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A cosa servono i numeri complessi: oscillazioni, trasformazioni e frattali

Dalle formule ai fenomeni: sommare oscillazioni, trasformare figure e seguire orbite complesse. Esempi, esercizi, laboratorio e collegamenti al percorso sui frattali.

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Laboratorio: a cosa servono i complessi

Indice del percorso

Articolo: frattali, geometria e natura · Apri il laboratorio dei frattali

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Tre applicazioni: fasori e onda, triangoli trasformati e una piccola immagine numerica di Mandelbrot
La stessa algebra descrive proiezioni periodiche, trasformazioni geometriche e iterazioni. Ogni disegno va letto con il suo modello e i suoi limiti.

22 min

I numeri complessi non servono soltanto a risolvere equazioni senza soluzioni reali. Racchiudono in un unico oggetto lunghezza e direzione, ampiezza e fase, oppure le due coordinate di un calcolo ripetuto. Chiudiamo le otto tappe usando gli strumenti imparati per comprendere tre applicazioni concrete.

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Sezione: Numeri complessi

Indice del percorso · Laboratorio: a cosa servono i complessi · Tappa 7: equazioni e polinomi

1. Non numeri magici: un linguaggio compatto

Un punto (x,y) diventa z=x+iy; un prodotto modifica modulo e argomento; un’esponenziale complessa descrive una rotazione. Non sostituiamo i numeri reali con qualcosa di misterioso: organizziamo due informazioni reali in una struttura con regole utili.

Il vantaggio non è che ogni problema diventi automaticamente facile, ma che certe operazioni si scrivono e si compongono meglio. Nel laboratorio distingueremo sempre tre cose: il modello matematico esatto, i valori numerici approssimati e il disegno finito. Una figura suggestiva non è, da sola, una dimostrazione o un modello fisico completo.

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2. Un’oscillazione è la proiezione di una rotazione

Un punto che ruota su una circonferenza si può scrivere Z(t)=A e^(i(ωt+φ)), con A≥0, ω=2πf e fase iniziale φ. Per Eulero, Z(t)=A cos(ωt+φ)+iA sin(ωt+φ). La proiezione orizzontale è quindi x(t)=Re Z(t)=A cos(ωt+φ).

x(t)=A cos(2πft+φ), T=1/f per f>0.

A è l’ampiezza, f la frequenza in hertz, T il periodo in secondi e φ un angolo in radianti. Se f=0 il punto non ruota e x(t) è costante: non attribuiamo un periodo 1/0. Se A=0 la proiezione è nulla. Questo modello descrive una sinusoide ideale, non qualunque vibrazione reale.

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3. Sommare onde con la stessa frequenza

Se due sinusoidi hanno la stessa ω, raccogliamo il fattore che dipende dal tempo: Z₁(t)+Z₂(t)=[A₁e^(iφ₁)+A₂e^(iφ₂)]e^(iωt). Poniamo C=A₁e^(iφ₁)+A₂e^(iφ₂). Se C≠0, la somma è una sinusoide di ampiezza |C| e fase Arg(C). C è il fasore risultante nella convenzione di ampiezza di picco usata qui.

A_tot²=A₁²+A₂²+2A₁A₂ cos(φ₂−φ₁).

La formula segue sviluppando |C|²=C·conj(C). Con A₁=2,A₂=1 e fasi uguali l’ampiezza è 3. Se C=0 la somma è identicamente nulla e non ha una fase risultante definita. Con frequenze diverse non possiamo raccogliere un unico e^(iωt): la somma, in generale, non è una sola sinusoide della stessa forma.

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4. Due esempi: quadratura e cancellazione

Problema: sommare 2cos(πt) e cos(πt+π/2). La frequenza comune è f=1/2 Hz, quindi T=2 s. I fasori sono 2 e i: C=2+i, |C|=√5 e Arg(C)=atan2(1,2)≈0,463648 rad. La somma è √5 cos(πt+Arg(C)), non una sinusoide di ampiezza 3. A t=0 vale 2; a t=1/2 vale −1.

Secondo problema: 2cos(πt)+2cos(πt+π)=0 per ogni t. La cancellazione dipende sia dall’uguaglianza delle ampiezze sia dalla fase opposta. Anche fasi π/3 e 4π/3 si cancellano con ampiezze uguali: il laboratorio riconosce questa relazione senza inventare una fase a partire da un piccolo errore numerico.

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5. Trasformare una figura con w=αz+β

La mappa w=αz+β agisce su ogni punto della figura. Se α=ρe^(iθ)≠0, il prodotto αz ruota di θ attorno all’origine e moltiplica tutte le lunghezze per ρ; poi β trasla. Gli angoli sono conservati e le aree vengono moltiplicate per |α|². Non confondere ruotare attorno all’origine con ruotare attorno a un centro diverso: per il centro h si usa w=h+α(z−h).

