2 ]a pesar dey todos los números reales no negativosEs por esta razón que la homogeneidad positiva a menudo también se denomina homogeneidad no negativa. Sin embargo, para funciones con valores en los números reales extendidosque aparecen en campos como el análisis convexo , la multiplicaciónserá indefinido cuandoy por lo tanto, estas afirmaciones no son necesariamente siempre intercambiables. [ nota 1 ]
- Esta propiedad se utiliza en la definición de una función sublineal . [ 1 ] [ 2 ]
- Los funcionales de Minkowski son precisamente aquellas funciones extendidas de valor real no negativas que poseen esta propiedad.
- Homogeneidad real :a pesar dey todo real
- Esta propiedad se utiliza en la definición de un funcional lineal real .
- Homogeneidad : [ 3 ]a pesar dey todos los escalares
- Se enfatiza que esta definición depende del campo escalar.subyacente al dominio
- Esta propiedad se utiliza en la definición de funcionales lineales y aplicaciones lineales . [ 2 ]
- Homogeneidad conjugada : [ 4 ]a pesar dey todos los escalares
- Sientoncestípicamente denota el conjugado complejo de. Pero, en términos más generales, como ocurre con los mapas semilineales , por ejemplo,podría ser la imagen debajo algún automorfismo distinguido de
- Junto con la aditividad , esta propiedad se asume en la definición de una aplicación antilineal . También se asume que una de las dos coordenadas de una forma sesquilineal posee esta propiedad (como el producto interno de un espacio de Hilbert ).
Todas las definiciones anteriores se pueden generalizar reemplazando la condición.conen cuyo caso esa definición se antepone a la palabra " absoluto " o " absolutamente ". Por ejemplo,
- Homogeneidad absoluta : [ 2 ]a pesar dey todos los escalares
SiSi es un número real fijo, entonces las definiciones anteriores se pueden generalizar aún más reemplazando la condición.con(y de manera similar, reemplazandoconpara condiciones que utilizan el valor absoluto, etc.), en cuyo caso se dice que la homogeneidad es " de grado" (donde en particular, todas las definiciones anteriores son " de grado" ). Por ejemplo,
- Homogeneidad real del grado:a pesar dey todo real
- Homogeneidad de grado:a pesar dey todos los escalares
- Homogeneidad real absoluta de grado:a pesar dey todo real
- Homogeneidad absoluta de grado:a pesar dey todos los escalares
Una función continua no nula que es homogénea de gradoense extiende continuamente asi y solo si
Véase también
- Espacio homogéneo
- Función del centro de un triángulo : punto en un triángulo que puede considerarse su centro según ciertos criterios. Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redirección.
Notas
- ↑ Sin embargo, si tal es unSatisfacea pesar deyentonces necesariamentey siempreEntonces, ambas son reales.se mantendrá para todos
Pruebas
- ↑ Supongamos quees estrictamente homogéneo positivo y valorado en un espacio vectorial o un campo. Entoncesasí que restandode ambos lados muestra queEscribiendoentonces para cualquierlo cual demuestra quees homogéneo no negativo.
Referencias
Fuentes
- Blatter, cristiano (1979). "20. Mehrdimensionale Differentialrechnung, Aufgaben, 1". Análisis II (en alemán) (2ª ed.). Springer Verlag. pag. 188.ISBN 3-540-09484-9.
- Kubrusly, Carlos S. (2011). Elementos de la teoría de operadores (Segunda edición). Boston: Birkhäuser . ISBN 978-0-8176-4998-2OCLC 710154895
- Schaefer, Helmut H .; Wolff, Manfred P. (1999). Espacios vectoriales topológicos . GTM . Vol. 8 (Segunda edición). Nueva York, NY: Springer New York Imprint Springer. ISBN 978-1-4612-7155-0OCLC 840278135
- Schechter, Eric (1996). Manual de análisis y sus fundamentos . San Diego, CA: Academic Press. ISBN 978-0-12-622760-4OCLC 175294365
Enlaces externos
- "Función homogénea" , Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press , 2001 [1994]
- Eric Weisstein. "Teorema de la función homogénea de Euler" . MathWorld .
- Álgebra lineal
- Operadores diferenciales
- Tipos de funciones
- Leonhard Euler