Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu www.szkolnictwo.pl mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

Fraktale

Co to jest fraktal? Fraktal, według definicji encyklopedycznej to obiekt, dla którego wymiar fraktalny (Hausdorffa-Besicovitcha) jest większy od wymiaru topologicznego. Według definicji „potocznej” fraktal jest obiektem samopodobnym – tzn. takim, którego części są podobne do całości – lub „nieskończenie subtelny” czyli taki, który ukazuje subtelne detale nawet w wielokrotnym powiększeniu danego obrazu.

Co to jest fraktal? Ze względu na olbrzymią różnorodność przykładów matematycy obecnie unikają podawania ścisłej definicji i proponują określać fraktal jako zbiór, który: ma nietrywialną strukturę w każdej skali struktura ta nie daje się łatwo opisać w języku tradycyjnej geometrii euklidesowej jest samopodobny, jeśli nie w sensie dokładnym, to w przybliżonym lub stochastycznym jego wymiar Hausdorffa jest większy niż jego wymiar topologiczny ma względnie prostą definicję rekurencyjną ma naturalny wygląd („poszarpany”, „kłębiasty”, itp.)

Historia fraktali Pojęcie fraktali zostało wprowadzone do matematyki, za sprawą francuskiego matematyka i informatyka polskiego pochodzenia, przez Benoita Mandelbrota w latach 70-tych XX wieku. Uczony ten odkrył znany zbiór, nazwany na jego cześć zbiorem Mandelbrota. Jednakże nie był to pierwszy fraktal, bowiem już wcześniej istniało wiele zbiorów o niecałkowitym wymiarze Hausdorffa. Bardziej systematycznie fraktalami zajmowała się geometryczna teoria miary, mająca swoje początki w pracach Constantina Caratheodory’ego i Felixa Hausdorffa. Mandelbrot używając komputera do wizualizacji uczynił z fraktali przedmiot intensywnych badań. O ważności dziedziny zadecydowały zastosowania w różnych dziedzinach (zwłaszcza poza matematyką), a w szczególności istnienie licznych odpowiedników w naturze. Benoit Mandelbrot ur. Warszawa 1924

Co to jest fraktal? Benoit Mandelbrot twierdzi, że fraktalem jest wszystko. Nie jest to typowa, ścisła matematyczna definicja, ale jednak wyrażona przez wybitnego matematyka, więc musi mieć jakieś podstawy. Oglądając każdy obiekt (fizyczny, materialny) w pewnym momencie zauważamy, że ma ona strukturę fraktalną. Wszystko zależy od skali w jakiej dany obiekt oglądamy, a w przypadku obiektów matematycznych także od przybliżenia. Tak jak przyglądając się najzwyklejszemu plasterkowi żółtego sera, nie zdajemy sobie sprawy z faktu, że białko które jest jego podstawą ma strukturę fraktalną tak i oglądając zbiór Mandelbrota w błędnej skali możemy sobie nie zdawać sprawy z jego fraktalności. Słowo fraktal (ang. fractal) pochodzi z łaciny od słowa "fractus", które oznacza złamany. Zostało ono wprowadzone przez Mandelbrota, który tłumaczy, że powinno się przez nie rozumieć nieregularność, "fragmentowość" fraktali, a także konieczność "złamania" ich w celu uzyskania powyższej nieregularności.

Przykłady fraktali Zbiór Cantora Georg Cantor (1945-1918) był wybitnym niemieckim matematykiem - twórcą m. in. teorii mnogości. Zbiór przez niego stworzony jest niezwykle istotny nie tylko dla samego świata fraktali, ale dla całej matematyki. Za jego pomocą dowodzi się nieprzeliczalności zbioru liczb rzeczywistych, jest on także podstawą zbioru Julii. Został on opisany w 1883 roku. Jego konstrukcja jest bardzo prosta. Odcinek dzielimy na trzy równe odcinki i usuwamy środkowy. Postępujemy tak z każdym z pozostałych dwóch odcinków w nieskończoność. Wraz z kolejnymi krokami liczba odcinków rośnie w nieskończoność, a ich długość dąży do zera. Georg Cantor 1845-1918

Zbiór Cantora Wymiar fraktalny: Szukamy takiej skali, w której cały zbiór się powtarza. W skali 3 zbiór powtarza się dwukrotnie. 2=34 d=log32 d=log2 / log3 = 0,6309

