71.1. De la dinámica a la geometría

Los módulos anteriores estudiaron sistemas a través de trayectorias, retornos, bifurcaciones y atractores. El paso al estudio de fractales cambia la pregunta. Ya no interesa solamente cómo evoluciona un estado, sino qué estructura puede tener el conjunto sobre el que vive la dinámica o el conjunto que la propia dinámica genera.

El conjunto de Cantor es el ejemplo más limpio para introducir esta transición, porque casi todas sus propiedades esenciales pueden obtenerse desde una construcción elemental. Parte del intervalo [0,1][0,1], elimina repetidamente intervalos abiertos y termina produciendo un conjunto que parece, a primera vista, extremadamente pobre, sin ningún intervalo y con longitud total nula. Sin embargo, contiene tantos puntos como todo el intervalo real [0,1][0,1], no posee puntos aislados y reproduce su estructura bajo ampliaciones exactas.

Ese contraste obliga a separar varias nociones que en geometría intuitiva suelen confundirse, entre ellas tamaño lineal, cardinalidad, densidad local, conectividad y dimensión. El conjunto de Cantor tiene longitud cero y no es finito ni numerable; está totalmente desconectado y cada uno de sus puntos es punto de acumulación; puede descomponerse en copias reducidas de sí mismo, aunque esa autosimilitud no autoriza por sí sola a extrapolar cualquier ley de escala a datos empíricos.

El objetivo de este capítulo es construir esas afirmaciones desde la definición. La dimensión de Hausdorff y las diferencias entre nociones de dimensión se reservarán para C75. Aquí aparecerá ya el exponente de similitud

s=log⁡2log⁡3,s=\frac{\log 2}{\log 3},

porque surge inevitablemente de la construcción, aunque su identificación rigurosa con una dimensión geométrica se contextualizará y no se utilizará todavía como sustituto de una teoría general de dimensión.

71.2. La construcción por eliminación sucesiva

Comenzamos con C0=[0,1].C_0=[0,1].

Eliminamos el tercio central abierto,

(13,23),\left(\frac13,\frac23\right),

y obtenemos

C1=[0,13]∪[23,1].C_1= \left[0,\frac13\right] \cup \left[\frac23,1\right].

En cada uno de esos dos intervalos eliminamos nuevamente su tercio central abierto. Resulta

C2=[0,19]∪[29,13]∪[23,79]∪[89,1].C_2= \left[0,\frac19\right] \cup \left[\frac29,\frac13\right] \cup \left[\frac23,\frac79\right] \cup \left[\frac89,1\right].

El procedimiento continúa indefinidamente. En la etapa nn, el conjunto CnC_n está formado por 2n2^n intervalos cerrados, cada uno de longitud 3−n.3^{-n}.

El conjunto de Cantor se define como la intersección de todas las aproximaciones,

C=⋂n=0∞Cn.C=\bigcap_{n=0}^{\infty}C_n.

Esta definición importa. CC no es «la etapa después de infinitas operaciones» en un sentido temporal. Es el conjunto de puntos que sobreviven a todas las etapas finitas. Un punto x∈[0,1]x\in[0,1] pertenece a CC si y solo si nunca cae en uno de los tercios centrales abiertos eliminados.

La secuencia es anidada,

C0⊃C1⊃C2⊃⋯ .C_0\supset C_1\supset C_2\supset\cdots.

Cada CnC_n es compacto. Como la intersección de conjuntos cerrados es cerrada y todos están contenidos en el compacto [0,1][0,1], CC es también compacto.

Las siete primeras etapas de la construcción por eliminación de tercios centrales.
Figura 71.1. Las siete primeras etapas de la construcción por eliminación de tercios centrales. Ampliar figura ↗

La figura 71.1 muestra las siete primeras etapas. La imagen es útil, aunque debe interpretarse con cuidado, porque cualquier pantalla tiene resolución finita y una figura solo representa CnC_n para algún nn, nunca el conjunto límite completo.

