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Para qué sirven los complejos: oscilaciones, transformaciones y fractales

De las fórmulas a los fenómenos: sumar oscilaciones, transformar figuras y seguir órbitas complejas. Ejemplos, ejercicios, laboratorio y enlaces a los fractales.

Sección: Números complejos Actualizado:

Laboratorio: para qué sirven los complejos

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Tres aplicaciones: fasores y onda, triángulos transformados y pequeña imagen numérica de Mandelbrot
La misma álgebra describe proyecciones periódicas, transformaciones geométricas e iteraciones. Cada dibujo tiene su modelo y sus límites.

22 min

Los complejos no solo resuelven ecuaciones sin raíces reales. Reúnen longitud y dirección, amplitud y fase o dos coordenadas de un cálculo repetido. Cerramos las ocho etapas con tres aplicaciones concretas.

Ilustración de la sección Números complejos
Sección: Números complejos

Índice del recorrido · Laboratorio: para qué sirven los complejos · Etapa 7: ecuaciones y polinomios

1. No es magia: un lenguaje compacto

Un punto (x,y) pasa a z=x+iy; un producto cambia módulo y argumento; una exponencial compleja describe una rotación. No sustituimos los reales por algo misterioso: organizamos dos informaciones reales con reglas útiles.

No todo problema se vuelve fácil, pero ciertas operaciones se expresan y componen mejor. El laboratorio distingue modelo exacto, valores numéricos aproximados y dibujo finito. Una imagen atractiva no es por sí sola una demostración ni un modelo físico completo.

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2. Una oscilación es la proyección de una rotación

Un punto que gira en un círculo se escribe Z(t)=A e^(i(ωt+φ)), con A≥0, ω=2πf y fase inicial φ. Euler da Z(t)=A cos(ωt+φ)+iA sin(ωt+φ). Su proyección horizontal es x(t)=Re Z(t)=A cos(ωt+φ).

x(t)=A cos(2πft+φ), T=1/f para f>0.

A es la amplitud, f la frecuencia en hercios, T el período en segundos y φ un ángulo en radianes. Para f=0 no hay giro y x(t) es constante: no asignamos período 1/0. Para A=0 la proyección es cero. Es una sinusoide ideal, no cualquier vibración real.

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3. Sumar ondas de la misma frecuencia

Para dos sinusoides de igual ω, extraemos el tiempo: Z₁(t)+Z₂(t)=[A₁e^(iφ₁)+A₂e^(iφ₂)]e^(iωt). Sea C=A₁e^(iφ₁)+A₂e^(iφ₂). Si C≠0, la suma tiene amplitud |C| y fase Arg(C). C es el fasor resultante, usando amplitudes de pico aquí.

A_tot²=A₁²+A₂²+2A₁A₂ cos(φ₂−φ₁).

Desarrollar |C|²=C·conj(C) da la fórmula. Para A₁=2,A₂=1 y fases iguales, la amplitud es 3. Si C=0, la suma es nula y no tiene fase resultante definida. Frecuencias distintas no comparten un único e^(iωt): su suma no es, en general, una sinusoide de esta forma.

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4. Dos ejemplos: cuadratura y cancelación

Problema: sumar 2cos(πt) y cos(πt+π/2). Frecuencia común f=1/2 Hz, así que T=2 s. Los fasores 2 e i dan C=2+i, |C|=√5 y Arg(C)=atan2(1,2)≈0,463648 rad. La suma es √5 cos(πt+Arg(C)), no de amplitud 3. En t=0 vale 2; en t=1/2, −1.

Segundo problema: 2cos(πt)+2cos(πt+π)=0 para todo t. Se necesitan amplitudes iguales y fases opuestas. π/3 y 4π/3 también se cancelan con igual amplitud: el laboratorio reconoce la relación sin inventar una fase a partir de un pequeño residuo numérico.

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5. Transformar una figura con w=αz+β

La transformación w=αz+β actúa sobre cada punto. Para α=ρe^(iθ)≠0, el producto gira θ alrededor del origen y multiplica longitudes por ρ; después β traslada. Conserva ángulos y multiplica áreas por |α|². Para otro centro h se usa w=h+α(z−h), no la misma fórmula centrada en el origen.

