viernes, 6 de junio de 2008

¿Qué es un fractal?

Un fractal es un objeto semi geométrico cuya estructura básica, fragmentada o irregular,
se repite a diferentes escalas. El término fue propuesto por el matemático Benoît
Mandelbrot en 1975 y deriva del Latín fractus, que significa quebrado o fracturado.
Muchas estructuras naturales son de tipo fractal.
A un objeto geométrico fractal se le atribuyen las siguientes características
* Es demasiado irregular para ser descrito en términos geométricos tradicionales.
* Posee detalle a cualquier escala de observación.
* Es autosimilar (exacta, aproximada o estadísticamente).
* Su dimensión de Hausdorff-Besicovitch es estrictamente mayor que su dimensión
topológica.
* Se define mediante un simple algoritmo recursivo.
No nos basta con una sola de estas características para definir un fractal. Por ejemplo,
la recta real no se considera un fractal, pues a pesar de ser un objeto autosimilar
carece del resto de características exigidas.
Un fractal natural es un elemento de la naturaleza que puede ser descrito mediante la
geometría fractal. Las nubes, las montañas, el sistema circulatorio, las lineas costeras
o los copos de nieve son fractales naturales. Esta representación es aproximada, pues
las propiedades atribuidas a los objetos fractales ideales, como el detalle infinito,
tienen límites en el mundo natural.

Formacion del fractal


Para encontrar los primeros ejemplos de fractales debemos remontarnos a la función de Weierstrass, cuyo grafo hoy en día consideraríamos fractal, como ejemplo de función continua pero no diferenciable en ningún punto.

¿Como se forman los fractales ?






Construcción de la alfombra de Sierpinski



Historia de los fractales

Los fractales deben su origen al francés Henri Poincaré (1854-1912).
Sus ideas fueron tomadas, más tarde por dos matemáticos, también franceses: Gastón Julia y Pierre Fatou, hacia 1918.
Hubo un paréntesis en el estudio de los fractales, que fue renovado a partir de 1974 en IBM y fue fuertemente impulsado
por el desarrollo de la computadora digital.
En realidad, el término fractal fue acuñado en 1975 por el Dr. Benoit Mandelbrot, de la Universidad de Yale, a quien se
considera el padre de la geometría fractal. Su trabajo, que mostraba diversas variantes del conjunto que hoy lleva su
nombre, fue publicado el 26 de diciembre de 1980.
La aparición de los fractales originó una geometría que puede describir el universo en perpetuo cambio.
Según palabras de Mandelbrot: “acuñé el término fractal a partir del adjetivo latino fractus. El verbo latino
correspondiente, fragere, significa “romper”: crear fragmentos irregulares.....¡qué apropiado para nuestras
necesidades!....que, además de “fragmentado” (como en fracción o refracción) fractus también signifique “irregular” ,
y que ambos sentidos se preserven en fractal”.
John H. Hubbard, de la Universidad de Cornell, y Adrien Douady, de la Universidad de Paris, en honor a su descubridor,
pusieron al conjunto el nombre de Mandelbrot en la década de 1980, mientras trabajaban en las pruebas de diversos
aspectos del mismo.
Hubbard dice haberse reunido con Mandelbrot en 1979, y haberle mostrado cómo programar una computadora para lograr
funciones iterativas. Hubbard admite que Mandelbrot más tarde desarrolló un método superior para generar las imágenes

del conjunto.
Estas curvas eran llamadas monstruos. Los matemáticos conservadores del siglo XIX consideraban patológicas a estas curvas
monstruo. No las aceptaban ni las creían dignas de exploración porque contradecían las ideas matemáticas aceptadas.
Por ejemplo,, algunas eran funciones continuas que no eran diferenciables, algunas tenían áreas finitas con perímetros
infinitos, y algunas podían llenar por completo el espacio.
Los matemáticos del siglo XX tuvieron un serio conflicto para decir quien fue el primero en descubrir el conjunto de
Mandelbrot.
Pero ¿qué es un fractal? Es muy complicado dar una definición general, muchas de estas definiciones no se pueden aplicar
a todas las familias de fractales existentes. Sin embargo, todos los fractales tienen algo en común, ya que todos ellos
son el producto de la iteración, repetición, de un proceso geométrico elemental que da lugar a una estructura final de
una complicación aparente extraordinaria.
Con esta teoría se han desarrollado ideas tales como las de dimensiones fraccionarias, teorías de la iteración y de la
auto-similitud y aplicaciones a la turbulencia. Las aplicaciones de los fractales van desde la lluvia ácida y los zeolitos
hasta la astronomía y la medicina, la cinematografía, la cartografía, la economía y muchos más.
Según el Dr. Luis Santaló, el nombre de fractal procede de que estudia conjuntos de puntos para los cuales se puede
definir, de cierta manera, una dimensión fraccionaria, dimensión que permite medir el grado de complejidad del conjunto,
variando desde las curvas corrientes de dimensión uno hasta las curvas que llenan áreas del plano, de dimensión dos.
También se han estudiado fractales en el espacio tridimensional y espacios de más dimensiones.
En términos matemáticos un fractal es una forma que empieza con un objeto (tal como un segmento, un punto, un triángulo,
etc.) que es alterado constantemente por medio de la aplicación infinita de una determinada regla. Ésta puede describirse
por medio de una fórmula matemática o por medio de palabras.
Podemos pensar en los fractales como una curva en perpetuo crecimiento. Para ver un fractal, hay que verlo en movimiento,
puesto que se desarrolla constantemente.
Actualmente se dispone de computadoras capaces de generar fractales.
Cuando vemos una ilustración o una fotografía de un fractal, lo estamos viendo en un momento de tiempo....está congelado
en una etapa determinada de su crecimiento.
En esencia, es esta idea de crecimiento o de cambio la que vincula a los fractales con la naturaleza. Porque ¿qué hay
en la naturaleza que no esté en constante cambio? Hasta una roca está cambiando en el ámbito molecular.
Pueden crearse fractales para simular cualquier forma que uno pueda imaginar. Los fractales no están necesariamente
limitados a una sola regla, sino que puedne estar formados por varias reglas o estipulaciones.

