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Geometría de lo irregular - Universidad Politécnica de Madrid

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<strong>Geometría</strong> <strong>de</strong> <strong>lo</strong><br />

<strong>irregular</strong><br />

A<strong>de</strong>la Salvador<br />

<strong>Universidad</strong> <strong>Politécnica</strong> <strong>de</strong> <strong>Madrid</strong>


Esquema <strong>de</strong>l curso<br />

Fractales<br />

Sistemas dinámicos discretos<br />

En R<br />

En C:<br />

Conjuntos <strong>de</strong> Juliá y conjunto <strong>de</strong> Man<strong>de</strong>lbrot<br />

Sistemas dinámicos continuos<br />

Sistema <strong>de</strong> Lorenz. Atractores extraños<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Esquema<br />

Introducción. n. Cambio <strong>de</strong> paradigma<br />

¿Dón<strong>de</strong> hay fractales<br />

Fractales autosemejantes<br />

Precisiones sobre la noción n <strong>de</strong> fractal<br />

Caos y fractales<br />

Dimensión n fractal <strong>de</strong> series temporales.<br />

Coeficiente <strong>de</strong> Hurst<br />

Referencias<br />

Fractales en la web<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Introducción<br />

Cambio <strong>de</strong> paradigma<br />

Líneas <strong>de</strong> costa<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Introducción<br />

Cambio <strong>de</strong> paradigma<br />

“El lenguaje <strong>de</strong> la naturaleza<br />

es matemáticas, y sus caracteres<br />

son triángu<strong>lo</strong>s, círcu<strong>lo</strong>s y otras<br />

figuras geométricas”<br />

Galileo, Essays<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Introducción<br />

Cambio <strong>de</strong> paradigma<br />

“Un ser inteligente que en un instante dado<br />

conociera todas las fuerzas que animan la<br />

Naturaleza y las posiciones <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s seres que la<br />

forman, y que fuera <strong>lo</strong> suficientemente inmenso<br />

como para po<strong>de</strong>r analizar dichos datos, podría<br />

con<strong>de</strong>nsar en una única fórmula el movimiento <strong>de</strong><br />

<strong>lo</strong>s objetos más gran<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l universo y <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s<br />

átomos más ligeros: nada sería incierto para dicho<br />

ser; y tanto el futuro como el pasado estarían<br />

presentes antes sus ojos”.<br />

Laplace, Phi<strong>lo</strong>sophical essays on probabilities<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Introducción<br />

Cambio <strong>de</strong> paradigma<br />

“Incluso cuando las leyes naturales<br />

parecen no tener ningún secreto para<br />

nosotros, só<strong>lo</strong> po<strong>de</strong>mos conocer la<br />

situación inicial aproximadamente... Pue<strong>de</strong><br />

ocurrir que... un pequeño error en la<br />

entrada nos produzca un enorme error en<br />

la salida. La predicción resulta imposible”.<br />

Poincaré, Chance<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Introducción<br />

Cambio <strong>de</strong> paradigma<br />

“Las nubes no son esferas, las<br />

montañas no son conos, las líneas <strong>de</strong><br />

costa no son circunferencias, la corteza no<br />

es lisa, y la luz no viaja en línea recta”.<br />

Man<strong>de</strong>lbrot,<br />

The fractal geometry of nature<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Introducción<br />

Líneas <strong>de</strong> costa<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Introducción<br />

Cuando la Matemática tica estudia la realidad, la<br />

simplifica, bien consi<strong>de</strong>rando que <strong>lo</strong>s<br />

procesos son lineales, bien suponiendo que<br />

las formas son suaves y regulares.<br />

Pero el uso <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>nador, que permite la<br />

rápida repetición n <strong>de</strong> procesos, ha permitido<br />

ampliar el campo y estudiar, por ejemp<strong>lo</strong>, <strong>lo</strong>s<br />

sistemas dinámicos no lineales, que<br />

ocasionan fenómenos complejos como el<br />

caos, y investigar las formas <strong>irregular</strong>es que<br />

dan lugar a la “geometría a fractal”.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Introducción<br />

La dinámica no lineal supone hoy un cambio<br />

<strong>de</strong> rumbo en la Ciencia, un nuevo paradigma,<br />

pues incluso ha sido calificada como una<br />

tercera revolución.<br />

Si <strong>lo</strong>s sistemas dinámicos presentan<br />

sensibilidad a las condiciones iniciales se dice<br />

que hay caos.<br />

Caos y fractales están n muy relacionados,<br />

aunque se pue<strong>de</strong>n encontrar fractales sin<br />

caos, y caos sin fractales.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


¿Dón<strong>de</strong> hay fractales


¿Dón<strong>de</strong> hay fractales<br />

¿Qué son <strong>lo</strong>s fractales ¿Dón<strong>de</strong> hay La<br />

geometría, que antes explicaba el mundo que nos<br />

ro<strong>de</strong>a mediante figuras sencillas, rectas,<br />

circunferencias... utiliza ahora objetos más m<br />

complicados. Los fractales no só<strong>lo</strong> s<br />

nos ayudan a<br />

ampliar el mundo <strong>de</strong> la geometría a sino que nos<br />

surten <strong>de</strong> bel<strong>lo</strong>s ejemp<strong>lo</strong>s <strong>de</strong> sucesiones,<br />

funciones o probabilidad <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la matemática<br />

tica<br />

elemental, y aparecen al estudiar iteraciones, el<br />

teorema <strong>de</strong>l punto fijo, sistemas dinámicos e<br />

interesantes problemas topológicos y <strong>de</strong> teoría a <strong>de</strong><br />

la medida <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la matemática tica superior.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