Trójkąt i dywan Sierpińskiego Wacław Sierpiński (1882-1969) urodzony w Warszawie. Wybitny polski matematyk mający na swoim koncie liczne sukcesy w różnych dziedzinach matematyki, od teorii liczb do geometrii fraktalnej. Fraktale Sierpińskiego, są jednymi z najbardziej znanych. Ich konstrukcja jest podobna do zbioru Cantora, jednakże ich reprezentacja graficzna jest znacznie ładniejsza. Mając na płaszczyźnie wypełniony trójkąt dzielimy go na cztery mniejsze. Aby to zrobić, wyznaczamy trzy punkty będące środkami boków pierwotnego trójkąta, przeprowadzamy proste łączące te punkty. Teraz mając cztery trójkąty, usuwamy środkowy, a pozostałe dzielimy w identyczny sposób jak na początku. Wacław Sierpiński (1882-1969)

Trójkąt Sierpińskiego Wymiar fraktalny: Cały trójkąt jest podobny do siebie w skali 2, a powtarza się trzykrotnie: d=log3/log2=1,5849 Trójkąt Sierpińskiego można stworzyć używając do tego trójkąta Pascala. Jest to trójkątna tablica, której pierwszy wiersz stanowi liczba 1, a każdy następny jest tworzony w ten sposób, że na początku i końcu wiersza znajdują się liczby 1, a każda liczba znajdująca się pod dwoma innymi jest ich sumą. Zakładając, że wiersze i kolumny liczymy od zera. Najpierw rysujemy trójkąt, początkowo jedynie z 8 wierszami. Teraz zamalowujemy pola z liczbami nieparzystymi na czarno, pozostałe na biało.

Dywan Sierpińskiego Wymiar fraktalny: Cały dywan jest do siebie podobny w skali 3, powtarza się 8 razy: d=log8/log3=1,8928

Trójkąt i dywan Sierpińskiego Przyglądając się obu obiektom stworzonym przez Sierpińskiego widoczne jest ich podobieństwo. Główną różnicą jest figura początkowa, z jakiej powstaje fraktal. Drugą istotną różnicą jest topologiczny niezmiennik - rząd rozgałęzień. Aby go obliczyć, trzeba wziąć możliwie małe koło, zawierające dany punkt i policzyć ilość przecięć z odcinkami wychodzącymi z tego punktu. W trójkącie Sierpińskiego istnieją punkty o rzędzie rozgałęzienia równym 2, 3 lub 4. Natomiast w dywanie Sierpińskiego znajdują się punkty o dowolnym rzędzie rozgałęzienia, z czego wynika, że zawiera on topologiczną wersja trójkąta Sierpińskiego. Innymi rzadziej pokazywanymi konstrukcjami są piramida Sierpińskiego i gąbka Mengera. Zbiory te, to przeniesienie trójkąta i dywanu Sierpińskiego w przestrzeń trójwymiarową. Gąbkę stworzył Karl Menger w 1925 roku.

Piramida Sierpińskiego Wymiar fraktalny: Piramida powtarza się 4 razy w skali 2: d=log4/log2=2

Gąbka Mengera Wymiar fraktalny: Powtórzenie następuje w skali 3, ilość wystąpień oryginału wynosi 20: d=log20/log3=2,72683 Gąbka Mengera to trójwymiarowy odpowiednik dywanu Sierpińskiego.

Krzywa i płatek Kocha Twórcą tego fraktala jest Helge von Koch, szwedzki matematyk. Krzywa ta jest specyficzna, ze względu na fakt, iż nie posiada żadnych prostych, ani odcinków. Mając dany kawałek, podobnie jak w przypadku zbioru Cantora, dzielimy go na trzy części i usuwamy środek. Tym razem jednak w powstałą „dziurę”, wstawiamy trójkąt równoboczny, któremu usuwamy podstawę. Tak postępujemy dla każdego z czterech powstałych elementów. Płatek Kocha powstaje po połączeniu trzech krzywych Kocha pod kątem 60°, „chropowatą” stroną na zewnątrz. Krzywa ta jest nieskończenie długa, mieści się jednak na skończonej powierzchni. Można więc narysować pewne jej przybliżenie. Połączenie trzech krzywych przypomina płatek śniegu i nazywane jest płatkiem Kocha Helge von Koch 1870 – 1924

Krzywa i płatek Kocha Wymiar fraktalny: Krzywa powtarza się w skali 3 czterokrotnie: d=log4/log3=1,2618

Przestrzeń zespolona Najpiękniejszą grupą fraktali, są fraktale stworzone na płaszczyźnie zespolonej. Tutaj także obraz jest uzyskiwany przez iteracyjne przekształcanie wcześniej uzyskanych wyników, jednakże tym razem operujemy na liczbach zespolonych, a zamiast przekształceń afinicznych korzystamy z wielomianów zespolonych. Rozważmy funkcję: f(z)=z2+c tyle, że tym razem z przebiega po liczbach zespolonych zaś c jest zespolonym parametrem. Własnościami tego przekształcenia zajmował się w latach 30 XX wieku Gaston Julia - francuskiego matematyka (urodzonego w Algierii), który badał układy dynamiczne, w szczególności iteracje funkcji kwadratowej na płaszczyźnie zespolonej. Gaston Maurice Julia 1893 – 1978

Zbiory Julii - przykład Zbiory Julii są ściśle związane ze zbiorem Mandelbrota. Zbiór Julii jest spójny jeżeli c należy do zbioru Mandelbrota.