Aplicaciones de los fractales



Puede parecer que los fractales son meras curiosidades matemáticas sin ninguna utilidad. Sin embargo son herramientas de gran potencia para afrontar el estudio de fenómenos complejos.

Hay aplicaciones en multitud de áreas. Sería interminble, pero en mi Web intentaré tener información sobre las siguientes:

Comunicaciones: Modelado del tráfico en redes

Informática: Técnicas de compresión (audio y vídeo)

Robótica: Robots fractales

Infografía: Paisajes fractales y otros objetos

Biología: Crecimiento tejidos, organización celular, Evolución de poblaciones, Depredador-presa

Matemáticas: Convergencia de métodos numéricos

Música: Composición musical

Física : Transiciones de fase en magnetismo

Química: Agregación por difusión limitada (DLA)

Geología : Análisis de patrones sísmicos.
Fenómenos de erosión
Modelos de formaciones geológicas

Economía: Análisis bursátil y de mercado

Tipos de fractales






Lineales
Se generan a partir de conceptos y algoritmos lineales, como por ejemplo rectas o triángulos. Pueden obtenerse mediante trazados geométricos simples.






Complejos
Se generan mediante un algoritmo de escape. Para cada punto se calculan una serie de valores mediante la repetición de una formula hasta que cumple una condición, momento en el cual se asigna al punto un color relacionado con el número de repeticiones. Los fractales de este tipo precisan de millones de operaciones, por lo cual sólo pueden dibujarse con la ayuda del ordenador.








Órbitas caóticas

Este tipo de modelo nació con un estudio sobre órbitas caóticas desarrollado por Edward Lorenz en 1.963. El atractor de Lorenz tiene un comportamiento fractal, aunque caos y fractales no son sinónimos y tienen comportamientos distintos; solamente comparten una formulación sencilla.






Autómatas celulares

Los autómatas celulares fueron utilizados por primera vez por los matemáticos John von Neumann y Stanislaw Ulam en 1948 para representar la reproducción en algunos sistemas biológicos.

Un autómata celular es un sistema dinámico discreto, (espacio y tiempo toman valores discretos), cuya función asociada toma un conjunto finito de valores. Funcionan con sencillas reglas que colorean zonas a partir del color de las adyacentes.






Plasma

Estructuras como el plasma o las imágenes de difusión dependen en cierta medida del azar, por lo cual son únicas e irrepetibles.
Ello se debe a que no es un proceso determinista, sino totalmente aleatorio. Consiste en un patrón único e irrepetible de colores

Aplicaciones de los fractales en la naturaleza








En la naturaleza los objetos fractales suelen aparecer en relación con dos circunstancias o situaciones

1). Frontera , y aquí incluimos todos los casos en que entran en contacto dos medios humanos, naturales, físicos, químicos, etc. o dos superficies diferentes: frontera entre países, riberas de los ríos, litoral, nubes, ...














(2). Árbol. Es decir aquellos casos en que se produce una ramificación con auto similitud: árboles, arbustos, y plantas, cuencas fluviales con sistemas de río, afluentes, ramblas, barrancos, riachuelos, etc.

El diseño recursivo es otro de los aspectos que sorprenden de la geometría fractal y más si nos referimos al diseño de un armario. El único problema es que para aprovechar al máximo la capacidad de sus cajones debemos tener una macrohabitación y situarlo en el centro.




este es otro ejemplo de diseño recursivo de utilizacion de fractales
para la arquitectura y construccion de edificios modernos.

Comida fractalina
se puede apreciar la formacion de los fractales con este ejemplo de galletas en el cual se utilizan cuadrados de diferentes tamaños y van aumentando secuencialmente por fila
Ejemplo de fractales