La geometría propia <strong>de</strong> la<br />

naturaleza es la geometría fractal<br />

Fronteras: costas, montañas, la orilla <strong>de</strong> un<br />

río, <strong>lo</strong>s bor<strong>de</strong>s <strong>de</strong> una nube...<br />

Sistemas ramificados: árboles, el sistema<br />

arterial o pulmonar...<br />

Simular imágenes con gran ahorro <strong>de</strong><br />

memoria en el or<strong>de</strong>nador<br />

Predicción en bolsa<br />

Predicción <strong>de</strong> la extinción <strong>de</strong> especies en<br />

Bio<strong>lo</strong>gía<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


A<strong>de</strong>la Salvador


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A<strong>de</strong>la Salvador


A<strong>de</strong>la Salvador<br />

z 5 = 1


Fractales confeccionados con el or<strong>de</strong>nador<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales confeccionados con el or<strong>de</strong>nador<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Una exposición<br />

No hay duda que las espectaculares gráficas<br />

confeccionadas con el or<strong>de</strong>nador han<br />

contribuido a popularizar estos términos. t<br />

El<br />

término fractal evoca algo <strong>de</strong> insólita belleza,<br />

<strong>irregular</strong>, intrincado en que las partes más m<br />

pequeñas son similares al todo, y que se<br />

genera por la repetición n <strong>de</strong> procesos muy<br />

simples. La geometría a fractal es una<br />

herramienta que permite <strong>de</strong>scribir objetos<br />

consi<strong>de</strong>rados como extremadamente<br />

complejos y <strong>de</strong>sor<strong>de</strong>nados<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


A<strong>de</strong>la Salvador


A<strong>de</strong>la Salvador


A<strong>de</strong>la Salvador


A<strong>de</strong>la Salvador


Aplicaciones <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s fractales<br />

Atractores <strong>de</strong> sistemas dinámico<br />

Superficies que separan dos medios<br />

Sistemas ramificados<br />

Porosidad<br />

Difusión <strong>de</strong> animales, plantas, re<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />

drenaje, incendio<br />

Terremotos y volcanes<br />

Estudio <strong>de</strong> las fallas<br />

Series temporales<br />

Bolsa<br />

Extinción <strong>de</strong> especies<br />

Codificación <strong>de</strong> imágenes<br />

Antenas fractales


El estudio <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s fractales no hubiera sido tan<br />

importante como <strong>lo</strong> es en la actualidad si no<br />

existieran tantos mo<strong>de</strong><strong>lo</strong>s en la naturaleza a<br />

<strong>lo</strong>s que se les pue<strong>de</strong> aplicar este tipo <strong>de</strong><br />

geometría.<br />

Encontrar objetos naturales que se pue<strong>de</strong>n<br />

mo<strong>de</strong>lizar mediante un fractal es francamente<br />

fácil, como por ejemp<strong>lo</strong>, la medida <strong>de</strong> costas<br />

con muchos fiordos, <strong>lo</strong>s bor<strong>de</strong>s <strong>de</strong><br />

comunida<strong>de</strong>s vegetales en paisajes no<br />

humanizados, <strong>lo</strong>s sistemas ramificados como el<br />

sistema nervioso, la ramificación n <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s<br />

bronquios en <strong>lo</strong>s alvéo<strong>lo</strong>s pulmonares, la<br />

naturaleza <strong>de</strong> las fracturas o <strong>lo</strong>s sistemas <strong>de</strong><br />

fallas, la porosidad <strong>de</strong> las rocas, la estructura<br />

<strong>de</strong> las galaxias. Muchas fronteras entre dos<br />

medios, o las estructuras en forma <strong>de</strong> árbol<br />

son mo<strong>de</strong><strong>lo</strong>s fractales.


Si se busca en internet<br />

el término t<br />

fractal se<br />

obtienen una enorme cantidad <strong>de</strong> entradas que<br />

nos permiten va<strong>lo</strong>rar algunas <strong>de</strong> sus aplicaciones:<br />

En el mercado <strong>de</strong> va<strong>lo</strong>res o en la extinción n <strong>de</strong><br />

especies naturales se analizan con técnicas t<br />

fractales las series temporales cuya dimensión<br />

fractal proporciona el grado <strong>de</strong> predictibilidad <strong>de</strong>l<br />

fenómeno.<br />

Muchos fractales son<br />

atractores<br />

<strong>de</strong> sistemas<br />

dinámicos.<br />

Otra aplicación n es la generación n <strong>de</strong> imágenes o la<br />

compresión n <strong>de</strong> imágenes usando técnicas t<br />

fractales.<br />

Se encuentra gran cantidad <strong>de</strong> bibliografía a en<br />

"antenas fractales", que permiten minimizar el<br />

tamaño o <strong>de</strong> las antenas, y que incluso nos permite<br />

esperar que próximamente tengamos una en<br />

nuestros móviles. m


Fractales<br />

autosemejantes


Fractales<br />

autosemejantes<br />

Los fractales autosemejantes<br />

van a estar<br />

generados aplicando reiteradamente a un<br />

objeto un conjunto <strong>de</strong> aplicaciones<br />

contractivas (una homotecia <strong>de</strong> razón n menor<br />

que la unidad es un ejemp<strong>lo</strong> <strong>de</strong> aplicación<br />

contractiva).<br />

El fractal viene a ser el producto final <strong>de</strong> una<br />

iteración n infinita <strong>de</strong> un proceso geométrico<br />

muy simple.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Algunos objetos fractales<br />