71.3. Conteo exacto de intervalos y escalas

La construcción tiene una combinatoria simple. En cada paso, cada intervalo superviviente produce dos hijos. Si NnN_n es el número de intervalos en la etapa nn,

N0=1,Nn+1=2Nn,N_0=1,\qquad N_{n+1}=2N_n,

por lo que Nn=2n.N_n=2^n.

Simultáneamente, cada longitud se divide por tres. Si ℓn\ell_n es la longitud de cada intervalo,

ℓ0=1,ℓn+1=13ℓn,\ell_0=1,\qquad \ell_{n+1}=\frac13\ell_n,

y entonces

ℓn=3−n.\ell_n=3^{-n}.

La longitud total de CnC_n es

Ln=Nnℓn=2n3−n=(23)n.L_n=N_n\ell_n = 2^n3^{-n} = \left(\frac23\right)^n.

Este cálculo ya anticipa una propiedad sorprendente,

lim⁡n→∞Ln=0.\lim_{n\to\infty}L_n=0.

No debemos interpretar esta igualdad como si el conjunto desapareciera. Lo que tiende a cero es la longitud total de las aproximaciones finitas.

También podemos sumar directamente la longitud eliminada. En la primera etapa se elimina 1/31/3. En la segunda se eliminan dos intervalos de longitud 1/91/9. En la tercera, cuatro intervalos de longitud 1/271/27. Hasta la etapa nn,

Rn=∑k=1n2k−13k=1−(23)n.R_n = \sum_{k=1}^n \frac{2^{k-1}}{3^k} = 1-\left(\frac23\right)^n.

Al tomar el límite,

R∞=1.R_\infty=1.

Se elimina longitud total uno, exactamente la longitud del intervalo inicial. Sin embargo, quedan infinitos puntos. Esta es la primera señal de que «longitud» y «cantidad de puntos» son nociones enteramente distintas.

71.4. Medida de Lebesgue cero

La afirmación de que el conjunto de Cantor tiene longitud cero puede formularse rigurosamente mediante la medida de Lebesgue mm.

Como

C⊆CnC\subseteq C_n

para toda etapa,

m(C)≤m(Cn)=(23)n.m(C)\leq m(C_n) = \left(\frac23\right)^n.

La desigualdad vale para todo nn. Dado cualquier ε>0\varepsilon>0, podemos elegir nn suficientemente grande para que

(23)n<ε.\left(\frac23\right)^n<\varepsilon.

Entonces m(C)<ε.m(C)<\varepsilon.

Como ninguna medida no negativa puede ser menor que todo ε>0\varepsilon>0 sin ser cero, m(C)=0.m(C)=0.

Longitud total de las aproximaciones finitas y longitud acumulada de los intervalos eliminados.
Figura 71.2. Longitud total de las aproximaciones finitas y longitud acumulada de los intervalos eliminados. Ampliar figura ↗

Este argumento es más limpio que decir simplemente «se eliminó longitud total uno». La suma de longitudes eliminadas también conduce al resultado, aunque la cota mediante CnC_n muestra directamente que el conjunto límite puede cubrirse por una colección de intervalos cuya longitud total es tan pequeña como se quiera.

Medida cero no significa inexistencia, rareza topológica ni cardinalidad pequeña. El conjunto de números racionales en [0,1][0,1] también tiene medida cero, aunque es numerable y denso. El conjunto de Cantor tiene medida cero y no es numerable. Dos conjuntos pueden compartir medida y diferir profundamente en estructura.

71.5. Representación ternaria

La estructura se vuelve especialmente transparente mediante expansiones en base tres. Todo x∈[0,1]x\in[0,1] admite una representación ternaria

x=0.a1a2a3…3,x=0.a_1a_2a_3\ldots{}_3,

con dígitos

ak∈{0,1,2}.a_k\in\{0,1,2\}.

La primera eliminación retira los números cuya primera cifra ternaria es 11, salvo los extremos que admiten una segunda representación. Por ejemplo,

13=0.13=0.02222…3.\frac13=0.1_3=0.02222\ldots{}_3.

