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Fractal

Un fractal es un objeto geométrico cuya estructura básica, fragmentada o aparentemente irregular, se repite a diferentes escalas.[1]​ El término fue propuesto por el matemático Benoît Mandelbrot en 1975 y deriva del latín fractus, que significa quebrado o fracturado. Muchas estructuras naturales son de tipo fractal. La propiedad matemática clave de un objeto genuinamente fractal es que su dimensión métrica fractal es un número racional mayor a su dimensión topológica.

En la naturaleza también aparece la geometría fractal y se ejemplifica en muchos casos, como en este brécol romanesco.

Si bien el término "fractal" es reciente, los objetos hoy denominados fractales eran bien conocidos en matemáticas desde principios del siglo XX. Las maneras más comunes de determinar lo que hoy denominamos dimensión fractal fueron establecidas a principios del siglo XX en el ámbito de la teoría de la medida.

Introducción

La definición de fractal desarrollada en los años 1970 dio unidad a una serie de ejemplos, algunos de los cuales se remontaban a un siglo atrás. A un objeto geométrico fractal se le atribuyen las siguientes características:[2]

  • Es demasiado irregular para ser descrito en términos geométricos tradicionales.
  • Es autosimilar, su forma es hecha de copias más pequeñas de la misma figura.

Las copias son similares al todo: misma forma pero diferente tamaño. Ejemplos de autosimilaridad

  • Fractales naturales son objetos naturales que se pueden representar con muy buena aproximación mediante fractales matemáticos con autosimilaridad estadística. Los fractales encontrados en la naturaleza se diferencian de los fractales matemáticos en que los naturales son aproximados o estadísticos y su autosimilaridad se extiende solo a un rango de escalas (por ejemplo, a escala cercana a la atómica su estructura difiere de la estructura macroscópica).
  • Conjunto de Mandelbrot es un fractal autosimilar, generado por el conjunto de puntos estables de órbita acotada bajo cierta transformación iterativa no lineal.
  • Paisajes fractales, este tipo de fractales generados computacionalmente pueden producir paisajes realistas convincentes.
  • Fractales de pinturas, se utilizan para realizar el proceso de decalcomanía.

No basta con una sola de estas características para definir un fractal. Por ejemplo, la recta real no se considera un fractal, pues a pesar de ser un objeto autosimilar carece del resto de características exigidas.

Un fractal natural es un elemento de la naturaleza que puede ser descrito mediante la geometría fractal. Las nubes, las montañas, el sistema circulatorio, las líneas costeras[3]​ o los copos de nieve son fractales naturales. Esta representación es aproximada, pues las propiedades atribuidas a los objetos fractales ideales, como el detalle infinito, tienen límites en el mundo natural.

Los ejemplos clásicos

Para encontrar los primeros ejemplos de fractales debemos remontarnos a finales del siglo XIX: en 1872 apareció la función de Weierstrass, cuyo grafo hoy en día consideraríamos fractal, como ejemplo de función continua pero no diferenciable en ningún punto.

 
Sucesivos pasos de la construcción de la Curva de Koch

Posteriormente aparecieron ejemplos con propiedades similares pero una definición más geométrica. Dichos ejemplos podían construirse partiendo de una figura inicial (semilla), a la que se aplicaban una serie de construcciones geométricas sencillas. La serie de figuras obtenidas se aproximaba a una figura límite que correspondía a lo que hoy llamamos conjunto fractal. Así, en 1904, Helge von Koch definió una curva con propiedades similares a la de Weierstrass: el copo de nieve de Koch. En 1915, Waclaw Sierpinski construyó su triángulo y, un año después, su alfombra.

Construcción de la alfombra de Sierpinski:
         
Paso 1 (semilla) Paso 2 Paso 3 Paso 4 Paso 5

Estos conjuntos mostraban las limitaciones del análisis clásico, pero eran vistos como objetos artificiales, una "galería de monstruos", como los denominó Poincaré. Pocos matemáticos vieron la necesidad de estudiar estos objetos en sí mismos.[4]

En 1919 surge una herramienta básica en la descripción y medida de estos conjuntos: la dimensión de Hausdorff-Besicovitch.

Los conjuntos de Julia

 
En negro, imagen del Conjunto de Mandelbrot superpuesto con los conjuntos de Julia rellenos representados por algunos de sus puntos (en rojo los conjuntos de Julia conexos y en azul los no conexos).

Estos conjuntos, fruto de los trabajos de Pierre Fatou y Gaston Julia en los años 1920, surgen como resultado de la aplicación reiterada de funciones holomorfas  .

Analicemos el caso particular de funciones polinómicas de grado mayor que uno. Al aplicar sucesivas veces una función polinómica es muy posible que el resultado tienda a  . Al conjunto de valores de   que no escapan al infinito mediante esta operación se le denomina conjunto de Julia relleno, y a su frontera, simplemente conjunto de Julia.

Estos conjuntos se representan mediante un algoritmo de tiempo de escape, en que cada pixel se colorea según el número de iteraciones necesarias para escapar. Suele usarse un color especial, a menudo el negro, para representar los puntos que no han escapado tras un número grande y prefijado de iteraciones.

Ejemplos de conjuntos de Julia para  

Familias de fractales: el conjunto de Mandelbrot

La familia de conjuntos de Julia  , asociadas a la reiteración de funciones de la forma   presenta conjuntos de una variedad sorprendente.

Dicha familia tendrá especial relevancia al quedar parametrizada en un mapa de fractales, popularizado en los años 1980, llamado conjunto de Mandelbrot. Este conjunto M representa un mapa en que cada pixel, correspondiente a un valor del parámetro  , se colorea de modo que refleje una propiedad básica del conjunto de Julia asociado a  . En concreto,   si el conjunto de Julia asociado a   es conexo.

Iterando funciones de forma alternativa se generan los fractales oscilantes.

El método de Mandelbrot: diferentes fractales iterando potencias de Z

A continuación se muestra una serie de fractales de las diferentes potencias de Z = Zm + C , según el método de Mandelbrot. Todos los puntos del plano complejo C=(Cx,iCy) son iterados por adición a la función correspondiente. Todas las iteraciones parten de los puntos x=0 iy=0. Cuando la iteración converge se colorea de amarillo pálido. La divergencia a infinito es coloreada mediante un patrón cromático desde el negro al azul. El fractal derivado de la función Z = Z2 + C se denomina conjunto de Mandelbrot.