Esempio: α=i, β=1−i, z=2+i. i(2+i)=−1+2i e quindi w=i. Una rotazione di 90° seguita da una traslazione porta il punto (2,1) a (0,1). Il laboratorio applica la stessa mappa a un triangolo e al punto scelto; i fotogrammi intermedi illustrano le operazioni, non sono altre formule finali.

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6. Specchio, orientamento e inversa

La coniugazione z↦conj(z) cambia (x,y) in (x,−y): è una riflessione rispetto all’asse reale. Perciò w=αconj(z)+β, con α≠0, combina uno specchio con rotazione, scala e traslazione; l’orientamento del triangolo si inverte. Moltiplicare per −1, invece, ruota di 180° e non inverte l’orientamento: non è lo stesso specchio.

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

Entrambe le inverse richiedono α≠0. Per α=0 tutti i punti diventano β: la figura collassa, l’area è zero e non possiamo recuperare il punto iniziale. Nel laboratorio il determinante è |α|² senza specchio e −|α|² con lo specchio; zero segnala la perdita dell’inversa.

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7. Ripetere una regola: z_(k+1)=z_k²+c

Un’orbita è la successione dei risultati di una regola: fissati c e z₀, calcoliamo z₁=z₀²+c, poi z₂=z₁²+c e così via. Non scegliamo ogni volta un punto indipendente: il nuovo punto nasce dal precedente. Se z_k=x+iy e c=a+ib, allora:

x_next=x²−y²+a; y_next=2xy+b.

Esempio: c=1 e z₀=0 danno 0,1,2,5,26,… . Per c=−1 otteniamo invece 0,−1,0,−1,… . Le righe della tabella sono tempi diversi del calcolo; punti coincidenti non sono necessariamente lo stesso indice. Il laboratorio evidenzia z_k e spiega come ottenere il punto successivo.

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8. Mandelbrot: cambiare il parametro c

Per l’insieme di Mandelbrot fissiamo z₀=0 e proviamo diversi c. Un parametro appartiene all’insieme se la sua orbita rimane limitata. Il piano dell’immagine è quindi il piano dei parametri c, non il percorso di una singola orbita. Il nostro laboratorio segue un c alla volta; il laboratorio dei frattali ripete il test per molti pixel.

Con c=0 l’orbita è fissa; con c=−1 è periodica; con c=−2 si ha 0,−2,2,2,… . Nel test di Mandelbrot superare strettamente il modulo 2 segnala fuga: raggiungere esattamente 2 non basta, come dimostra c=−2. La definizione richiede un’orbita limitata per tutti i passi, non soltanto per i primi cento.

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9. Julia: cambiare il punto iniziale

Fissiamo ora c e cambiamo z₀: i punti iniziali con orbita limitata formano l’insieme di Julia pieno K_c. Il suo bordo è l’insieme di Julia J_c. Nel disegno di Mandelbrot un pixel rappresenta c; nel disegno di Julia rappresenta z₀. La formula è la stessa, ma la domanda cambia.

Per c=0, |z_k|=|z₀|^(2^k). Se |z₀|<1 tende a zero; se |z₀|=1 rimane uno; se |z₀|>1 diverge. Quindi K₀ è il disco unitario e J₀ la sua circonferenza: non ogni insieme di Julia è un bordo frastagliato. Nel laboratorio puoi confrontare z₀=i, z₀=1/2 e z₀=2, senza confondere un punto dell’orbita con tutto l’insieme.

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10. Un test finito non prova l’infinito

Per un c fissato e un punto iniziale qualsiasi usiamo il raggio di fuga R=max(2,|c|). Se r=|z|>R, allora |z²+c|≥r²−|c|>r(r−1)>r. Da quel momento i moduli crescono almeno con un fattore maggiore di uno: l’orbita diverge. Il criterio deve essere stretto. Per l’orbita speciale z₀=0 di Mandelbrot basta la soglia 2; non trasferiamola senza controllo a ogni variante.

Se non osserviamo fuga entro N passi, la risposta è “non sfuggita entro N”, non “appartenenza dimostrata”. I colori di un’immagine distinguono tempi di fuga o altri dati scelti dal programma; non sono proprietà cromatiche dell’insieme astratto. Il calcolo in virgola mobile introduce inoltre arrotondamenti: vicino a un confine servono precisione e controlli ulteriori.

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11. Il collegamento al percorso sui frattali

L’articolo e il laboratorio sui frattali già presenti approfondiscono costruzioni come Sierpiński, Cantor, Koch e alberi, oltre alle immagini di Mandelbrot e Julia. Qui non li sostituiamo: aggiungiamo il significato delle operazioni complesse che li sostengono. Apri il laboratorio esistente e scegli Mandelbrot o Julia per passare da una singola orbita a molti punti del piano.