La segunda eliminación retira, entre los supervivientes, los números cuyo segundo dígito relevante es 11. Repitiendo el argumento se obtiene la caracterización buscada, según la cual un punto pertenece al conjunto de Cantor si posee al menos una expansión ternaria que utiliza únicamente los dígitos 00 y 22.

Por tanto,

C={∑k=1∞2bk3k:bk∈{0,1}}.C= \left\{ \sum_{k=1}^\infty \frac{2b_k}{3^k} : b_k\in\{0,1\} \right\}.

Esta fórmula hace visible una codificación binaria escondida en una geometría ternaria. Cada secuencia infinita

b1b2b3…b_1b_2b_3\ldots

selecciona sucesivamente izquierda o derecha en cada etapa de la construcción.

Correspondencia entre secuencias binarias e intervalos básicos de la construcción ternaria.
Figura 71.3. Correspondencia entre secuencias binarias e intervalos básicos de la construcción ternaria. Ampliar figura ↗

La ambigüedad de algunas expansiones posicionales debe tratarse explícitamente. Los extremos de intervalos pueden tener dos representaciones ternarias, del mismo modo que 0.999…=10.999\ldots=1 en base diez. Esta duplicidad afecta una colección numerable de puntos y no destruye la correspondencia estructural entre secuencias binarias y puntos de CC.

71.6. El conjunto no es numerable

La codificación anterior permite demostrar que CC es no numerable.

Considérese el espacio de todas las secuencias binarias infinitas,

{0,1}N.\{0,1\}^{\mathbb N}.

A cada secuencia b=(b1,b2,…)b=(b_1,b_2,\ldots) asociamos

Φ(b)=∑k=1∞2bk3k.\Phi(b) = \sum_{k=1}^\infty \frac{2b_k}{3^k}.

Este número pertenece a CC. Salvo la precaución sobre representaciones dobles en extremos, la secuencia determina un punto.

Puede compararse con las expansiones binarias de los números de [0,1][0,1]. La aplicación que reemplaza cada dígito binario 00 por ternario 00 y cada 11 por ternario 22 muestra que la colección de elecciones infinitas tiene cardinalidad del continuo.

Por tanto, ∣C∣=∣[0,1]∣.|C|=|[0,1]|.

Esto es compatible con m(C)=0.m(C)=0.

La cardinalidad ignora longitudes. El intervalo y el conjunto de Cantor poseen el mismo número cardinal de puntos y medidas de Lebesgue distintas.

Esta separación será esencial en todo el módulo. Un objeto geométrico no queda caracterizado por una sola noción de tamaño.

71.7. Ningún punto está aislado

Un punto x∈Cx\in C es aislado si existe algún radio r>0r>0 tal que

(x−r,x+r)∩C={x}.(x-r,x+r)\cap C=\{x\}.

El conjunto de Cantor no posee puntos aislados.

Para verlo, fijemos x∈Cx\in C y una vecindad de radio ε>0\varepsilon>0. La construcción asigna a xx una secuencia de intervalos anidados,

I1⊃I2⊃⋯ ,I_1\supset I_2\supset\cdots,

donde In⊂CnI_n\subset C_n, x∈Inx\in I_n y ∣In∣=3−n.|I_n|=3^{-n}.

Elegimos nn tan grande que 3−n<ε.3^{-n}<\varepsilon.

El intervalo InI_n contiene extremos que pertenecen a CC. Al menos uno puede elegirse distinto de xx y está a distancia menor que ε\varepsilon.

Por tanto, toda vecindad de xx contiene otro punto de CC. Cada punto es punto de acumulación.

Un conjunto cerrado sin puntos aislados se denomina perfecto. Como ya sabemos que CC es cerrado,

C es perfecto.C\ \text{es perfecto}.

Esta propiedad evita una interpretación equivocada del dibujo. Aunque las aproximaciones parezcan fragmentos cada vez más separados, el conjunto límite no está formado por «puntos sueltos».

71.8. Interior vacío y frontera

Otra propiedad fundamental es que CC no contiene ningún intervalo abierto no trivial.

