Una figura puede estar formada por copias pequeñas de sí misma. Para entender su escala contaremos cuántas copias hay y cuánto se reducen sus distancias. Primero comprobaremos el método con segmentos y cuadrados; después veremos por qué una dimensión no entera necesita algo más que contar piezas.
Si necesitas repasar:
1. Reducir una longitud no reduce igual el área
Una similitud conserva la forma y multiplica todas las distancias por la misma razón r. Puede trasladar, girar o reflejar. Si 0<r<1 es una contracción: las copias son menores.
Las áreas planas se multiplican por r² y los volúmenes por r³. En la ecuación de dimensión, r siempre es la razón de longitudes. Nombrar por separado lado, área y volumen evita confundir esas escalas.
Una copia de lado un tercio
Reducir un cuadrado de lado seis con razón r=1/3.
Lado
Seis por un tercio da dos.
Área
Pasa de 36 a cuatro: el factor es 1/9.
Comparar
r=1/3, mientras la razón de áreas es r²=1/9.
La similitud se describe por el factor de distancia un tercio.
Usar 1/9 como r reduciría el lado a dos tercios, otra figura.
Una reducción espacial
Un cubo de arista cuatro se reduce con r=1/2.
Arista
Pasa a dos.
Volumen
Pasa de 64 a ocho.
Razón
El volumen se multiplica por (1/2)³=1/8.
La misma razón de lados tiene distintos exponentes según la magnitud.
No se confunden ocho copias con una copia de volumen ocho.
2. Un sistema de reglas tiene un conjunto que se reproduce
Dadas finitas similitudes contractivas del espacio euclídeo, existe un único compacto no vacío F que satisface F=∪Sᵢ(F). Es su atractor: aplicar todas las reglas vuelve a dar el conjunto completo.
La distancia de Hausdorff compara dos compactos mirando cuánto queda cada punto del primero del segundo y viceversa. Si r es la mayor razón de contracción, la operación de unir imágenes reduce ese error como máximo por r. El teorema del punto fijo en el espacio completo de compactos explica existencia, unicidad y convergencia desde cualquier compacto inicial no vacío.
Dos mitades reconstruyen un intervalo
S₀(x)=x/2 y S₁(x)=x/2+1/2.
Probar F=[0,1]
Las imágenes son [0,1/2] y [1/2,1].
Unir
Su unión vuelve a ser [0,1].
Unicidad
Por el teorema del atractor no hay otro compacto no vacío invariante para ese sistema.
El atractor es el intervalo entero.
Tocarse en un borde no deja un hueco.
Una sola regla puede terminar en un punto
S(x)=x/3+2.
Punto fijo
Resolver p=p/3+2 da p=3.Iterar
S(x)−3=(x−3)/3: cada paso divide por tres la distancia a tres.
Conjunto
Las iteraciones de un compacto acotado se acercan al singleton {3}.
Su atractor tiene un único punto.
No toda construcción iterada produce un dibujo complicado.
3. El exponente equilibra cantidad y tamaño de copia
Un segmento se reconstruye con dos copias de razón un medio: 2(1/2)¹=1. Un cuadrado con cuatro copias de razón un medio da 4(1/2)²=1.
Para N copias de razón común r definimos la dimensión de similitud s por Nrˢ=1.
Todavía es un exponente del sistema, no una garantía automática de dimensión del atractor.
Una cuenta que produce un medio
Dos copias de razón un cuarto.
Ecuación
2(1/4)ˢ=1, equivalente a 4ˢ=2.Exponente
Como √4=2, s=1/2.Comprobar
2·(1/4)^(1/2)=2·1/2=1.
El exponente puede no ser entero.
La cuenta usa razón de longitudes un cuarto.
Un control tridimensional
Ocho copias de lado mitad.
Ecuación
8(1/2)ˢ=1.Resolver
2ˢ=8=2³, así que s=3.Interpretar
Ocho cubos de volumen un octavo completan el cubo inicial.
La fórmula recupera el exponente de volumen.
La identificación con dimensión requiere una realización separada como la partición del cubo.
4. Con razones distintas se suman sus contribuciones
Para N≥2 el lado izquierdo vale N en cero, disminuye continuamente y tiende a cero al crecer s: tiene una única solución positiva.
No sustituimos las razones por su promedio. Cada copia aporta su propio factor.
Razones diferentes que rellenan un segmento
Dos copias de razones 1/3 y 2/3, sin solapar interiores.
Ecuación
(1/3)ˢ+(2/3)ˢ=1.Probar uno
Un tercio más dos tercios da uno.
Unicidad
Como la suma es estrictamente decreciente, s=1 es la única solución.
La escala recupera la dimensión de un intervalo.
No hace falta convertir las dos razones en una media.
Una ecuación que se convierte en cuadrática
Razones 1/2 y 1/4.
