Сообщение по теме фракталы
Обновлено: 05.07.2024
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Математика, если на нее правильно посмотреть,
отражает не только истину, но и несравненную красоту.
Бертранд Рассел
Математика – древнейшая наука. Большинству людей казалось, что геометрия в природе ограничивается такими простыми фигурами, как линия, круг, многоугольник, сфера и т.д. Как оказалось, многие природные системы настолько сложны, что использование только знакомых объектов обычной геометрии для их моделирования представляется безнадежным. Как, к примеру, построить модель горного хребта или кроны дерева в терминах геометрии? Как описать то многообразие биологических разнообразий, которое мы наблюдаем в мире растений и животных? Как представить всю сложность системы кровообращения, состоящей из множества капилляров и сосудов и доставляющей кровь к каждой клеточке человеческого тела? Представить строение легких и почек, напоминающие по структуре деревья с ветвистой кроной?
Для многих хаологов (ученых изучающих фракталы и хаос) - это не просто новая область познания, которая объединяет математику, теоретическую физику, искусство и компьютерные технологии - это революция. Это открытие нового типа геометрии, той геометрии, которая описывает мир вокруг нас и которую можно увидеть не только в учебниках, но и в природе и везде в безграничной вселенной.
Цель работы: создание объектов, образы которых весьма похожи на природные.
Методы исследования: сравнительный анализ, синтез, моделирование.
знакомство с понятием, историей возникновения и исследованиями Б. Мандельброта, Г. Коха, В. Серпинского и др.;
знакомство с различными видами фрактальных множеств;
изучение научно-популярной литературы по данному вопросу, знакомство с научными гипотезами;
нахождение подтверждения теории фрактальности окружающего мира;
изучение применения фракталов в других науках и на практике;
проведение эксперимента по созданию собственных фрактальных изображений.
Основополагающий вопрос работы: показать, что математика не сухой, бездушный предмет, она может выражать духовный мир человека в отдельности и в обществе в целом.
Предмет исследования: фрактальная геометрия.
Объект исследования: фракталы в математике и в реальном мире.
Гипотеза: все, что существует в реальном мире, является фракталом.
Актуальность заявленной темы определяется, в первую очередь, предметом исследования, в качестве которого выступает фрактальная геометрия.
Ожидаемые результаты: в ходе работы, я смогу расширить свои знания в области математики, увидеть красоту фрактальной геометрии, начать работу по созданию своих фракталов.
Итог работы: создание собственных фракталов вручную и с помощью компьютерных технологий.
2. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ФРАКТАЛОВ
2.1 ОТЕЦ ФРАКТАЛОВ
1 Почему геометрию часто называют холодной и сухой? Одна из причин заключается в её неспособности описать форму облака, горы, дерева или берега моря. Облака - это не сферы, горы - это не конусы, линии берега – это не окружности…
Постепенно сопоставив факты, он пришёл к открытию нового направления в математике - фрактальной геометрии.
Рисунок 1. Создатель фракталов - Бенуа Мандельброт.
Что же такое фрактал? Сам Мандельброт вывел слово fractal от латинского слова fractus, что означает разбитый (поделенный на части).
И одно из определений фрактала - это геометрическая фигура, состоящая из частей и которая может быть поделена на части, каждая из которых будет представлять уменьшенную копию целого (по крайней мере, приблизительно).
Фракталы — это нечто гораздо большее, чем математический курьёз. Они дают чрезвычайно компактный способ описания объектов и процессов. Если рассматривать эти объекты в различном масштабе, то постоянно обнаруживаются одни и те же фундаментальные элементы. Эти повторяющиеся закономерности определяют дробную, или фрактальную, размерность структуры. Фрактальная геометрия описывает природные формы изящнее и точнее, чем Еклидова геометрия.
Рисунок 2. Книга Мальдеброта.
Фракталы — это прежде всего язык геометрии. Однако их главные элементы недоступны непосредственному наблюдению. В этом отношении они принципиально отличаются от привычных объектов евклидовой геометрии, таких как прямая линия или окружность. Фракталы выражаются не в первичных геометрических формах, а в алгоритмах, наборах математических процедур. Эти алгоритмы трансформируются в геометрические формы с помощью компьютера. Овладев языком фракталов, можно описать форму облака так же чётко и просто, как архитектор описывает здание с помощью чертежей, в которых применяется язык традиционной геометрии.
Язык — это очень подходящая метафора для концепции, лежащей в основе фрактальной геометрии. Буквы не несут в себе никакого смыслового значения до тех пор, пока они не соединены в слова. Точно так же евклидова геометрия состоит лишь из нескольких элементов (прямая, окружность и т.д.), из которых строятся сложные объекты, геометрически выражающие некий смысл.
- обладает нетривиальной структурой на всех масштабах. В этом отличие от регулярных фигур (таких, как окружность, эллипс, график гладкой функции): если мы рассмотрим небольшой фрагмент регулярной фигуры в очень крупном масштабе, он будет похож на фрагмент прямой. Для фрактала увеличение масштаба не ведёт к упрощению структуры, на всех шкалах мы увидим одинаково сложную картину;
- является самоподобной или приближённо самоподобной;
- обладает дробной метрической размерностью или метрической размерностью, превосходящей топологическую.
Многие объекты в природе обладают фрактальными свойствами, например, побережья, облака, кроны деревьев, снежинки, кровеносная система и система альвеол человека или животных.
Фракталы, особенно на плоскости, популярны благодаря сочетанию красоты с простотой построения при помощи компьютера.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ
Фракталы делятся на группы. Самые большие группы это:
Однако существует и другая классификация: деление на рукотворные и природные фракталы . К рукотворным относятся те фракталы, которые были придуманы учёными, они при любом масштабе обладают фрактальными свойствами. На природные фракталы накладывается ограничение на область существования — то есть максимальный и минимальный размер, при которых у объекта наблюдаются фрактальные свойства.
