Caos

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1 Sistemas no lineales, caos y fractales Objetivos Comprender la diferencia entre simplicidad y complejidad. Demostrar como nace el caos a partir de sistemas determinísticos sencillos. Obtener una visión de los modelos no lineales caóticos en biología, fisiología y anatomía. Comprender la relación entre el caos y los fractales. Analizar algunos ejemplos interesantes de la aparición de estructuras fractales en la naturaleza. Observación Caos no es una técnica de modelización, es una propiedad matemática de algunas ecuaciones determinísticas. Organización Introducción y Motivación Simplicidad vs Complejidad Estabilidad y Caos. Caos en sistemas discretos: La ecuación logística. Caos en sistemas continuos Fractales. ¿Quién creo el caos? Un médico, un ingeniero civil y una informática estaban discutiendo acerca de cuál era la profesión más antigua del mundo. El médico señaló: “Bueno, en la Biblia dice que Dios creó a Eva de una costilla que le quitó a Adán. Evidentemente, esto requirió cirugía, y por eso bien puedo afirmar que la mía es la profesión más antigua de mundo.El ingeniero civil interrumpió y dijo: “Pero incluso antes, en el Génesis, se dice que Dios creó el orden de los cielos y la tierra a partir de caos. Esta fue la primera y desde luego la más espectacular aplicación de la ingeniería civil. Por lo tanto, querido doctor, está usted equivocado: la mía es la más antigua de las profesiones.La informática se reclinó en su silla, sonrió, y dijo tranquilamente: “Pero bueno, ¿quién piensan que creó el caos?” G. Booch, Complejidad. Caos vs Cosmos Caos (“χάος”) es el estado sin forma y vacio que precede a la formación del cosmos en las cosmogonías antiguas. Cosmos (“κόσμος”) es un sistema ordenado o armonioso. Deriva del término griego que significa orden. Es la antítesis del caos.

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Teoría de caos con aplicaciones en negocios.

Transcript of Caos

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    Sistemas no lineales, caos y

    fractales

    Objetivos

    Comprender la diferencia entre simplicidad y complejidad.

    Demostrar como nace el caos a partir de sistemas determinsticos sencillos.

    Obtener una visin de los modelos no lineales caticos en biologa, fisiologa y anatoma.

    Comprender la relacin entre el caos y los fractales.

    Analizar algunos ejemplos interesantes de la aparicin de estructuras fractales en la naturaleza.

    Observacin

    Caos no es una tcnica de modelizacin, es

    una propiedad matemtica de algunas

    ecuaciones determinsticas.

    Organizacin

    Introduccin y Motivacin

    Simplicidad vs Complejidad

    Estabilidad y Caos.

    Caos en sistemas discretos:

    La ecuacin logstica.

    Caos en sistemas continuos

    Fractales.

    Quin creo el caos?

    Un mdico, un ingeniero civil y una informtica estaban discutiendo

    acerca de cul era la profesin ms antigua del mundo. El mdico

    seal: Bueno, en la Biblia dice que Dios cre a Eva de una costilla

    que le quit a Adn. Evidentemente, esto requiri ciruga, y por eso

    bien puedo afirmar que la ma es la profesin ms antigua de mundo.

    El ingeniero civil interrumpi y dijo: Pero incluso antes, en el

    Gnesis, se dice que Dios cre el orden de los cielos y la tierra a partir

    de caos. Esta fue la primera y desde luego la ms espectacular

    aplicacin de la ingeniera civil. Por lo tanto, querido doctor, est usted

    equivocado: la ma es la ms antigua de las profesiones. La

    informtica se reclin en su silla, sonri, y dijo tranquilamente: Pero

    bueno, quin piensan que cre el caos?

    G. Booch, Complejidad.

    Caos vs Cosmos

    Caos () es el estado sin forma y

    vacio que precede a la formacin del

    cosmos en las cosmogonas antiguas.

    Cosmos () es un sistema

    ordenado o armonioso. Deriva del

    trmino griego que significa orden.

    Es la anttesis del caos.

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    Del Caos al Cosmos

    Auto-gnesis (p.ej. Egipcios) vs Creacin.

    En el principio era el verbo y el verbo

    estaba en Dios, y el verbo era Dios. Todas

    las cosas fueron hechas por l y sin l no

    se hizo nada de todo lo que existe. (Jn 1:1)

    Notas histricas

    500 a.C.: Leucipo de Mileto

    Determinacin ontolgica:

    Nada sucede porque s, sino que todo sucede con

    razn y por necesidad,

    Esta formulacin es la que ha pasado a la

    Filosofa con el nombre de principio de

    causalidad o principio de razn

    suficiente.

