La PizarraMatemática.

Grado en Matemáticas

Conjunto de Mandelbrot e iteración compleja

Elegiremos un número c y repetiremos la regla «elevar al cuadrado y sumar c», empezando siempre en cero. Algunas elecciones quedan acotadas; otras se disparan. El dibujo de Mandelbrot organiza esas elecciones de reglas, no los pasos de una sola sucesión.

1. Un complejo puede ser posición o parámetro

a+bi se representa por el punto (a,b). Su módulo √(a²+b²) es la distancia al origen.

Para elevar al cuadrado usamos i²=−1: (a+bi)²=(a²−b²)+2abi.
Mapa de parámetros con una prueba finita de escape en cada centro de celda
Cada posición cambia la regla cSiempre empezamos en cero.−101Azul: no escapó en 80 pasos.Cada celda prueba solo su centro.Es aproximación, no certificado de M.
En un plano de parámetros c, la abscisa es su parte real y la ordenada su parte imaginaria. La malla va de menos dos coma dos a uno coma dos horizontalmente y de menos uno coma dos a uno coma dos verticalmente, con la misma escala cien unidades de dibujo por unidad compleja. Para cada centro se itera desde cero ochenta veces y se colorea azul si no se detectó un módulo mayor que dos. Eso no certifica pertenencia ni afirma lo mismo para toda la celda. Los puntos verdes menos uno y cero sí tienen órbitas exactas periódicas; el punto rojo uno escapa. Las coordenadas reales marcadas debajo son parámetros de reglas diferentes, no términos de una sola órbita.

En f_{c}(z)=z²+c, c fija la regla y z cambia durante una ejecución. En el dibujo de Mandelbrot cada posición representa un c distinto. Un dibujo de Julia, en cambio, fija c y compara distintos puntos iniciales z₀.

Una cuenta compleja antes de iterar

Elevar 1+2i al cuadrado y después sumar c=i.

  1. Cuadrado

    (1+2i)²=1+4i+4i²=−3+4i.
  2. Sumar el parámetro

    −3+4i+i=−3+5i.
  3. Módulo

    La distancia del resultado al origen es √34.

Resultado

El parámetro se suma después de cuadrar toda la entrada.

Lo comprobamos

No se eleva solo la parte real ni se cambia i² por uno.

Dos posiciones del mapa son dos reglas

Comparar c=0 y c=1 desde cero.

  1. Primera regla

    Con c=0: 0→0→0.
  2. Segunda regla

    Con c=1: 0→1→2→5.
  3. Qué muestra el mapa

    Marca el comportamiento de cada elección c en su propia coordenada.

Resultado

El punto uno del mapa no es simplemente el segundo paso de la regla c=0.

Lo comprobamos

No cambiamos c a mitad de una órbita.

2. La órbita crítica empieza siempre en cero

Para cada c ponemos z₀=0 y zₙ₊₁=zₙ²+c.

Los primeros términos son cero, c y c²+c. Se llama órbita crítica porque la derivada de z²+c es 2z y solo se anula en el punto finito cero.

c pertenece a M si existe alguna cota B para todos los módulos de esa órbita. No se exige convergencia a un punto: una sucesión periódica o preperiódica también puede quedar acotada.

Una órbita compleja que acaba en un ciclo

c=i.

  1. Primeros pasos

    0→i→−1+i.
  2. Seguir

    (−1+i)²+i=−i, y (−i)²+i=−1+i.
  3. Cola

    Se repite −1+i↔−i; todos los módulos son como máximo √2.

Resultado

i pertenece a M.

Lo comprobamos

El cero no está en el ciclo final: la órbita es preperiódica.

La cota controla infinitos pasos con una identidad

c=0.

  1. Primer paso

    f₀(0)=0.
  2. Inducción

    Cada vez que entra cero vuelve a salir cero.

  3. Todos los índices

    zₙ=0 para todo n, una cota B=0 sirve.
Resultado

Cero pertenece a M.

Lo comprobamos

No solo se han mirado algunos valores iguales en una pantalla.

3. Por qué superar dos certifica escape de la órbita crítica

Si |c|≤2 y un término tiene módulo r>2, el siguiente cumple |z²+c|≥r²−2.

Desde el primer r₀>2, el factor de crecimiento es al menos r₀−2/r₀>1: los módulos crecen geométricamente sin cota.

Si a=|c|>2, el primer término ya tiene módulo a.

