
Il terzo punto dell'esercizio chiedeva: quale è l'area del fiocco di neve A_n ad ogni passo n -esimo della costruzione? E quale è il limite per n che tende all' \infty ? Sappiamo che il perimetro è infinito: abbiamo calcolato l'altro giorno che la curva di Koch ha lunghezza infinita, per costruire il fiocco di neve ne usiamo addirittura 3 :)
L'area può essere calcolata in 3 passaggi:
- l'area del triangolo equilatero di lato 1 è 1/2 \cdot \sqrt{3}/2 \cdot 1 ( lato per radice di 3 diviso 2 per il lato per un mezzo ) quindi A_0 = \sqrt{3}/4 e possiamo aggiungerla al totale direttamente in un secondo momento;
- l'area che resta da calcolare è 3 volte quella racchiusa sotto una curva di Koch;
- l'area sotto una curva di Koch è calcolabile sommando l'area dei triangolini che di volta in volta si vengono a costruire (e che sono si volta in volta equivalenti)
Quindi A_n = \sqrt{3}/4 + 3\cdot 'somma.aree.aggiunte.ad.ogni.passaggio' .
Quindi cerchiamo di capire quale è l'area che si aggiunge ad ogni passaggio:
- abbiamo solo un nuovo triangolino equilatero di lato 1/3 di quello iniziale, quindi la sua area \sqrt{3}/4 \cdot 1/9 e di conseguenza A_1 = \sqrt{3}/4 ( 1 + 3\cdot 1/9) = \sqrt{3}/4 ( 1 + 1/3 ) ;
- rispetto al passaggio precedente abbiamo 4 nuovi triangolini di lato 1/9 e quindi 3 triangolini di area \sqrt{3}/4 \cdot 1/9^2 . Questo vuol dire che A_2 = \sqrt{3}/4 (1+ 3\cdot(1/9 + 4\cdot 1/9^2)) = \sqrt{3}/4 ( 1 + 1/3^1 + 4^1/3^3) .
- Procedendo in questo modo, si scopre presto che al passo n -esimo si hanno oltre ai triangoli del passo n-1 -esimo, 4^{n-1} nuovi triangolini di lato 1/9^n , e dunque di area \sqrt{3}/4 \cdot 1/9^{2n} . Pertanto A_n = \frac{\sqrt{3}}{4} \left( 1 + \sum_{i=1}^n \frac{4^{i-1}}{3^{2i-1}}\right).
A questo punto per calcolare \lim_{n\rightarrow\infty} A_n basterà saper calcolare il limite di una serie geometrica. Cerchiamo di fare qualche passaggio in più del necessario...
Si può dimostrare che \sum_{k=0}^{n} x^k = \frac{1-x^{n+1}}{1-x} , nel nostro caso quindi \sum_{i=1}^n \frac{4^{i-1}}{3^{2i-1}} = \frac{3}{4} \sum_{i=1}^n \frac{4^{i}}{3^{2i}} = \frac{3}{4}\; \frac{1-(4/9)^n}{1-4/9} .
Siccome 4/9<1 , la funzione (4/9)^x tende a schiacciarsi molto in fretta verso lo 0 al crescere della x :
\begin{graph} width=400; height=300; xmin=0; xmax=5; ymin=0; plot((4/9)^x);\end{graph}
In particolare \lim_{n\rightarrow\infty} (4/9)^n = 0 . Quindi \lim_{n\rightarrow\infty} A_n = \lim_{n\rightarrow\infty} \frac{3}{4}\; \frac{1-(4/9)^n}{1-4/9} = 27/20 .
A questo punto dovrebbe essere chiaro che \lim_{n\rightarrow\infty} A_n = \frac{\sqrt{3}}{4} \left( 1 + \frac{27}{20}\right) = \frac{2\sqrt{3}}{5} ! Cioè questo fiocco di neve (o anche questa piccola isola) ha un perimetro infinito ma, nonostante questo, la sua area resta finita!!
Se ci pensate bene questa è una cosa davvero strana: pensate ad un rettangolo o un pentagono, l'unico modo che hanno per avere perimetro infinito sarebbe avere uno o più lati infiniti e quindi non sarebbe possibile disegnarli. E non si tratta soltanto di un problema de processi infiniti: pensate di continuare ad aggiungere lati sempre più piccoli ottenendo ad ogni passo una figura regolare... probabilmente otterrete una circonferenza, eppure anche quella ha una lunghezza finita e ben definita.
La prossima volta cercheremo di trovare qualche altra stranezza...