Supongamos, por contradicción, que existe

(a,b)⊂C(a,b)\subset C

con a<ba<b. Elegimos nn tan grande que 3−n<b−a.3^{-n}<b-a.

Ahora bien, cada componente de CnC_n tiene longitud 3−n3^{-n}. Un intervalo de longitud b−ab-a no puede quedar contenido en una única componente de CnC_n. Tendría que cruzar alguno de los huecos eliminados antes o en la etapa nn, contradiciendo que todos sus puntos pertenezcan a CC.

Por tanto,

int⁡(C)=∅.\operatorname{int}(C)=\varnothing.

Como CC es cerrado, su clausura es él mismo. Entonces

∂C=C‾∖int⁡(C)=C.\partial C = \overline C\setminus\operatorname{int}(C) = C.

Cada punto del conjunto de Cantor es punto de frontera.

Esta propiedad es más fuerte que tener medida cero. Existen conjuntos de medida cero con estructuras muy distintas. También existen conjuntos de interior vacío con medida positiva. Las nociones no deben intercambiarse.

71.9. Total desconexión

Dos puntos distintos x,y∈Cx,y\in C terminan separados en alguna etapa finita de la construcción.

Como x≠yx\neq y, existe una escala suficientemente fina en la que no pertenecen al mismo intervalo básico de CnC_n. Entre esos intervalos existe un intervalo abierto eliminado. Esa brecha separa a xx de yy.

En particular, el único subconjunto conectado de CC que contiene a ambos sería imposible. Las componentes conexas de CC son puntos individuales.

Se dice que CC es totalmente desconectado.

Perfecto y totalmente desconectado pueden parecer propiedades opuestas si se piensa solo con intuición euclídea elemental. No lo son. La perfección describe acumulación local, donde ningún punto está solo. La desconexión total describe conectividad, donde no existe una curva o intervalo interno que una puntos diferentes.

El conjunto de Cantor es ambas cosas a la vez.

71.10. Autosimilitud exacta

La construcción completa puede escribirse mediante dos transformaciones,

S0(x)=x3,S_0(x)=\frac{x}{3},
S1(x)=x+23.S_1(x)=\frac{x+2}{3}.

La primera lleva [0,1][0,1] al tercio izquierdo; la segunda, al tercio derecho.

El conjunto de Cantor satisface

C=S0(C)∪S1(C).C=S_0(C)\cup S_1(C).

Cada copia es una versión reducida de CC por un factor 1/31/3.

Esta igualdad es mucho más precisa que decir que el objeto «se parece a sí mismo». Es una ecuación de conjuntos.

Aplicándola repetidamente,

C=⋃ω∈{0,1}nSω1∘⋯∘Sωn(C).C= \bigcup_{\omega\in\{0,1\}^n} S_{\omega_1}\circ\cdots\circ S_{\omega_n}(C).

A escala 3−n3^{-n} aparecen 2n2^n copias.

La autosimilitud aquí es exacta. En objetos naturales o datos empíricos, en cambio, la similitud suele ser estadística, aproximada y válida solo en un rango finito de escalas. Confundir ambos casos es una de las fuentes más frecuentes de afirmaciones excesivas sobre «fractalidad».

71.11. El exponente de similitud

Si un conjunto está formado por NN copias de sí mismo, cada una reducida por un factor lineal rr, la ecuación de similitud sugiere buscar un exponente ss tal que Nrs=1.Nr^s=1.

Para el conjunto de Cantor,

N=2,r=13.N=2, \qquad r=\frac13.

Entonces

2(13)s=1.2\left(\frac13\right)^s=1.

Tomando logaritmos,

s=log⁡2log⁡3≈0.6309297536.s=\frac{\log2}{\log3} \approx 0.6309297536.

Este número está entre cero y uno y tiene sentido geométrico, ya que el conjunto es más rico que una colección numerable de puntos sin llegar a llenar un intervalo.