Para r≥a, el siguiente módulo es al menos r²−a≥r(a−1), con factor a−1>1. Por tanto c\in M\iff |z_n|\le2\text{ para todo }n. Esta afirmación de radio dos usa el arranque crítico en cero.

El parámetro puede tocar dos y la órbita superarlo

c=2.

  1. Arrancar

    z₀=0 y z₁=0²+2=2.
  2. Seguir una vez

    z₂=2²+2=6>2.
  3. Después

    Como |c|≤2, el criterio garantiza escape a infinito sin calcular el resto de términos.

Resultado

Dos no pertenece a M.

Lo comprobamos

El parámetro y los términos de la órbita cumplen papeles diferentes.

Un parámetro de módulo mayor que dos

c=−3.

  1. Arranque

    z₁=−3 tiene módulo tres.
  2. Cota de crecimiento

    Para r≥3 el siguiente módulo es al menos r(r−1)≥2r.
  3. Cuenta de control

    La órbita real empieza 0,−3,6,33,…

Resultado

−3 no pertenece a M.

Lo comprobamos

La prueba no depende de que los primeros signos sean positivos.

4. Tocar el radio no es cruzarlo

La condición de escape es |zₙ|>2, estricta.

Alcanzar dos puede dar una órbita acotada: hay que aplicar la regla y mirar qué ocurre después.

Dos órbitas exactas distinguen tocar la frontera de cruzarla
Alcanzar dos no es superar dosc=−20 → −2 → 2 → 2 → …Todos los módulos son ≤2.c=20 → 2 → 6 → …2 toca el radio; 6 lo supera.6>2: escape certificado.La desigualdad es estricta.
Para el parámetro menos dos, empezar en cero da menos dos, dos y una cola constante dos: la órbita es acotada aunque alcance radio dos. Para el parámetro dos, empezar en cero da dos y después seis, porque dos cuadrado más dos es seis. El primer dos solo toca el umbral y todavía no autoriza el criterio. El término seis sí lo supera estrictamente, certificando escape a infinito para todos los pasos posteriores mediante la cota demostrada. Las cuentas enteras permiten concentrarse en la diferencia entre tocar y cruzar sin que intervengan aproximaciones ni fracciones grandes.

Una desigualdad exacta certifica exclusión. Un cálculo aproximado muy cercano al umbral necesita control del error para convertirse en certificado; el color de una celda no aporta ese control por sí solo.

El caso que obliga a conservar el signo estricto

c=−2.

  1. Primeros pasos

    0→−2→2.
  2. Cola

    2²−2=2: queda fijo.
  3. Cota

    Los módulos nunca superan dos.

Resultado

−2 pertenece a M.

Lo comprobamos

Usar mayor o igual como criterio de escape daría una clasificación falsa.

Otro toque seguido de salida

c=1.

  1. Tocar

    La órbita 0→1→2 alcanza dos en el paso dos.
  2. Seguir

    El próximo valor es 2²+1=5.
  3. Cruzar

    Cinco es estrictamente mayor que dos y certifica escape.

Resultado

No se concluye hasta el cruce estricto.

Lo comprobamos

El mismo módulo dos puede ser seguido por comportamientos diferentes según c.

5. Para demostrar pertenencia hay que controlar el futuro

Una órbita exacta finita que entra en un ciclo queda acotada. Otra estrategia es encontrar una región acotada invariante que contenga el arranque: si su imagen queda dentro, todas las iteraciones permanecen allí.

Reconocer números casi repetidos no prueba un ciclo exacto. Necesitamos identidades o cotas que valgan para todas las iteraciones posteriores.

Un disco que atrapa muchas elecciones

Si |c|≤1/4, usar el disco |z|≤1/2.

  1. Imagen

    |z²+c|≤|z|²+|c|≤1/4+1/4=1/2.
  2. Arranque

    Cero está en ese disco.

  3. Inducción

    La órbita crítica nunca sale del disco, para cualquier parámetro con esa cota.

Resultado

Todo c de módulo ≤1/4 pertenece a M.

Lo comprobamos

Es una región suficiente, no todo el conjunto de Mandelbrot.

Una prueba no periódica por intervalo invariante

c=3/16, con entradas reales.

  1. Intervalo

    Si 0≤x≤1/4, entonces 3/16≤x²+3/16≤1/4.
  2. Órbita

    Empieza en cero, por lo que se mantiene en [0,1/4].

  3. Decisión

    Una cota un cuarto controla todos los términos.