3.1 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ФРАКТАЛЫ.
3.1.1 СНЕЖИНКА КОХА
Из этих геометрических фракталов очень интересным и довольно знаменитым является первый - снежинка Коха.
Рисунок 3 . Снежинка Коха
Кривая Коха является типичным геометрическим фракталом. Процесс её построения выглядит следующим образом: берём единичный отрезок, разделяем на три равные части и заменяем средний интервал равносторонним треугольником без этого сегмента. В результате образуется ломаная, состоящая из четырех звеньев длины 1/3. На следующем шаге повторяем операцию для каждого из четырёх получившихся звеньев и т.д…
Предельная кривая и есть кривая Коха.
Выполнив аналогичные преобразование на сторонах равностороннего треугольника можно получить фрактальное изображение снежинки Коха.
3.1.2 ТРЕУГОЛЬНИК СЕРПИНСКОГО
Рассмотрим треугольник Серпинского. Для его построения из центра треугольника мысленно вырезают кусок треугольной формы, который своими вершинами будет упираться в середины сторон исходного треугольника.
Рисунок 4. Треугольник Серпинского. Рисунок 5. Процесс построения Треугольника Серпинского
Повторяют эту же процедуру для трех образовавшихся треугольников (за исключением центрального), и так до бесконечности.
Если теперь взять любой из образовавшихся треугольников и увеличить его, то получится точная копия целого. Это и есть полное самоподобие.
3.1.3 К РИВАЯ ДРАКОНА
Рисунок 6. Кривая дракона
И зобретена итальянским математиком Джузеппе Пеано. Ее построение начинается с нулевого порядка, которая представляет собой прямой угол.
Изображение фигуры каждого следующего порядка строится путем постоянных замен каждого из отрезков фигуры младшего порядка на два отрезка, сложенных также в виде прямого угла. При этом каждый первый угол оказывается вывернутым наружу, а каждый второй - вовнутрь. На рисунке проиллюстрирован алгоритм построения драконовой ломаной и изображен вполне взрослый дракон десятого порядка.
3.1.4 КРИВАЯ МИНКОВСКОГО
Кривая Минковского или колбаса Минковского - классический геометрический фрактал, предложенный Минковским. Здесь можно заметить, что два равных звена продолжают друг друга.
Рисунок 7 . Кривая Минковского.
3.1.5 МНОЖЕСТВО КАНТОРА
Рисунок 8 . Множество Кантора.
Из единичного отрезка C0 = [0,1] удалим среднюю треть, т.е. интервал (⅓,⅔). Оставшееся точечное множество обозначим через C1, оно состоит из двух отрезков; удалим теперь из каждого отрезка его среднюю треть и оставшееся множество обозначим через C2. Повторив эту процедуру опять, удаляя средние трети у всех четырёх отрезков, получаем C3. Обозначим через C пересечение всех Ci. Множество C называется Канторовым множеством.
3.1.6 ДЕРЕВО ПИФАГОРА
Сверху - классическое дерево Пифагора, снизу - обнаженное обдуваемое ветром дерево Пифагора.
Рисунок 9 . Дерево Пифагора.
3.1.7 КОВЁР СЕРПИНСКОГО
10 Ковёр Серпинского - фрактал, один из двумерных аналогов множества Кантора, предложенный польским математиком Вацлавом Серпинским. Также известен как квадрат Серпинского.
Квадрат Q0 делится прямыми, параллельными его сторонам, на 9 равных квадратов. Из квадрата Q0 удаляется центральный квадрат.
Рисунок 10 . Ковер Серпинского.
3.1.8 ГУБКА МЕНГЕРА
Губка Менгера - геометрический фрактал, один из трёхмерных аналогов ковра Серпинского.
Рисунок 11 . Губка Менгера.
3.2 АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ФРАКТАЛЫ
Вторая большая группа фракталов - алгебраические. Свое название они получили за то, что их строят, на основе алгебраических формул иногда весьма простых.
Первые исследования в этом направлении относятся к началу XX века и связаны с именами французских математиков Гастона Жюлиа и Пьера Фату.
В 1918 году вышел почти двухсотстраничный труд Жюлиа, посвященный итерациям комплексных рациональных функций, в котором описаны множества Жюлиа — целое семейство фракталов, близко связанных с множеством Мандельброта. Этот труд был удостоен приза Французской академии, однако в нем не содержалось ни одной иллюстрации, так что оценить красоту открытых объектов было невозможно. Несмотря на то что это работа прославила Жюлиа среди математиков того времени, о ней довольно быстро забыли.
Основной упор в своем изложении Мандельброт сделал не на тяжеловесные формулы и математические конструкции, а на геометрическую интуицию читателей. Благодаря иллюстрациям, полученным при помощи компьютера, и историческим байкам, которыми автор умело, разбавил научную составляющую монографии, книга стала бестселлером, а фракталы стали известны широкой публике. Их успех среди не математиков во многом обусловлен тем, что с помощью весьма простых конструкций и формул, которые способен понять и старшеклассник, получаются удивительные по сложности и красоте изображения. Когда персональные компьютеры стали достаточно мощными то появилось даже целое направление в искусстве — фрактальная живопись, причем заниматься ею мог практически любой владелец компьютера.
Примеры алгебраических фракталов:
12 3.2.1 МНОЖЕСТВО ЖУЛИА
Множеством Жюлиа полинома f(z) = z2 + c соответственно называется такое подмножество множества комплексных чисел, для каждой точки которого, поведение функции под действием итераций является хаотичным, т.е. небольшие изменения в начальных условиях в некоторой небольшой окрестности начальной точки, Рисунок 12. Множество Жулиа. значительно влияют на траекторию.
