Ho sempre trovato che l'insieme di Mandelbrot fosse uno degli oggetti più affascinanti e, insieme, terrificanti mai scoperti dall'uomo. Ciò che non smetterà mai di stupirmi è come possa la sua infinita complessità essere generata da una regola matematica talmente semplice da essere alla portata di qualunque liceale che non venga colto da crisi isteriche di sconforto al solo sentir pronunciare la parola "matematica".
L'insieme di Mandelbrot
La scoperta di questa grandiosa entità matematica avvenne nel 1979 per puro caso: un matematico polacco impiegato all'IBM di nome Benoit Mandelbrot stava studiando le insolite proprietà della convergenza di una particolare successione di numeri complessi (mi addentrerò più avanti nei dettagli), quando ebbe la felice idea di visualizzarne l'insieme di convergenza sul monitor del computer. Ciò che si mostrò ai suoi occhi era un'entità di una complessità apparentemente senza fine. Per quanto provasse a ingrandirne una parte, saltavano fuori dettagli sempre più complessi.
Un ingrandimento dell'insieme di Mandelbrot
L'unico limite alla possibilità di scoprire nuovi dettagli dell'insieme di Mandelbrot ingrandendone le parti è quello che deriva dalla capacità di calcolo del computer.
Una zoomata "estrema" dell'Insieme di Manderbrot
Un po' di teoria
Ma vediamo di scendere un po' più nei dettagli. La successione la cui convergenza fu studiata da Mandelbrot è una successione di numeri complessi la cui definizione recursiva (definita in termini di sé stessa) è la seguente:
Zn+1=Zn^2+Z0
dove Z0 è un numero complesso arbitrario. Al variare di Z0, la successione può comportarsi in tre modi differenti: - convergere;
- non convergere, ma mantenere a ogni iterazione un modulo minore di 2 (numero convenzionale);
- divergere.
Si considerano punti dell'insieme di Mandelbrot (sul piano complesso, un numero complesso si rappresenta per mezzo di un punto) quelli appartenenti alle categorie 1 e 2.
Benoit Mandelbrot nel 2006
Per chi dovesse non aver mai sentito parlare di numeri complessi, occorre sapere che questi numeri sono composti da due parti, una reale e una immaginaria. La parte immaginaria si chiama così poiché, a differenza di quanto succede per i numeri Reali, il quadrato di un numero immaginario dà sempre un numero reale negativo. L'unità immaginaria si indica con il simbolo i, ed è tale che i^2=-1. Un generico numero complesso si presenta dunque nella forma: a+ib dove a e b sono numeri reali, mentre i è l'unità immaginaria. Pertanto, il quadrato di un numero complesso è dato dalla relazione:
(a+ib)^2=a^2-b^2+2iab
Tenendo conto di ciò, e indicando con An e iBn, rispettivamente, la parte reale e la parte immaginaria di Zn (Zn=An+iBn), la definizione recursiva prima riportata si può anche scrivere nella forma:
An+1+iBn+1=An^2-Bn^2+2iAnBn+A0+iB0
ovvero, separando la parte reale da quella immaginaria, nella forma:
An+1=An^2-Bn^2+A0
Bn+1=2AnBn+B0
Il modulo di Zn sarà dato dalla relazione:
IZnI=Sqrt[An^2+Bn^2]
dove con Sqrt[x] si è indicata la radice quadrata di x (square root). Pertanto, se per n che tende a infinito (in termini pratici, per n sufficientemente grande) si ha che Zn converge oppure IZnI<2,
allora il punto di coordinate (A0, B0) è un punto dell'insieme di Mandelbrot. Occorre a tal proposito sapere alcune cose:
- l'area in cui si trova l'insieme di mandelbrot si trova tra le ascisse -2 e 0.5 e le ordinate -1.25 e 1.25;
- in tutte le figure che rappresentano l'insieme di Mandelbrot, i punti dell'insieme sono neri, mentre i colori vegono assegnati in base alla cosiddetta "velocità di fuga", vale a dire la velocità con cui il modulo di Zn tende a divergere.
Ricordi di gioventù
Quando da ragazzo mi capitava di vedere servizi in TV dove si parlava di frattali (credo che la trasmissione fosse Quark), finivo sempre per chiedermi quale matematica astrusa ed estremamente complicata ci fosse dietro quelle figure strabilianti. Dunque, non poca fu la mia sorpresa quando, casualmente, mi ritrovai per le mani un articolo in cui si parlava della successione recursiva di cui si è discusso prima. Poteva essere così semplice? Ai tempi frequentavo il primo anno della facoltà di ingegneria e avevo già avuto modo di studiare i numeri complessi. Inoltre, avevo già familiarizzato col linguaggio di programmazione Pascal (oggi bello che defunto). Dunque, trovandomi per motivi di studio a casa di un collega che, tra l'altro, era un fortunato possessore di un Olivetti M24 (schermo a fosfori verdi e microprocessore 8086), tralasciai per un po' lo studio e implementai un programmino che, pixel per pixel, verificava se il punto appartenesse o meno all'insieme di Mandelbrot. Passò qualche minuto, giusto il tempo che sullo schermo si formassero una decina di righe (il programma non era dei più efficienti e, comunque, a quel tempo i computer erano lenti) e già si cominciavano a intravedere i ghirigori caratteristici dell'insieme di Mandelbrot. Non ricordo esattamente cosa mi disse il mio collega vedendo l'inconfondibile sagoma dell'insieme di Mandelbrot che si andava lentamente formando sullo schermo, ma il significato era più o meno questo: "Tu non sei normale, caro!" Probabilmente aveva ragione.
L'insieme di Mandelbrot e youtube
Basta inserire nella finestrella di ricerca di youtube la parola chiave "Mandelbrot" e un interminabile elenco di video sull'insieme di Mandelbrot si riverserà sul vostro monitor. Provare per credere. Tra tutti, ho scelto questo video che mostra una spettacolare zoomata nei meandri più reconditi del Mandelbrot set.
Esplora anche tu l'insieme di Mandelbrot
Ed ecco a voi un'applet interattiva (applicazione grafica scritta in Java) che programmai qualche anno fa, grazie alla quale vi potete divertire a esplorare (cioè, ingrandire) ogni più recondito angolo dell'insieme di Mandelbrot.
Applet interattiva per l'esplorazione dell'insieme di Mandelbrot
I comandi sono semplici:
- tenendo premuto il tasto sinistro del mouse, trascinenete un riquadro della zona che intendete ingrandire;
- con la barra spaziatrice aumenterete la risoluzione dell'immagine (opzione necessaria via via che vi spingerete a fondo con gli ingrandimenti);
- il tasto "q" farà ripartire l'applet dall'immagine iniziale.
Un'ultima considerazione. L'insieme di Mandelbrot è infinitamente complesso. Ciò significa che ingrandendone particolari sempre più piccoli, potrete con sicurezza ritenervi i primi al mondo ad avere visto quella particolare porzione dell'insieme. Sentitevi liberi di battezzarla come meglio vi aggrada :-)
Buon divertimento
P.S. Se qualcuno dovesse essere interessato al codice sorgente dell'applet, potrà trovarlo qui.