    Notas histricas

    1776: El determinismo laplaciano

    Laplace, matemtico francs, afirmaba que, si

    se conociera la velocidad y la posicin de todas

    las partculas del Universo en un instante, se

    podra predecir su pasado y su futuro.

    Notas histricas

    1903: El cuestionamiento de Poincar

    Henri Poincar, matemtico francs, fue el

    primero en pensar en la posibilidad del caos, en

    el sentido de comportamiento que dependiera

    sensiblemente en las condiciones iniciales.

    El azar no es ms que la medida de la ignorancia del hombre

    Notas histricas

    1920: El debate Bohr-Einstein

    Aparece la teora cuntica y toma fuerza el

    indeterminismo. Se retoma la discusin acerca

    de la existencia de un azar objetivo y no

    meramente epistemolgico. Se cuestiona el

    principio de causalidad.

    Einstein: Dios no juega a los dados,

    Bohr: Seor Einstein, deje de decirle a

    Dios lo que debe hacer!

    Notas histricas

    1961: Edward Lorenz (meteorlogo MIT): Realiz predicciones con 12 ecuaciones y 6 cifras decimales.

    Luego utiliz slo 3 cifras decimales.

    Encontr diferencias significativas en los pronsticos.

    Simplific el sistema a slo tres ecuaciones.

    Encontr sensibilidad importante a las condiciones iniciales.

    Comportamiento que pareca aleatorio con ecuaciones determinsticas.

    Descubrimiento casual

  • 3

    Notas histricas

    1961: Edward Lorenz (meteorlogo MIT): Grafic la salida obteniendo un espiral doble, un nmero 8

    acostado, como las alas de una mariposa.

    A este comportamiento se le dio el nombre de efecto mariposa.

    Surge teora del caos.

    "el aleteo de las alas de una mariposa

    puede provocar un tornado al otro

    lado del mundo"

    Notas histricas

    1997: Ilya Prigogine (Premio Nobel 1977):

    Publica su libro El fin de las certidumbres: afirma que el determinismo no es una creencia cientfica viable, es fundamentalmente una negacin de la flecha del tiempo y pierde su poder explicativo frente a la irreversibilidad y la inestabilidad (por ej. en sistemas caticos).

    Otro libro Explorando la Complejidad

    Cuanto ms sabemos acerca de nuestro

    universo, ms difcil se vuelve a creer en

    el determinismo.

    Complejidad vs simplicidad

    No hay una definicin unnime acerca del significado del trmino complejidad.

    Proviene del latn complectere, cuya raz plectere significa trenzar, enlazar. El prefijo com aade el sentido de la dualidad de dos elementos opuestos que se enlazan ntimamente, pero sin anular su dualidad.

    Se utiliza para caracterizar algo (i.e. un sistema) con muchas partes, de ndole diversa, que forman un arreglo intrincado y que interactan entre s.

    Complejidad vs simplicidad

    Enfoque clsico lineal y reduccionista de la causalidad:

    slo mediante las leyes probabilsticas es posible obtener conocimiento cientfico causal,

    grandes causas se corresponden siempre con grandes efectos y viceversa.

    Enfoque de la complejidad: la causalidad surge y se diluye en una topologa de

    redes de interacciones no lineales distribuidas,

    emergencia de fenmenos de auto-organizacin.

    Complejidad vs simplicidad

    El enfoque de la complejidad est llamado a transformar profundamente el marco terico y conceptual de la ciencia:

    distinguir cundo nos enfrentamos a un problema complejo o a uno lineal,

    reconocer cuando uno se transforma en el otro;

    reconocer leyes, principios y categoras que rigen la causalidad en la complejidad,

    construir modelos matemticos para el estudio de los sistemas complejos,

    No todos los sistemas complejos generan caos

    Estabilidad, orden y caos

    Generalmente tendemos a tratar con situaciones estables.

    En caso contrario: Si los cambios duran muy poco tiempo en relacin a

    los perodos estables los ignoramos.

    Si los cambios duran un cierto tiempo tratamos de encontrar alguna regularidad en ellos y de no encontrar ningn patrn estable los encasillamos dentro de los ruidos o los tratamos como fenmenos aleatorios.

