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Grado en Matemáticas

Conjunto de Cantor

Partiremos de un segmento y quitaremos el centro una y otra vez. Veremos qué queda en cada paso y cómo puede sobrevivir un conjunto con infinitos puntos aunque su longitud sea cero. La regla, las expansiones en base tres y la dimensión explicarán aspectos distintos del mismo objeto.

1. Quitar el tercio central abierto conserva sus extremos

Empezamos en C₀=[0,1].
Retiramos (1/3,2/3), dejando C₁=[0,1/3]∪[2/3,1].

Dentro de cada intervalo repetimos la misma retirada proporcional.

Cinco etapas del Cantor ternario, empezando por nivel cero
Se quita el centro; quedan los extremosn=0: 1 intervalon=1: 2 intervalosn=2: 4 intervalosn=3: 8 intervalosn=4: 16 intervalosLongitud total: (2/3)ⁿEl límite no es una de estas etapas.
La primera fila muestra el intervalo cerrado de cero a uno. En cada fila siguiente se elimina el tercio central abierto de cada intervalo conservado y se mantienen los extremos, marcados con puntos. Los niveles cero a cuatro tienen uno, dos, cuatro, ocho y dieciséis intervalos; cada pieza tiene longitud tres elevado a menos n y la suma de longitudes es dos tercios elevado a n. Todas las filas usan la misma escala horizontal para poder comparar huecos y tamaños. Los segmentos mínimos de la última fila siguen siendo intervalos llenos; el conjunto de Cantor es la intersección de todos los niveles, no la imagen finita.

Cada etapa es cerrada y está contenida en la anterior. El conjunto C es su intersección: un punto pertenece si sobrevive a todos los pasos. Una imagen de unas pocas etapas todavía contiene intervalos que el límite no conservará enteros.

La primera decisión

Comparar cero, un medio y un tercio.

  1. Cero

    Es extremo del intervalo original y permanece.

  2. Un medio

    Está dentro del primer hueco abierto: se elimina.

  3. Un tercio

    Es frontera del hueco, no parte de su interior: permanece.

Resultado

Abierto significa que no retiramos los extremos del hueco.

Lo comprobamos

No se ha declarado que los puntos de C₁ sobrevivan todos los pasos posteriores.

La segunda retirada

Dentro de [0,1/3], encontrar el siguiente hueco.

  1. Longitud de la pieza

    Un tercio.

  2. Tercio de esa longitud

    Un noveno.

  3. Retirar el centro

    Se quita (1/9,2/9), conservando ambos extremos.

Resultado

En el lado izquierdo quedan [0,1/9] y [2/9,1/3].

Lo comprobamos

La regla se aplica a cada pieza, no otra vez al segmento grande completo.

2. Contar por separado piezas y longitud de cada una

Cada pieza produce dos, de longitud un tercio de la madre. En Cₙ hay 2ⁿ intervalos de longitud 3⁻ⁿ.

La suma de longitudes es 2ⁿ·3⁻ⁿ=(2/3)ⁿ.

El índice n cuenta retiradas: n=0 es el intervalo inicial, no la primera retirada.

Cuatro retiradas

Calcular cantidad, tamaño y total de C₄.

  1. Cantidad

    2⁴=16.
  2. Cada pieza

    3⁻⁴=1/81.
  3. Total

    16·1/81=16/81.
Resultado

Más piezas no significa más longitud total.

Lo comprobamos

La suma 16/81 es menor que 8/27 del nivel anterior.

Resolver hacia atrás una etapa

Una figura de la construcción tiene 32 intervalos.

  1. Cantidad

    32=2⁵, así que corresponde al nivel cinco.
  2. Tamaño

    Cada intervalo mide 1/243.

  3. Total

    La longitud es 32/243.

Resultado

El dato de cantidad identifica el número de retiradas.

Lo comprobamos

El nivel cero tiene una pieza y encaja en la misma regla.

3. Longitud cero no significa ausencia de puntos

C está contenido en Cₙ, así que su longitud no supera (2/3)ⁿ para ningún n. Es cerrado y medible; como esas cotas tienden a cero, su medida de longitud es cero.

Otra cuenta suma los huecos: en el paso k se quitan 2ᵏ⁻¹ intervalos de longitud 3⁻ᵏ. La serie tiene primer término 1/3 y razón 2/3, y suma uno. Medir longitudes no consiste en contar puntos.

Una cota tan pequeña como pidamos

Garantizar longitud total menor que 0,1 en una etapa.

  1. Potencias

    (2/3)⁵=32/243≈0,1317; (2/3)⁶=64/729≈0,0878.
  2. Elección

    El nivel seis ya sirve.