Zbiór Mandelbrota Mandelbrot zastanawiał się jak wygląda zbiór tych parametrów c, dla których zbiór Julii jest spójny. Odpowiedź na to pytanie uzyskał przy użyciu techniki komputerowej. Pierwsze obrazy tego zbioru Mandelbrot opublikował w 1980 r., a grafiki te bardzo szybko obiegły cały świat. Ciekawą własnością omawianego zbioru jest jego samopodobieństwo nie tylko do siebie samego, lecz również do odpowiadającemu mu zbiorowi Julii.

Zbiór Mandelbrota a zbiór Julii Zbiór Mandelbrota jest nie tylko samopodobny, ale lokalnie jest podobny do odpowiedniego zbioru Julii. To niezwykły rezultat dowiedziony niedawno przez chińskiego matematyka Tan Lei.

Przestrzeń hiperzespolona Bardzo ciekawym rodzajem fraktali, są fraktale czterowymiarowe. Liczby zespolone można rozszerzyć do 4 wymiarowej struktury algebraicznej zwanej kwaternionami. Rachunki na kwaternionach są dość skomplikowane, w dodatku mnożenie kwaternionów nie jest przemienne. Można tworzyć 4 wymiarowe zbiory Julii według tego samego przepisu co w liczbach zespolonych. Takie 4 wymiarowe fraktale następnie rzutuje się na przestrzeń 3 wymiarową, aby uzyskać obrazy.

Przestrzeń hiperzespolona - przykłady

Zastosowanie fraktali w informatyce Kompresja fraktalna to system kompresji stratnej opierający się na wykorzystaniu fraktali do reprezentacji danych. Używany jest prawie wyłącznie do kompresji obrazów. Najpopularniejszym zestawem fraktali są systemy funkcji iterowanych (IFS - Iterated Functions System). Kompresja fraktalna daje dobre wyniki zarówno przy bardzo wysokim stopniu kompresji (czyli niskiej jakości) jak i wtedy gdy chcemy zachować wysoką jakość, jednak w tym drugim przypadku skompresowanie obrazu jest operacją bardzo czasochłonną. Tworzenie grafiki komputerowej - przy pomocy algorytmu możemy generować zarówno krzywe fraktalne jak i figury z nich złożone, które w rzeczywistości wyglądają jak linie brzegowe, całe wyspy, góry czy chmury. Zapamiętując jedynie dwa początkowe punkty i wysokości trójkątów, możemy zapamiętać dowolną łamaną używając stosunkowo niewielkiej ilości pamięci. Powiększanie obrazów – dzięki zastosowaniu algorytmu wykorzystującego fraktale, możemy powiększać dany obraz, ponieważ obraz będzie miał nieskończoną rozdzielczość. Brakujące fragmenty nie będą co prawda odtwarzane dokładnie, lecz piksele staną się punktami, a nie kwadratami jak w grafice rastrowej.

Inne zastosowania fraktali Pomimo, iż fraktale są w miarę nową gałęzią matematyki, znalazły bardzo szerokie zastosowanie, nie tylko w świecie matematyki i informatyki. Dziś, fraktale powoli zaczynają wkraczać w nasze środowisko nie tylko od strony natury, ale także nowoczesnej technologii. Oto najważniejsze zastosowania fraktali: badanie nieregularności powierzchni opis procesów chaotycznych zachodzących w układach dynamicznych przetwarzanie i kodowanie obrazów cyfrowych - kompresja fraktalna modelowanie tworów naturalnych dla celów realistycznej grafiki komputerowej badanie struktury łańcuchów DNA badanie samopodobnych struktur harmonicznych występujących w muzyce

Bibliografia Jacek Kudrewicz, Fraktale i chaos. WNT, Warszawa, 2004 S. Mozaffari, K. Faez, M. Ziaratban, Character Representation and Recognition Using Quadtree-based Fractal Encoding Scheme, IEEE Computer Society, ICDAR, 2005 Piotr Pierański, Fraktale, Od geometrii do sztuki, Wydanie 1, Instytut Fizyki Molekularnej PAN, Ośrodek Wydawnictw Naukowych, Poznań 1992 Michał Tempczyk, Fraktale czyli poszarpana geometria, 1995 http://www.gap-system.org/~history/Biographies http://pl.wikipedia.org/ http://www-history.mcs.st- andrews.ac.uk/PictDisplay/Koch.html