3.2.2 БАССЕЙНЫ НЬЮТОНА
13 Области с фрактальными границами появляются при приближенном нахождении корней нелинейного уравнения алгоритмом Ньютона на комплексной плоскости (для функции действительной переменной метод Ньютона часто называют методом касательных, который, в данном случае, обобщается для комплексной плоскости).
Рисунок 13. Бассейны Ньютона.
3.2.3 МНОЖЕСТВО МАНДЕЛЬБРОТА
14 Множества Мандельброта наиболее распространенный среди алгебраических фракталов. Его можно найти во многих научных журналах, обложках книг, открытках, и в компьютерных хранителях экрана. Этот фрактал, напоминающий чесальную машину с прикрепленными к ней пылающими древовидными и круглыми областями.
Рисунок 14 . Множество Мандельброта.
3.2.4 БИОМОРФ
Некоторые алгебраические фракталы поразительным образом напоминают изображения животных, растений и других биологических объектов, вследствие чего получили название биоморфов.
Рисунок 15 . Биоморф.
3.3 СТОХАСТИЧЕСКИЕ ФРАКТАЛЫ
Стохастические фракталы, смоделированные компьютерной программой, очень похожи на природные творения - несимметричные деревья, изрезанные береговые линии, горный массив и т.д.
Рисунок 16. Плазма.
4. ПРИРОДНЫЕ ФРАКТАЛЫ
Одним из типичнейших представителей фрактального подводного мира является коралл.
В природе известно свыше 3500 разновидностей кораллов, в палитре которых различают до 350 цветовых оттенков. В строении морской
раковины так же хорошо видна структура фрактала.
Рисунок 17 . Морские фракталы
На первый взгляд человек не обладает выраженной фрактальной внешностью, но стоит заглянуть внутрь – всё встаёт на свои места.
Рисунок 18 . Человек - это фрактал
Фрактальная организация прослеживается в картине разветвления некоторых сердечных мышечных волокон.
Растения, деревья и травы - обладают выраженной фрактальной формой, в отличие, например, от животных. Кроме того, что фрактальную структуру имеет листрастения (прожилки), общее строение растений также фрактально.
Цветная капуста - типичный фрактал.
19 Рассмотрим строение цветной капусты.
Если разрезать один из цветков, очевидно, что в руках остаётся всё та же цветная капуста только меньшего размера. Можно продолжать резать снова и снова, даже под микроскопом - однако всё, что мы получим - это крошечные копии цветной капусты.
Рисунок 19 . Цветная капуста
20 Павлины всем известны своим красочным опереньем, в котором спрятаны сплошные фракталы.
Рисунок 20 . Павлин.
Фракталы есть везде и всюду в окружающей нас природе. Вся Вселенная построена по удивительно гармоничным законам с математической точностью. Разве можно после этого думать, что наша планета – это случайное сцепление частиц? Едва ли.
5. ПРИМЕНЕНИЕ
Применений фракталов уже сейчас существует великое множество, и число их все увеличивается.
Фракталы широко применяются в компьютерной графике для построения изображений природных объектов, таких, как деревья, кусты, горные ландшафты, поверхности морей, нередко используются при создании облаков, снега, береговой линии. Поэтому применять фрактальные изображения можно в самых разных сферах, начиная от создания обычных текстур и фоновых изображений и кончая фантастическими ландшафтами для компьютерных игр или книжных иллюстраций. А создаются подобные шедевры путем математических расчетов, где элементом фрактальной графики является сама математическая формула - это означает, что никаких объектов в памяти компьютера не хранится, и изображение строится исключительно на основе уравнений.
Фракталы стали незаменимыми помощниками астрофизиков, медиков, геологов. Фрактальные модели упрощают анализ движения жидкости или газа, что важно для индустриальных технологий разработки месторождений нефти и газа.
Модели, построенные на основе фрактальных изображений, позволяют с большой точностью моделировать космическое пространство и ткани внутренних органов живых организмов. Сравнивая фрактальные размерности сложных сигналов, энцефалограмм или шумов в сердце, медики могут диагностировать некоторые тяжелые заболевания на ранней стадии, когда больному еще можно помочь. В данное время фракталы находят широкое применение в медицине. Сам по себе человеческий организм состоит из множества фрактальных структур: кровеносная система, мышцы, бронхи, бронхиальные пути в легких, артерии.
Теория фракталов применяется для анализа электрокардиограмм. Оценка величины и ритмов фрактальной размерности позволяют на более ранней стадии и с большей точностью и информативностью судить о нарушениях гомеостазиса и развитии конкретных заболеваний сердца. Рентгеновские снимки, обработанные с помощью фрактальных алгоритмов, дают более качественную картинку, а соответственно и более качественную диагностику!
Еще одна область активного применения фракталов – гастроэнтерология.
Новый метод исследования в медицине, электрогастроэнтерография - метод исследования, позволяющий оценить биоэлектрическую активность желудка, двенадцатиперстной кишки и других отделов ЖКТ.
Метеорологи научились определять по фрактальной размерности изображения на экране радара скорость восходящих потоков в облаках, что позволяет с большим упреждением выдавать морякам и летчикам штормовые предупреждения. Для передачи данных на расстояния используются антенны, имеющие фрактальные формы, что сильно уменьшает их размеры и вес.
21 Фракталы стали новым направлением в искусстве, демонстрируя собой настоящие шедевры - картины необычайной красоты и привлекательности. Выставки фрактальных изображений проходят в музеях всего мира, большое количество конкурсов проводится в компьютерной сети Интернет. И естественно, что они стали популярны в оформлении интерьеров.
Р исунок 21. Фракталы в искусстве.
Применение фрактальных правил построения широко распространено и в архитектуре.
Рисунок 22. Фракталы в архитектуре.
