miércoles, 11 de febrero de 2015

Sobre Benoit Mandelbrot y el descubrimiento de la dimension fractal


                                               



De origen polaco, Benoit Mandelbrot fue un matemático que desarrolló el concepto de los fractales durante las décadas de los años setentas y los años ochentas, hoy en dia se ha convertido en un amplio campo de estudio así como también en un tema muy popular. Mandelbrot desarrolló la teoría de que el concepto fractal se manifiesta tanto en las matemáticas como en la naturaleza así como también a través de otros fenómenos.  


-Historia y estudios:

Mandelbrot nace en Varsovia, Polonia en 1924 pero emigra a Francia en 1936. Su interés por las matemáticas surge desde niño gracias a sus dos tíos. Mandelbrot es adoptado por su tío Slozem Mandelbrojt, matemático y profesor en la Collège de France. 

Durante los años de la Segunda Guerra Mundial Mandelbrot tuvo que esconderse debido a la ocupación nazi en Francia. Esto fue difícil para el pues no podía atender a la escuela de una manera regular por lo que muchas veces tuvo que auto enseñarse, esto permitió que Mandelbrot pensara de manera diferente, en cierto contraste a la educación tradicional por lo cual se acercó a las matemáticas y a la geometría del mismo modo. 

De 1945 a 1947 estudia en la universidad École Polytechnique bajo la tutoría de Paul Lévy y Gaston Julia, dos conocidos matemáticos franceses cuyo trabajo influenciará a Mandelbrot ha desarrollar la teoría fractal. 

En 1947, Mandelbrot decide viajar a los Estados Unidos para terminar su carrera en el Instituto de Tecnología de California. Logra conseguir una maestría en aeronáutica y mas tarde en 1952 consigue su doctorado en el campo de ciencias matemáticas en la Universidad de Paris. 

Mandelbrot regresa a los Estados Unidos en 1958 y se une a la corporación IBM en donde permanecerá trabajando en el campo de programación y computación, al mismo tiempo también desarrolla estudios en los campos de física y de economía, notando ciertos cambios y constantes durante un cierto periodo de tiempo.


-La Teoría Fractal y el Set de Mandelbrot:

El tener acceso a IBM dio a Mandelbrot las posibilidades para poder seguir desarrollando sus estudios matemáticos a través de el uso de la programación en computadora. Sus investigaciones matemáticas aplicadas a distintas ramas de la ciencia y otros campos, trabajando con ciertos datos a través de un cierto tiempo,  hacen notar a Mandelbrot que existen una serie de patrones que al ser colocados en una tabla grafica, a través de ecuaciones aplicadas se pueden traducir para poderse leer de un modo geométrico, algo que el ya había deducido desde sus años en la universidad. 

Durante estos tiempos Mandelbrot también analiza el problema de línea costera de Inglaterra, postulada por el científico ingles Lewis Richardson. Este problema nos presenta la pregunta de como se puede medir de manera exacta a la línea costera de Inglaterra? el problema reside en que al observar la línea costera desde distintas distancias, en las cuales se repiten ciertos patrones; Empezando por observar a la isla como un punto, hasta las primeras líneas y curvas las cuales no son lisas sino que son mas curveas y torcidas mientras mas se acerca la perspectiva, creando así el problema de que los patrones de complejidad se repiten hasta llegar a la perspectiva molecular.

Es aquí cuando Mandelbrot deduce sus primeras conclusiones sobre la teoría fractal y las diferentes dimensiones que se llegan a crear. El termino fractal viene de la palabra en latín "fractus" que significa romper. Mandelbrot utiliza este termino para representar objetos o superficies los cuales cuentan con una irregularidad en cuanto a diferentes dimensiones de escala. Al observar una fractal podemos ver que los patrones se repiten, de manera en que cada forma se atiene a su misma forma; tanto en gran escala como en la escala mas pequeña. A esto Mandelbrot lo llama el principio de la "auto-similaridad" en el cual todos los patrones son similares y están conectados, aunque a una escala diferente. 

Mandelbrot concibe la idea de que mientras nosotros percibimos los objetos en primera, segunda y tercera dimensión; también existen dimensiones en donde se conciben como fractales creando así una complejidad de patrones repetitivos que Mandelbrot define como la "rugosidad" encontrada en las formas de los objetos y de la naturaleza en si. 