Para el conjunto de Cantor, bajo las condiciones de separación que aquí se cumplen, este exponente coincide con su dimensión de Hausdorff y con otras dimensiones usuales. Sin embargo, esa coincidencia no debe generalizarse sin hipótesis. C74 introducirá la dimensión por conteo de cajas y C75 estudiará de forma explícita por qué distintas nociones de dimensión pueden coincidir en ejemplos regulares y diferir en otros.

71.12. Estructura a todas las escalas

El término «estructura a todas las escalas» debe interpretarse con precisión.

Tomemos cualquier intervalo básico de la etapa nn. Su intersección con CC, después de reescalar linealmente ese intervalo a [0,1][0,1], es una copia exacta del conjunto completo.

No existe una etapa final en la que la construcción se vuelva lisa. Después de ampliar cualquier intervalo superviviente, reaparece la misma regla de dos tercios supervivientes y un tercio central ausente.

Este carácter multiescala no significa que cada vecindad arbitraria sea literalmente idéntica al conjunto completo. La afirmación exacta se refiere a las copias generadas por las similitudes de la construcción. Cerca de determinados puntos y con recortes arbitrarios, la geometría local puede verse truncada por los bordes.

La precisión en esta frase importa porque más adelante distinguiremos autosimilitud exacta, autoafinidad y escalamiento estadístico.

71.13. Medida cero y distribución no trivial

Aunque la medida de Lebesgue de CC sea cero, puede definirse una probabilidad concentrada enteramente sobre CC.

Una construcción natural asigna probabilidad 1/21/2 a cada rama izquierda o derecha en cada etapa. Una secuencia aleatoria de elecciones

B1,B2,…,P(Bk=0)=P(Bk=1)=12,B_1,B_2,\ldots, \qquad P(B_k=0)=P(B_k=1)=\frac12,

genera

X=∑k=1∞2Bk3k.X= \sum_{k=1}^\infty \frac{2B_k}{3^k}.

Entonces P(X∈C)=1,P(X\in C)=1, aunque m(C)=0.m(C)=0.

La distribución resultante es la distribución de Cantor. Su función de distribución es continua, mientras que la medida está concentrada sobre un conjunto de longitud nula.

Este ejemplo prepara una distinción que reaparecerá en C78, entre la geometría del soporte y la distribución de visitas sobre ese soporte. Un conjunto puede tener cierta dimensión mientras una medida sobre él distribuye masa de manera uniforme o muy desigual.

71.14. La función de Cantor

La codificación ternaria-binaria permite construir la función de Cantor.

Si

x∈Cx\in C

tiene expansión

x=0.a1a2a3…3,ak∈{0,2},x=0.a_1a_2a_3\ldots{}_3, \qquad a_k\in\{0,2\},

se define F(x)F(x) reemplazando los dígitos ternarios 0,20,2 por los dígitos binarios 0,10,1. La función se extiende de forma constante sobre cada intervalo eliminado.

El resultado es una función continua y no decreciente que va de cero a uno y cuya variación se concentra, en sentido de medida, sobre el conjunto de Cantor.

Este objeto muestra otra vez por qué «medida cero» no equivale a irrelevancia analítica. Puede existir una función continua que cambie de cero a uno aunque su derivada clásica sea cero casi en todas partes.

No desarrollaremos aquí la teoría de medidas singulares, aunque el ejemplo será útil cuando más adelante aparezcan distribuciones sobre atractores fractales.

71.15. Contraejemplos donde no todas las propiedades vienen juntas

Supongamos un conjunto construido eliminando intervalos centrales con razones distintas en cada etapa. Puede seguir siendo cerrado, perfecto, totalmente desconectado y de medida cero, sin satisfacer una relación simple

C=S0(C)∪S1(C)C=S_0(C)\cup S_1(C)

con factores constantes.

Por tanto, «tipo Cantor» y «autosimilar exacto» no son sinónimos.

También puede construirse un conjunto de Cantor grueso, o fat Cantor set, eliminando intervalos cuya longitud total sea menor que uno. El resultado puede ser perfecto y totalmente desconectado, con medida de Lebesgue positiva.