Фрактальный принцип развития природных и геометрических объектов проникает вглубь архитектуры и как образ внешнего решения объекта, и как внутренний принцип архитектурного формообразования. Фрактальная архитектура делится на два типа: искусственно созданная и естественно сложившаяся. В свою очередь, искусственно созданная фрактальная архитектура бывает интуитивной и сознательной.
Также фракталы используются в дизайне мебели.
Н и для кого не секрет, что японцы по жизни сильно ограничены в пространстве, в связи с чем, им приходится всячески изощряться в эффективном его использовании. Такеши Миякава показывает, как это можно делать одновременно эффективно и эстетично. Его фрактальный шкаф подтверждение тому, что использование фракталов в дизайне – это не только дань моде, но и гармоничное конструкторское решение в условиях ограниченного пространства.
Рисунок 23. Тумбочка Такеши Миякава. 23
Фракталы в литературе.
Среди литературных произведений есть такие, которые обладают текстуальной, структурной или фрактальной природой.
Что такое фрактал? Как устроен мир вокруг нас? Что лежит в основе всего? Почему наша Галактика по форме похожа на раковину Наутилуса, человеческий глаз на космическую туманность, а клетки мозга на всю нашу Вселенную?
Кому из вас не доводилось видеть похожие формы в живых и неживых объектах? Будто одна и та же формула, пронизывает всё вокруг.
Рис. 1. Фотография Вселенной, клетки мозга, рождение звезды, деление клетки, глаз человека и туманности
Схожие формы встречаются повсюду, от микро- до макромира: в минералах, растениях и животном мире, в структуре ДНК, в природных явлениях (циклоны, молнии, береговые линии), планетарных системах и звёздных скоплениях. Они присутствуют и в живых организмах.
Каковы закономерности и в чём причина такого сходства? Объяснением этому является фрактал. Фрактальность также прослеживается как в самом человеке, так и во взаимоотношениях в семье, коллективе и обществе в целом.
Рис. 2. Пример фракталов: клетки лука и эзоосмическая решётка
Можно сказать, что фрактал – это узор, который повторяет сам себя в разных масштабах до бесконечно малого или/и бесконечно большого. Он рождается не просто повторением форм, а скорее повторением процесса, который применяется к форме. Бесконечная цепочка самопостроения.
Она имеет сложное строение. Если мы возьмем нож, отрежем один бутончик и присмотримся, то увидим – это та же капуста только меньшего размера. Можно продолжить эксперимент и резать дальше – получаются более мелкие образцы капусты.
История открытия фракталов
Опираясь на найденные интересные артефакты, мы видим, что знаниями о фракталах располагали люди ещё в древности. Их изображение мы находим на керамике Трипольской культуры (с 5450 по 2700 год. до н. э.), в очертаниях построения селений и городищ, архитектуре зданий. Более подробно об этом будет рассказано во второй части статьи.
К примеру, выдающемуся зодчему Древнего Египта Имхотепу удалось возвести первую в той стране ступенчатую пирамиду – грандиозное фрактальное сооружение с чёткими математическими пропорциями. К слову сказать, группа близких Имхотепу людей называли Бога не иначе как Великим Зодчим Мироздания. А во времена существования ордена Тамплиеров по всей Европе получил широкое распространение готический стиль архитектуры – воплощение сакральной геометрии и фрактальных узоров в камне.
Однако, со временем учёные выбрали другой, материалистический путь развития науки, который увёл нас далеко от этих знаний, и божественные законы были забыты.
В области изучения фракталов ещё в конце ХIX – начале ХХ веков работали многие учёные: Пьер Фату, Жюль Анри Пуанкаре, Георг Кантор, Феликс Хаусдорф, Гастон Жюлиа. Они и заложили математическую базу для появления теории фракталов.
Появление вычислительных устройств позволило ускоренно проводить итерации (многократно повторяющийся процесс вычисления) и визуализировать формулы. А сама идея ввести формулу Гастона Жюлиа в компьютер и с его помощью произвести громоздкие расчеты пришла в голову Мандельброту приблизительно в 1977 году. Раз за разом, меняя переменную C, он получал новые удивительные изображения. Таким образом, множества Жюлиа приобрели геометрические формы. (см. Множества Жюлиа). В 1980 г. программа отпечатала нечто похожее на кляксу. (см. фрактал Мандельброта). Это простое на первый взгляд изображение при приближении выявляет в себе новые и новые отображения множеств Жюлиа, которым нет предела.
Рис. 4. Изображения фракталов. Фрактал Мандельброта. Множество Жюлиа
Много современных учёных успешно работали в данном направлении. Заслуга Бенуа заключается в том, что он первым визуализировал уже имеющиеся формулы, показав всему миру их невероятную красоту, и дал ныне существующее название этому явлению.
Виды фракталов
Фракталы бывают разных видов, рассмотрим некоторые из них:
- геометрические;
- алгебраические;
- стохастические;
- концептуальные (социокультурные, непространственные и т.д.)
Геометрические виды фракталов являются самыми наглядными и простыми в строении. Увидеть их может любой человек. Множество таких фракталов можно нарисовать на обычном листке бумаги в клетку. Примером являются: Треугольник Серпинского, Снежинка Коха, Н-фрактал, Т-фрактал, Дракон, Кривая Леви, Дерево Пифагора.
Рис. 5. Примеры геометрических фракталов
Он строится путём многократного разделения отрезка линии на 3 равные части и замены средней части на 2 новых отрезка той же длины. Число сторон каждый раз учетверяется, вследствие чего становится бесконечно великим. Периметр снежинки имеет бесконечную длину, но площадь при этом конечна, так как фигура является замкнутой.
Рис. 7. Примеры фрактальных антенн
Возьмём равносторонний треугольник, отметим середины его сторон.