Sustituir
Sea t=2⁻ˢ; entonces 4⁻ˢ=t².Resolver
t+t²=1 da t=(√5−1)/2, la raíz positiva entre cero y uno.Regresar
s=−ln t/ln2, aproximadamente 0,69424.
La ecuación queda resuelta sin promediar razones.
La raíz negativa de la cuadrática no puede ser 2⁻ˢ.
5. Contar cajas distingue escalas pequeñas de una imagen finita
Para un conjunto acotado contamos N(ε), el número de cajas de lado ε necesarias para cubrirlo, con un convenio de cajas fijas o equivalentes. Si crece como ε⁻ᵈ, el cociente lnN(ε)/ln(1/ε) se acerca a d.
La dimensión de cajas es ese límite si existe. Si no existe distinguimos límite inferior y superior. Un ajuste sobre unos pocos tamaños de píxel solo estima un rango de escalas: no prueba lo que ocurre cuando ε tiende realmente a cero.
Contar una malla de un cuadrado
Cubrir [0,1]² con cajas de lado 1/m, alineadas con su cuadrícula.
Una dirección
Hay m posiciones por cada eje.
Cantidad
Se necesitan m² cajas.
Cociente
ln(m²)/lnm=2 para m>1.
La ley de escala es bidimensional.
Cambiar ligeramente el convenio de bordes no cambia el exponente límite.
Una imagen termina teniendo pocos puntos si solo contamos píxeles
Una pantalla representa el dibujo mediante P píxeles seleccionados.
Objeto matemático finito
Si modelamos cada píxel como un punto, para escalas muy pequeñas basta una caja por punto.
Cantidad acotada
N(ε)≤P, mientras ln(1/ε) crece sin cota.Límite
La dimensión de ese conjunto finito es cero, aunque entre escalas visibles parezca fractal.
La medición de una imagen no sustituye a la definición del conjunto ideal.
Si modelamos píxeles como cuadrados llenos, el objeto finito tiene dimensión dos: hay que declarar el modelo.
6. Hausdorff permite tamaños de cubierta diferentes
Fijamos un máximo δ para los diámetros de las piezas que cubren F. Para t>0 minimizamos la suma de diámetro elevado a t entre todas esas cubiertas: .
Al aumentar t aparece un umbral: debajo de la dimensión la medida de Hausdorff es infinita y encima es cero; justo en el umbral puede ser cero, finita positiva o infinita.
No hace falta que el conjunto sea autosemejante.
Un punto admite coste arbitrariamente pequeño
F={a}.
Cubierta
Una bola de diámetro η cubre el punto y puede tener η≤δ.
Coste
Para cualquier t>0 el coste ηᵗ puede hacerse tan pequeño como queramos.
Umbral
Todas las medidas de exponente positivo son cero.
Su dimensión de Hausdorff es cero.
Dimensión cero no significa que el conjunto esté vacío.
Por qué un segmento tiene umbral uno
F=[0,1].
Por arriba
m intervalos de tamaño 1/m dan coste m^(1−t), que tiende a cero si t>1.
Por abajo
Una cubierta de diámetros ≤δ debe tener suma de diámetros al menos uno.
Si t<1, su coste es al menos δ^(t−1).Límite
Ese mínimo inferior diverge cuando δ→0 para t<1.
La dimensión es uno.
El argumento inferior usa todas las cubiertas, no solo una malla elegida.
7. La separación permite identificar el exponente con dimensión
La condición de conjunto abierto pide un abierto no vacío acotado O con Sᵢ(O)⊆O y con las imágenes abiertas disjuntas dos a dos. En un sistema finito de similitudes contractivas euclídeas, garantiza que Hausdorff y cajas del atractor coincidan con s.
Las piezas cerradas pueden tocarse en bordes. No exigimos distancia positiva entre ellas. La prueba combina cubiertas de tamaño controlado con una distribución de masa que impide abaratar demasiado cualquier cubierta.
Tocarse no invalida la condición
Las dos mitades de [0,1].
Abierto
Tomamos O=(0,1).Imágenes
(0,1/2) y (1/2,1) están dentro de O y son disjuntas.
Bordes
Las imágenes cerradas comparten el punto 1/2, que no pertenece a ninguna de esas dos imágenes abiertas.
La condición vale y s=1 es la dimensión.
No se está afirmando separación positiva de los compactos.
Tres esquinas de un triángulo
Cada similitud de razón un medio lleva el triángulo a una esquina.
Abierto
Usamos el interior del triángulo inicial.
Separación
Los tres interiores pequeños son disjuntos y están dentro del interior grande.
Dimensión
3·2⁻ˢ=1 da s=ln3/ln2 para el atractor.
Los contactos en vértices no estropean la condición.
El valor no procede solo de ver tres triángulos en una imagen.
8. Un solapamiento puede hacer que la cuenta sobreestime
Si dos reglas producen exactamente la misma copia, contarlas como piezas independientes introduce una multiplicidad artificial. La ecuación de similitud pertenece a la presentación del sistema.