Esto proporciona un contraejemplo importante,

perfecto + totalmente desconectado⇏medida cero.\text{perfecto + totalmente desconectado} \not\Rightarrow \text{medida cero}.

Las propiedades del conjunto ternario clásico provienen de detalles concretos de su construcción. No deben agruparse como si una implicara automáticamente a todas las demás.

71.16. La jerarquía de huecos del complemento

Hasta ahora hemos descrito CC a partir de lo que permanece. Resulta igualmente informativo describir lo que falta.

El complemento relativo dentro de [0,1][0,1] es

[0,1]∖C.[0,1]\setminus C.

Por construcción, está formado exactamente por todos los intervalos abiertos eliminados,

(13,23),\left(\frac13,\frac23\right),

después

(19,29),(79,89),\left(\frac19,\frac29\right), \qquad \left(\frac79,\frac89\right),

y así sucesivamente.

En la etapa n≥1n\geq1 se eliminan 2n−12^{n-1} intervalos, cada uno de longitud 3−n.3^{-n}.

Por tanto, el complemento es una unión numerable de intervalos abiertos disjuntos. Es abierto en la topología relativa de [0,1][0,1].

Más interesante es que este complemento resulta denso en [0,1][0,1], ya que todo intervalo abierto no vacío contiene algún punto que fue eliminado en una etapa finita. De manera equivalente, CC es nowhere dense, o de interior vacío incluso después de tomar clausura. Como CC ya es cerrado,

int⁡(C‾)=int⁡(C)=∅.\operatorname{int}(\overline C) = \operatorname{int}(C) = \varnothing.

La expresión inglesa nowhere dense a veces se traduce como «denso en ninguna parte». No significa que los puntos de CC estén aislados o escasos en sentido cardinal. De hecho, ya demostramos lo contrario, puesto que cada punto de CC es punto de acumulación y el conjunto es no numerable.

La propiedad describe otra cosa. Ninguna región abierta contiene un trozo del conjunto que, tras tomar clausura, adquiera interior. A cualquier escala aparece algún hueco.

Este punto permite distinguir dos usos diferentes de la palabra «denso». El conjunto de Cantor es denso en sí mismo porque no tiene puntos aislados, aunque no es denso en [0,1][0,1]. Su complemento, en cambio, sí es denso en el intervalo.

La jerarquía de huecos también posee estructura de escala. Existen huecos de longitudes

3−1,3−2,3−3,…3^{-1},3^{-2},3^{-3},\ldots

y la multiplicidad asociada a la longitud 3−n3^{-n} es 2n−1.2^{n-1}.

Esto genera una relación exacta entre escala y número de huecos. Sin embargo, todavía no debemos convertir automáticamente esa relación en una «dimensión estimada». En el conjunto ideal conocemos la regla generadora. En datos finitos, encontrar aproximadamente más huecos pequeños que grandes puede deberse a múltiples mecanismos, incluidos ruido, resolución y muestreo.

La construcción de Cantor proporciona así un patrón de referencia, una ley de escala matemática exacta contra la cual más adelante podremos comparar las dificultades de inferir fractalidad empírica.

71.17. El conjunto como espacio de secuencias y puente con la dinámica simbólica

C67 introdujo la dinámica simbólica mediante secuencias de símbolos que codifican itinerarios. El conjunto de Cantor permite ver que esa codificación excede lo abstracto y puede materializarse como una geometría concreta en la recta.

Cada punto de CC, salvo la ambigüedad numerable de ciertas expansiones ternarias, queda descrito por una secuencia

b=(b1,b2,b3,…),bk∈{0,1}.b=(b_1,b_2,b_3,\ldots), \qquad b_k\in\{0,1\}.

El prefijo

b1b2…bnb_1b_2\ldots b_n

identifica exactamente uno de los 2n2^n intervalos básicos de la etapa nn. Agregar un símbolo selecciona uno de sus dos hijos. Por tanto, conocer más dígitos equivale a localizar el punto a una escala espacial más fina.

