Todos sabemos que
es un número irracional y, como tal, posee infinitos decimales no periódicos. De los decimales de
se han dicho muchas cosas, como por ejemplo, que en ellos está contenido todo el universo (aunque de esto no estamos aún seguros). Pero lo que sí podemos decir es lo siguiente.
Fíjate en la sucesión de los múltiplos de
, es decir,
. Ahora olvídate de la parte entera y quédate solo con sus decimales:
.
Pues bien, vamos a demostrar que la sucesión
es densa en todo el intervalo
, es decir, que cualquier número de dicho intervalo se puede aproximar tanto como queramos mediante términos de
.
Vamos allá. En primer lugar, veamos que todos los términos de
son diferentes.
Supongamos que hay 2 términos de
que son iguales, es decir, existen
tales que
<%20m"><%20m"><%20m"><%20m" style="display: inline;" alt="[;n< m;]" title="n< m" />pero que
, es decir,
; pero de aquí se puede deducir que
Pero esto es imposible, porque esto significaría que
sería racional. Por lo tanto tenemos que todos los elementos de
son diferentes. Vamos que tenemos infinitos elementos.
Ahora vamos a usar el
Principio del Palomar. Fijemos un número natural
y dividamos el intervalo
en
intervalos de amplitud
(los palomares), es decir,
con
.
Ahora tenemos
palomas, es decir, los números
. Por lo tanto, habrá 2 palomas en algún palomar, o dicho de otro modo, existirán
con
tales que
y
estarán en el mismo intervalo de la forma
. En particular, se tiene que
<%7C%5C%7Bi%5Cpi%5C%7D-%5C%7Bj%5Cpi%5C%7D%7C<%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D"><%7C%5C%7Bi%5Cpi%5C%7D-%5C%7Bj%5Cpi%5C%7D%7C<%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D"><%7C%5C%7Bi%5Cpi%5C%7D-%5C%7Bj%5Cpi%5C%7D%7C<%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D"><%7C%5C%7Bi%5Cpi%5C%7D-%5C%7Bj%5Cpi%5C%7D%7C<%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D" style="display: inline;" alt="[;0<|\{i\pi\}-\{j\pi\}|<\frac{1}{n};]" title="0<|\{i\pi\}-\{j\pi\}|<\frac{1}{n}">. Sin pérdida de generalidad, podemos suponer que se tiene
<%5C%7Bi%5Cpi%5C%7D-%5C%7Bj%5Cpi%5C%7D<%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D"><%5C%7Bi%5Cpi%5C%7D-%5C%7Bj%5Cpi%5C%7D<%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D"><%5C%7Bi%5Cpi%5C%7D-%5C%7Bj%5Cpi%5C%7D<%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D"><%5C%7Bi%5Cpi%5C%7D-%5C%7Bj%5Cpi%5C%7D<%5Cfrac%7B1%7D%7Bn%7D" style="display: inline;" alt="[;0<\{i\pi\}-\{j\pi\}<\frac{1}{n};]" title="0<\{i\pi\}-\{j\pi\}<\frac{1}{n}">. Pero como
, se tiene que
.
Ahora fijemos
0" />0" />0" />0" />0" style="display: inline;" alt="[;\varepsilon>0;]" title="\varepsilon>0" /> y veamos que cualquier número
dista menos que
de algún número de la forma
.
Tomemos
tal que
<%5Cvarepsilon"><%5Cvarepsilon"><%5Cvarepsilon"><%5Cvarepsilon" style="display: inline;" alt="[;1/n<\varepsilon;]" title="1/n<\varepsilon">. Tenemos que
<%5C%7B(i-j)%5Cpi%5C%7D<1/n<%5Cvarepsilon"><%5C%7B(i-j)%5Cpi%5C%7D<1/n<%5Cvarepsilon"><%5C%7B(i-j)%5Cpi%5C%7D<1/n<%5Cvarepsilon"><%5C%7B(i-j)%5Cpi%5C%7D<1/n<%5Cvarepsilon" style="display: inline;" alt="[;0<\{(i-j)\pi\}<1/n<\varepsilon;]" title="0<\{(i-j)\pi\}<1/n<\varepsilon">. Tomemos
tal que
<1<(N+1)(i-j)%5Cpi"><1<(N+1)(i-j)%5Cpi"><1<(N+1)(i-j)%5Cpi"><1<(N+1)(i-j)%5Cpi" style="display: inline;" alt="[;N(i-j)\pi<1<(N+1)(i-j)\pi;]" title="N(i-j)\pi<1<(N+1)(i-j)\pi"> (como
es irracional, se puede encontrar).
Daos cuenta ahora que para cada
, la distancia entre
y
es menor que
. Además, cada intervalo
tiene longitud exactamente
. Por lo tanto, en cada uno de estos intervalos habrá un número de la forma
con
. Pero, igual que hemos hecho hace un momento, resulta que
.
En resumen, para cada
y cada
, existe un número natural
tal que
Por último, para cada
cualquier número
estará en alguno de los intervalos de la forma
, luego
estará a una distancia menor que
de un elemento de
.
Con esto demostramos que
es denso en
.
Hasta ahora, los ingredientes que hemos usado son el número π y el principio del palomar (además de un argumento quizás algo técnico). Pero... ¿dónde está aquí el caos?
Una posible
definición de caos ya la vimos en este mismo blog. Esta definición (la de Devaney) impone 3 condiciones, aunque en el caso de
sistemas dinámicos lineales, bastan 2 de ellas:
- Existe un elemento con órbita densa.
- Existe una cantidad densa de puntos con órbita periódica.
Pues precisamente estas dos condiciones se cumplen aquí
Consideremos el sistema dinámico siguiente:
para cada
. Lo que hemos demostrado antes es que hay un elemento con órbita densa:
. En realidad, el mismo argumento usado con
funciona con cualquier número irracional.
Lo que también podemos probar de forma muy sencilla es que si
resulta que
toma exactamente tantos valores como el denominador de
cuando lo escribimos como su fracción irreducible. Por ejemplo,
toma 4 valores
.
Así que, en cierto sentido, podemos decir que el sistema dinámico consistente en tomar los múltiplos enteros de un número real cualquiera y quedarte con su parte decimal, es un sistema caótico.
Tito Eliatron DixitPD: Esta entrada participa en la Edición 7.3 del Carnaval de Matemáticas cuyo anfitrión es
pimedios.
PD2: La idea de esta entrada era, en un principio, demostrar que la sucesión
es densa. Esta sucesión consiste en tomar los decimales de π a partir de la posición
. Traté de adecuar la demostración anterior (basándome
aquí o
aquí, por ejemplo) pero finalmente fallaba en un punto (no podía garantizar que en cada intervalo
hubiese un término de la sucesión. Me da a mi que la sucesión es densa, pero yo no soy capaz de demostrarlo. Si alguien lo hace, que me lo diga. O puede que alguien responda en
Mathematics Stack Exchange. Muchas gracias.
Esta entrada se ha publicado originalmente en Tito Eliatron Dixit.
Si la estás viendo en otra web, probablemente estéás siendo víctima de un engaño.