Ejemplos de fractales del tipo Mandelbrot Z = Zm + C

Ejemplos de fractales del tipo Mandelbrot Z = Zm + 1/C

Aquí cuando la iteración converge se ha coloreado de negro.

Más fractales según el método de Mandelbrot.

El método de Julia: diferentes fractales iterando potencias de Z

A continuación se muestra una serie de fractales de las diferentes potencias de Z = Zm + C, según el método de Julia, por el matemático francés Gaston Julia.

Todos los puntos del plano complejo Z=(x,iy) son iterados en la función correspondiente. A todas las iteraciones se le añade una constante arbitraria (Cx,iCy) de tal modo que la elección de la constante "semilla" determina de forma unívoca la forma y el color del fractal, una vez ha sido definido el patrón cromático. En los ejemplos mostrados a continuación se ha elegido una constante tal que solo produce divergencia, y se ha coloreado con el algoritmo de la velocidad de escape.

Ejemplos de fractales del tipo Julia Z = Zm + C


Ejemplos de fractales de tipo Julia, de la función exponencial: Z = Zm + C

Ejemplos de fractales del tipo Julia de funciones complejas.

El método de Newton

El método de Newton intenta encontrar por iteración las raíces de la función F(Z)-1 = 0.

Se itera la función F(Z) con cada punto del plano complejo (x + iy), siendo Z=(x1 + iy1) hasta la convergencia de x1 i y1, según la siguiente fórmula: Zn+1 = Zn - F(Zn) / F’(Zn), en donde F’(Z) es la derivada. Se ha coloreado con el algoritmo de la velocidad de convergencia, conceptualmente idéntico al de la velocidad de escape, y presenta similitudes con el método de Julia.

Ejemplos de fractales de tipo Newton, de algunas funciones de variable compleja:


Características de un fractal

Autosimilitud

Según B. Mandelbrot, un objeto es autosimilar o autosemejante si sus partes tienen la misma forma o estructura que el todo, aunque pueden presentarse a diferente escala y pueden estar ligeramente deformadas.[5]

Los fractales pueden presentar tres tipos de autosimilitud:

Autosimilitud exacta
Este es el tipo más restrictivo de autosimilitud: exige que el fractal parezca idéntico a diferentes escalas. A menudo la encontramos en fractales definidos por sistemas de funciones iteradas (IFS).
Cuasiautosimilitud
 
Cuasiautosimilitud en el conjunto de Mandelbrot: al variar la escala obtenemos copias del conjunto con pequeñas diferencias.
Exige que el fractal parezca aproximadamente idéntico a diferentes escalas. Los fractales de este tipo contienen copias menores y distorsionadas de sí mismos. Matemáticamente D. Sullivan definió el concepto de conjunto cuasiauto-similar a partir del concepto de cuasi-isometría. Los fractales definidos por relaciones de recurrencia son normalmente de este tipo.
Autosimilitud estadística
Es el tipo más débil de autosimilitud: se exige que el fractal tenga medidas numéricas o estadísticas que se preserven con el cambio de escala. Los fractales aleatorios son ejemplos de fractales de este tipo.

Dimensión fractal y dimensión de Hausdorff-Besicovitch

Entre los fractales podemos encontrar ejemplos como curvas que llenan todo el plano. En ese caso, la dimensión topológica de la curva, que es uno, no nos informa sobre la forma en que esta ocupa el espacio ambiente. De modo general, podríamos preguntarnos cómo densamente un conjunto ocupa el espacio métrico que lo contiene. Los números que nos informan objetivamente de este tipo de cuestiones son:

La dimensión fractal
Las fórmulas que la definen tienen que ver con el recuento de las bolas necesarias para recubrir el conjunto o con el de cajas de una cuadrícula que contienen parte del conjunto, cuando las dimensiones de unas y otras tienden a cero. Podemos medir la dimensión fractal de objetos reales: líneas de la costa (1.2), nubes, árboles, etc, Con estas medidas podemos comparar objetos del mundo real con fractales generados por algoritmos matemáticos.
La dimensión de Hausdorff-Besicovitch
 
Autosimilitud estadística de un fractal generado por el proceso de agregación limitada por difusión.
Tiene una definición más compleja que la de dimensión fractal. Su definición no suele usarse para comparar conjuntos del mundo real.

Definición por algoritmos recursivos

Podemos destacar tres técnicas comunes para generar fractales:

Sistemas de funciones iteradas (IFS)
Unos conjuntos se reemplazan recursivamente por su imagen bajo un sistema de aplicaciones: el conjunto de Cantor, la alfombra de Sierpinski, el triángulo de Sierpinski, la curva de Peano, la curva del dragón, el copo de nieve de Koch o la Esponja de Menger, son algunos ejemplos.
Fractales de algoritmos de Escape
Definidos por una relación de recurrencia en cada punto del espacio (por ejemplo, el plano complejo): el conjunto de Mandelbrot, conjunto de Julia, y el fractal de Lyapunov.
Fractales aleatorios
Generados por procesos estocásticos, no deterministas: el movimiento browniano,el vuelo de Lévy, los paisajes fractales o los árboles brownianos. Estos últimos son producidos por procesos de agregación por difusión limitada..

Aspectos matemáticos

Intentos de definición rigurosa

El concepto de fractal no dispone en el año 2008 de una definición matemática precisa y de aceptación general. Intentos parciales de dar una definición fueron realizados por:

  • B. Mandelbrot, que en 1982 definió fractal como un conjunto cuya dimensión de Hausdorff-Besicovitch es estrictamente mayor que su dimensión topológica. Él mismo reconoció que su definición no era lo suficientemente general.
  • D. Sullivan, que definió matemáticamente una de las categorías de fractales con su definición de conjunto cuasiautosimilar que hacía uso del concepto de cuasi-isometría.