Gracias a esta observación Mandelbrot regresa al set matemático de Gaston Julia el cual traduce a algoritmos que introduce en la computadora para ser representados de una manera visual. Estos crean ciertos patrones de complejidad, infinidad y belleza. Es así como Mandelbrot crea su propio set través de su propio desarrollo matemático en base al set de Julia. Hoy en día ambos sets han sido traducidos a animaciones computarizadas, las cuales también han sido modificadas de distintos modos.

     

                                      

                                         Set de Mandelbrot generado por computadora.


En 1982, Mandelbrot publica el libro basado en el campo de estudio de la teoría fractal llamado Geometría Fractal de la Naturaleza. Después de trabajar en IBM por un largo periodo, a la edad de 75 años, Mandelbrot consigue un puesto en la Universidad de Yale y también es parte de instituciones y laboratorios importantes. 


-Conclusión/Reflexión:

El tema de las fractales siempre me ha interesado desde hace tiempo. Creo que todas las personas tienen la capacidad de llegar a percatarse de estos pequeños detalles, detalles que se traducen a patrones que nos rodean en todos lados y que de un modo u otro sabemos que están ahí aunque no nos percatamos.

 Lo interesante es que una vez que nos percatamos de las dimensiones de las cosas nos damos cuenta de que existen aquellas dimensiones fractales tanto en el macrocosmos como en el microcosmos. Definitivamente es un tema que causa asombro. Cuando pienso en esta "rugosidad" a la que se refiere Mandelbrot, lo puedo relacionar a la idea de inmensidad del universo o al microscópico tamaño de una célula, como todo es parte lo uno del otro y como por ejemplo algunas formas se repiten; como la esfera, que se repite en formas como los planetas o en el modelo del átomo.

El desarrollo del estudio de fractales en la naturaleza ya había sido observado desde mucho antes que Mandelbrot, con Leonardo Da Vinci y su "regla de las ramas" por ejemplo. En esta describe en sus apuntes que; todas las ramas de un árbol en el estado de su altura máxima, al ser colocadas juntas tienen el mismo grosor que el tronco. Esto ha sido probado no ser cierto aunque nos da una idea sobre la teoría de las fractales. Aun así, si observamos la manera en la que crece un árbol desde su estado en semilla hasta alcanzar su madurez podemos ver que sigue un cierto patrón fractal extendiendo sus ramas las cuales son partes cada vez mas pequeñas del tronco principal. Podemos observar el patrón de la rugosidad fractal en todo lo que nos rodea incluyéndoos a nosotros mismos; desde nuestro sistema circulatorio hasta nuestro sistema respiratorio. Algunas formas fractales también parecen surgir en las visiones psicodélicas de estados alterados. Un ejemplo de fractales en la naturaleza se puede encontrar muy claramente en ciertas variedades de alcachofas o de helechos:













                                                    

Aunque estas observaciones se hayan hecho antes, Mandelbrot no es necesariamente el creador de este campo de estudio, sino aquel que lo desarrollo reuniendo los elementos necesarios y también, lo popularizó en la ciencia moderna, demostrándolo de una manera clara. Gaston Julia fue el primero en desarrollar el set matemático que también seria la base de construcción para el set de Mandelbrot pero fue Benoit Mandelbrot el primero en traducir este lenguaje matemático a una imagen geométrica generada a través de los nuevos medios tecnológicos, logrando así comparar los patrones generados en una computadora a través de su ecuación con aquellos que encontramos en la naturaleza. Fue un gran logro que concibió una visión nueva del mundo y del universo y que también aplica a casi todos los campos de estudio y nos brinda nuevas oportunidades de estudio y de creación.

Las computadoras jugaron un papel critico en este descubrimiento pues sin ellas seria difícil generar las graficas en computadora y la cantidades exponenciales de códigos para continuar la ecuación de esta manera en la cual se pueden crear los complejos patrones que podemos observar en los sets de Julia y Mandelbrot.

Definitivamente es el descubrimiento de algo que de alguna manera dibuja la existencia de la vida misma y del universo observada desde distintas dimensiones y lo cual ha abierto nuevos campos de estudio tanto en la física como en la metafísica.




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