El conjunto <strong>de</strong> Cantor<br />

Los dragones <strong>de</strong> Heighway.<br />

La curva <strong>de</strong>l copo <strong>de</strong> nieve o curva <strong>de</strong> Koch.<br />

El triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierpinski.<br />

El tetraedro <strong>de</strong> Sierpinski.<br />

El conjunto <strong>de</strong> Cantor en el plano.<br />

El conjunto <strong>de</strong> Besicovich.<br />

La esponja <strong>de</strong> Menger.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales autosemejantes<br />

Conjunto <strong>de</strong> Cantor<br />

El segmento unidad [0, 1] se divi<strong>de</strong> en tres<br />

partes iguales y se elimina la parte central, es<br />

<strong>de</strong>cir, el interva<strong>lo</strong> (1/3, 2/3). Queda F 1<br />

, la<br />

unión n <strong>de</strong> dos interva<strong>lo</strong>s cerrados.<br />

En <strong>lo</strong>s dos segmentos restantes se repite el<br />

proceso, borrando la parte central <strong>de</strong> cada<br />

interva<strong>lo</strong>.<br />

Y así sucesivamente.<br />

En el límite l<br />

se obtiene el objeto que se<br />

<strong>de</strong>nomina "Conjunto <strong>de</strong> Cantor".<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales autosemejantes<br />

Conjunto <strong>de</strong> Cantor<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales autosemejantes<br />

Conjunto <strong>de</strong> Cantor<br />

Hemos aplicado al segmento dos homotecias <strong>de</strong><br />

centros <strong>lo</strong>s extremos <strong>de</strong>l segmento y razón n 1/3,<br />

volviendo aplicar a la figura obtenida iterativamente<br />

dichas homotecias, obteniéndose, ndose, en el límite l<br />

el<br />

conjunto <strong>de</strong> Cantor.<br />

Se dice que el conjunto <strong>de</strong> Cantor es, pues, el atractor<br />

<strong>de</strong> dos homotecias <strong>de</strong> razón n 1/3, y centros en el<br />

origen y en el extremo unidad.<br />

Se observa que si partimos inicialmente <strong>de</strong>,<br />

únicamente, <strong>lo</strong>s dos puntos: 1/3 y 2/3 y aplicamos<br />

iteradamente las dos homotecias volvemos obtener,<br />

en el límite, l<br />

el conjunto <strong>de</strong> Cantor.


El conjunto <strong>de</strong> Cantor es no vacío o pues <strong>lo</strong>s<br />

extremos <strong>de</strong>l interva<strong>lo</strong> que <strong>lo</strong> generan nunca<br />

se eliminan en ese proceso infinito.<br />

Está formado por unión n infinita <strong>de</strong> conjuntos<br />

cerrados, y está<br />

acotado, luego es un<br />

compacto.<br />

Su <strong>lo</strong>ngitud es nula, pues la <strong>lo</strong>ngitud <strong>de</strong> su<br />

complementario tiene <strong>de</strong> <strong>lo</strong>ngitud uno. Es:<br />

1/3 + 2/3 2 + 4/3 3 +...= (1/3)/(1-2/3) =1.<br />

Tiene el cardinal <strong>de</strong>l continuo.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


La expresión n <strong>de</strong>cimal <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s puntos <strong>de</strong>l<br />

conjunto <strong>de</strong> Cantor es una sucesión n infinita<br />

<strong>de</strong> 0 y 2.<br />

Luego el cardinal <strong>de</strong>l conjunto <strong>de</strong> Cantor es<br />

no numerable, tiene la potencia <strong>de</strong>l continuo<br />

como el cardinal <strong>de</strong> R.<br />

Tenemos pues un conjunto <strong>de</strong> <strong>lo</strong>ngitud nula y<br />

cuyo cardinal es igual al <strong>de</strong> R.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Un conjunto <strong>de</strong> Cantor en el plano<br />

Se parte <strong>de</strong> un cuadrado <strong>de</strong> lado uno.<br />

Se divi<strong>de</strong> en 16 cuadrados iguales y en el<br />

primer paso se toman cuatro cuadrados, uno<br />

en cada vértice, v<br />

y <strong>de</strong> lado ¼.<br />

Con cada uno <strong>de</strong> estos cuadrados se repite el<br />

proceso, con <strong>lo</strong> que en el paso segundo se<br />

tienen 16 cuadrados <strong>de</strong> lado 1/16 y, así<br />

sucesivamente.


Un conjunto <strong>de</strong> Cantor en el plano<br />

Modificando la razón n <strong>de</strong> homotecia o el<br />

número <strong>de</strong> cuadrados seleccionados se<br />

obtienen otros conjuntos <strong>de</strong> Cantor<br />

generalizados, o modificando la<br />

disposición n se obtiene el conjunto <strong>de</strong><br />

Besicovitch:


Fractales autosemejantes<br />

Conjunto <strong>de</strong> Besicovitch<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales autosemejantes<br />

Triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierspinky<br />

Se parte <strong>de</strong> un triángu<strong>lo</strong> equilátero en el que<br />

se trazan <strong>lo</strong>s puntos medios <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s lados.<br />

Se forman cuatro triángu<strong>lo</strong>s.<br />

Se elimina el triángu<strong>lo</strong> central.<br />

En cada uno <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s tres nuevos triángu<strong>lo</strong>s se<br />

repite el proceso.<br />

Y así sucesivamente.<br />

A la figura formada por la iteración n infinita se<br />

la <strong>de</strong>nomina triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierpinski.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales autosemejantes<br />

Triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierspinky<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales autosemejantes<br />

Triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierspinky<br />

Se parte <strong>de</strong> un triángu<strong>lo</strong> equilátero en el que<br />

se trazan <strong>lo</strong>s puntos medios <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s lados.<br />

Se forman cuatro triángu<strong>lo</strong>s.<br />

Se elimina el triángu<strong>lo</strong> central.<br />

En cada uno <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s tres nuevos triángu<strong>lo</strong>s se<br />

repite el proceso.<br />

Y así sucesivamente.<br />

A la figura formada por la iteración n infinita se<br />

la <strong>de</strong>nomina triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierpinski.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales autosemejantes<br />

Triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierspinky<br />

El proceso que hemos seguido ha sido<br />

aplicar tres homotecias <strong>de</strong> razón n 1/2 y<br />

centros <strong>lo</strong>s tres vértices v<br />

<strong>de</strong>l triángu<strong>lo</strong> al<br />

triángu<strong>lo</strong> inicial y <strong>de</strong> forma iterativa a la<br />

figura obtenida, <strong>de</strong> don<strong>de</strong> el triángu<strong>lo</strong><br />

<strong>de</strong> Sierpinski es el punto fijo o atractor<br />

<strong>de</strong>l conjunto <strong>de</strong> aplicaciones<br />

contractivas formado por las tres<br />

homotecias.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales autosemejantes<br />

Triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierspinky<br />

En la construcción n <strong>de</strong>l triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierpinski partimos<br />

<strong>de</strong> un objeto plano, <strong>de</strong> dimensión n 2, un triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong><br />

área<br />

A.<br />

Cálcu<strong>lo</strong> <strong>de</strong>l área:<br />

Al aplicar la primera iteración n en área<br />

es (3/4)A, , en la segunda (3/4) 2 A, , luego en el límite l<br />

el<br />

área <strong>de</strong> la figura es cero ¿Es entonces el triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong><br />

Sierpinski un objeto <strong>de</strong> dimensión n dos<br />

Cálcu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> su <strong>lo</strong>ngitud: También n observamos que su<br />

<strong>lo</strong>ngitud tien<strong>de</strong> a ∞.<br />

Esto nos hace suponer que la dimensión n <strong>de</strong>l triángu<strong>lo</strong><br />

<strong>de</strong> Sierpinski no es ni uno ni dos, sino un número n<br />

d tal<br />

que 1< D < 2.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


La curva <strong>de</strong>l copo <strong>de</strong> nieve <strong>de</strong> Koch.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


La curva <strong>de</strong>l copo <strong>de</strong> nieve <strong>de</strong> Koch.<br />

La construcción n comienza con un triángu<strong>lo</strong><br />

equilátero. Cada lado <strong>de</strong> este triángu<strong>lo</strong> <strong>lo</strong><br />

dividimos en tres partes. En la parte central,<br />

y <strong>de</strong> lado esta <strong>lo</strong>ngitud, se dibuja otro<br />

triángu<strong>lo</strong> equilátero borrando el lado que se<br />

superpone con el triángu<strong>lo</strong> anterior. Se<br />

vuelve a repetir este proceso con cada uno<br />

<strong>de</strong> <strong>lo</strong>s segmentos <strong>de</strong> la nueva figura y así<br />

sucesivamente. La curva que se obtiene<br />

cuando repetimos este proceso<br />

in<strong>de</strong>finidamente se <strong>de</strong>nomina curva <strong>de</strong>l copo<br />

<strong>de</strong> nieve o curva <strong>de</strong> Koch y es un fractal.


La curva <strong>de</strong>l copo <strong>de</strong> nieve <strong>de</strong> Koch.<br />

Cálcu<strong>lo</strong> <strong>de</strong>l perímetro:<br />

Se observa que si el<br />

triángu<strong>lo</strong> inicial tiene un perímetro <strong>de</strong><br />

<strong>lo</strong>ngitud 3, el primer polígono obtenido tiene<br />

un perímetro <strong>de</strong> <strong>lo</strong>ngitud 3(4/3), el perímetro<br />

<strong>de</strong>l segundo se obtiene multiplicando otra vez<br />

por 4/3, por <strong>lo</strong> que la <strong>lo</strong>ngitud <strong>de</strong>l perímetro<br />

en la etapa F k<br />

es 3(4/3) k , cantidad que tiene<br />

a infinito cuando k tiene a infinito.<br />

Cálcu<strong>lo</strong> <strong>de</strong>l área:<br />

El área es finita pues está<br />

contenida en el círcu<strong>lo</strong> c<br />

circunscrito al<br />

triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> partida.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Otros fractales autosemejantes


Noción <strong>de</strong> fractal<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Precisiones sobre la noción <strong>de</strong> fractal<br />

El nombre <strong>de</strong> “fractal” se <strong>de</strong>be a B. Man<strong>de</strong>lbrot<br />

en <strong>lo</strong>s años setenta.<br />

Admite <strong>de</strong>finiciones distintas:<br />

Punto fijo <strong>de</strong> un conjunto <strong>de</strong> aplicaciones<br />

contractivas<br />

Dimensión fraccionaria<br />

Su dimensión topológica es distinta que su<br />

dimensión <strong>de</strong> Hausdorff<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Precisiones sobre la noción <strong>de</strong> fractal<br />