Dimensión fractal

Puede definirse en términos del mínimo número   de bolas de radio   necesarias para recubrir el conjunto, como el límite:

 

O en función del recuento del número de cajas   de una cuadrícula de anchura   que intersecan al conjunto:

 

Se demuestra que ambas definiciones son equivalentes, y que son invariantes bajo isometrías.[6]

Dimensión de Hausdorff-Besicovitch

De una definición más compleja, la dimensión de Hausdorff-Besicovitch nos proporciona un número  , también invariante bajo isometrías, cuya relación con la dimensión fractal   es la siguiente:

 

Esto permite distinguir en algunos casos entre conjuntos con la misma dimensión fractal.

Dimensión de fractales producidos por un IFS

Un sistema iterativo de funciones (IFS) es un conjunto de funciones contractivas definidas sobre un subconjunto de  . Cuando no hay solapamiento entre las imágenes de cada función, se demuestra que   y que ambas pueden calcularse como solución de la ecuación:

 

donde ci designa el factor de contracción de cada aplicación contractiva del IFS.

Aplicaciones

Se han utilizado técnicas de fractales en la compresión de datos y en diversas disciplinas científicas.

Compresión de imágenes

 

Comprimir la imagen de un objeto autosemejante como el helecho de la figura no es difícil: haciendo uso del teorema del collage, debemos encontrar un IFS, conjunto de transformaciones que lleva la figura completa (en negro) en cada una de sus partes autosemejantes (rojo, azul celeste y azul marino). La información sobre la imagen quedará codificada en el IFS, y la aplicación reiterada de dichas transformaciones permite obtener la imagen procesada en cuestión.

Pero el enfoque anterior plantea problemas con muchas imágenes reales: no esperamos, por ejemplo, que la imagen de un gato presente pequeños gatitos distorsionados sobre sí mismo. Para solventarlo, en 1989 Arnaud Jacquin creó el esquema de sistemas de funciones iteradas particionadas: en él se subdivide la imagen mediante una partición y para cada región resultante se busca otra región similar a la primera bajo las transformaciones apropiadas.[7]

El esquema resultante es un sistema de compresión con pérdidas, de tiempo asimétrico. Lamentablemente aún se tarda mucho en encontrar las transformaciones que definen la imagen. No obstante, una vez encontradas, la descodificación es muy rápida. La compresión, aunque dependa de muchos factores, suele ser equiparable a la compresión JPEG, con lo cual el factor tiempo resulta determinante para decantarse por uno u otro sistema.

Modelado de formas naturales

 
Fracción de un fractal Mandelbrot.

Las formas fractales, las formas en la que las partes se asemejan al todo, están presentes en la materia biológica, junto con las simetrías (las formas básicas que solo necesitan la mitad de información genética) y las espirales (las formas de crecimiento y desarrollo de la forma básica hacia la ocupación de un mayor espacio), como las formas más sofisticadas en el desarrollo evolutivo de la materia biológica en cuanto que se presentan en procesos en los que se producen saltos cualitativos en las formas biológicas, es decir posibilitan catástrofes (hechos extraordinarios) que dan lugar a nuevas realidades más complejas, como las hojas que presentan una morfología similar a la pequeña rama de la que forman parte que, a su vez, presentan una forma similar a la rama, que a su vez es similar a la forma del árbol, y sin embargo cualitativamente no es lo mismo una hoja (forma biológica simple), que una rama o un árbol (forma biológica compleja).

Fenómenos naturales que presentan características de fractales espaciales o temporales incluyen:

Sistemas dinámicos

 
Un atractor extraño: el atractor de Lorenz.

Pero además las formas fractales no solo se presentan en las formas espaciales de los objetos sino que se observan en la propia dinámica evolutiva de los sistemas complejos (ver teoría del caos). Dinámica que consta de ciclos (en los que partiendo de una realidad establecida simple acaban en la creación de una nueva realidad más compleja) que a su vez forman parte de ciclos más complejos los cuales forman parte del desarrollo de la dinámica de otro gran ciclo. Las evoluciones dinámicas de todos estos ciclos presentan las similitudes propias de los sistemas caóticos.

En manifestaciones artísticas

 
Imagen generada con el programa Apophysis.

La música puede contener formas fractales. La música tradicionalmente ha contado con especial facilidad a la hora de asimilar su lenguaje con el de las matemáticas. Los procesos de disminución y aumentación son reflejo de las cualidades de autosemejanza y autorreferencia, pudiendo continuar su lógica constructiva ad infinitum. Algunas obras clásicas de Beethoven, Bach y Mozart son ejemplos representativos según reveló un estudio.[cita requerida] [25]​El método que siguieron estos compositores, ya sea de manera intencionada o no, para integrar fractales y matemáticas era mediante una analogía entre una dimensión fractal y el número y la disposición de las diferentes notas de una obra o pieza.[26][cita requerida]

Se usan tanto en la composición armónica y rítmica de una melodía como en la síntesis de sonidos. Esto se debe al uso de lo que en composición se llaman "micromodos", o pequeños grupos de tres notas, a partir de los cuales uno puede trabajarlos de manera horizontal (melódica), o vertical (armónica). A su vez, el ritmo puede ser trabajado en sucesiones temporales específicas, que son determinadas por sucesiones de fractales.

Por otra parte, las litografías del artista neerlandés Maurits Cornelis Escher (1898-1972) desarrollaron con frecuencia estructuras matemáticas complejas y avanzadas.

Con programas informáticos como Apophysis, Sterling o Ultra Fractal se pueden hacer imágenes con técnicas diversas; cambiando parámetros, geometría de triángulos o con transformaciones aleatorias.