  3. Límite

    C queda dentro de esa etapa y de todas las siguientes: podemos repetir con cualquier tolerancia.

Resultado

No solo se ha observado que el dibujo parece fino.

Lo comprobamos

La cota se obtiene para todos los puntos del conjunto.

La suma de lo retirado

Sumar las longitudes de todos los huecos.

  1. Primeros pasos

    1/3, 2/9, 4/27,…

  2. Serie geométrica

    (1/3)/(1−2/3)=1.
  3. Puntos que quedan

    Cero, uno y los extremos de cada hueco nunca fueron retirados.

Resultado

Se retira toda la medida inicial y aún queda un conjunto no vacío.

Lo comprobamos

La longitud de un punto individual es cero.

4. La base tres registra izquierda y derecha

Una expansión ternaria escribe x=∑dₖ3⁻ᵏ con dígitos 0,1,2. En la construcción, escoger izquierda corresponde a cero y derecha a dos.

Un dígito uno en una expansión no basta para excluir un borde
Un extremo tiene dos escrituras1/32/31/3 = 0,1 en base tresTambién = 0,02222…2/9+2/27+… = 1/3Existe una escritura solo con 0 y 2.Por eso 1/3 pertenece a Cantor.
La primera retirada del tercio central deja dos intervalos azules con puntos verdes en un tercio y dos tercios. El tercio central retirado no contiene sus extremos. Un tercio puede escribirse cero coma uno en base tres, pero también cero coma cero seguido de doses infinitos. La serie dos novenos más dos veintisieteavos y los términos posteriores suma exactamente un tercio. La pertenencia a Cantor pide que exista alguna expansión ternaria que use solo cero y dos; no que toda expansión posible evite el uno. La línea gris solo sirve de referencia del intervalo inicial y no colorea como conservado el hueco abierto.

La condición correcta es que exista alguna expansión usando solo cero y dos. Los extremos pueden tener dos escrituras: 1/3=0,1₃=0,02222…₃. El número uno se escribe 0,22222…₃ en esta descripción.

Un número con decisiones alternadas

x=0,020202… en base tres.

  1. Serie

    2/9+2/81+2/729+…

  2. Sumar

    Primer término 2/9 y razón 1/9: la suma es 1/4.

  3. Pertenencia

    Solo aparecen dígitos cero y dos, así que 1/4 pertenece a C.

Resultado

Las decisiones son izquierda, derecha, izquierda, derecha,…

Lo comprobamos

La coma es ternaria, no una expansión decimal de 0,020202.

Un extremo con una escritura permitida

x=1/3.

  1. Escritura corta

    0,1₃ contiene un uno.

  2. Alternativa

    0,02222…₃=∑ desde k=2 de 2/3ᵏ=1/3.
  3. Decidir

    Existe la escritura permitida: el punto está en C.

Resultado

No basta encontrar un uno en una representación para excluir un extremo.

Lo comprobamos

Geométricamente es el extremo conservado del primer hueco.

5. Las sucesiones de decisiones prueban que no es numerable

Cada sucesión de ceros y unos bₖ determina x=∑2bₖ/3ᵏ.

Si dos sucesiones difieren por primera vez en la posición k, ese dígito aporta una diferencia 2/3ᵏ y la cola puede compensar como máximo 1/3ᵏ. Sus puntos son distintos.

Las sucesiones binarias infinitas no se pueden listar: de una supuesta lista construimos una nueva cambiando el dígito n de la fila n. Esa diagonal falta en la lista. Como se inyectan en C, C no es numerable.

El primer dígito distinto no se borra con la cola

Dos sucesiones coinciden hasta el dígito k−1 y en k tienen cero y dos.

  1. Diferencia inicial

    2·3⁻ᵏ.

  2. Máxima cola contraria

    ∑ desde j=k+1 de 2·3⁻ʲ=3⁻ᵏ.
  3. Resto mínimo

    La distancia entre los puntos es al menos 3⁻ᵏ>0.
Resultado

La aplicación de sucesiones binarias a C es inyectiva.

Lo comprobamos

La ambigüedad entre dígitos ternarios que incluyen uno no contradice esta unicidad dentro de 0 y 2.

La diagonal en una supuesta lista

Imaginar una lista b de todas las sucesiones binarias.

  1. Construir

    Elegimos cₙ=1−b de la fila n en su posición n.
  2. Comparar con la fila n

    c difiere de ella justamente en esa posición.

  3. Conclusión

    No coincide con ninguna fila; la lista no contenía todas.