Ejemplo: α=i, β=1−i, z=2+i. i(2+i)=−1+2i, así que w=i. Girar 90° y trasladar lleva (2,1) a (0,1). El laboratorio transforma un triángulo y un punto elegido; los fotogramas intermedios ilustran operaciones, no otras fórmulas finales.

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6. Reflexión, orientación e inversa

Conjugar z↦conj(z) cambia (x,y) por (x,−y): reflexión en el eje real. w=αconj(z)+β con α≠0 combina espejo, giro, escala y traslación, invirtiendo la orientación del triángulo. Multiplicar por −1 gira 180° sin invertir orientación: no es esa reflexión.

w=αz+β ⇒ z=(w−β)/α.
w=αconj(z)+β ⇒ z=conj((w−β)/α).

Ambas inversas exigen α≠0. Para α=0, todo punto pasa a β: figura colapsada, área cero, sin poder recuperar el punto inicial. El determinante es |α|² sin espejo y −|α|² con él; cero indica la pérdida de inversa.

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7. Repetir una regla: z_(k+1)=z_k²+c

Una órbita es una sucesión dada por una regla: fijamos c y z₀, calculamos z₁=z₀²+c, luego z₂=z₁²+c, etc. Cada punto procede del anterior, no de una elección independiente. Para z_k=x+iy y c=a+ib:

x_next=x²−y²+a; y_next=2xy+b.

Ejemplo: c=1 y z₀=0 dan 0,1,2,5,26,… . Para c=−1: 0,−1,0,−1,… . Las filas son tiempos distintos del cálculo; puntos coincidentes pueden tener índices distintos. El laboratorio marca z_k y explica el paso siguiente.

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8. Mandelbrot: variar el parámetro c

Para Mandelbrot fijamos z₀=0 y variamos c. Un parámetro pertenece si su órbita queda acotada. La imagen es el plano de parámetros c, no el recorrido de una sola órbita. Aquí seguimos un c; el laboratorio de fractales repite el test en muchos píxeles.

Con c=0 la órbita es fija; con c=−1 periódica; con c=−2: 0,−2,2,2,… . Superar estrictamente módulo 2 indica escape en este test. La igualdad no basta, como muestra c=−2. La definición exige todos los pasos, no solo los cien primeros.

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9. Julia: variar el punto inicial

Fijamos c y variamos z₀: los puntos iniciales de órbita acotada forman el conjunto de Julia relleno K_c; su borde es J_c. Un píxel de Mandelbrot representa c; uno de Julia representa z₀. Misma fórmula, distinta pregunta.

Para c=0, |z_k|=|z₀|^(2^k). Si |z₀|<1 tiende a cero; si |z₀|=1 queda en uno; si |z₀|>1 diverge. Así K₀ es el disco unidad y J₀ su circunferencia: no siempre un borde irregular. Compara z₀=i, z₀=1/2 y z₀=2 sin confundir un punto de la órbita con el conjunto entero.

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10. Un test finito no prueba el infinito

Para c fijo e inicio cualquiera usamos R=max(2,|c|). Si r=|z|>R, entonces |z²+c|≥r²−|c|>r(r−1)>r. Los módulos siguientes crecen con un factor al menos mayor que uno: la órbita diverge. La desigualdad es estricta. Para el inicio especial z₀=0 de Mandelbrot basta 2; no lo extiendas sin comprobar a cualquier variante.

No observar escape en N pasos significa «sin escape observado en N», no pertenencia demostrada. Los colores codifican tiempos de escape u otros datos, no colores intrínsecos. La coma flotante redondea: cerca de fronteras hacen falta más precisión y comprobaciones.

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11. El enlace al material de fractales

El artículo y laboratorio existentes de fractales exploran Sierpiński, Cantor, Koch, árboles, Mandelbrot y Julia. No los sustituimos: explicamos las operaciones complejas que hay detrás. Elige Mandelbrot o Julia en ese laboratorio para pasar de una órbita a muchos puntos del plano.