Véase también

Referencias

  1. Benoît Mandelbrot, La Geometría Fractal de la Naturaleza, Tusquets, ISBN 84-8310-549-7
  2. Falconer, Kenneth (2003). Fractal Geometry: Mathematical Foundations and Applications. John Wiley & Sons, Ltd. pp. XXV. ISBN 0-470-84862-6. 
  3. ¿Cuánto mide la costa de Gran Bretaña?
  4. Stewart, Ian. De aquí al infinito. Crítica, Grijalbo Mondadori, S.A., 1998. ISBN 84-7423-853-6.
  5. B. Mandelbrot. Los objetos fractales. Forma, azar y dimensión. Tusquets Editores, S.A., 1993. ISBN 978-84-7223-458-1
  6. Barnsley, M. Fractals everywhere.Academic Press Inc, 1988. ISBN 0-12-079062-9. (Cap 5)
  7. Jacquin, A.E.;Image coding based on a fractal theory of iterated contractive image transformations. Image Processing, IEEE Transactions on Volume 1, Issue 1, Jan. 1992 Page(s):18 - 30
  8. Sadegh, Sanaz (2017). «Plasma Membrane is Compartmentalized by a Self-Similar Cortical Actin Meshwork». Physical Review X 7 (1). PMC 5500227. PMID 28690919. doi:10.1103/PhysRevX.7.011031. 
  9. Carbone, Alessandra; Gromov, Mikhael; Prusinkiewicz, Przemyslaw (2000). Pattern formation in biology, vision and dynamics. World Scientific. p. 78. ISBN 978-981-02-3792-9. 
  10. Addison, Paul S. (1997). Fractals and chaos: an illustrated course. CRC Press. pp. 44-46. ISBN 978-0-7503-0400-9. Consultado el 5 de febrero de 2011. 
  11. Enright, Matthew B.; Leitner, David M. (27 de enero de 2005). «Mass fractal dimension and the compactness of proteins». Physical Review E 71 (1): 011912. Bibcode:2005PhRvE..71a1912E. PMID 15697635. doi:10.1103/PhysRevE.71.011912. 
  12. Takayasu, H. (1990). Fractals in the physical sciences. Manchester: Manchester University Press. p. 36. ISBN 9780719034343. 
  13. Jun, Li; Ostoja-Starzewski, Martin (1 de abril de 2015). «Edges of Saturn's Rings are Fractal». SpringerPlus. 4,158: 158. PMC 4392038. PMID 25883885. doi:10.1186/s40064-015-0926-6. 
  14. Azpeitia, Eugenio; Tichtinsky, Gabrielle; Le Masson, Marie; Serrano-Mislata, Antonio; Lucas, Jérémy; Gregis, Veronica; Gimenez, Carlos; Prunet, Nathanaël et al. (9 de julio de 2021). «Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks». Science (en inglés) 373 (6551): 192-197. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.abg5999. Consultado el 10 de julio de 2021. 
  15. Meyer, Yves; Roques, Sylvie (1993). Progress in wavelet analysis and applications: proceedings of the International Conference "Wavelets and Applications", Toulouse, France – June 1992. Atlantica Séguier Frontières. p. 25. ISBN 978-2-86332-130-0. Consultado el 5 de febrero de 2011. 
  16. Sreenivasan, K. R.; Meneveau, C. (1986). «The Fractal Facets of Turbulence». Journal of Fluid Mechanics 173: 357-386. Bibcode:1986JFM...173..357S. doi:10.1017/S0022112086001209. 
  17. de Silva, C. M.; Philip, J.; Chauhan, K.; Meneveau, C.; Marusic, I. (2013). «Multiscale Geometry and Scaling of the Turbulent–Nonturbulent Interface in High Reynolds Number Boundary Layers». Phys. Rev. Lett. 111 (6039): 192-196. Bibcode:2011Sci...333..192A. PMID 21737736. doi:10.1126/science.1203223. 
  18. Falconer, Kenneth (2013). Fractals, A Very Short Introduction. Oxford University Press. 
  19. Sweet, D.; Ott, E.; Yorke, J. A. (1999), «Complex topology in Chaotic scattering: A Laboratory Observation», Nature 399 (6734): 315, Bibcode:1999Natur.399..315S, doi:10.1038/20573 .
  20. Ozhovan M. I., Dmitriev I. E., Batyukhnova O. G. Fractal structure of pores of clay soil. Atomic Energy, 74, 241–243 (1993).
  21. Tan, Can Ozan; Cohen, Michael A.; Eckberg, Dwain L.; Taylor, J. Andrew (2009). «Fractal properties of human heart period variability: Physiological and methodological implications». The Journal of Physiology 587 (15): 3929. PMC 2746620. PMID 19528254. doi:10.1113/jphysiol.2009.169219. 
  22. Buldyrev, Sergey V.; Goldberger, Ary L.; Havlin, Shlomo; Peng, Chung-Kang; Stanley, H. Eugene (1995). «Fractals in Biology and Medicine: From DNA to the Heartbeat». En Bunde, Armin; Havlin, Shlomo, eds. Fractals in Science. Springer. 
  23. Vannucchi, Paola; Leoni, Lorenzo (2007). «Structural characterization of the Costa Rica décollement: Evidence for seismically-induced fluid pulsing». Earth and Planetary Science Letters 262 (3–4): 413. Bibcode:2007E&PSL.262..413V. doi:10.1016/j.epsl.2007.07.056. 
  24. Sornette, Didier (2004). Critical phenomena in natural sciences: chaos, fractals, selforganization, and disorder: concepts and tools. Springer. pp. 128-140. ISBN 978-3-540-40754-6. 
  25. Marco, Tomás (2017). Escuchar la música de los siglos XX y XXI. 123: Fundación BBVA. ISBN 978-84-92937-71-4. Consultado el 18 de mayo de 2010. 
  26. Vargas, Fredy (2005). «Los fractales y su relación con la creación sonora». Revista de Artes y Humanidades UNICA. Consultado el 17 de mayo de 2020. 