Соединим срединные точки прямыми линиями. Образовались 4 треугольника.
Теперь повторим эту операцию с каждым из вновь образовавшихся треугольников. И так до бесконечности.
Рис. 8. Построение треугольника Серпинского
Из этого примера легко увидеть, что количество треугольников увеличивается, и сумма их периметров (сумма сторон треугольников) стремится к бесконечности, а сумма площадей – к нулю.
Это самая крупная группа фракталов, которая базируется на основе разных алгебраических формул. Ярким примером является фрактал Мандельброта. В настоящее время их принято отображать в цвете. Получаются красивейшие необычные орнаменты, которые используют, например, в дизайне одежды.
Рис. 9. Изображения алгебраических фракталов
Не менее популярным является способ построения, основанный на комплексной динамике. В результате образуются фракталы, напоминающие живые организмы – биоморфы. (рис.10).
- Молния
- Ионосфера
- Северное сияние
- Пламя
Рис. 11. Стохастические фракталы
Концептуальные (социокультурные, непространственные) фракталы
Дедка, бабка, внучка.
Дедка, бабка, внучка, Жучка и т.д.
Фрактальность наблюдается в организации человеческих поселений (страна – город – квартал); в распределении общества на группы (народ – социокультурная группа – семья – человек). Сюда же отнесём фрактальность взаимоотношений, которые начинаются с самого человека. Меняется человек, его восприятие, внутреннее состояние – изменяется взаимоотношение в семье, коллективе, в итоге преобразуется всё общество. Прослеживается фрактальность в иерархических системах управления.
ФРАКТАЛЬНЫЕ ФОРМЫ В ПРИРОДЕ
Рис. 12. Фракталы в природе
Один из наглядных примеров фрактальной формы – береговые линии, которые отличаются друг от друга степенью своей изрезанности. Нет абсолютно одинаковых протоков, но их общие очертания как будто нарисованы одним лекалом. Эти очертания независимо от размера очень похожи. Маленький проток – это уменьшенная копия большого. Если увеличить верхний правый угол картинки, то она будет аналогична всей картине, изображенной на рисунке.
Рис. 13. Береговые линии
Растительный мир нашей зелёной планеты богат и разнообразен. На первый взгляд кажется, что в нём нет никакой закономерности: растения в лесу расположены беспорядочно, ветки с листьями на растениях тоже. Но возьмём, к примеру, дерево. Если рассматривать дерево поднимаясь от основания к вершине, то видно, как от ствола отходят большие ветви, на больших ветвях идёт такое же разветвление меньших веток, и дальше форма разветвления в любой части дерева будет повторяться, лишь уменьшаясь в размере к вершине. И зная принципы построения фракталов, изучив все закономерности расположения веток на вершине дерева, нетрудно догадаться, как выглядит это же дерево у своего основания.
Крона – это видимая часть дерева, которая является отражением корневой системы. А корни, в свою очередь, тоже имеют ярко выраженное фрактальное строение. (рис.14, б).
Рис. 14. Фракталы в природе на примере дерева
Самое интересное, что прожилки на листьях тоже образуют фрактальный рисунок, очень похожий на плоское миниатюрное дерево (рис.15). Нет листьев с одинаковым рисунком, так же как нет людей с одинаковым отпечатком пальца. Рисунок на каждом листе уникален.
Рис. 15. Фрактальность в листьях
Комнатное растение (королевская бегония) – яркий пример проявления фракталов в рисунке листьев. Маленькие листочки по форме и сочетанию цветов аналогичны большим, хотя и не являются их точной копией (рис.16).
Рис. 16. Листья королевской бегонии
Один из самых старых видов наземных растений – папоротники. Учёные полагают, что они существуют более 350 млн. лет. Строение листа этого растения очень похоже на компьютерный фрактал (рис.17). Именно это растение является ярким доказательством того, что чем древнее биологическая форма, тем чётче в ней прослеживается фрактал, то есть форма организма строится по простым правилам.
Рис. 17. Листья папоротников
Съедобные растения тоже несут в себе формы самоподобия. Красная капуста в продольном срезе имеет фрактальный рисунок. (рис.18)
Рис. 18. Фото разных сортов капусты
Казалось бы, тугой кочан капусты, а его красота может вдохновить даже художника. Белые утолщения центральных черенков плотно прижатых листьев образуют волшебный фрактальный лабиринт.
Лишайники так же как папоротники и мхи – это самые древние представители растительного мира, поэтому фракталы в них выражены особенно ярко. В их узлах содержатся те же фрактальные формы, что и по краям.
Фрактальность мироустройства, энергии.
Спираль как фрактал
Мир вокруг нас разнообразен. Многие объекты, существующие в природе, являются фракталами. В их основе лежит Божественная пропорция (число Фи) – это Золотое сечение и золотая спираль, благодаря которой мы воспринимаем красоту и гармонию природы, пропорциональность строения человека, древней архитектуры, классических произведений искусства.
Золотая спираль строится фрактальным способом: прямоугольник с золотой пропорцией. 1,618 (число Фи) разбивают на малые квадраты и проводят дугу. То есть в спиралях большая дуга переходит в подобную меньшую и т.д.
Рис. 20. Золотое сечение
Спираль сама по себе является фракталом, в котором каждый новый виток копирует предыдущие, но в новом масштабе. Прямая взаимосвязь между мироустройством микро- и макромира и формой спирали свидетельствует о фрактальном устройстве Вселенной.
Здесь же мы читаем, что в мифологии древних народов основные моменты о сотворении мира схожи. Говорится, что из мира Бога появился Первичный Звук, который породил Вселенную в форме шара. А на его поверхности под действием сил Аллата (первичной энергии, порождающей жизненное движение) стала образовываться материя, которая благодаря тем же силам начала взаимодействовать между собой.