Punto fijo <strong>de</strong> un conjunto <strong>de</strong><br />

aplicaciones contractivas<br />

n<br />

U<br />

i=<br />

1<br />

f ( K)<br />

i<br />

=<br />

K<br />

J. E. Hunchinson (1981)<br />

M. F. Barnsley (1985)<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Precisiones sobre la noción <strong>de</strong> fractal


A<strong>de</strong>la Salvador


Objeto cuya dimensión <strong>de</strong><br />

semejanza en distinta <strong>de</strong> su<br />

dimensión <strong>de</strong> Hausdorff<br />

E. Borel y H. Lebesgue<br />

H. Weyl<br />

Hausdorff (1919) y Besicovitch (1920)<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Dimensión n <strong>de</strong> semejanza<br />

Se sabe que un segmento tiene dimensión n 1,<br />

un trozo <strong>de</strong> plano, por ejemp<strong>lo</strong> un cuadrado,<br />

dimensión n 2, un cubo, dimensión n 3.<br />

Si se divi<strong>de</strong> el interva<strong>lo</strong> unidad en n<br />

subinterva<strong>lo</strong>s, , la <strong>lo</strong>ngitud <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong><br />

el<strong>lo</strong>s es 1/n, luego el factor <strong>de</strong> reducción n es r<br />

= n.<br />

Si se divi<strong>de</strong> el cuadrado unidad, por ejemp<strong>lo</strong><br />

en 16 cuadrados, n = 16 = 4 2 , y el factor <strong>de</strong><br />

reducción n es r = 4.<br />

Si se divi<strong>de</strong> un cubo en 8 cubos, por ejemp<strong>lo</strong>,<br />

n = 8 = 2 3 , y el factor A<strong>de</strong>la Salvador <strong>de</strong> reducción n es r = 2.


Dimensión n <strong>de</strong> semejanza<br />

Se observa que las dimensiones<br />

coinci<strong>de</strong>n con <strong>lo</strong>s exponentes: 1, 2 y 3,<br />

respectivamente.<br />

En general, si llamamos D a la<br />

dimensión, n, se tiene:<br />

r D = n. n<br />

Resolviendo esta ecuación, aplicando<br />

<strong>lo</strong>garitmos (en cualquier base):<br />

A<strong>de</strong>la Salvador<br />

D<br />

=<br />

ln<br />

ln<br />

n<br />

r


Precisiones sobre la noción <strong>de</strong> fractal<br />

Dimensión <strong>de</strong> semejanza<br />

D<br />

=<br />

ln<br />

ln<br />

n<br />

r<br />

n = 2; r = 2; D = 1<br />

n = 4; r = 2; D = 2<br />

n = 8; r = 2; D = 3<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Conjunto <strong>de</strong> Cantor<br />

El interva<strong>lo</strong> [0, 1] tiene dimensión n uno, y <strong>lo</strong> mismo<br />

con cada una <strong>de</strong> las etapas <strong>de</strong> la construcción:<br />

n: F k<br />

. Sin<br />

embargo la <strong>lo</strong>ngitud final, con el paso al límite, l<br />

es<br />

cero. ¿Será entonces su dimensión n igual a 0 Parece<br />

que la dimensión n topológica no es a<strong>de</strong>cuada para<br />

caracterizar a este conjunto. Su dimensión n <strong>de</strong>bería a ser<br />

un va<strong>lo</strong>r entre 0 y 1. Al pasar <strong>de</strong> F k<br />

a F k+1 se<br />

reemplaza cada segmento por dos segmentos cuya<br />

<strong>lo</strong>ngitud se reduce por el factor 3. Po<strong>de</strong>mos<br />

caracterizar el Conjunto <strong>de</strong> Cantor por esos dos<br />

números:<br />

n = número n<br />

<strong>de</strong> copias en que se convierte<br />

una copia = 2; r = factor <strong>de</strong> reducción n = 3.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Noción <strong>de</strong> fractal<br />

Conjunto <strong>de</strong> Cantor<br />

r = 3<br />

n = 2<br />

D = ln2/ln3 < 1<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Un conjunto <strong>de</strong> Cantor en el plano<br />

Este conjunto es no vacío, compacto, no numerable<br />

y <strong>de</strong> área cero, pero su perímetro vale siempre 4.<br />

Es el atractor <strong>de</strong> un conjunto <strong>de</strong> cuatro homotecias<br />

<strong>de</strong> razón ¼.<br />

Se caracteriza por n = 4 y r = 4. Al tener <strong>lo</strong>ngitud<br />

parece que su dimensión, n, a pesar <strong>de</strong> partir <strong>de</strong><br />

figuras <strong>de</strong> dimensión n 2, <strong>de</strong>bería a ser 1.<br />

¿Qué dimensión n <strong>de</strong> semejanza tiene Observa que<br />

NO es fraccionaria.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Noción <strong>de</strong> fractal<br />

r = 4<br />

n = 4<br />

D = ln4/ln4 = 1<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


La curva <strong>de</strong>l copo <strong>de</strong> nieve <strong>de</strong> Koch.<br />

