Una delle abilitĆ a cui i matematici spesso fanno appello ĆØ quella di saper immaginare spazi nuovi.
Di solito in matematica si usa la parola spazio per trasmettere unāidea geometrica. Con lāespressione immaginare spazi mi riferisco allāatto di dare una lettura di tipo geometrico di una situazione che nulla ha, apparentemente, di geometrico, oppure allāatto di dare una lettura geometrica alternativa di oggetti geometrici. Lāimmaginare spazi permette ai matematici di approcciarsi a una situazione, fingendo di trovarsi davanti a una situazione famigliare quanto può esserlo un contesto geometrico. Lāimmaginare spazi svolge un ruolo fondamentale in molte aree della matematica. Prima di approfondire un esempio particolare, vorrei citare un altro paio di esempi importanti, anche se velocemente.Ā
Il primo esempio ĆØ quello dellāalgebra lineare. Protagonista di questa branca della geometria ĆØ il concetto di spazio vettoriale, che generalizza la struttura dei vettori (o dei punti) nel piano o nello spazio tridimensionale.Ā Le funzioni lineari da uno spazio vettoriale allāinsieme dei numeri reali formano, a loro volta, uno spazio vettoriale, detto spazio vettoriale duale. Questo ci permette di leggere queste funzioni come vettori o punti. Abbiamo quindi organizzato degli oggetti (queste particolari funzioni) in uno spazio adeguato che abbiamo saputo immaginare per esse.
Il secondo esempio ĆØ quello della meccanica analitica. In questo caso, se la configurazione di un sistema fisico immerso nel nostro spazio tridimensionale ĆØ determinata in modo univoco dal valore di \(n\) parametri, allora si possono utilizzare quei parametri come coordinate di un punto in uno spazio con \(n\)Ā dimensioni; quel punto rappresenta la configurazione del sistema fisico e lāevoluzione di tale sistema corrisponde a una traiettoria del punto che lo rappresenta in questo nuovo spazio.Ā
Passiamo ora al nostro esempio principale. Si tratta di un esempio che mi aveva colpito molto quando lo avevo incontrato da studente. Tra lāaltro, esso riguarda degli oggetti molto amati e conosciuti, sia dai matematici che dagli appassionati: i frattali.
Innanzitutto dobbiamo parlare di un risultato celebre che ci sarĆ molto utile: il teorema delle contrazioni. Noto anche come teorema di punto fisso di Banach-Caccioppoli (1922-1930), ĆØ un teorema di estrema importanza. Per semplicitĆ , mettiamoci nel piano euclideo che ben conosciamo. Una contrazione ĆØ una trasformazione del piano che fa diminuire la distanza tra ogni coppia di punti, in modo tale che esista un numero \(0<k<1\) per cui la distanza finale di ogni coppia di punti sia minore di \(k\) volte la distanza iniziale tra di essi. Un esempio di contrazione ĆØ una qualsiasi similitudine che abbia rapporto di similitudine minore di \(1\), per esempio quella che manda un punto del piano di coordinate \((x,y)\) nel punto di coordinate \((\frac{1}{2} y +1, \frac{1}{2}x +2)\).
Il teorema delle contrazioni afferma semplicemente che ogni contrazione ha un unico punto fisso, ovvero che esiste un unico punto che viene mandato in se stesso da essa. Nellāesempio che abbiamo considerato, il punto fisso si può trovare risolvendo le equazioni \(\frac{1}{2}x +1 =x \) e \(\frac{1}{2}y+2 =y \): ĆØ \((2,4)\).
In generale, tuttavia, il punto fisso non ĆØ cosƬ facile da individuare: serve unāidea diversa, che funzioni in ogni situazione. Questāidea ĆØ quella di partire da un punto qualsiasi \((a,b)\) del piano, applicargli la trasformazione, e poi applicare la trasformazione alla trasformazione⦠e cosƬ via. Grazie al fatto che stiamo considerando una contrazione, quello che si ottiene ĆØ una successione di Cauchy (ovvero una successione tale che, per ogni numero piccolo a piacere \(\epsilon \), da un certo punto in poi ogni coppia di termini disti meno di \(\epsilon \)) e le successioni di Cauchy hanno sempre un limite. Questo limite ĆØ il punto fisso cercato come si può far vedere sfruttando le proprietĆ dei limiti e delle funzioni continue (come sono le contrazioni). Nel nostro caso, per esempio, partendo dal punto \((0,0)\), otterremmo la successione \((0,0),\, (1,2),\, (\frac{3}{2}, 3),\, (\frac{7} {4},\frac{7}{2}),\, (\frac{15}{8},\frac{15}{4}), \) ā¦, \( (2-(\frac{1}{2})^{n +1}, 4-( \frac{1}{2})^{n})\), … i cui punti si avvicinano sempre di più al limite \((2,4)\). Per quanto riguarda lāunicitĆ del punto fisso, possiamo semplicemente notare che se avessimo due punti fissi, la loro distanza non cambierebbe una volta applicata la contrazione, il che contraddice la definizione stessa di contrazione.