Весь мир создан по математическим пропорциям, и древние об этом знали и отразили своё знание в мифах о сотворении мира. Спираль и последовательность Фибоначчи – это тоже фракталы.
Понятие о двух противодействующих силах Вселенной запечатлены на артефактах разных культур и эпох символом спиралей, закрученных в разные стороны.
Рис. 20. Артефакты с символом спираль в культурах мира
Науке уже известно о спиральных структурах и спиралевидном движении энергии. В этом движении также обнаруживаются фрактальные свойства. Их можно увидеть в космосе, в теле человека, в растениях и природных явлениях (облака, циклоны, водовороты).
Физики наблюдали, как в турбулентных потоках большие вихри порождают вихри поменьше, а те ещё меньше, и такое деление спиралевидных энергий наблюдалось до тех видимых пределов, которые технически были доступны учёным.
Фрактальные свойства присутствуют в структуре и движении энергии электрического разряда, воды, в росте растений и т.д.
Чем полезны знания о фракталах
Понимание фрактального устройства упростило многие сферы научных исследований. Удивительная особенность фракталов – повторение аналогичного паттерна в разных масштабах – позволяет нам, изучив малую часть какого-либо события или явления, предполагать об устройстве целого.
Это свойство позволило более точно рассчитывать площади неровных изломанных поверхностей. Например географических, таких как береговые линии, облака, или биологических – внутренняя поверхность лёгких или нервных волокон.
Рис. 21. Изображение структуры лёгких
Фрактальное строение ландшафта позволило создавать 3D модели гор, облаков, берега, что широко используется в компьютерной графике кинематографа, программ обучения водителей, лётчиков, а также в компьютерных играх. По факту, это есть создание иллюзорной копии нашего мира (иллюзии внутри иллюзии).
В технической сфере мы научились производить фрактальные антенны, которые позволяют значительно уменьшить размеры конструкции, и расширить диапазон принимаемых частот без увеличения объёма и громоздкости.
Применение фрактального свойства в архитектуре привело к появлению новых необычных форм с увеличением прочности строений.
Знания о фракталах нашли применение во всех сферах жизни человека – в физике, экономике, культуре, биологии, геологии и т.д.
Но главное – это реальный шанс по-новому взглянуть на мироустройство, которое пронизано фракталами вдоль, поперёк и насквозь. Например, изучение галактики, позволило учёным приблизиться к пониманию о строении Вселенной и о параллельных мирах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как видим, фракталы – это не нечто обособленное и непонятное. Они наполняют нашу жизнь. Знания о фрактальном построении мира имелись у людей издревле. Мы провели небольшое исследование и нашли интересные факты, связанные с древностью фракталов, способами их применения в архитектуре и проявлений как в самом человеке, так и в обществе.
Во второй части нас ждёт захватывающее путешествие в историю, архитектуру, музыку. У нас будет возможность понять, как изменения в неизмеримо малом могут привести к глобальным трансформациям. И что может сделать человек как единица общества, чтобы наступило золотое тысячелетие, о котором люди мечтают с давних пор.
Конец первой части
Список литературы:
Смирнова А. С., Готический стиль в архитектуре и психология. (Научные труды Института Непрерывного Профессионального Образования. №4/2014.
Cтатья из Вестника Брестского гос. техн. унив-та. 2015 №1: Колосовская А.Н. Архитектурные сооружения духовно-рыцарский орденов.
Г.М. Вдовин Г.М., Трубецков Д.И., Столетие фрактальной геометрии: От Жюлиа и Фату через Хаусдорфа и Безиковича к Мандельброту. Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского. Россия. 2020.
Фракталы и их дизайн — неопознанные элементы науки
Фракталы — дизайн космической фигуры
Сакральные подтексты в геометрии и природе фракталов
Зря ученые не записали фракталы в Восьмое чудо света. Обернись! Кроме груза проблем и серости мегаполисов, в мире существуют естественные гармоничные фигуры, демонстрирующие элегантность в простых и сложных формах. Имя им — фракталы! Ты точно замечал их в детстве, заглядывая в калейдоскоп или рассматривая морозные узоры на окне. Тогда ты просто не знал, как называются поразительно бесконечные фигуры в геометрии Вселенной. Давай лучше рассмотрим дизайн фракталов в природе и науке, чтобы вернуть себе веру в волшебство. Давай удивимся этой безумной синхроничности.
А ведь все фрактально повторяется в нашем материальном мире
От гипнотических мистических фрактальных узоров невозможно оторваться
Фракталы и их дизайн — неопознанные элементы науки
Только взгляни на русла рек, созвездия, структуру вирусов, ДНК или атомов!
Повторяющиеся самоподобные фигуры создают целые вселенные.
- сложные, постоянно повторяющиеся структуры основной фигуры геометрии (круга, треугольника, квадрата)
- увеличение масштаба фигуры всегда приводит к усложнению его структуры
- принцип дизайна фигуры — самоподобие, приближенное самоподобие или рекурсия
- метрическая размеренность даже при дроблении фигуры значительно превосходит топологическую
- фигуры фракталы не имеют конечной площади в графическом изложении, напоминают матрицу.
Схожие фрактальные формы встречаются повсюду, от микро- до макромира
Ищи фракталы в минералах, флоре и фауне, природных явлениях
Фракталы в природе, науке, дизайне, it-сфере и даже философии — это яркий пример вечного непрерывного движения, становления и развития простых форм. Фракталы становятся причиной встречающихся нам закономерностей. О том, что человечество использовало такие фигуры много веков назад, ни история, ни архитектура, ни изобразительное искусство не умалчивают. Трипольская культура, Древний Египет, календарь Майя, восточные узоры мандалы — все это принадлежит к сакральной геометрии.