Resultado

3/16 pertenece a M sin detectar un ciclo finito.

Lo comprobamos

Una sucesión acotada no tiene por qué repetir un valor.

6. Un punto fijo atractor explica la cardioide principal

Un punto fijo w satisface w=w²+c, o c=w−w².

Su multiplicador es 2w: si |2w|<1 atrae puntos suficientemente próximos; si |2w|>1 es repulsor. El caso de módulo uno necesita más análisis.

Poniendo μ=2w, los parámetros c=μ/2−μ²/4 con |μ|<1 describen el interior de la cardioide principal. Que el ciclo atractor capture la órbita crítica es un teorema global de esta familia, no una consecuencia de la fórmula local por sí sola.

Un punto fijo que podemos verificar

w=1/4.

  1. Parámetro

    c=w−w²=1/4−1/16=3/16.
  2. Fijación

    (1/4)²+3/16=1/4.
  3. Atracción

    El multiplicador es 1/2, de módulo menor que uno.

Resultado

El punto fijo es atractor.

Lo comprobamos

La pertenencia de este c también se demostró con el intervalo invariante anterior.

Módulo uno no significa escape automático

c=1/4 y w=1/2.

  1. Fijación

    1/4+1/4=1/2.
  2. Multiplicador

    2w=1: el criterio estricto de atracción no clasifica este punto.

  3. Órbita crítica

    [0,1/2] se mantiene invariante bajo x²+1/4, así que está acotada.

Resultado

Este parámetro pertenece a M aunque el test local de módulo menor que uno no se aplique.

Lo comprobamos

La clasificación neutral requiere más información.

7. Periodo y multiplicador describen los bulbos

Un punto tiene periodo p si vuelve después de p pasos y no antes. El multiplicador del ciclo es el producto de 2z en los p puntos. Módulo menor que uno implica atracción local del ciclo; multiplicador cero lo hace superatractor.

Los parámetros donde persiste un ciclo atractor forman regiones de estabilidad. La órbita crítica puede acercarse al ciclo sin entrar exactamente en él. Por eso pertenecer a M no equivale a terminar en una lista periódica finita.

Encontrar el multiplicador del ciclo de dos

c=−1 y ciclo 0↔−1.

  1. Periodo

    Cero y menos uno son distintos y cada uno se transforma en el otro.

  2. Producto

    (2·0)(2·(−1))=0.
  3. Interpretación

    Es superatractor; el parámetro es el centro del bulbo de periodo dos.

Resultado

Su órbita crítica es periódica y acotada.

Lo comprobamos

Se usa la derivada de dos pasos, no la de un solo punto del ciclo.

Una órbita acotada que nunca entra en un ciclo finito

c=3/16 desde cero.

  1. No llega al punto fijo

    Si x<1/4 dentro de [0,1/4], su imagen también es menor que 1/4.
  2. Aumenta estrictamente

    x²−x+3/16=(x−1/4)(x−3/4)>0 cuando 0≤x<1/4.
  3. Límite

    Es creciente y acotada; su límite fijo en ese intervalo es 1/4.

Resultado

Converge, pero no repite exactamente términos.

Lo comprobamos

Un número finito de estados no describe todas las órbitas de M.

8. Compacidad y conexión con los planos de Julia

Cada zₙ(c) es un polinomio en c.

La condición |zₙ(c)|≤2 es cerrada.

M es la intersección de todas esas condiciones y queda dentro de |c|≤2, así que es compacto. Su conectividad es un teorema profundo; no se deduce de ser una intersección de cerrados.

Para z²+c, el Julia es conectado exactamente cuando la órbita crítica está acotada. M es, por tanto, un mapa de conectividad de los planos dinámicos. Estar fuera de M no significa que escapen todos los puntos iniciales de esa regla.

Un parámetro fuera, pero un punto que no escapa

c=−3.

  1. Órbita crítica

    Cero pasa a menos tres y escapa, por lo que c∉M.

  2. Otro inicio

    w=(1+√13)/2 satisface w²−3=w.
  3. Diferencia de preguntas

    Empezar en w produce una órbita constante, aunque la de cero escape.

Resultado

La regla tiene puntos acotados sin que su parámetro pertenezca a M.

Lo comprobamos

La definición de Mandelbrot distingue el arranque cero.

Una acumulación de parámetros no pierde pertenencia

cⱼ∈M y cⱼ→c.