Se caracteriza por n = 4 y r = 3, pues <strong>de</strong> cada<br />

segmento se obtienen 4 y el factor <strong>de</strong> reducción n es 3.<br />

Según n la construcción, n, cada F k<br />

es <strong>de</strong> dimensión n 1,<br />

pero al ser la <strong>lo</strong>ngitud infinita pue<strong>de</strong> esperarse que<br />

su dimensión n sea mayor que 1.<br />

¿Qué dimensión n <strong>de</strong> semejanza tiene<br />

Incluso se pue<strong>de</strong> comprobar que la <strong>lo</strong>ngitud es<br />

infinita entre dos cualesquiera <strong>de</strong> sus puntos.<br />

Es un ejemp<strong>lo</strong> <strong>de</strong> curva continua que no tiene<br />

tangente (<strong>de</strong>rivada) en ninguno <strong>de</strong> sus puntos.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales autosemejantes<br />

Triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierspinky<br />

Por su construcción n el triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierpinski<br />

es un conjunto compacto <strong>de</strong> perímetro<br />

infinito y área nula.<br />

Queda caracterizado por n = 3, pues cada<br />

triángu<strong>lo</strong> se trasforma en 3 triángu<strong>lo</strong>s, y r = 2<br />

que es el factor <strong>de</strong> reducción lineal, , es <strong>de</strong>cir,<br />

la <strong>lo</strong>ngitud <strong>de</strong> cada lado se reduce a la mitad.<br />

¿Qué dimensión n <strong>de</strong> semejanza tiene<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Noción <strong>de</strong> fractal<br />

Triángu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> Sierspinky<br />

r = 2<br />

n = 3<br />

D = ln3/ln2 > 1<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Tetraedro <strong>de</strong> Sierpinski<br />

Se parte <strong>de</strong> un tetraedro regular el el que se<br />

marcan <strong>lo</strong>s puntos medios <strong>de</strong> las aristas y al<br />

unir<strong>lo</strong>s se forman 4 tetraedros <strong>de</strong> lado mitad.<br />

Se elimina la figura central. En cada uno <strong>de</strong><br />

<strong>lo</strong>s cuatro tetraedros restantes se vuelve a<br />

repetir el proceso sucesivamente.<br />

Se caracteriza por n = 4 y r = 2.<br />

¿Qué dimensión n <strong>de</strong> semejanza tiene Observa<br />

que NO es fraccionaria.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Tetraedro <strong>de</strong> Sierpinski<br />

La forma central eliminada, que es un<br />

octaedro regular, es difícil <strong>de</strong> percibir. En el<br />

laboratorio <strong>de</strong> matemáticas ticas sugerimos<br />

construir cuatro tetraedros iguales y analizar<br />

<strong>lo</strong> que falta para obtener el tetraedro <strong>de</strong> lado<br />

doble <strong>de</strong> partida.<br />

El tetraedro <strong>de</strong> Sierpinski es el punto fijo <strong>de</strong>l<br />

conjunto <strong>de</strong> cuatro homotecias <strong>de</strong> razón n 1/2<br />

y centros en <strong>lo</strong>s cuatro vértices v<br />

<strong>de</strong> un<br />

tetraedro.<br />

Es un ejemp<strong>lo</strong> <strong>de</strong> objeto fractal <strong>de</strong> dimensión<br />

2, no fraccionaria.


Dimensión topológica<br />

<br />

<br />

<br />

Dimensión inductiva pequeña: Se <strong>de</strong>signa ind(S)<br />

Hermann Weyl: Se que el espacio tiene dimensión tres porque las<br />

pare<strong>de</strong>s <strong>de</strong> una prisión son <strong>de</strong> dimensión dos.<br />

<br />

Definición: Se dice que ind(S)≤k si y só<strong>lo</strong> si existe una base <strong>de</strong><br />

abiertos <strong>de</strong> S cuya frontera tiene su dimensión menos o igual a k–1.<br />

Dimensión inductiva gran<strong>de</strong>: Se <strong>de</strong>nota Ind(S)<br />

<br />

<br />

Se dice que L⊂S L separa A y B si y só<strong>lo</strong> si existen abiertos U y V<br />

contenidos en S, cuya intersección es vacía, U⊃A, U<br />

V⊃B V B y L=S\(U<br />

(U∪V).<br />

Definición: Se dice que Ind(S)≤k si y só<strong>lo</strong> si cualquier par <strong>de</strong> conjuntos<br />

cerrados disjuntos <strong>de</strong> S pue<strong>de</strong>n ser separados por un conjunto L con c<br />

Ind(L)≤k–1.<br />

Dimensión <strong>de</strong> recubrimiento: Se <strong>de</strong>nota Cov(S)<br />

<br />

<br />

El or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> una familia A <strong>de</strong> abiertos es menor o igual a n si y só<strong>lo</strong> si<br />

cualquier n+2<br />

<strong>de</strong> esos conjuntos tiene una intersección vacía<br />

Definición: S tiene dimensión <strong>de</strong> recubrimiento menor o igual a n<br />

si y só<strong>lo</strong> si todo recubrimiento abierto finito <strong>de</strong> S tiene un refinamiento<br />

abierto <strong>de</strong> or<strong>de</strong>n menor o igual a n<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Teoría <strong>de</strong> la medida y <strong>de</strong> la<br />

dimensión<br />

Medida exterior <strong>de</strong> Lebesgue y<br />

medida interior <strong>de</strong> Lebesgue<br />

Dimensión <strong>de</strong> Hausdorff<br />

Familia <strong>de</strong> medidas para cada conjunto:<br />

Hs(F)<br />

Dado un conjunto <strong>de</strong> Borel F, y dados<br />

0


Distancia <strong>de</strong> Hausdorff<br />

D(A, , B)=inf{<br />

=inf{r: : A⊂Nr(B) A<br />

y B⊂Nr(A)} B<br />

S espacio métrico completo. K(S) ) conjunto <strong>de</strong><br />

<strong>lo</strong>s compactos <strong>de</strong> S. {K(S{<br />

K(S), D} es un espacio<br />

métrico completo.<br />

Fractales autosemejantes<br />

M. F. Barnsley en 1985<br />

Sistema <strong>de</strong> funciones iteradas<br />

Teorema <strong>de</strong>l punto fijo <strong>de</strong> un conjunto<br />

<strong>de</strong> aplicaciones contractivas<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Caos y fractales<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