Si dos secuencias coinciden en sus primeros nn símbolos, sus puntos asociados pertenecen al mismo intervalo básico de longitud 3−n.3^{-n}.

La coincidencia simbólica inicial controla proximidad geométrica.

Recíprocamente, cuando aparece el primer símbolo diferente, ambos puntos se separan en ramas distintas de la construcción. Esta relación permite introducir una métrica natural sobre secuencias. Si N(b,c)N(b,c) es la primera posición en que dos secuencias difieren, puede definirse, por ejemplo,

ds(b,c)=3−N(b,c).d_s(b,c)=3^{-N(b,c)}.

Bajo una convención adecuada, esta métrica simbólica reproduce la escala de la construcción geométrica.

No debemos afirmar que la distancia euclídea entre los puntos sea siempre exactamente 3−N3^{-N}, porque los extremos de los intervalos y los tamaños de los huecos introducen constantes y casos de borde. Lo importante es la equivalencia de escala, dado que compartir un prefijo largo significa estar geométricamente cerca.

Esta correspondencia explica por qué conjuntos tipo Cantor aparecen con tanta frecuencia en dinámica caótica. Cuando una órbita puede elegir repetidamente entre ramas y cada historia infinita define un estado compatible, el espacio de historias posee la estructura de una sucesión infinita de decisiones discretas.

En la herradura de Smale de C67, el conjunto invariante contiene una geometría de tipo Cantor en direcciones estables e inestables. Aquí vemos el ingrediente geométrico aislado, sin necesidad de la dinámica completa de la herradura.

Hay además una advertencia conceptual. Que un conjunto pueda codificarse por secuencias binarias no significa que posea por sí mismo una dinámica caótica. El conjunto de Cantor, considerado únicamente como subconjunto de [0,1][0,1], es un objeto geométrico. Para hablar de caos hace falta especificar una aplicación que actúe sobre él. La geometría del espacio y la dinámica definida en ese espacio son objetos diferentes.

Esta distinción será útil en todo el resto del proyecto. Un atractor puede tener estructura fractal, aunque la fractalidad no es una definición de caos; un sistema puede ser caótico sobre un conjunto geométricamente simple; y un conjunto fractal puede existir sin que se haya definido sobre él evolución temporal alguna.

71.18. Aproximación finita y objeto límite

Toda simulación del conjunto de Cantor produce una etapa finita CnC_n.

Para n=20n=20, existirían

220=1 048 5762^{20}=1\,048\,576

intervalos, cada uno de longitud 3−20.3^{-20}.

Representarlos todos en una pantalla no produce conocimiento adicional si el tamaño de los intervalos está por debajo de la resolución de píxel. Un gráfico puede dejar de distinguir etapas aunque matemáticamente la construcción continúe.

La diferencia entre CnC_n y CC es conceptual, porque

m(Cn)=(23)n>0m(C_n)=\left(\frac23\right)^n>0

para todo nn finito, mientras que m(C)=0.m(C)=0.

Ninguna etapa finita tiene exactamente todas las propiedades del límite.

Este ejemplo resume un tema transversal del proyecto. Una aproximación computacional puede converger a un objeto cuya propiedad cualitativa no aparece literalmente en ninguna aproximación finita. La medida cero se obtiene en el límite y no en una imagen concreta.

71.19. Demostración de las propiedades esenciales

Podemos reunir las principales propiedades en una cadena de argumentos.

La compacidad se obtiene porque cada CnC_n es una unión finita de intervalos cerrados y acotados. Como

C=⋂n=0∞Cn,C=\bigcap_{n=0}^\infty C_n,

el conjunto CC es cerrado y acotado, por tanto compacto en R\mathbb R.

La medida cero se sigue de

m(C)≤m(Cn)=(23)nm(C)\leq m(C_n)=\left(\frac23\right)^n

para todo nn. Al tomar n→∞n\to\infty, m(C)=0.m(C)=0.

La no numerabilidad se sigue de que cada secuencia binaria infinita determina una expansión ternaria con dígitos 00 y 22. El espacio de secuencias binarias tiene cardinalidad del continuo, así que CC no es numerable.

