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GEOMETRÍA DE LO IRREGULAR "He encontrado la fuerza esencial de la geometría y temo que nuestros jóvenes hayan sido privados demasiado tiempo de este placer"

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Presentación del tema: "GEOMETRÍA DE LO IRREGULAR "He encontrado la fuerza esencial de la geometría y temo que nuestros jóvenes hayan sido privados demasiado tiempo de este placer""— Transcripción de la presentación:

1 GEOMETRÍA DE LO IRREGULAR "He encontrado la fuerza esencial de la geometría y temo que nuestros jóvenes hayan sido privados demasiado tiempo de este placer"

2 ¿Por qué se suele decir que la Geometría es fría y áspera? En parte, por su incapacidad para describir la forma de una nube, de una montaña, de una costa o de un árbol. Las nubes no son esferas, las montañas no son conos, las costas no son círculos, …

3 No es que la Naturaleza exhiba un grado mayor de complejidad, sino que presenta un nivel completamente diferente de complejidad. (B. Mandelbrot, 1977).

4 Mandelbrot desarrolló la GEOMETRÍA FRACTAL, término acuñado por él, que designa objetos geométricos de estructura irregular presentes en muchos comportamientos y formas de la naturaleza

5 Rasgos característicos La simplicidad de su construcción. La aparente complejidad del producto final.

6 Antecedentes de los fractales Construcciones intuitivas: El conjunto de Cantor. Curvas continuas de propiedades sorprendentes : curva de Koch, curva de Hilbert…

7 El conjunto de Cantor ( )

8 El conjunto de Cantor Fue descrito en 1883 por George Cantor, pero fue mencionado en 1875 (posiblemente antes) por el matemático irlandés Henry Shmith.

9 El conjunto de Cantor Se parte de un segmento de longitud 1 Se divide el segmento inicial en tres partes iguales Se elimina la parte central Se repite el proceso sobre cada segmento obtenido

10 Curva de Koch ( )

11 Curva de Koch Es una curva del Plano, continua en todos sus puntos y no diferenciable en ninguno

12 Curva de Koch Se parte de un segmento de lado 1. Se divide el segmento en 3 partes iguales. Se elimina el segmento central. Se sustituye por dos segmentos con ángulo 60º. Se repite el proceso ilimitadamente.

13 Isla de Koch La construcción de la isla de Koch comienza con un triángulo equilátero, al que aplicamos un algoritmo análogo al descrito para la curva, a cada uno de sus lados.

14 Longitud En la etapa k disponemos de 34 k segmentos, de longitud 3 -k cada uno de ellos. Así, la longitud total de la curva en esa etapa es 3(4/3) k. Es evidente que esta cantidad crece indefinidamente cuando k

15 Área Si designamos con Δ el área del triángulo de partida, el área de la figura obtenida en la etapa k se escribe cuyo límite, cuando k, es

16 La curva de Hilbert ( )

17 La curva de Hilbert La curva de Hilbert pertenece a un tipo de curvas que pasan por todos los puntos de un cuadrado de lado la unidad

18 La curva de Hilbert Es una curva del plano,continua en todos los puntos, no diferenciable en ningúno y de longitud infinita.

19 Fractales autosemejantes 1) Cada una de sus partes es semejante al todo, repitiéndose este proceso indefinidamente.

20 2) Su estructura, forma y características permanecen constantes al variar la escala de observación

21 Triángulo de Sierpinski ( )

22 Triángulo de Sierpinski Se parte de un triángulo equilátero T 0, de lado unidad. Se halla el punto medio de cada lado de T 0. Se unen dichos puntos dando lugar a triángulos semejantes a T 0, de lado 1/2 Se elimina el triángulo central. Se repite el proceso ilimitadamente sobre cada uno de los triángulos obtenidos.

23 Triángulo de Sierpinski

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29 Contemos y midamos En el paso k-ésimo, F, tendrá 3 k triángulos con : Longitud del lado: Altura:

30 Área Si definimos el área de F como la suma de las áreas de todos los triángulos que componen F, este conjunto tiene área : Que es cero, cuando

31 Longitud Definimos la longitud de F como la suma de los perímetros de todos los triángulos que componen F, este conjunto tiene longitud : Que es infinita cuando

32 Semejanzas Transformaciones ortogonales Homotecias Composición de transformaciones ortogonales con homotecias

33 Conjuntos semejantes F y F son semejantes si existe una semejanza que transforme F en F

34 Conjuntos autosemejantes Un conjunto F del plano es autosemejante si existen semejanzas g 1,…,g n de razones k 1,…,k n menores que uno tales que

35 Triángulo de Sierpinski Las semejanzas que dan lugar al triángulo de Sierpinski T 1 Homotecias de razón ½ con centro en en cada uno de los vértices del T 0 T0T0 T1T1

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37 Dimensión de Haussdorf Para un conjunto autosemejante del plano, con g 1,…,g n semejanzas de razones k 1,…,k n menores que uno, definimos la dimensión de Haussdorf de F como la solución de la ecuación

38 Dimensión de Haussdorf Si las razones de semejanzas son todas iguales a k entonces la dimensión es

39 Dimensión fractal Conjunto de Cantor: log2/log3=0,62093 Triángulo de Sierpinski: log3/log2=1,58496 Curva de Koch: log4/log3=1,262

40 Mandelbrot estudió la convergencia y la divergencia de procesos iterativos en el plano complejo donde c es un determinado número fijo. Partiendo del cero como número inicial, la serie generada por este método puede ser convergente o divergente, y eso dependerá del número c Conjunto de Mandelbrot

41 Al representar los distintos valores de c, coloreados según las serie converja o diverja, obtenemos el conjunto de Mandelbrot

42 Conjunto de Mandelbrot Están representados en negro todos los valores posibles de c que dan lugar a series convergentes y en otros colores los valores que causan divergencia, variando la tonalidad del color según la velocidad de divergencia.

43 ¿Qué es un fractal? Kenneth Falconer, en su obra titulada Fractal Geometry: Mathematical Foundations and Applications (John Wiley and Sons, 1990), describe un concepto de estructura fractalF como la que satisface alguna(s) de las propiedades siguientes:

44 (1) F posee detalle a todas las escalas de observación. (2) No es posible describir F con Geometría Euclidiana, tanto local como globalmente. (3) F posee alguna clase de autosemejanza, posiblemente estadística. (4) La dimensión fractal de F es mayor que su dimensión topológica. (5) El algoritmo que sirve para describir F es muy simple, y posiblemente de carácter recursivo.

45 Arquitectura fractal

46 H. Vöth Espiral aúrea

47 Water cubo, Libeskind


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