METODI MATEMATICI DELLA FISICA

METODI MATEMATICI DELLA FISICA

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iten
Codice
61734
ANNO ACCADEMICO
2021/2022
CFU
6 cfu al 3° anno di 8758 FISICA (L-30) GENOVA
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE
FIS/02
LINGUA
Italiano
SEDE
GENOVA (FISICA )
periodo
1° Semestre
propedeuticita
materiale didattico

PRESENTAZIONE

Questo insegnamento riguarda le  nozioni e le metodologie matematiche di base necessarie per lo studio e la comprensione della fisica moderna: funzioni di variabile complessa, trasformate di Fourier e Laplace, con applicazioni allo studio delle equazioni differenziali alle derivate parziali classiche della fisica matematica

 

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Lo scopo del corso è fornire agli studenti gli strumenti matematici avanzati usati nella fisica moderna: funzioni di variabile complessa, trasformate di Fourier e Laplace, spazi di Hilbert ed equazioni differenziali alle derivate parziali classiche della fisica matematica

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Il corso ha come obiettivo principale l’acquisizione di conoscenze e competenze di base relative agli strumenti matematici avanzati che hanno applicazione di carattere generale in Fisica. Particolare cura è data alla comprensione delle argomentazioni, al rigore nella presentazione dei concetti e dei ragionamenti, agli aspetti applicativi degli strumenti teorici sviluppati. 

Si  vuole fornire una solida preparazione con un ampio spettro di conoscenze di base relativo a strumenti matematici rilevanti per le applicazioni fisiche, con l'obbiettivo di raggiungere una buona capacità di applicare conoscenze e comprensione; in particolare, di  essere in grado di produrre semplici dimostrazioni rigorose di risultati matematici non identici a quelli già conosciuti, ma chiaramente correlati ad essi, di essere in grado di formalizzare matematicamente problemi di moderata difficoltà, in modo da facilitare la loro analisi e risoluzione, di essere capaci di leggere e comprendere, in modo autonomo, testi di base di Matematica Applicata a problemi fisici.  L’esposizione dei contenuti sarà svolta in modo da migliorare la capacità dello studente di riconoscere dimostrazioni rigorose e individuare ragionamenti fallaci. Particolare attenzione sarà dedicata alla capacità di individuare le motivazioni fisiche che suggeriscono opportune strutture matematiche. Inoltre, la presentazione degli argomenti sarà svolta in modo da consentire l’acquisizione di una buona capacità di comunicare problemi, idee e soluzioni riguardanti i Metodi Matematici per la Fisica, sia in forma scritta che orale.  Saranno indicati argomenti da approfondire, strettamente correlati con l’insegnamento, al fine di stimolare la capacità di apprendimento autonomo dello studente.

 

PREREQUISITI

Contenuti di Analisi, Algebra e Geometria svolti nei primi due anni

Modalità didattiche

Sia le lezioni che le esercitazioni sono svolte alla lavagna. Gli studenti sono sempre invitati a partecipare attivamente ponendo domande, proponendo soluzioni ai problemi proposti. Il coinvolgimento attivo degli studenti verosimilmente contribuisce a ridurre i tempi e le difficoltà legate allo studio degli argomenti presentati nell'ambito del corso.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Teoria delle funzioni analitiche.  Algebra e geometria dei numeri complessi. Caratterizzazione analitica e geometrica delle funzioni analitiche. Condizioni di Cauchy-Riemann. Successioni e serie di numeri complessi e di funzioni di variabile complessa. Scambio dei limiti e passaggio al limite sotto il segno di derivata. Serie di potenze nel campo complesso: raggio di convergenza. Funzioni elementari nel piano complesso.  Integrali nel campo complesso. Teorema di Cauchy, formula di Cauchy e sue applicazioni. Serie di Taylor e suo raggio di convergenza. Zeri e punti singolari isolati di funzioni di variabile complessa. Teorema di Liouville. Teorema fondamentale dell'algebra. Teorema di Morera.   Serie di Laurent.  Zeri e singolarità isolate ed essenziali. Residui e teorema dei residui. Classificazione e proprietà generali delle funzioni  analitiche. Lemma di Jordan e sue applicazioni. Singolarità sul cammino di integrazione.   Multi-funzioni e e loro proprietà. Continuazione analitica.  Continuamento analitico della trasformata di Fourier e sua relazione con la trasformata di Laplace. Formula di inversione complessa della trasformata di Laplace.