Enlaces externos

  • Información sobre fractales.
  •   Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre fractales.
Arte fractal
  • Galerías de arte fractal en el Open directory Project
  • Música fractal en el Open Directory Project
  • Colecciones de Arte Fractal
  • FRACTALJMB BLOG muy interesante, dónde se muestran una gran variedad de fractales.
Tutoriales
  • 3 Sencillos métodos para hacer un fractal el 28 de marzo de 2018 en Wayback Machine.
Libros con licencia CC
  • Música fractal: el sonido del caos Introducción general sobre fractales y aplicación a la composición automática de música
  • Codificación fractal de imágenes Analiza la aplicación de técnicas fractales a la compresión con pérdidas de imágenes
Software
  • FFExplorer Explorador interactivo de fractales freeware, para Windows
  • Applets en java que generan Fractales interactivos
  • Apophysis Programa de código abierto para la creación de fractales (en inglés)
  • IFS Illusions generador IFS freeware, para Windows
  • generador fractal freeware, para DOS, Windows y existe disponible (en inglés)
  • XaoS zoomer interactivo de fractales para linux.
  • Incendia programa de diseño de fractales 3D donationware.
  • WMANJUL v2 Fractal de Mandelbrot (en inglés).
  • FractNep el 20 de abril de 2016 en Wayback Machine. Explorador interactivo de fractales (Mandelbrot, Julia, Newton), freeware, para Windows.
Vídeos
  • Vídeos de fractales en Commons
  • Video Mandelbox(Ejemplo de 3D fractal)
  •   Datos: Q81392
  •   Multimedia: Fractals