  • 4

    Estabilidad, orden y caos

    La teora del caos retoma estos ltimos

    casos: Ciertos sistemas no lineales muestran un

    comportamiento impredecible a pesar de no

    tener ninguna influencia del azar y ser

    enteramente determinsticos.

    Llamativamente esto puede suceder en sistemas

    extremadamente simples.

    Estabilidad, orden y caos

    En estos sistemas no lineales puede identificarse un parmetro del cual depende su comportamiento.

    Cuando este parmetro cambia podemos encontrarnos con un comportamiento: Ordenado: puntos fijos o ciclos lmite en el

    espacio de fase. Desordenado: atractores extraos en el espacio

    de fase.

    Preguntas importantes

    Qu es un atractor?

    Qu es una bifurcacin?

    Qu son los mapas iterados?

    Qu son los exponentes de Lyapunov?

    Qu sistemas pueden producir caos?

    Como identificar el caos?

    Atractor

    Un atractor es un objeto matemtico en el

    cual la dinmica de un sistema queda

    eventualmente confinada.

    Cualitativamente, el objeto es el conjunto de

    soluciones de las ecuaciones dinmicas

    cuando al sistema se le permite correr

    durante mucho tiempo.

    Tipos de Atractores

    Punto fijo: es slo un nombre

    elegante para un punto de equilibrio.

    Ciclo lmite: es una curva cerrada

    que representa las soluciones

    repetitivas.

    Toroidal: es una superficie en el

    espacio de fase en forma de anillo,

    que puede ser estirada y retorcida.

    Extrao: es una superficie similar

    pero ms complicada a la que las

    soluciones se limitan.

    Bifurcaciones

    Una estructura se bifurca cuando se divide

    en dos ramas, como en los caminos o las

    ramas de los rboles.

  • 5

    Bifurcaciones

    La palabra se aplica a ecuaciones ya que

    cualitativamente se puede representar a las

    posibles soluciones de una ecuacin como

    un camino por el que atravesamos, no a

    travs del tiempo o espacio fsico, sino a

    travs del espacio de los parmetros.

    El parmetro que se altera es llamado el

    parmetro de control.

    Del orden al caos: Bifurcaciones

    Cuando variamos continuamente este

    parmetro encontramos que existe un

    perodo en el que el sistema pasa de la

    estabilidad al caos.

    Las bifurcaciones consisten en una prdida

    de la estabilidad de una solucin atractiva

    dando lugar a otra de periodicidad doble.

    Diagrama de Bifurcaciones

    Los efectos del parmetro de control sobre

    la dinmica cualitativa estn representados

    en el diagrama de bifurcacin, que es una

    grfica x-y con el parmetro de control en el

    eje de abscisas y los valores a largo plazo de

    la variable de estado en la ordenada.

    Algoritmo p/Diagrama de

    Bifurcaciones 1. Establecer valor inicial y mximo del parmetro y N de

    valores a muestrear.

    2. Ejecutar la simulacin durante M pasos de tiempo (para que el sistema se establezca en el comportamiento de largo plazo).

    3. Mientras que el valor del parmetro sea inferior al

    mximo, hacer:

    1. Ejecutar la simulacin durante M pasos de tiempo adicionales.

    2. Guardar una muestra de la dinmica [por ejemplo, encontrar los

    picos (caso continuo), o guardar el valor actual (caso discreto)].

    3. Incrementar el valor del parmetro y volver al paso 1.

    M ~ 200 a veces ms, diferentes condiciones iniciales

    Ecuaciones de recurrencia

    Podemos expresar en forma genrica la solucin

    de una ecuacin en diferencias de primer orden y

    tiempo discreto mediante la siguiente expresin:

    donde k es algn parmetro de la funcin F.

    x F xn k n 1 ( )

    Ecuaciones de recurrencia

    La iteracin de un sistema lineal slo puede dar

    lugar a una sucesin creciente, o a una sucesin

    que converge a cero.

    La dinmica iterativa de ecuaciones no lineales

    puede dar lugar a comportamientos extraos.

  • 6

    Recurrencia con la calculadora...

    Ponga el modo radianes para la unidad angular.

    Elija un nmero inicial cualquiera.

    Pulse una y otra vez el botn de la funcin coseno.

    La serie de nmeros que aparece en la pantalla oscilar y al cabo de un cierto nmero de pasos se aproximar a un valor estable y no habr ms cambios:

    Dicha serie de nmeros recibe el nombre de rbita, y el punto final se llama punto fijo estable.