El enlace va más allá de z²+c. Sierpiński usa tres contracciones: f₁(z)=z/2, f₂(z)=z/2+1/2, f₃(z)=z/2+(1+i√3)/4. Cada una divide longitudes por dos y coloca una copia en un vértice. Son tres mapas sobre copias de un conjunto, no la única órbita cuadrática anterior.

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12. Conclusiones: elegir la representación útil

Partimos de i²=−1 y relacionamos cálculo, geometría, potencias, raíces y ecuaciones. Elige forma cartesiana para sumas y comprobaciones, polar o exponencial para giros y potencias, factores para raíces y multiplicidades, iteración para dinámica. No hay una fórmula única para todo.

Un experimento cambia un dato, predice y compara dibujo y cálculo. Pregunta qué queda fijo, qué varía y qué puede certificar el ordenador. Están disponibles las ocho etapas: termina el recorrido introductorio, no todo el análisis complejo. Señales, oscilaciones y dinámicas más generales requieren otros modelos y teoremas.

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Doce ejercicios para intentar

1. Para x(t)=3cos(4πt), halla período y x(1/8).

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ω=4π=2πf da f=2 Hz y T=1/2 s. En t=1/8 el ángulo es π/2, luego x=0. La amplitud sigue siendo 3 aunque la proyección instantánea sea cero.

2. Suma 2cos(ωt+φ) y 3cos(ωt+φ).

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Los fasores tienen igual dirección: C=(2+3)e^(iφ). La suma es 5cos(ωt+φ), sin cambiar frecuencia ni fase.

3. Fases opuestas, amplitudes 2 y 1: ¿se anulan?

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No. C=2e^(iφ)+e^(i(φ+π))=(2−1)e^(iφ). Queda amplitud 1. La cancelación total requiere amplitudes iguales.

4. Para fasores 2 e i, halla amplitud y fase.

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C=2+i, |C|=√5, Arg(C)=atan2(1,2)≈0,463648 rad. La suma de módulos 3 no es la amplitud resultante.

5. Aplica w=iz a z=1+i.

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w=i+i²=−1+i: giro de 90°, conservando longitudes. (1,1) pasa a (−1,1), no es traslación ni reflexión.

6. Para w=2z+1−i y z=3i, halla imagen y factor de áreas.

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w=6i+1−i=1+5i. Las longitudes se duplican y las áreas se multiplican por |2|²=4. La traslación no las cambia.

7. Compara conj(2−3i) y −(2−3i).

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Conjugar da 2+3i, espejo en el eje real. El opuesto −2+3i es un giro de 180° en el origen. Son transformaciones distintas.

8. ¿w=0·z+(1+2i) tiene inversa?

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No: todo punto pasa a 1+2i, sin poder recuperar un z único. Determinante y área del triángulo imagen son cero.

9. Calcula cinco términos de z²−1 desde z₀=0.

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z₀=0,z₁=−1,z₂=0,z₃=−1,z₄=0. Ciclo de período 2: cinco términos no son cinco puntos distintos.

10. Para Mandelbrot con c=1, ¿cuándo se supera 2?

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0→1→2→5: paso 3. El paso 2 alcanza 2 sin superarlo. Para c=−2 se alcanza 2 y se queda allí: usar ≥2 sería incorrecto.

11. ¿Qué representa un píxel en Mandelbrot y Julia?

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Mandelbrot varía c con z₀=0 fijo. Julia varía z₀ con c fijo. Misma regla z_next=z²+c, pero distinta pregunta y plano.

12. ¿Sin escape en 100 pasos se demuestra órbita acotada?

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No: solo indica lo observado en un test finito con su precisión. Para c=0 se demuestra aparte K₀=disco unidad y J₀=circunferencia usando |z_k|=|z₀|^(2^k).

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Para profundizar

MIT OpenCourseWare · Complex Arithmetic and Exponentials

Complex Dynamics · The filled Julia set