Resultado

Hay más puntos de C que los que caben en una lista numerada.

Lo comprobamos

No se ha deducido eso solo de la palabra infinito.

6. Compacto y sin puntos aislados

C es una intersección de cerrados dentro de [0,1], así que es cerrado y acotado: compacto. No está vacío porque cero y uno sobreviven siempre.

Para encontrar otro punto de C muy cercano a uno dado, conservamos un prefijo largo de su expansión permitida y cambiamos un dígito posterior. Ambos puntos quedan en el mismo intervalo de nivel alto, de longitud 3⁻ⁿ. Así ningún punto está aislado; un cerrado sin puntos aislados se llama perfecto.

Acercarse a un extremo sin salir del conjunto

Aproximar cero por puntos distintos de C.

  1. Puntos

    Tomamos xₙ=2/3ⁿ, n≥1.
  2. Expansión

    Tienen un solo dígito dos y el resto ceros: pertenecen a C.

  3. Cercanía

    xₙ>0 y xₙ→0.
Resultado

Cero es punto de acumulación, aunque sea extremo.

Lo comprobamos

No necesita tener puntos del conjunto por ambos lados de la recta.

Acercarse a cualquier punto

Dado x∈C y una tolerancia ε>0.

  1. Nivel

    Elegimos n con 3⁻ⁿ<ε.
  2. Otra decisión posterior

    Conservamos los primeros n dígitos y cambiamos uno posterior.

  3. Distancia

    El nuevo punto y es distinto y ambos caben en el mismo intervalo de longitud 3⁻ⁿ: |x−y|<ε.

Resultado

No hay puntos aislados en ninguna parte de C.

Lo comprobamos

La inyectividad de las decisiones garantiza que el punto nuevo no es el mismo.

7. Muchos puntos cercanos no forman un intervalo

Si C contuviera un intervalo de longitud ℓ>0, ese intervalo conexo tendría que caber en una sola componente de Cₙ para cada n. Pero sus componentes miden 3⁻ⁿ y acaban siendo menores que ℓ: imposible.

Dados dos puntos distintos de C, un nivel con piezas menores que su distancia los coloca en intervalos distintos, separados por un hueco. Un corte dentro de ese hueco separa también cualquier subconjunto que contenga ambos. Por eso C es totalmente desconectado.

Descartar un intervalo concreto

¿Puede C contener un segmento de longitud 0,02?

  1. Escala

    En el nivel cuatro cada intervalo mide 1/81≈0,01235.
  2. Conexión de un segmento

    Para atravesar dos piezas tendría que cruzar un hueco retirado.

  3. Contradicción

    No cabe en una pieza ni puede saltar el hueco.

Resultado

No contiene tal segmento.

Lo comprobamos

La misma idea funciona para cualquier longitud positiva escogiendo un nivel mayor.

Separar dos puntos que sobreviven

Cero y uno.

  1. Hueco

    El primer hueco (1/3,2/3) está ausente de C.

  2. Corte

    Elegimos un corte en 1/2.

  3. Separación relativa

    Los puntos de C a izquierda y derecha forman dos partes abiertas relativas disjuntas que contienen cero y uno respectivamente.

Resultado

No hay un subconjunto conexo de C que una esos dos puntos.

Lo comprobamos

El argumento se repite entre cualquier par distinto con una escala suficientemente pequeña.

8. Dos copias dan una dimensión positiva

Las similitudes S₀(x)=x/3 y S₂(x)=(x+2)/3 reconstruyen C.

Las imágenes del abierto (0,1) son disjuntas y están contenidas en él.

Por la condición de conjunto abierto, \dim_HC=\dim_BC=s=\frac{\ln2}{\ln3}\approx0{,}63093. Para la cota superior basta cubrir con los 2ⁿ intervalos de tamaño 3⁻ⁿ: si t>s, el coste es (2·3⁻ᵗ)ⁿ→0.

Comprobar la ecuación

Dos copias de razón un tercio.

  1. Ecuación

    2·3⁻ˢ=1.
  2. Despejar

    3ˢ=2 y s=ln2/ln3.
  3. Comprobar rango

    Para s=0 la suma es dos; para s=1 es 2/3.

    La solución queda entre cero y uno.

Resultado

Dimensión positiva aunque la longitud sea cero.

Lo comprobamos

La separación es la hipótesis que permite identificar el exponente.

Ver un coste superior que desaparece

Usar exponente t=1.

  1. Cubierta de nivel n

    2ⁿ piezas de diámetro 3⁻ⁿ.