    3.00000000000000000000000000000000

    -0.98999249660044545727157279473126

    0.548696133603097038516641574908931

    0.85320531150574707016222532057684

    ...

    0.739085128310922996144139146959862

    Mapas iterados

    Una forma de representar la

    evolucin de un sistema

    dinmico discreto es a travs de

    mapas iterados o diagramas de

    recurrencia.

    Colocamos en las abcisas los

    valores de xn+1 (=y) y en las

    ordenadas los de xn (=x).

    Luego dibujamos la funcin yA=

    g(x) = F(xn) y la recta yB=x que

    representa xn+1= xn.

    Punto fijo

    x F xn k n 1 ( )

    Mapa iterado del coseno

    1 cos( )n nx x

    0.739085128310922996144139146959862

    x

    n

    x

    y

    Atractor o punto fijo estable

    En el siguiente mapa iterado se encuentra nuevamente un punto fijo estable o atractor para la salida del sistema.

    En este caso tambin se cumple que cuando t la salida del sistema se aproxima a la interseccin de la recta yB=x con la funcin yA=g(x).

    En este caso, el punto fijo del mapa de recurrencia se corresponde con un punto crtico estable en el plano de fase del sistema dinmico equivalente.

    Puntos fijos inestables Condicin de estabilidad

    La condicin de estabilidad de un punto fijo

    xn* es:

    La derivada F puede calcularse derivando a

    F o por medio de:

    F xn '( *) 1

    F xF x F x

    nn n

    ' ( ) = lm( ) ( )

    0

  • 7

    Una medida del caos

    En las dinmicas caticas encontramos existe una gran dependencia de las condiciones iniciales.

    La separacin de rbitas vecinas est dada en promedio por una funcin exponencial (no necesariamente exacta).

    Es por esto que en la prctica se hace imposible predecir el comportamiento futuro.

    Estas ideas pueden ser cuantificadas mediante la utilizacin de los exponentes de Lyapunov.

    Exponentes de Lyapunov

    La iteracin de una ecuacin de recurrencia

    a partir de los valores iniciales x0 y x0 + da como resultado:

    Supongamos que existe un k tal que:

    F x F xkn

    kn( ) y ( + )0 0

    .

    0 0( + ) ( ) .knn n

    k kF x F x e

    n: iteracin, k: parmetro

    Exponentes de Lyapunov

    A medida que 0 y n siempre que tambin 0, tendremos:

    que expresa la separacin exponencial promedio entre la rbita partiendo de x0 y la rbita partiendo de x0 + .

    .. kne

    .0( ) kn

    nk

    n

    dF xe

    dx

    Exponentes de Lyapunov

    Luego podemos escribir:

    Si este lmite existe, k es una medida de la separacin exponencial promedio de las rbitas vecinas a todos los puntos de una rbita alrededor de un atractor.

    01 2 0

    ( )1 1lm ln lm ln '( ). '( )... '( )

    n

    kk k n k n k

    n nn

    dF xF x F x F x

    n dx n

    1

    0

    1lm ln '( )

    n

    k k in

    i

    F xn

    Regla de la Cadena

    Exponentes de Lyapunov

    Separacin exponencial promedio de las rbitas vecinas a todos los puntos de una rbita alrededor de un atractor.

    Exponentes de Lyapunov

    Para ciclos estables k < 0 y las rbitas convergen.

    Para atractores extraos encontramos que k > 0 y

    las rbitas no convergen.

    Siendo cuando ocurre una bifurcacin

    tenemos entonces k= 0.

    Se llaman ciclos superestables cuando k - ya

    que en estos casos y la velocidad de

    convergencia a la estabilidad es mxima.

    '( ) 1k nF x

    '( ) 0k nF x

  • 8

    Caos en sistemas discretos

    La ecuacin logstica

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Una de las ecuaciones ms sencillas que describen sistemas caticos.

    Est inspirada en un modelo poblacional (Lotka-Verhulst):

    Poblacin de N(t) individuos y recursos limitados dados por r

    dN

    dtr N

    N

    N

    1

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Si discretizamos esta ecuacin utilizando el mtodo de Euler podemos llegar a:

    Nt +1 = k Nt (1- Nt ) , 0 < N < 1,

    donde k juega el papel de r.

    Esta ecuacin de recurrencia se denomina ecuacin logstica.