  1. Un paso fijo

    Para cada n, la continuidad polinómica da zₙ(cⱼ)→zₙ(c).
  2. Cota cerrada

    Como |zₙ(cⱼ)|≤2, también |zₙ(c)|≤2.
  3. Todos los pasos

    Lo hacemos para cada n: la órbita crítica de c está acotada.

Resultado

El límite c pertenece a M: M es cerrado.

Lo comprobamos

El argumento mantiene n fijo al tomar el límite en parámetros.

9. El color cuenta iteraciones, no demuestra pertenencia

Un algoritmo elige una malla de parámetros y un máximo N de pasos. Si detecta módulo mayor que dos, colorea por el primer paso de escape. Las paletas exteriores representan una convención gráfica de rapidez.

Si no escapa en N pasos, solo es candidato. Aumentar N puede detectar escapes tardíos; aumentar resolución distingue detalles más pequeños. Las semejanzas visuales tampoco prueban una autosemejanza exacta de un número fijo de copias a razón constante.

Dos tareas distintas de mejora de imagen

Un dibujo con pocas celdas y solo veinte iteraciones.

  1. Más resolución

    Compara más valores del parámetro; no alarga sus órbitas.

  2. Más iteraciones

    Sigue durante más pasos los centros elegidos; no rellena huecos entre celdas.

  3. Límite de la imagen

    Ninguna de las dos operaciones convierte supervivencia finita en prueba de órbita acotada.

Resultado

Resolución e iteraciones controlan errores diferentes.

Lo comprobamos

El dibujo de esta lección declara ochenta pasos y muestreo en centros.

Por qué ningún número finito de pasos basta como criterio general

Comparar c=1/4 con parámetros reales c=1/4+δ.

  1. Parámetro frontera

    Para c=1/4 todos los términos críticos quedan en [0,1/2].

  2. Primeros N pasos

    Por continuidad de los N polinomios, para δ>0 suficientemente pequeño todos esos términos siguen con módulo menor que dos.

  3. Después

    Pero xₙ₊₁−xₙ=(xₙ−1/2)²+δ≥δ: la órbita real acaba creciendo sin cota.

Resultado

Para cualquier N hay parámetros exteriores que sobreviven esos N pasos.

Lo comprobamos

La exclusión puede certificarse en tiempo finito; la supervivencia sola no certifica pertenencia.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un parámetro que escapa

Estudia c=1 desde z₀=0.

  1. Regla y arranque

    Mantenemos c=1 y z₀=0 durante toda la órbita.
  2. Primer paso

    z₁=0²+1=1.
  3. Segundo

    z₂=1²+1=2.

    Tocar dos todavía no demuestra escape.

  4. Tercero

    z₃=2²+1=5.
  5. Aplicar el criterio

    Cinco supera estrictamente dos; la prueba de crecimiento garantiza módulos sin cota.

  6. Conclusión

    c=1 no pertenece a M; no hace falta calcular infinitos términos.

Resultado

c=1 no pertenece a M.

Lo comprobamos

La exclusión se demuestra con el primer cruce estricto, sin necesitar calcular todas las iteraciones posteriores.

EJEMPLO RESUELTO 2

Un ciclo acotado

Estudia c=−1 desde z₀=0.

  1. Regla y arranque

    c=−1 y z₀=0.
  2. Primer paso

    z₁=0²−1=−1.
  3. Segundo

    z₂=(−1)²−1=0.
  4. Reconocer la repetición exacta

    Desde cero vuelve a salir menos uno: se repite el ciclo de dos puntos.

  5. Cota

    Todos los módulos son cero o uno, así que B=1 sirve para todo n.

  6. Conclusión

    c=−1 pertenece a M.

    El periodo es dos porque los dos puntos son distintos.

Resultado

c=−1 pertenece a M.

Lo comprobamos

El ciclo tiene periodo dos porque0 y−1 son distintos y ambos pasos se verifican exactamente.

Los símbolos que hemos usado

c
Parámetro complejo que elige una función de la familia.
f_c(z)
Polinomio z²+c.
zₙ
Estado tras n iteraciones, con z₀=0 en la definición de Mandelbrot.
M
Parámetros para los que la órbita de cero es acotada.
|z|
Módulo del complejo: su distancia al origen.
Punto crítico
Punto donde se anula la derivada; para esta familia es cero.
Multiplicador
Derivada de una vuelta completa alrededor de un punto periódico.

Ahora te toca a ti.

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

Practicar este tema →

Para ampliar