  2. Coste

    2ⁿ·3⁻ⁿ=(2/3)ⁿ.
  3. Límite

    Tiende a cero: la medida unidimensional es cero.

Resultado

Esto explica longitud cero, pero por sí solo no prueba la dimensión exacta.

Lo comprobamos

Para t=s el mismo coste vale uno; hace falta una cota inferior para todas las cubiertas.

9. Una distribución de masa impide cubrirlo demasiado barato

Asignamos masa uno al conjunto y dividimos la masa por la mitad entre las dos ramas en cada paso. Cada intervalo de nivel n tiene masa 2⁻ⁿ. Es la distribución de elegir las decisiones con monedas equilibradas.

Para un intervalo I de longitud ℓ, elegimos n con 3⁻ⁿ⁻¹<ℓ≤3⁻ⁿ.

Toca como máximo dos piezas de nivel n, por lo que μ(I)≤2·2⁻ⁿ<4ℓˢ. Cualquier conjunto de diámetro ℓ cabe en un intervalo así. Por tanto toda cubierta de C tiene 1≤4∑diámetroˢ: su coste no baja de 1/4. Esta cota inferior completa la superior y prueba dimensión s.

Una cubierta tiene que llevar toda la masa

Cubrir C con conjuntos de diámetros ℓⱼ.

  1. Masa total

    La suma de sus masas debe ser al menos μ(C)=1.

  2. Cota de cada pieza

    Su masa es como máximo 4ℓⱼˢ.

  3. Sumar

    1≤4∑ℓⱼˢ, así que el coste crítico es al menos 1/4.
Resultado

La cota vale para cualquier cubierta suficientemente pequeña.

Lo comprobamos

No basta comprobar solo los intervalos elegidos por la construcción.

El adjetivo ternario clásico importa

Cambiar el tamaño de los huecos retirados.

  1. Construcción diferente

    Retiramos en cada paso huecos centrales cuya suma total de longitudes sea, por ejemplo, un medio.

  2. Medida restante

    La intersección conserva longitud un medio por continuidad de medida de etapas anidadas.

  3. Diferencia

    Puede seguir sin intervalos si los tamaños de las piezas tienden a cero, pero ya no tiene las razones constantes del Cantor ternario.

Resultado

Hay conjuntos de tipo Cantor de medida positiva.

Lo comprobamos

Las fórmulas (2/3)ⁿ y ln2/ln3 pertenecen a la construcción clásica de este tema.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Contar la tercera etapa

Con C₀ como etapa inicial, calcula cuántos intervalos quedan en C₃ y su longitud total.

  1. Índice

    C₀ es el intervalo inicial; C₃ corresponde a tres retiradas.

  2. Cantidad

    Cada paso duplica: 2³=8 intervalos.
  3. Tamaño de una pieza

    Cada paso divide la longitud entre tres: 3⁻³=1/27.

  4. Sumar longitudes

    8·1/27=8/27.
  5. Comprobar por razón total

    (2/3)³=8/27.
  6. Interpretar

    Cada intervalo de C₃ sigue lleno; el conjunto límite queda contenido en esta etapa.

Resultado

Ocho intervalos y longitud total 8/27.

Lo comprobamos

La fórmula general(2/3)³=8/27 coincide con cantidad2³ por longitud3⁻³.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un extremo que permanece

¿Pertenece 1/3 al conjunto de Cantor?

  1. Primera retirada

    Solo se elimina el intervalo abierto (1/3,2/3).

  2. Posición del punto

    Un tercio está en el borde y no se elimina.

  3. Pasos posteriores

    Es extremo de la rama izquierda y las retiradas siguientes también conservan extremos.

  4. Expansión alternativa

    1/3=0,02222… en base tres.
  5. Regla de dígitos

    Existe una representación usando únicamente cero y dos.

  6. Conclusión

    Sí pertenece a C; ver un uno en la expansión corta 0,1₃ no lo excluye.

Resultado

Sí, 1/3 pertenece a C.

Lo comprobamos

La expansión alternativa explica por qué detectar un dígito1 en una representación no basta para excluir un extremo.

Los símbolos que hemos usado

C₀
Intervalo inicial[0,1].
Cₙ
Unión de los intervalos que quedan tras n retiradas de tercios centrales.
C
Conjunto de Cantor, intersección de todas las etapas Cₙ.
3⁻ⁿ
Longitud de cada intervalo de la etapa n.
Medida de Lebesgue
Noción de longitud que extiende la de intervalos y es aditiva en uniones disjuntas numerables.
Perfecto
Conjunto cerrado sin puntos aislados.
s
Dimensión ln2/ln3 del conjunto de Cantor clásico.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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