    Nt +1 = k (-Nt2 + Nt ), 0 < N < 1,

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    () 2 - ()

    No linealidad

    z -1

    k -

    Ganancia

    Retardo

    Nt+1

    Nt

    Sistema no lineal de control realimentado con retardo

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Observacin:

    Este modelo demogrfico simple de tiempo

    discreto podemos considerarlo basado en

    generaciones.

    Puede considerarse que cada 20 aos aparece

    una nueva generacin, por lo que no es

    necesario considerar los instantes de tiempo

    intermedios.

    Que pasa cuando cambiamos k?

    Ejemplo: la ecuacin logstica

  • 9

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    En la notacin anterior:

    En este caso tendremos puntos fijos de la

    recurrencia cuando:

    F N k N Nk t t t( ) ( ) . 1

    F N N k N kNk t t t t( ) ( - ) + 121 0

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Para k < 1 (mortandad mayor que natalidad)

    la ecuacin anterior posee una nica

    solucin Nt(1)=0.

    Para k >1 encontramos dos soluciones:

    (1) (2) 10 y =t t

    kN N

    k

    Para k = 2.9 tenemos el siguiente resultado:

    Ejemplo: la ecuacin logstica Ejemplo: la ecuacin logstica

    En el contexto demogrfico:

    la vida no aparece espontneamente de la nada,

    pero si hay una cantidad de individuos, por

    pequea que sea, la especie no desaparecer (en

    este modelo simple), sino que tender a un

    valor estacionario no nulo que depender de la

    cantidad de alimento disponible.

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Para llegar a un punto fijo estable en la

    recurrencia debe cumplirse que:

    Entonces:

    F N k Nk t t'( *) ( *) 1 2 1.

    1 1F N kk t'( )(1)

    1 2 1F N kk t'( )(2)

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Para k > 3 ambos puntos

    fijos son inestables.

    La desestabilizacin de Nt(1)

    cuando k=1 se produce

    porque F1(0)=1.

    Para Nt(2) en k=3 tenemos

    F1(0)= -1. As en k=3 se

    produce la bifurcacin o

    duplicacin de perodo.

  • 10

    Para k = 3.1 se produce la bifurcacin:

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Ahora la comida ha aumentado hasta el punto en que una generacin pequea dispone de tanto alimento que tiene un rpido crecimiento de forma sbita, mientras que en la siguiente generacin hay demasiados individuos pero una cantidad insuficiente de comida, por lo que la poblacin vuelve a bajar en la siguiente generacin, y as sucesivamente.

    Este comportamiento estable puede observarse en algunas colonias de bacterias.

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Si seguimos aumentando k, este ciclo de periodo 2 se convierte en un ciclo de periodo 4, despus en uno de periodo 8, y as sucesivamente.

    En cada bifurcacin, el sistema sufre un cambio drstico en su comportamiento a largo plazo.

    Para k > 3.5699 el sistema ya no sigue un ciclo peridico, sino que siempre vara sin repetirse a s mismo.

    Este comportamiento recibe el nombre de caos.

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Para k = 3.9 tenemos:

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Si representamos los puntos fijos estables, o los puntos

    pertencientes a ciclos estables, en funcin de k, se puede

    ver que cada uno de los ciclos se bifurca en otro de periodo

    doble que el original.

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    N,k

    k Diagrama de bifurcacin

    Por encima de k=3.5699 el comportamiento es catico, por

    lo que un continuo puntos corresponden a un mismo valor

    de k (la rbita ya no es peridica, y toma infinitos valores

    de Nt).

    Se puede apreciar la autosemejanza tpica de las

    estructuras fractales.

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    N,k

    k Diagrama de bifurcacin

  • 11

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    N,k

    k

    k

    Existen ventanas de comportamiento peridico en la zona

    catica. El exponente de Lyapunov predice stas

    hacindose repentinamente negativo.

    Las bifurcaciones se corresponden con los k=0.

    Ejemplo: la ecuacin logstica

    Conclusin: Un sistema tan sencillo como el descripto por la ecuacin logstica puede presentar, bajo ciertas

    condiciones, comportamiento catico y estructura fractal.

    N,k

    k

    Otros ejemplos relacionados

    Regulacin de la densidad de Neutrfilos.

    Variabilidad Cardiovascular.

    Ritmos Circadianos.