Benissimo: abbiamo spiegato questo teorema, ma perchĆ© ci interessa? Beh, innanzitutto si può riprodurre la stessa dimostrazione non solo nel caso di contrazioni del piano, ma nel contesto più ampio di contrazioni di uno spazio metrico completo non vuoto qualsiasi. Uno spazio metrico non ĆØ altro che un insieme non vuoto dotato di una distanza, ovvero di una funzione che associa a ogni coppia di elementi \(x\) e \(y\) dellāinsieme un numero reale positivo, la loro distanza \(d(x,y)\), in modo tale che queste distanze soddisfino alcune proprietĆ fondamentali: \(d(x,y)\) deve essere \(0\) se e solo se \(x=y,\, d(x,y)=d(y,x)\) per ogni coppia di elementi \(x,\,y\) dellāinsieme e, infine, la distanza \(d(x,y)\) deve essere minore o uguale a \(d(x,y)+d(y,z)\), per ogni terna di elementi \(x,\,y,\,z\) dellāinsieme. Le tre richieste sono sensate e vengono incontro alla nostra idea informale di cosa significhi distanza. Il fatto interessante ĆØ che queste proprietĆ alla fine sono sufficienti a farci dimostrare il teorema delle contrazioni, se aggiungiamo a esse la cosiddetta completezza, ovvero la proprietĆ per cui ogni successione di Cauchy abbia un limite.Ā
Veniamo quindi ai frattali: un frattale autosimile nel piano ĆØ un suo sottoinsieme non vuoto chiuso e limitato \(F\) per il quale esista una famiglia di similitudini \((S_i)_{i=1,ā¦,n}\) con rapporti di similitudine minori di \(1\) tali che \( F \) ĆØ uguale allāunione degli insiemi che si ottengono applicando a esso stesso le similitudini \( (S_i) \). Di sicuro esistono frattali autosimili: i libri divulgativi ne sono pieni. Ma data una famiglia di similitudini \((S_i)_{i=1,ā¦,n}\)Ā ne esiste sempre uno rispetto a essa? E se ce nāĆØ uno, ce ne possono essere altri? Domande naturali, direbbe un matematico. Le risposte sono sƬ e no, rispettivamente. Ma più che le risposte, ci interessa il perchĆ© delle risposte. E questo perchĆ© si basa sullāimmaginare uno spazio nuovo, uno spazio strano, i cui punti non sono punti del piano, ma insiemi di punti del piano. Più precisamente, i punti del nuovo spazio sono i possibili candidati a essere frattali autosimili, cioĆØ i sottoinsiemi del piano non vuoti, chiusi e limitati; tra di essi ci sono per esempio tutti i quadrati chiusi e tutti i cerchi chiusi del piano. Ma per fare dellāinsieme di questi sottoinsiemi uno spazio dobbiamo legare in qualche modo i punti tra loro con una qualche nozione di tipo geometrico, in questo caso con una nozione di distanza. Si definisce quindi la distanza tra due punti del nuovo spazio, ovvero tra due insiemi non vuoti, chiusi e limitati \(A\) e \(B\), come il più piccolo numero reale \(r\) tale che āallargandoā \(A\) di \(r\) si può āinglobareā \(B\) e āallargandoā \(B\) di \(r\) si può āinglobareā \(A\). Per esempio, la distanza tra i due cerchi in figura ĆØ il massimo tra \(4\) e \(2\), ovvero \(4\).
Questa distanza è detta distanza di Hausdorff, e trova molte altre applicazioni, anche al di fuori della matematica (per esempio, nel confronto e nel riconoscimento di proteine). Ora, la bella sorpresa è che il processo di applicare a ogni punto \(A\) del nuovo spazio le similitudini \(S_i\) e di unire i risultati è una trasformazione del nuovo spazio che è una contrazione! E il teorema delle contrazioni ci dà un unico punto fisso, che non è altro che il frattale autosimile che stavamo cercando⦠Questa dimostrazione si deve a John E. Hutchinson (1979).
Tra lāaltro, la dimostrazione del teorema delle contrazioni ci dice anche come costruire il frattale: si parte da un qualsiasi insieme non vuoto, chiuso e limitato, si applicano le similitudini, e poi si applicano le similitudini al risultato e cosƬ via⦠Dopo un certo numero grande di passi, la nostra vista non sarebbe in grado di distinguere la differenza tra la figura che vediamo e il vero e proprio frattale. Questo, a fini āartisticiā, ĆØ più che sufficiente, ed ĆØ stato sufficiente anche alla natura quando ha prodotto il broccolo romanesco.
Samuele Maschio