Sistemas dinámicos continuos:<br />

Atractor <strong>de</strong> Lorentz<br />

Sistemas dinámicos discretos<br />

Ecuación Logística<br />

Método <strong>de</strong> Newton<br />

Conjuntos <strong>de</strong> Juliá y <strong>de</strong> Fatou<br />

Conjunto <strong>de</strong> Man<strong>de</strong>lbrot<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Ecuación Logística<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Ecuación Logística<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Método <strong>de</strong> Newton<br />

p<br />

f ( z) = z − 1; N( z)<br />

= z −<br />

f ( z)<br />

f '( z)<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Conjunto <strong>de</strong> Man<strong>de</strong>lbrot<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Dimensión <strong>de</strong> series temporales<br />

DIMENSIÓN DE GRÁFICAS<br />

DE FUNCIONES. DIMENSIÓN<br />

DE SERIES TEMPORALES<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Dimensión <strong>de</strong> series temporales<br />

Proceso aleatorio o<br />

movimiento browniano<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Hurst y estrategias reproductivas <strong>de</strong> plantas<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Hurst y estrategias reproductivas <strong>de</strong> plantas<br />

po = 0,2; Pi = 0,2<br />

Plantas<br />

350<br />

300<br />

250<br />

200<br />

150<br />

100<br />

50<br />

0<br />

1 68 135 202 269 336 403 470 537 604 671 738 805 872 939<br />

Años<br />

Plantas 1<br />

Plantas 2<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en el aula


Fractales en el aula<br />

Muchos autores opinan que es probable<br />

que caos y fractales, por su belleza y<br />

aplicaciones, <strong>de</strong>ben tener cabida en el<br />

currícu<strong>lo</strong> cu<strong>lo</strong> <strong>de</strong> educación n secundaria<br />

obligatoria, formación n profesional y<br />

bachilleratos.<br />

Existen muchos argumentos a favor <strong>de</strong><br />

utilizar <strong>lo</strong>s fractales, en la clase <strong>de</strong><br />

Matemáticas ticas como recurso<br />

metodológico.


Fractales en el aula<br />

Entre el<strong>lo</strong>s po<strong>de</strong>mos citar <strong>lo</strong>s siguientes:<br />

Nos permite trabajar con geometría<br />

en el aula y <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una perspectiva<br />

mo<strong>de</strong>rna.<br />

Por ejemp<strong>lo</strong>, a partir <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s fractales<br />

autosemejantes se estudian las<br />

semejanzas y por consiguiente <strong>lo</strong>s<br />

movimientos y las homotecias en el<br />

plano.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en el aula<br />

Su estudio resalta la aplicabilidad<br />

<strong>de</strong> las matemáticas<br />

ticas y encuentra<br />

mo<strong>de</strong><strong>lo</strong>s para fenómenos y elementos<br />

naturales que antes era imposible<br />

mo<strong>de</strong>lizar, , <strong>lo</strong> que pone <strong>de</strong> manifiesto la<br />

interdisciplinariedad <strong>de</strong> las<br />

matemáticas, ticas, relacionándola ndola con otras<br />

ciencias como Bio<strong>lo</strong>gía, Geo<strong>lo</strong>gía,<br />

Medicina, Geografía, a, Economía, etc.<br />

<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en el aula<br />

<br />

El análisis <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s fractales<br />

autosemejantes nos<br />

permite<br />

diseñar activida<strong>de</strong>s para <strong>de</strong>sarrollar<br />

en el alumnado procesos <strong>de</strong><br />

inferencia, , <strong>de</strong>scubriendo leyes<br />

generales, a partir <strong>de</strong> la<br />

observación n <strong>de</strong> casos particulares.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en el aula<br />

Se pue<strong>de</strong>n trabajar las sucesiones<br />

obteniendo en cada iteración n la<br />

<strong>lo</strong>ngitud, o el área o el volumen <strong>de</strong> un<br />

fractal autosemejante.<br />

También n se pue<strong>de</strong>n utilizar para<br />

profundizar en el concepto <strong>de</strong> límitel<br />

y en <strong>lo</strong>s procedimientos que facilitan su<br />

cálcu<strong>lo</strong>.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en el aula<br />

Su proceso <strong>de</strong> construcción n favorece<br />

la adquisición n <strong>de</strong> las técnicas t<br />

básicas b<br />

para dibujar con precisión figuras<br />

geométricas, como por ejemp<strong>lo</strong>, un<br />

triángu<strong>lo</strong>, un cuadrado o dividir un<br />

segmento en n partes iguales, etc.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en el aula<br />

Po<strong>de</strong>mos realizar prácticas con<br />

programas informáticos, como por ejemp<strong>lo</strong><br />

Cabri, , que nos permiten profundizar en el<br />

concepto <strong>de</strong> recursividad y en la forma <strong>de</strong><br />

elaborar un programa informático en un<br />

lenguaje <strong>de</strong> programación n estructurado,<br />

dividiendo el objetivo final en subobjetivos,<br />

que son realizados <strong>de</strong> forma in<strong>de</strong>pendiente<br />

por subprogramas, <strong>de</strong> forma que con la<br />

a<strong>de</strong>cuada secuenciación n <strong>de</strong> éstos se obtiene<br />

el programa.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en el aula<br />