Analisi di Fourier e applicazioni.  Generalità sulle distribuzioni: spazio delle funzioni di prova. Definizione e proprietà della delta di Dirac. Integrale e derivata della delta di Dirac. La trasformata di Fourier in L_1 e in L_2. Proprietà generali della trasformata di Fourier. proprietà del prodotto di convoluzione. La trasformata di Fourier-Plancherel come operatore unitario su L_2(R).  Trasformata di Fourier della delta di Dirac. Applicazioni della trasformata di Fourier alla soluzione di equazioni differenziali.  Nucleo del calore. Trasformata di Laplace: definizione, proprietà ed esempi. Applicazioni.

Spazi vettoriali a dimensione infinita. Sistemi ortonormali completi in spazi euclidei a dimensione infinita. Coefficienti di Fourier. Disuguaglianza di Bessel ed uguaglianza di Parseval. Lo spazio di Hilbert l_2. Spazi di Banach:  Sistemi ortonormali completi in L_2[a,b]. Serie di Fourier: convergenza uniforme e puntuale.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

1] Dispense fornite dal docente

2] Neeham, Visual complex analysis

3] Körner, Fourier Analysis

 

DOCENTI E COMMISSIONI

Ricevimento: Previo appuntamento per email: Nino.Zanghi@ge.infn.it  

LEZIONI

Modalità didattiche

Sia le lezioni che le esercitazioni sono svolte alla lavagna. Gli studenti sono sempre invitati a partecipare attivamente ponendo domande, proponendo soluzioni ai problemi proposti. Il coinvolgimento attivo degli studenti verosimilmente contribuisce a ridurre i tempi e le difficoltà legate allo studio degli argomenti presentati nell'ambito del corso.

INIZIO LEZIONI

Il calendario delle lezioni è pubblicato sul Manifesto degli Studi 2021

ORARI

L'orario di tutti gli insegnamenti è consultabile su EasyAcademy.

ESAMI

Modalità d'esame

L’esame consiste in una prova scritta  e in un  colloquio.  La prova scritta  consiste in alcuni problemi che coprono un'ampia parte dei  contenuti del corso.  Viene poi data libertà allo studente di scegliere tra due tipi di orale: un orale più breve, volto a consolidare il voto conseguito nello scritto e un orale più lungo in cui la variazione di voto può essere significativa. Questa modalità  è utilizzata per permettere allo studente, consapevole di essersi preparato adeguatamente, di poter recuperare eventuali  carenze  della prova scritta.

Modalità di accertamento

La prova scritta è mirata a verificare  la capacità di risolvere problemi specifici simili a quelli discussi nel corso, ma originali. La difficoltà della prova è graduata, di modo che sia possibile separare l'accertamento  di conoscenze di base elementari, sufficienti al superamento della prova, dall'accertamento di competenze più avanzate.  Sia nella forma breve sia in quella lunga dell'orale si parte sempre dalla prova scritta,  per poter accertare le tipologie d'errore, la reale padronanza da parte dello studente delle competenze richieste sui temi di teoria della prova scritta  e mettere in luce le  eventuali carenze di preparazione. Nell'orale lungo si prosegue con l'accertamento delle competenze su altri temi svolti nel corso. In entrambi i casi, l'esame  è mirato all'accertamento  del grado di raggiungimento degli obbiettivi formativi, in forma graduata. In entrambi i casi, particolare attenzione è  dedicata   alla  capacità dello studente  di riconoscere ragionamenti rigorosi, di individuare ragionamenti fallaci e di comprendere le motivazioni fisiche che suggeriscono opportune strutture matematiche.