    Complex Dynamics in Physiological Control Systems (Cap. 10)

    Caos vs inestabilidad numrica

    Condiciones iniciales Observacin

    Si las condiciones iniciales fueran

    exactamente las mismas, las trayectorias

    tambin seran exactamente iguales porque

    las ecuaciones siguen siendo

    determinsticas.

  • 12

    Caos en sistemas continuos

    Vance / Lorenz

    Caos en sistemas continuos

    La discusin anterior se bas en ecuaciones

    en diferencias finitas, es posible tambin

    que surja caos en sistemas continuos.

    Pero el sistema debe tener por lo menos tres

    variables de estado.

    Caos en sistemas continuos

    Ejemplo: Modelo de dos presas y un

    predador (Vance 1978)

    Caos en sistemas continuos

    Ecuaciones de Lorenz

    Identificando el caos

    Series de tiempo

  • 13

    Firmas del caos

    Es sorprendentemente difcil determinar sin

    ambigedad la existencia de caos en series

    de tiempo tericas o empricas.

    Firmas del caos

    Firmas del caos Firmas del caos

    Firmas del caos

    Sugihara (1994):

    1. Patrones en la serie de tiempo (o su espectro).

    2. Estructura en el espacio de fase (atractores).

    3. Dimensionalidad de esta estructura (fractal).

    4. Sensibilidad a condiciones iniciales.

    5. Controlabilidad de la serie de tiempo.

    Firmas del caos

  • 14

    Firmas del caos Firmas del caos

    Dimensionalidad de la estructura:

    Dimensin de correlacin (Mullin 1993).

    Sensibilidad a las condiciones iniciales:

    Exponentes de Lyapunov.

    Predictibilidad.

    Controlabilidad:

    Control de un sistema catico (Ott y Yorke

    1990).

    Firmas del caos Firmas del caos

    Ejemplo: Escarabajos Tribolium Ejemplo: Escarabajos Tribolium

  • 15

    Ejemplo: Escarabajos Tribolium Caos en biologa

    Existe el caos biolgico o slo existe el

    caos matemtico?

    En el caso que exista, Es algo comn en la

    naturaleza?

    Puede aparecer caos en un sistema

    fisiolgico saludable o indica la presencia

    de enfermedad?

    Fractales Definicin de Fractal

    Un fractal es un objeto cuya estructura bsica,

    fragmentada o irregular, se repite a diferentes

    escalas.

    La propiedad matemtica clave es que su

    dimensin mtrica fractal es un nmero no entero.

    Deriva del latn fractus, que significa quebrado o

    fracturado.

    El trmino fue propuesto por Mandelbrot

    en 1975.

    Fractales en el arte y la cultura

    Cruz germana (o

    recrucetada):

    significa la

    propagacin del

    evangelio a las cuatro

    puntos cardinales.

    Muy usada en

    herldica.

    Fractales en el arte y la cultura

    Iglesia romana de

    Santa Mara del

    Trastevere:

    Mosaico que

    reproduce hasta cinco

    niveles de uno de los

    fractales ms

    conocidos: tringulo

    de Sierpinski.

  • 16

    Fractales en el arte y la cultura

    Dios el Gemetra:

    grabado medieval

    Fractales en la naturaleza

    Las nubes no son esferas, las montaas no son conos, y la

    luz no viaja en lnea recta. La complejidad de las

    estructuras de la naturaleza difiere en tipo, no meramente

    en grado, de aquella proveniente de las formas de la

    geometra ordinaria.

    Mandelbrot, Introduction to the Fractal Geometry of Nature

    Fractales en la naturaleza Fractales en la

    naturaleza

    Fractales en la naturaleza

    Brocoli Romanesco

    Marismas

    Girasol

    Fractales en la naturaleza

    Montaas

    fractales

    sintticas y

    reales

  • 17

    Fractales en la naturaleza

    Tambin es posible modelizar mediante

    geometra fractal

    diversos procesos

    naturales como, por

    ejemplo, los

    procesos erosivos

    sobre un terreno.

    Fractales en la naturaleza

    Un ejemplo clsico de estructura fractal se observa en hidrodinmica cuando un fluido

    poco viscoso desplaza a otro ms viscoso. La

    interfase que se crea tiene estructura

    compleja.

    Fractales en Fisiologa

    Estructura del rbol bronquial.

    Fractales en Fisiologa

    Estructura del rbol arterial.

    Fractales en Fisiologa

    Estructura del cerebro.