Il legame non riguarda solo z²+c. Il triangolo di Sierpiński si descrive con tre contrazioni: f₁(z)=z/2, f₂(z)=z/2+1/2, f₃(z)=z/2+(1+i√3)/4. Ogni mappa dimezza le lunghezze e colloca una copia in un vertice. Sono tre mappe applicate alle copie di un insieme, non la singola orbita quadratica studiata prima.

Articolo: frattali, geometria e natura · Apri il laboratorio dei frattali

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12. Conclusioni: scegliere la rappresentazione utile

Il percorso è partito da i²=−1 e ha collegato calcoli, geometria, potenze, radici ed equazioni. Ora possiamo scegliere: forma cartesiana per somme e verifiche; forma polare o esponenziale per rotazioni e potenze; fattori per leggere radici e molteplicità; iterazioni per studiare una dinamica. Non si tratta di memorizzare un’unica formula valida per tutto.

Un buon esperimento cambia un dato alla volta, formula una previsione e confronta risultato, disegno e calcolo. Chiedi sempre che cosa resta fisso, che cosa varia e che cosa il computer può davvero certificare. Le otto tappe concordate sono tutte disponibili; questo conclude il percorso introduttivo, non l’intera analisi complessa. Oscillazioni più generali, segnali e dinamiche complesse richiedono ulteriori modelli e teoremi.

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Dodici esercizi da provare

1. Per x(t)=3cos(4πt), trova periodo e x(1/8).

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ω=4π=2πf dà f=2 Hz e T=1/2 s. A t=1/8 l’angolo è π/2, quindi x=0. L’ampiezza rimane 3, anche quando la proiezione istantanea è nulla.

2. Somma 2cos(ωt+φ) e 3cos(ωt+φ).

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I fasori hanno stessa direzione: C=(2+3)e^(iφ). La somma è 5cos(ωt+φ). Frequenza e fase non cambiano.

3. Fasi opposte e ampiezze 2 e 1: la somma si annulla?

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No. C=2e^(iφ)+e^(i(φ+π))=(2−1)e^(iφ). Resta una sinusoide di ampiezza 1. La cancellazione totale richiede ampiezze uguali.

4. Per i fasori 2 e i, trova ampiezza e fase risultanti.

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C=2+i, |C|=√5, Arg(C)=atan2(1,2)≈0,463648 rad. Non si sommano semplicemente i moduli: 2+1=3 non è l’ampiezza risultante.

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

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w=i+i²=−1+i: rotazione di 90°, lunghezze invariate. Le coordinate (1,1) diventano (−1,1). Non è una traslazione né uno specchio.

6. Per w=2z+1−i e z=3i, trova immagine e fattore delle aree.

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w=6i+1−i=1+5i. Le lunghezze raddoppiano e le aree si moltiplicano per |2|²=4. La traslazione non cambia lunghezze o aree.

7. Confronta conj(2−3i) e −(2−3i).

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La coniugazione dà 2+3i, specchio rispetto all’asse reale. L’opposto è −2+3i, rotazione di 180° attorno all’origine. Le trasformazioni non coincidono.

8. La mappa w=0·z+(1+2i) ha inversa?

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No: ogni punto diventa 1+2i. Non si può risalire a un unico z. Il determinante e l’area dell’immagine del triangolo sono zero.

9. Calcola cinque termini dell’orbita z²−1 da z₀=0.

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z₀=0,z₁=−1,z₂=0,z₃=−1,z₄=0. È un ciclo di periodo 2: cinque termini non significano cinque punti distinti.

10. Per Mandelbrot con c=1, quando si supera la soglia 2?

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0→1→2→5: al passo 3. Il passo 2 raggiunge 2 ma non lo supera. Per c=−2 si raggiunge 2 e si resta lì: usare ≥2 darebbe una conclusione sbagliata.

11. Che cosa rappresenta un pixel in Mandelbrot e in Julia?

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In Mandelbrot varia c, con z₀=0 fisso. In Julia varia z₀, con c fisso. Entrambi usano z_next=z²+c, ma cambiano la domanda e il piano rappresentato.

12. Nessuna fuga in 100 passi prova un’orbita limitata?

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No: certifica soltanto ciò che il test finito ha osservato, con la precisione usata. Per c=0 possiamo dimostrare separatamente K₀=disco unitario e J₀=circonferenza, usando |z_k|=|z₀|^(2^k).

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Riferimenti per approfondire

MIT OpenCourseWare · Complex Arithmetic and Exponentials

Complex Dynamics · The filled Julia set