fractal, fractal, objeto, geométrico, cuya, estructura, básica, fragmentada, aparentemente, irregular, repite, diferentes, escalas, término, propuesto, matemático, benoît, mandelbrot, 1975, deriva, latín, fractus, significa, quebrado, fracturado, muchas, estru. Un fractal es un objeto geometrico cuya estructura basica fragmentada o aparentemente irregular se repite a diferentes escalas 1 El termino fue propuesto por el matematico Benoit Mandelbrot en 1975 y deriva del latin fractus que significa quebrado o fracturado Muchas estructuras naturales son de tipo fractal La propiedad matematica clave de un objeto genuinamente fractal es que su dimension metrica fractal es un numero racional mayor a su dimension topologica En la naturaleza tambien aparece la geometria fractal y se ejemplifica en muchos casos como en este brecol romanesco Si bien el termino fractal es reciente los objetos hoy denominados fractales eran bien conocidos en matematicas desde principios del siglo XX Las maneras mas comunes de determinar lo que hoy denominamos dimension fractal fueron establecidas a principios del siglo XX en el ambito de la teoria de la medida Indice 1 Introduccion 1 1 Los ejemplos clasicos 1 2 Los conjuntos de Julia 1 3 Familias de fractales el conjunto de Mandelbrot 1 4 El metodo de Mandelbrot diferentes fractales iterando potencias de Z 1 5 El metodo de Julia diferentes fractales iterando potencias de Z 1 6 El metodo de Newton 2 Caracteristicas de un fractal 2 1 Autosimilitud 2 2 Dimension fractal y dimension de Hausdorff Besicovitch 2 3 Definicion por algoritmos recursivos 3 Aspectos matematicos 3 1 Intentos de definicion rigurosa 3 2 Dimension fractal 3 3 Dimension de Hausdorff Besicovitch 3 4 Dimension de fractales producidos por un IFS 4 Aplicaciones 4 1 Compresion de imagenes 4 2 Modelado de formas naturales 4 3 Sistemas dinamicos 4 4 En manifestaciones artisticas 5 Vease tambien 6 Referencias 7 Enlaces externosIntroduccion EditarLa definicion de fractal desarrollada en los anos 1970 dio unidad a una serie de ejemplos algunos de los cuales se remontaban a un siglo atras A un objeto geometrico fractal se le atribuyen las siguientes caracteristicas 2 Es demasiado irregular para ser descrito en terminos geometricos tradicionales Es autosimilar su forma es hecha de copias mas pequenas de la misma figura Las copias son similares al todo misma forma pero diferente tamano Ejemplos de autosimilaridad Fractales naturales son objetos naturales que se pueden representar con muy buena aproximacion mediante fractales matematicos con autosimilaridad estadistica Los fractales encontrados en la naturaleza se diferencian de los fractales matematicos en que los naturales son aproximados o estadisticos y su autosimilaridad se extiende solo a un rango de escalas por ejemplo a escala cercana a la atomica su estructura difiere de la estructura macroscopica Conjunto de Mandelbrot es un fractal autosimilar generado por el conjunto de puntos estables de orbita acotada bajo cierta transformacion iterativa no lineal Paisajes fractales este tipo de fractales generados computacionalmente pueden producir paisajes realistas convincentes Fractales de pinturas se utilizan para realizar el proceso de decalcomania Su dimension de Hausdorff Besicovitch es estrictamente mayor que su dimension topologica Se define mediante un simple algoritmo recursivo No basta con una sola de estas caracteristicas para definir un fractal Por ejemplo la recta real no se considera un fractal pues a pesar de ser un objeto autosimilar carece del resto de caracteristicas exigidas Un fractal natural es un elemento de la naturaleza que puede ser descrito mediante la geometria fractal Las nubes las montanas el sistema circulatorio las lineas costeras 3 o los copos de nieve son fractales naturales Esta representacion es aproximada pues las propiedades atribuidas a los objetos fractales ideales como el detalle infinito tienen limites en el mundo natural Los ejemplos clasicos Editar Para encontrar los primeros ejemplos de fractales debemos remontarnos a finales del siglo XIX en 1872 aparecio la funcion de Weierstrass cuyo grafo hoy en dia considerariamos fractal como ejemplo de funcion continua pero no diferenciable en ningun punto Sucesivos pasos de la construccion de la Curva de Koch Posteriormente aparecieron ejemplos con propiedades similares pero una definicion mas geometrica Dichos ejemplos podian construirse partiendo de una figura inicial semilla a la que se aplicaban una serie de construcciones geometricas sencillas La serie de figuras obtenidas se aproximaba a una figura limite que correspondia a lo que hoy llamamos conjunto fractal Asi en 1904 Helge von Koch definio una curva con propiedades similares a la de Weierstrass el copo de nieve de Koch En 1915 Waclaw Sierpinski construyo su triangulo y un ano despues su alfombra Construccion de la alfombra de Sierpinski Paso 1 semilla Paso 2 Paso 3 Paso 4 Paso 5Estos conjuntos mostraban las limitaciones del analisis clasico pero eran vistos como objetos artificiales una galeria de monstruos como los denomino Poincare Pocos matematicos vieron la necesidad de estudiar estos objetos en si mismos 4 En 1919 surge una herramienta basica en la descripcion y medida de estos conjuntos la dimension de Hausdorff Besicovitch Los conjuntos de Julia Editar En negro imagen del Conjunto de Mandelbrot superpuesto con los conjuntos de Julia rellenos representados por algunos de sus puntos en rojo los conjuntos de Julia conexos y en azul los no conexos Estos conjuntos fruto de los trabajos de Pierre Fatou y Gaston Julia en los anos 1920 surgen como resultado de la aplicacion reiterada de funciones holomorfas z f z f f z displaystyle z mapsto f z mapsto f f z mapsto ldots Analicemos el caso particular de funciones polinomicas de grado mayor que uno Al aplicar sucesivas veces una funcion polinomica es muy posible que el resultado tienda a displaystyle infty Al conjunto de valores de z C displaystyle z in C que no escapan al infinito mediante esta operacion se le denomina conjunto de Julia relleno y a su frontera simplemente conjunto de Julia Estos conjuntos se representan mediante un algoritmo de tiempo de escape en que cada pixel se colorea segun el numero de iteraciones necesarias para escapar Suele usarse un color especial a menudo el negro para representar los puntos que no han escapado tras un numero grande y prefijado de iteraciones Ejemplos de conjuntos de Julia para f c z z 2 c displaystyle f c z z 2 c En blanc conjunto de Julia relleno asociado a fc c 1 f donde f es el numero aureo Conjunto de Julia relleno asociado a fc c f 2 f 1 i 0 382 0 618i Conjunto de Julia relleno asociado a fc c 0 835 0 2321iFamilias de fractales el conjunto de Mandelbrot Editar La familia de conjuntos de Julia f c displaystyle f c asociadas a la reiteracion de funciones de la forma f c z z 2 c displaystyle f c z z 2 c presenta conjuntos de una variedad sorprendente Dicha familia tendra especial relevancia al quedar parametrizada en un mapa de fractales popularizado en los anos 1980 llamado conjunto de Mandelbrot Este conjunto M representa un mapa en que cada pixel correspondiente a un valor del parametro c C displaystyle c in mathbb C se colorea de modo que refleje una propiedad basica del conjunto de Julia asociado a f c displaystyle f c En concreto c M displaystyle c in M si el conjunto de Julia asociado a f c displaystyle f c es conexo Iterando funciones de forma alternativa se generan los fractales oscilantes El metodo de Mandelbrot diferentes fractales iterando potencias