Мандала со своей фрактальной структурой излучает гармонию
Одежда с фрактальным кроем или принтами становится все более популярной
Фракталы — дизайн космической фигуры
Фрактал — это бесконечная цепочка самопостроения
Первые изображения найдены на керамике Трипольской культуры (2700 год. до н. э.)
Гипнотические фигуры в природе и науке преображают хаос, создают матрицу. Они перестают быть синонимами беспорядка, обретая тонкую и четкую структуру. Фракталы выстраивают свой дизайн посредством простых алгоритмов. Математика, современные технологии, дизайн, экономика и другие сферы давно обратили внимание на подобные закономерности.
Фрактал упорядочивает хаос
Картины с изображением фракталов способствуют глубокой медитации
От общего к частному: из природы в архитектуру
Архитектура обожает прием совершенной геометрии. К примеру, индуистские храмы обладают схожими друг на друга структурами. В их дизайне некоторые части напоминают концепт в целом. Согласно индуистской космологии, центральная башня зачастую олицетворяет бога Шиву, а подобные меньшие — бесконечные повторы вселенной.
Не страшно разгадать глубинные секреты Вселенной?
Дизайн фракталов также имеет схема линий парижского метрополитена, индийская мандала, соборы и храмы и природные объекты. Дизайн повторяющихся фрагментов отражается в общем облике здания и отдельно взятых деталях фасада. Наиболее чаще они встречаются в западной и отечественной архитектурах: исторический музей в Москве, древние индийские и ацтекские ступенчатые храмы, многофункциональный комплекс Federation Square в Мельбурне, мексиканский бутик Liverpool Insurgentes и другие.
Фракталы прячутся в простых вещах: цветной капусте, суккулентах, кактусах
Их изучение развивает множество сфер: от астрономической, социальной до IT и точных наук
Фракталы в IT-сфере и литературе — что общего?
Фракталы и их геометрия незаметно перебралась в технологический мир. Из природы он в передовые 3D иллюстрации, компьютерную графику, децентрализованные сети. К примеру, компания Netsukuku использует принцип фрактального сжатия информации для IP-адресов. Каждый новый узел состыковывается с общей сети без использования центрального сервера. Удобно же!
Ты удивишься, но молния, ионосфера, северное сияние и пламя — тоже фракталы
Легче всего такие фигуры описать художникам
Фракталы используются также в цифровой области. Теперь не нужно отдельно рисовать детали графических объектов. Фракталы и их алгоритмы задают первоначальные параметры, а остальную работу делает компьютерная система. Айтишники безустанно креативят с двух- и трехмерными геометрическими фигурами для создания объемных текстур.
Есть что-то магическое в любой фрактальной форме
Одни их замечают, другие проходят мимо
Смотри, как каждый фрагмент точно дублируется в уменьшающемся масштабе!
Фракталы в природе: ботаника что-то скрывает
Индустрия моды увлеклась темой фракталов
Сакральные подтексты в геометрии и природе фракталов
Сакральная геометрия базируется на геометрических узорах и определенных коэффициентах. Философы и мудрецы расценивают их как некие строительные блоки жизни. Особенно заняты этим мыслители New Age течения. Фрактальные элементы по их мнению призваны гармонизировать энергии тела и помочь в практике исцеления. Главными показателями сакральной геометрии стали золотые пропорции (1.61803399). Они найдены в некоторых местах Вселенной, среди земной природы, в иных галактиках, ракушках и растениях.
Сегодня изучение фракталов стало реальным шансом взглянуть по-иному на мироустройство
IndiaStyle
Что такое фрактал
Похожие формы распространены в микро- и макромире. Повторяющиеся узоры увидите в минералах, флоре и фауне, структуре ДНК, явлениях природы (циклонах, молниях, береговых линиях), системах планет и звезд. Что это такое?
Понятие и история изучения
Причины и закономерности в таком сходстве есть. Науке известен такой феномен, как фрактал:
Древние артефакты свидетельствуют о том, что знания о фракталах появились у человечества давно. Изображение таких структур украшают керамику трипольской культуры (с 5450 по 2700 гг. до н. э.), встречаются в схемах построения селений, архитектурных проектах. Поиски математических закономерностей миропорядка издревле интересовали людей.
Как выглядит фрактал: Freepick
Например, выдающийся зодчий Древнего Египта Имхотеп стал создателем первой в стране ступенчатой пирамиды. У этого грандиозного фрактального сооружения были очень четкие математические пропорции.
Когда в Европе существовал орден тамплиеров, в архитектуре царил готический стиль. Он воплощал сакральную геометрию и фрактальные узоры в камне.
Новый виток развития изучение фракталов получило в конце ХIX – начале ХХ века:
- Математическая база для разработки теории была создана такими учеными, как Пьер Фату, Жюль Анри Пуанкаре, Георг Кантор, Феликс Хаусдорф, Гастон Жюлиа.
- Вычислительные устройства, которые появились в то время, ускорили процесс итерации (многократно повторяющиеся вычисления) и визуализировали формулы.
- Имеющиеся математические наработки с помощью компьютера первым визуализировалБенуа Мандельброт около 1977 года. Ему удалось получить удивительные изображения, геометрия которых отразила теорию фракталов.
На современном этапе известны такие виды фракталов:
- Геометрические. Они очень наглядные и простые в строении. Их просто заметить и можно рисовать на обычных листах бумаги в клетку. К этой группе относятся: Треугольник Серпинского, Снежинка Коха, Н-фрактал, Т-фрактал, Дракон, Кривая Леви, Дерево Пифагора.
- Алгебраические. Большая группа фракталов, основанная на разных алгебраических формулах (фрактал Мандельброта). Сейчас их отображают в цвете и получают красивейшие необычные орнаменты, которые применяют в дизайне одежды.