Sin condiciones que controlen solapamientos no deducimos la dimensión de Hausdorff contando nombres de reglas. El ejemplo más pequeño ya muestra el fallo.
Duplicar una misma contracción
S₁(x)=x/2 y S₂(x)=x/2.
Atractor
Las dos reglas llevan al mismo punto fijo cero.
Cuenta formal
2(1/2)ˢ=1 produce s=1.Conjunto real
{0} tiene dimensión cero, no uno.
La ecuación sobrecontó una imagen repetida.
Las imágenes de un abierto no vacío serían iguales, así que falla separación.
El mismo punto con una sola regla
S(x)=x/2.
Atractor
Sigue siendo {0}.
Cuenta
(1/2)ˢ=1 da s=0.Comparación
El conjunto no cambió, pero la cuenta formal sí al duplicar la regla.
La dimensión del conjunto es independiente de cómo nombremos las reglas.
Por eso distinguimos dimensión de similitud y dimensión de Hausdorff.
9. Dimensión, tamaño de medida y número de puntos son preguntas distintas
Dimensión uno no obliga a longitud finita ni suavidad. Tener dimensión no entera tampoco es una definición universal de fractal: hay conjuntos irregulares de dimensión entera.
Todo conjunto numerable tiene dimensión de Hausdorff cero: se cubre su punto j con un diámetro tan pequeño que el coste sea menor que ε2⁻ʲ, y se suma. Pero un numerable denso en [0,1] tiene dimensión de cajas uno. Cantor, en cambio, tiene longitud cero y dimensión positiva aunque no sea numerable.
Los racionales de un intervalo
F=ℚ∩[0,1].
Hausdorff
Se enumeran sus puntos y se asignan cubiertas con presupuesto geométrico: dimensión cero.
Cajas
Por densidad, las cajas de cualquier malla deben alcanzar todos los subintervalos del segmento.
Escala
El número crece como 1/ε, así que la dimensión de cajas es uno.
Hay que nombrar qué dimensión se está usando.
No se trata del conjunto de todos los reales del intervalo.
Dimensión uno con longitud infinita
Unión de las circunferencias de centro cero y radios 1/n, n≥1, junto con el origen.
Cada pieza
Cada circunferencia tiene dimensión de Hausdorff uno; el punto tiene cero.
Unión numerable
La dimensión de Hausdorff de una unión numerable es el supremo: aquí uno. Se comprueba repartiendo el presupuesto de cubiertas entre piezas.
Longitud
Las circunferencias disjuntas suman 2π∑1/n, que diverge.
Dimensión uno no fija una longitud finita.
La acumulación en el origen no identifica las circunferencias entre sí.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Una curva de cuatro copias
Una construcción usa cuatro similitudes de razón 1/3 y satisface separación. Calcula s.
Leer los datos
Hay cuatro similitudes con razón de longitudes r=1/3 y separación indicada.
Ecuación de escala
4(1/3)ˢ=1.Reescribir
3ˢ=4.Despejar
s=ln4/ln3≈1,26186.Comprobar el intervalo
Para s=1 la suma es 4/3>1 y para s=2 es 4/9<1: el exponente queda entre uno y dos.
Interpretar la hipótesis
Con la condición de separación adecuada, el exponente coincide con la dimensión de Hausdorff y cajas del atractor.
s=log4/log3≈1,26186.
Sustituir3ˢ=4 da4·3⁻ˢ=1; los extremos1 y2 producen4/3>1 y4/9<1.
EJEMPLO RESUELTO 2
El cuadrado como control
Un cuadrado se divide en cuatro cuadrados de lado mitad. Calcula el exponente.
Datos
Cuatro cuadrados de lado mitad del original.
Razón correcta
r=1/2 compara lados; la razón de área de una copia es 1/4.
Ecuación
4(1/2)ˢ=1.Resolver
2ˢ=4, luego s=2.Comprobar
4(1/2)²=1: se conserva toda el área.Separación
Los cuatro interiores son disjuntos y caben en el interior original; el exponente coincide con la dimensión del cuadrado.
Dimensión 2.
4(1/2)²=4/4=1; la fórmula concuerda con el hecho de conservar el área total.
Los símbolos que hemos usado
- Sᵢ
- Similitud contractiva que multiplica todas las distancias por rᵢ.
- rᵢ
- Razón de longitudes, con 0<rᵢ<1.
- F
- Atractor compacto no vacío: unión de sus imágenes por las similitudes.
- s
- Exponente de similitud que equilibra la suma de las potencias de las razones.
- N(ε)
- Número de cajas de lado ε necesarias para cubrir el conjunto acotado.
- Dimensión de Hausdorff del conjunto F.
- diam U
- Diámetro: supremo de las distancias entre pares de puntos de U.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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