de Z Editar A continuacion se muestra una serie de fractales de las diferentes potencias de Z Zm C segun el metodo de Mandelbrot Todos los puntos del plano complejo C Cx iCy son iterados por adicion a la funcion correspondiente Todas las iteraciones parten de los puntos x 0 iy 0 Cuando la iteracion converge se colorea de amarillo palido La divergencia a infinito es coloreada mediante un patron cromatico desde el negro al azul El fractal derivado de la funcion Z Z2 C se denomina conjunto de Mandelbrot Ejemplos de fractales del tipo MandelbrotZ Zm C Z Z2 CConjunto de Mandelbrot Z Z3 C Z Z4 C Z Z5 C Z Z6 C Z Z7 C Z Z8 C Z Z9 C Z Z10 C Z Z11 C Z Z12 C Z Z20 CEjemplos de fractales del tipo MandelbrotZ Zm 1 CAqui cuando la iteracion converge se ha coloreado de negro Z Z2 1 C Z Z3 1 C Z Z4 1 C Z Z5 1 C Z Z6 1 C Z Z7 1 CMas fractales segun el metodo de Mandelbrot Z Z2 C6 1 Zo 0 0i Z Cos Z 1 C Zo 0 0i Z Exp Z2 Z Sqr C3 Zo 1 1i Z Exp Z2 1 00001 Z Sqr C3 Zo 0 0i Z Exp Z2 1 00001 Z C3 Zo 0 0i Z Sin Z C2 Zo 1 0i Z Cos Z C Zo 0 0i Z Cos Z C 3 Zo 0 0i Z Exp Z 3 C 3 Zo 0 0i Z Exp C 3 Z 3 Zo 0 0i Z Exp Z C 4 Zo 0 0i Z Z2 C2 Z2 C C Zo 0 0i Z Z2 C2 C4 0 1 Zo 0 0i Z Z2 C2 C4 0 25 Zo 0 0i Z SinH Z C Zo 0 1i Z SinH Z 1 C Zo 0 90 0 05i Z SinH Z 1 C2 Zo 1 0 1i Z Exp Z2 C5 C Zo 0 0i El metodo de Julia diferentes fractales iterando potencias de Z Editar A continuacion se muestra una serie de fractales de las diferentes potencias de Z Zm C segun el metodo de Julia por el matematico frances Gaston Julia Todos los puntos del plano complejo Z x iy son iterados en la funcion correspondiente A todas las iteraciones se le anade una constante arbitraria Cx iCy de tal modo que la eleccion de la constante semilla determina de forma univoca la forma y el color del fractal una vez ha sido definido el patron cromatico En los ejemplos mostrados a continuacion se ha elegido una constante tal que solo produce divergencia y se ha coloreado con el algoritmo de la velocidad de escape Ejemplos de fractales del tipo Julia Z Zm C Z Z2 C Cx 0 279 Cy 0 000 Z Z3 C Cx 0 400 Cy 0 000 Z Z4 C Cx 0 484 Cy 0 000 Z Z5 C Cx 0 544 Cy 0 000 Z Z6 C Cx 0 590 Cy 0 000 Z Z7 C Cx 0 626 Cy 0 000Ejemplos de fractales de tipo Julia de la funcion exponencial Z Zm C Z Exp Z C Cx 0 65 Cy 0 00 Z Exp Z3 C Cx 0 59 Cy 0 00 Z Exp Z3 C Cx 0 621 Cy 0 00Zoom x9 Z Z Exp Z C Cx 0 04 Cy 0 00 Z Z2 Exp Z C Cx 0 21 Cy 0 00 Z Z3 Exp Z C Cx 0 33 Cy 0 00 Z Z4 Exp Z C Cx 0 41 Cy 0 00Ejemplos de fractales del tipo Julia de funciones complejas Z Sqr SinH Z2 CCx 0 065 Cy 0 122 Z Z2 Z LN Z CCx 0 268 Cy 0 060El metodo de Newton Editar El metodo de Newton intenta encontrar por iteracion las raices de la funcion F Z 1 0 Se itera la funcion F Z con cada punto del plano complejo x iy siendo Z x1 iy1 hasta la convergencia de x1 i y1 segun la siguiente formula Zn 1 Zn F Zn F Zn en donde F Z es la derivada Se ha coloreado con el algoritmo de la velocidad de convergencia conceptualmente identico al de la velocidad de escape y presenta similitudes con el metodo de Julia Ejemplos de fractales de tipo Newton de algunas funciones de variable compleja Z4 1 0Zn 1 3 Zn4 1 4 Zn3 Z6 Z3 1 0 SIN Z 1 0 COSH Z 1 0Caracteristicas de un fractal EditarAutosimilitud Editar Segun B Mandelbrot un objeto es autosimilar o autosemejante si sus partes tienen la misma forma o estructura que el todo aunque pueden presentarse a diferente escala y pueden estar ligeramente deformadas 5 Los fractales pueden presentar tres tipos de autosimilitud Autosimilitud exacta Este es el tipo mas restrictivo de autosimilitud exige que el fractal parezca identico a diferentes escalas A menudo la encontramos en fractales definidos por sistemas de funciones iteradas IFS Cuasiautosimilitud Cuasiautosimilitud en el conjunto de Mandelbrot al variar la escala obtenemos copias del conjunto con pequenas diferencias Exige que el fractal parezca aproximadamente identico a diferentes escalas Los fractales de este tipo contienen copias menores y distorsionadas de si mismos Matematicamente D Sullivan definio el concepto de conjunto cuasiauto similar a partir del concepto de cuasi isometria Los fractales definidos por relaciones de recurrencia son normalmente de este tipo Autosimilitud estadistica Es el tipo mas debil de autosimilitud se exige que el fractal tenga medidas numericas o estadisticas que se preserven con el cambio de escala Los fractales aleatorios son ejemplos de fractales de este tipo Dimension fractal y dimension de Hausdorff Besicovitch Editar Entre los fractales podemos encontrar ejemplos como curvas que llenan todo el plano En ese caso la dimension topologica de la curva que es uno no nos informa sobre la forma en que esta ocupa el espacio ambiente De modo general podriamos preguntarnos como densamente un conjunto ocupa el espacio metrico que lo contiene Los numeros que nos informan objetivamente de este tipo de cuestiones son La dimension fractal Las formulas que la definen tienen que ver con el recuento de las bolas necesarias para recubrir el conjunto o con el de cajas de una cuadricula que contienen parte del conjunto cuando las dimensiones de unas y otras tienden a cero Podemos medir la dimension fractal de objetos reales lineas de la costa 1 2 nubes arboles etc Con estas medidas podemos comparar objetos del mundo real con fractales generados por algoritmos matematicos La dimension de Hausdorff Besicovitch Autosimilitud estadistica de un fractal generado por el proceso de agregacion limitada por difusion Tiene una definicion mas compleja que la de dimension fractal Su definicion no suele usarse para comparar conjuntos del mundo real Definicion por algoritmos recursivos Editar Podemos destacar tres tecnicas comunes para generar fractales Sistemas de funciones iteradas IFS Unos conjuntos se reemplazan recursivamente por su imagen bajo un sistema de aplicaciones el conjunto de Cantor la alfombra de Sierpinski el triangulo de Sierpinski la curva de Peano la curva del dragon el copo de nieve de Koch o la Esponja de Menger son algunos ejemplos Fractales de algoritmos de Escape Definidos por una relacion de recurrencia en cada punto del espacio por ejemplo el plano complejo el conjunto de Mandelbrot conjunto de Julia y el fractal de Lyapunov Fractales aleatorios Generados por procesos estocasticos no deterministas el movimiento browniano el vuelo de Levy los paisajes fractales o los arboles brownianos Estos ultimos son producidos por procesos de agregacion por difusion limitada Aspectos matematicos EditarIntentos de definicion rigurosa Editar El concepto de fractal no dispone en el ano 2008 de una definicion matematica precisa y de aceptacion general Intentos parciales de dar una definicion fueron realizados por B Mandelbrot que en 1982 definio fractal como un conjunto cuya dimension de Hausdorff Besicovitch es estrictamente mayor que su dimension topologica El mismo reconocio que su definicion no era lo suficientemente general D Sullivan que definio matematicamente una de las categorias de fractales con su definicion de conjunto cuasiautosimilar que hacia uso del concepto de cuasi isometria Dimension fractal Editar Articulo principal Dimension fractalPuede definirse en terminos del minimo numero N ϵ displaystyle N epsilon de bolas de radio ϵ displaystyle epsilon necesarias para recubrir el conjunto como el limite D F lim ϵ 0 ln N ϵ ln 1 ϵ displaystyle D F lim epsilon to 0 ln N epsilon over ln 1 epsilon O en funcion del recuento del numero de cajas N n displaystyle N n de una cuadricula de anchura 1 2 n displaystyle 1 2 n que intersecan al conjunto D F lim n