Nos permiten diseñar prácticas, con el<br />

programa Fractint, , para introducir, consolidar<br />

o justificar la importancia que tiene el<br />

estudio <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s números complejos en la<br />

elaboración n <strong>de</strong> mo<strong>de</strong><strong>lo</strong>s que simulan<br />

fenómenos reales.<br />

El estudio <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s fractales es a<strong>de</strong>más s un<br />

elemento motivador en el alumnado, <strong>de</strong>bido<br />

a la estética tica implícita en sus construcciones y<br />

a <strong>lo</strong> sugerentes que pue<strong>de</strong>n resultar sus<br />

diseños, a<strong>de</strong>más s <strong>de</strong> la motivación n que todavía<br />

tienen las prácticas con el or<strong>de</strong>nador.


Fractales en el aula<br />

Por último, la revolución n que ha<br />

supuesto en el concepto <strong>de</strong><br />

dimensión<br />

el <strong>de</strong>scubrimiento <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s<br />

fractales es un hecho que nuestros<br />

alumnos y alumnas <strong>de</strong>ben conocer.<br />

<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Referencias<br />

Barnsley, M: Fractals everywhere. Aca<strong>de</strong>mic Press, 1988.<br />

Barral<strong>lo</strong>, J.: <strong>Geometría</strong> fractal, algorítmica y representación. Anaya.<br />

Beardon, A. F.: Symmetries of Julia sets. Bull. London Math. Soc. 22; 576-582. 1990.<br />

Blackledge, J. M.: On the Synthesis and Processing of Fractal Signals and Images. UK. Sc.<br />

Eng. Res. C. 1992.<br />

Devaney, R. L.: Chaos, fractals and dynamics. AddissonWesley. 1990.<br />

Edgar G. A.: Classics on fractals. Addison-Wesley. 1993.<br />

Falconer, K. J.: The geometry of fractals sets. Cambridge University Press, 1985.<br />

Guzmán, M.; Martín, M.; Morán, M.; Reyes, M.: Estructuras fractales y sus aplicaciones.<br />

Labor. 1991.<br />

Hutchinson, J. E.: Fractals and Self Similarity. Indiana Univ. Math. Jour. Vol. 30. nº 5. 713-<br />

747. 1981.<br />

Man<strong>de</strong>lbrot, B.: Los objetos fractales. Forma, azar y dimensión. Tusquets.<br />

Mattila, P.: Lectures notes on Geometric Measure Theory. Asociación matemática<br />

española, 1986.<br />

Peitgen; Jurgens; Saupe: Fractals for the classroom. Springer-Verlag.Vol. I, 1991; Vol II,<br />

1992.<br />

Peitgen, H. O.; Jurgens; Saupe: Chaos and fractals. Springer-Verlag, 1992.<br />

Peitgen, H. O.; Richter, P. H.: The beauty of fractals. Springer-Verlag, 1986.<br />

Peitgen, H. O.; Richter, P. H.: The science of fractals. Springer-Verlag, 1988.<br />

Stewart, I: ¿Juega Dios a <strong>lo</strong>s dados Edic. Crítica. Drakontos, 1991.


Referencias<br />

SALVADOR A. GARMENDIA L. ¿Dón<strong>de</strong><br />

hay<br />

fractales Suma.<br />

HASTINGS, H. M. & SUGIHARA, G. (1993)<br />

"Fractals, a user's gui<strong>de</strong> for the natural sciences."<br />

Oxford University Press, Oxford.<br />

HUSTINGS, F. (1992) “Bird census news” Vol. 5<br />

nº 2 produced by Sovon on behalf of: International<br />

Bird Census Committee & European Ornitho<strong>lo</strong>gical<br />

Atlas Committee, Netherlands.<br />

SUGIHARA, G. & MAY, R. M. (1990)<br />

“Applications of Fractal in Eco<strong>lo</strong>gy” Trends Ecol.<br />

Evol.,<br />

vol 5, nº n 3, 79-86.<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en la web


Fractales en la web. Imágenes<br />

Imágenes 1<br />

Imágenes 2<br />

Imágenes 3<br />

Imágenes 4<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en la web<br />

Concepto fractal<br />

Los fractales<br />

Historia<br />

Fractales y sistemas dinámicos<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en la web. Activida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> aula<br />

Activida<strong>de</strong>s con fractales y Logo<br />

Medida <strong>de</strong> una costa<br />

Conjunto <strong>de</strong> Cantor<br />

Solución<br />

Poligonal <strong>de</strong> Koch<br />

Solución<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en la web<br />

Primera i<strong>de</strong>a sobre dimensión<br />

Dimensión<br />

Concepto <strong>de</strong> dimensión<br />

Dimensión fractal<br />

Dimensión <strong>de</strong> la curva <strong>de</strong> Koch<br />

Dimensión topológica y fractal. Curva<br />

<strong>de</strong> Peano<br />

A<strong>de</strong>la Salvador


Fractales en la web: Aplicaciones<br />

Aplicación en la Ciencia <strong>de</strong> <strong>lo</strong>s materiales<br />

El espacio – tiempo fractal<br />

Música fractal el sonido <strong>de</strong>l caos<br />

Porosidad <strong>de</strong> las rocas<br />

Otras direcciones en la web<br />

A<strong>de</strong>la Salvador

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