    Seales Fractales

    Seal artificial.

  • 18

    Fractales en Fisiologa

    Seal de EEG.

    Fractales en Fisiologa

    Seal de

    VFC.

    Fractales en Biologa

    Crecimiento

    bacteriano en

    una cpsula

    de Petri.

    Fractales en las Matemticas

    Desde principios del siglo XX matemticos como Cantor , Poincar o Julia , se

    interesaron por el estudio de objetos extraos

    (monstruos matemticos) que no encajaban en las ideas de la geometra clsica.

    Muchos de estos objetos se construan mediante algoritmos iterativos, partiendo de

    un iniciador y aplicando reiterativamente un conjunto de transformaciones.

    Fractales en las Matemticas

    De esta forma se pueden definir gran

    cantidad de objetos

    matemticos con

    propiedades comunes,

    como la

    autosemejanza .

    Longitud infinita encerrada en

    un rea finita!!!!

    Fractales: el conjunto de

    Mandelbrot Si consideramos ahora

    iteraciones de la funcin z2+c, para distintos valores de c (complejo).

    Y graficamos aquellos valores de c donde la rbita est acotada.

    Encontramos un objeto que posee estructura a cualquier escala y contiene copias de s mismo.

  • 19

    Fractales: el conjunto de

    Mandelbrot Como generar el Conjunto de Mandelbrot

    Se genera estudiando el comportamiento de la iteracin de la ecuacin compleja :

    Zn+1 = Zn2 + C

    donde Z, C son complejos, la condicion inicial es Z = 0 + 0i y a C se le asignan todos los puntos del plano complejo.

    Se convierte para cada pixel de la pantalla a coordenadas del plano complejo, se le asigna a C este punto y se comienza a iterar la ecuacin.

    Si |Z|>2 y no se supero MaxIterations, se sale del bucle y se le asigna a ese pixel un color de acuerdo al nmero de iteraciones realizadas, entonces ese

    pixel esta fuera del Conjunto de Mandelbrot.

    Si se alcanza el nmero mximo de iteraciones MaxIterations, y el mdulo sigue siendo |Z|

  • 20

    La dimensin fractal

    De todo esto podemos generalizar que la dimensin de un objeto

    geomtrico es el nmero D que cumple:

    N(L).LD = 1, y D = log(N(L))/log(1/L)

    donde N(L) es el nmero de objetos elementales, o de unidades, de

    tamao L que recubren el objeto.

    Ejemplo:

    Al reducir la escala de la curva de

    Koch a 1/3, nos encontramos con

    que se descompone en 4 partes.

    D = log 4 / log 3 = 1, 2618. . .

    La dimensin fractal

    Otros ejemplos:

    La dimensin fractal

    Demostracin:

    coast\coast.exe

    Cmo construyo un modelo

    fractal o catico? Ejemplo: 1) Detecto si el fenmeno

    posee estas caractersticas (medidas).

    2) Recojo datos experimentales.

    3) Armo mi modelo.

    4) Encuentro parmetros o soluciono el problema inverso (por ej: Algoritmos Evolutivos).

    La complejidad de los problemas

    hace que, en la prctica, pueda ser

    necesario utilizar algn tipo de

    estrategia hbrida para resolverlos.

    Bibliografa

    James W. Haefner, Modeling Biological Systems, 2nd

    Ed., 2005 (Cap. 18).

    Cambel, A. B., Applied Chaos Theory. Academic

    Press, 1993.

    Wiggins, Stephen, Introduction to applied nonlinear

    dynamical systems and chaos. Springer-Verlag, 1990.

    Drazin, P.G., Nonlinear systems. Cambridge

    University Press, 1992.

    Verhulst, Ferdinand, Nonlinear differential equations

    and dynamical systems. Springer-Verlag, 1990.

    Bibliografa

    Michael C. K. Khoo, Physiological Control Systems:

    Analysis, Simulation, and Estimation, Wiley-IEEE Press,

    1999 (Cap. 10).

    Mandelbrot, Benoit B., The fractal geometry of nature.

    W. H. Freeman, 1982.

    Peitgen, H. O. - Ritcher, P. H., The beauty of fractals:

    images of complex dynamical systems. Springer Verlag,

    1986.

    Ilya Prigogine, El fin de las certidumbres. Andrs Bello,

    1996.

    Gutirreza Cabria, Segundo. Dios: ciencia y azar.

    Madrid, BAC, 2003.