ln N n ln 2 n displaystyle D F lim n to infty ln N n over ln 2 n Se demuestra que ambas definiciones son equivalentes y que son invariantes bajo isometrias 6 Dimension de Hausdorff Besicovitch Editar De una definicion mas compleja la dimension de Hausdorff Besicovitch nos proporciona un numero D H A displaystyle D H A tambien invariante bajo isometrias cuya relacion con la dimension fractal D F A displaystyle D F A es la siguiente 0 D H A D F A displaystyle 0 leq D H A leq D F A Esto permite distinguir en algunos casos entre conjuntos con la misma dimension fractal Dimension de fractales producidos por un IFS Editar Un sistema iterativo de funciones IFS es un conjunto de funciones contractivas definidas sobre un subconjunto de R n displaystyle mathbb R n Cuando no hay solapamiento entre las imagenes de cada funcion se demuestra que D F D H displaystyle D F D H y que ambas pueden calcularse como solucion de la ecuacion c 1 D c 2 D c k D 1 displaystyle c 1 D c 2 D dots c k D 1 donde ci designa el factor de contraccion de cada aplicacion contractiva del IFS Aplicaciones EditarSe han utilizado tecnicas de fractales en la compresion de datos y en diversas disciplinas cientificas Compresion de imagenes Editar Comprimir la imagen de un objeto autosemejante como el helecho de la figura no es dificil haciendo uso del teorema del collage debemos encontrar un IFS conjunto de transformaciones que lleva la figura completa en negro en cada una de sus partes autosemejantes rojo azul celeste y azul marino La informacion sobre la imagen quedara codificada en el IFS y la aplicacion reiterada de dichas transformaciones permite obtener la imagen procesada en cuestion Pero el enfoque anterior plantea problemas con muchas imagenes reales no esperamos por ejemplo que la imagen de un gato presente pequenos gatitos distorsionados sobre si mismo Para solventarlo en 1989 Arnaud Jacquin creo el esquema de sistemas de funciones iteradas particionadas en el se subdivide la imagen mediante una particion y para cada region resultante se busca otra region similar a la primera bajo las transformaciones apropiadas 7 El esquema resultante es un sistema de compresion con perdidas de tiempo asimetrico Lamentablemente aun se tarda mucho en encontrar las transformaciones que definen la imagen No obstante una vez encontradas la descodificacion es muy rapida La compresion aunque dependa de muchos factores suele ser equiparable a la compresion JPEG con lo cual el factor tiempo resulta determinante para decantarse por uno u otro sistema Modelado de formas naturales Editar Fraccion de un fractal Mandelbrot Las formas fractales las formas en la que las partes se asemejan al todo estan presentes en la materia biologica junto con las simetrias las formas basicas que solo necesitan la mitad de informacion genetica y las espirales las formas de crecimiento y desarrollo de la forma basica hacia la ocupacion de un mayor espacio como las formas mas sofisticadas en el desarrollo evolutivo de la materia biologica en cuanto que se presentan en procesos en los que se producen saltos cualitativos en las formas biologicas es decir posibilitan catastrofes hechos extraordinarios que dan lugar a nuevas realidades mas complejas como las hojas que presentan una morfologia similar a la pequena rama de la que forman parte que a su vez presentan una forma similar a la rama que a su vez es similar a la forma del arbol y sin embargo cualitativamente no es lo mismo una hoja forma biologica simple que una rama o un arbol forma biologica compleja Fenomenos naturales que presentan caracteristicas de fractales espaciales o temporales incluyen ADN Algas Arboles Citoesqueleto de actina 8 Costas Cristales 9 Cuernos de cabras monteses Cadenas montanosas Olas marinas 10 Ananas Proteinas 11 Anillos de Saturno 12 13 Coliflor romanesco 14 Copos de nieve 15 Fluidos turbulentes 16 17 Movimiento browniano 18 optica geometrica 19 Poros terrestres 20 Redes fluviales Relampagos Ritmo cardiaco 21 Sonidos cardiacos 22 Terremotos 23 24 Vasos sanguineos y pulmonaresSistemas dinamicos Editar Un atractor extrano el atractor de Lorenz Pero ademas las formas fractales no solo se presentan en las formas espaciales de los objetos sino que se observan en la propia dinamica evolutiva de los sistemas complejos ver teoria del caos Dinamica que consta de ciclos en los que partiendo de una realidad establecida simple acaban en la creacion de una nueva realidad mas compleja que a su vez forman parte de ciclos mas complejos los cuales forman parte del desarrollo de la dinamica de otro gran ciclo Las evoluciones dinamicas de todos estos ciclos presentan las similitudes propias de los sistemas caoticos En manifestaciones artisticas Editar Imagen generada con el programa Apophysis La musica puede contener formas fractales La musica tradicionalmente ha contado con especial facilidad a la hora de asimilar su lenguaje con el de las matematicas Los procesos de disminucion y aumentacion son reflejo de las cualidades de autosemejanza y autorreferencia pudiendo continuar su logica constructiva ad infinitum Algunas obras clasicas de Beethoven Bach y Mozart son ejemplos representativos segun revelo un estudio cita requerida 25 El metodo que siguieron estos compositores ya sea de manera intencionada o no para integrar fractales y matematicas era mediante una analogia entre una dimension fractal y el numero y la disposicion de las diferentes notas de una obra o pieza 26 cita requerida Se usan tanto en la composicion armonica y ritmica de una melodia como en la sintesis de sonidos Esto se debe al uso de lo que en composicion se llaman micromodos o pequenos grupos de tres notas a partir de los cuales uno puede trabajarlos de manera horizontal melodica o vertical armonica A su vez el ritmo puede ser trabajado en sucesiones temporales especificas que son determinadas por sucesiones de fractales Por otra parte las litografias del artista neerlandes Maurits Cornelis Escher 1898 1972 desarrollaron con frecuencia estructuras matematicas complejas y avanzadas Con programas informaticos como Apophysis Sterling o Ultra Fractal se pueden hacer imagenes con tecnicas diversas cambiando parametros geometria de triangulos o con transformaciones aleatorias Vease tambien EditarAnexo Fractales por dimension de Hausdorff Desarrollo de fractales mediante el metodo de Mandelbrot Caos y fractales Cuanto mide la costa de Gran Bretana Grafo simetrico Dimension Paisaje fractal Recursividad Sistema de funciones iteradas Sistema L Cosmologia Fractal Relatividad de Escala Teoria del caosReferencias Editar Benoit Mandelbrot La Geometria Fractal de la Naturaleza Tusquets ISBN 84 8310 549 7 Falconer Kenneth 2003 Fractal Geometry Mathematical Foundations and Applications John Wiley amp Sons Ltd pp XXV ISBN 0 470 84862 6 Cuanto mide la costa de Gran Bretana Stewart Ian De aqui al infinito Critica Grijalbo Mondadori S A 1998 ISBN 84 7423 853 6 B Mandelbrot Los objetos fractales Forma azar y dimension Tusquets Editores S A 1993 ISBN 978 84 7223 458 1 Barnsley M Fractals everywhere Academic Press 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FractNep Archivado el 20 de abril de 2016 en Wayback Machine Explorador interactivo de fractales Mandelbrot Julia Newton freeware para Windows VideosVideos de fractales en Commons Video Mandelbox Ejemplo de 3D fractal Datos Q81392 Multimedia FractalsObtenido de https es wikipedia org w index php title Fractal amp oldid 138702483, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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