La perfección se demuestra tomando x∈Cx\in C y ε>0\varepsilon>0. Existe una etapa nn con 3−n<ε.3^{-n}<\varepsilon.

El intervalo básico de nivel nn que contiene a xx contiene otro punto de CC a distancia menor que ε\varepsilon, de modo que no hay puntos aislados.

El interior vacío se sigue de que ningún intervalo abierto puede sobrevivir a todas las etapas, porque las longitudes de los intervalos básicos tienden a cero,

int⁡(C)=∅.\operatorname{int}(C)=\varnothing.

La total desconexión resulta de que dos puntos distintos terminan separados por un hueco eliminado en alguna etapa, así que ninguna componente conexa contiene más de un punto.

La autosimilitud queda expresada por la ecuación exacta

C=13C∪(23+13C).C= \frac13C \cup \left(\frac23+\frac13C\right).

Estas siete propiedades no son siete maneras de decir lo mismo. Describen aspectos diferentes del conjunto.

71.20. Verificación computacional

El paquete reproducible no intenta «demostrar por simulación» propiedades infinitas como no numerabilidad o perfección. Verifica las identidades finitas que sostienen la construcción.

Para etapas n=0,…,10n=0,\ldots,10 se comprueba automáticamente

Nn=2n,N_n=2^n,
ℓn=3−n,\ell_n=3^{-n},
Ln=(23)n.L_n=\left(\frac23\right)^n.

También se verifica la suma de longitudes eliminadas,

Rn=1−(23)n,R_n=1-\left(\frac23\right)^n,

junto con la correspondencia entre palabras binarias finitas y extremos izquierdos de los intervalos básicos y la ecuación 2(1/3)s=1.2(1/3)^s=1.

Se ejecutaron 60 comprobaciones automáticas y todas resultaron satisfactorias.

Estas pruebas verifican el código y las identidades finitas. Las propiedades del conjunto límite se establecen mediante los argumentos matemáticos del texto.

71.21. Qué enseña el conjunto de Cantor

El conjunto de Cantor es importante porque obliga a abandonar equivalencias intuitivas falsas.

Puede existir un conjunto que tenga medida de longitud cero, posea cardinalidad del continuo, no contenga ningún intervalo, no tenga puntos aislados, sea totalmente desconectado y reproduzca exactamente su geometría bajo cambios de escala.

No hay contradicción entre esas propiedades porque cada una responde una pregunta diferente.

Este ejemplo también establece una disciplina para el resto del módulo. Cuando se hable de fractalidad habrá que especificar qué se está afirmando, sea autosimilitud exacta, ley de escala, dimensión no entera, irregularidad geométrica, estructura estadística o alguna combinación de ellas.

71.22. Hacia curvas y dimensiones

El conjunto de Cantor tiene una geometría construida mediante sustracción, donde se eliminan intervalos y queda un polvo no numerable de puntos.

El siguiente capítulo estudiará la curva de Koch. Allí ocurrirá algo complementario. En vez de eliminar longitud hasta llegar a medida cero, una regla iterativa añadirá detalle de manera que la longitud de las aproximaciones crezca sin límite mientras la curva permanece dentro de una región acotada.

La comparación Cantor–Koch permitirá separar aún mejor longitud, escala y dimensión. Más adelante, C74 y C75 convertirán esas intuiciones en definiciones cuantitativas y mostrarán por qué no existe una única noción de dimensión que deba usarse sin atender a las hipótesis.

Referencias

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Cantor, G. (1984). Über unendliche, lineare Punktmannigfaltigkeiten. Arbeiten zur Mengenlehre aus den Jahren 1872–1884. Springer Vienna. Reimpresión de trabajos originales de 1872–1884. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-9516-1

Recursos reproducibles

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1 archivo CSV · 3 figuras · 1 programa Python.

El programa ilustra cálculos del capítulo. Las figuras y los CSV están incluidos, pero el script no vuelve a guardar todos esos archivos.

Ver instrucciones y contenido del paquete.