- Стохастические. В основе их построения лежит хаотическое изменение некоторых параметров с получением объектов, похожих на природные. В киноиндустрии такая компьютерная графика создает искусственные горы, облака, моря, планеты, береговые линии, деревья. В природе к этой группе относится молния, северное сияние, пламя.
- Концептуальные (социокультурные). Этот вид представлен непространственными структурами, которые выходят за рамки геометрии. Многие культурные произведения и художественные тексты (детские стихи, народные песни, сказки) часто содержат рассказ в рассказе.
- в организации поселений людей (страна — город — квартал);
- в том, как общество распределяется на группы (народ — социокультурная группа — семья — человек).
Выделяют фрактальность во взаимоотношениях, которая начинается с самого человека. Вслед за его изменениями меняется восприятие, внутреннее состояние, что отражается на взаимоотношениях в семье, коллективе, в обществе. Фрактальности подчиняются иерархические системы управления.
Фракталы в природе
Эксперимент с нарезанием можно продолжать, каждый раз получая более мелкие образцы. Этот показательный пример в растительном мире далеко не единственный.
Природный фрактал: Freepick
Примеры
На первый взгляд кажется, что флора не обладает закономерностями, а растения и их части растут хаотично, но рассмотрите любое дерево:
- От основания к вершине от ствола отходят крупные ветви.
- На каждой из них происходит аналогичное разветвление меньших ветвей.
- Далее форма разветвления в любой из частей дерева повторяется, только становится все меньше и меньше.
- С учетом принципов построения фракталов, зная закономерности расположения ветвей у вершины, легко воссоздать вид дерева у основания.
В то же время крона, как видимая часть дерева, отражает его корневую систему. У корней фрактальное строение ярко выражено. Прожилки на листве образуют фрактальные рисунки, напоминающие плоское крохотное дерево. При этом не бывает двух листьев с одинаковым рисунком, все они уникальны, как отпечатки пальцев людей.
Есть и другие примеры фракталов из мира растений:
- Комнатная королевская бегония. Ее самые маленькие листья по форме и сочетанию оттенков аналогичны самым крупным.
- Среди съедобных растений самоподобную форму имеет красная капуста.
- Строение листьев папоротников, которые живут на нашей планете уже более 350 млн лет, напоминает компьютерный фрактал. Эти растения доказывают, что в древних биологических формах легче всего проследить фрактал, то есть форма организмов тогда строилась по более простым правилам.
- В лишайниках и мхах, как в древних представителях растительного мира, фракталы ярко выражены. Их узлы аналогичны краям и отличаются только размером.
Еще одним наглядным примером фрактальной формы стали береговые линии, отличающиеся друг от друга степенью изрезанности. Не бывает одинаковых протоков, но по общим очертаниям они всегда очень схожи независимо от размера: маленькие протоки всегда копируют крупные.
Значение фракталов
Изучение и понимание природных фракталов сделали проще многие сферы науки:
- Благодаря их удивительной особенности повторять аналогичный узор в разных масштабах можно по маленькой части явления судить о целом.
- Согласно этой теории, рассчитываются площади неровных изломанных поверхностей (береговые линии, облака, внутренняя поверхность легких, нервные волокна).
- Широко применяется фрактальное строение ландшафта, которое полностью моделирует мир в изображениях 3D, что важно для кинематографа и компьютерных игр, обучения водителей и летчиков.
- В технике используют фрактальные антенны. Их конструкции очень маленькие, а диапазон принимаемых частот широкий.
- В архитектуре фрактальные свойства привели к появлению новых высокопрочных строений необычных форм.
Таким образом, фракталы не считаются чем-то обособленным и непонятным. Знания о них необходимы физиками и экономистам, биологам и геологам, писателям и социологам. В нашей жизни они повсюду, а люди еще в древности обратили внимание на это явление и сумели использовать его во благо человечества.
Узнавайте обо всем первыми
Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.
Фракталы известны уже век, хорошо изучены и имеют многочисленные приложения в жизни. Однако в основе этого явления лежит очень простая идея: бесконечное по красоте и разнообразию множество фигур можно получить из относительно простых конструкций при помощи всего двух операций – копирования и масштабирования.
Что общего у дерева, берега моря, облака или кровеносных сосудов у нас в руке? На первый взгляд может показаться, что все эти объекты ничто не объединяет. Однако на самом деле существует одно свойство структуры, присущее всем перечисленным предметам: они самоподобны. От ветки, как и от ствола дерева, отходят отростки поменьше, от них — еще меньшие, , то есть ветка подобна всему дереву. В этом они похожи на одни из самых красивых математических объектов — фракталы.
Подобным же образом устроена и кровеносная система: от артерий отходят артериолы, а от них — мельчайшие капилляры, по которым кислород поступает в органы и ткани. Посмотрим на космические снимки морского побережья: мы увидим заливы и полуострова; взглянем на него же, но с высоты птичьего полета: нам будут видны бухты и мысы; теперь представим себе, что мы стоим на пляже и смотрим себе под ноги: всегда найдутся камешки, которые дальше выдаются в воду, чем остальные. То есть береговая линия при увеличении масштаба остается похожей на саму себя. Это свойство объектов американский (правда, выросший во Франции) математик Бенуа Мандельброт назвал фрактальностью, а сами такие объекты — фракталами (от латинского fractus — изломанный).
Какие бывают фракталы?
Если посмотреть на множество фракталов, в них можно увидеть множество отличий. Эти отличия наблюдаются не только в форме фигур, из которых состоят фракталы, но и в самой форме представления этих множеств. Таким образом, различают геометрические, алгебраические и стохастические фракталы. Расскажем о каждом из них чуть подробнее.
Геометрические фракталы
Это самый привычный нам вид фракталов. Они строятся на основе какой-либо геометрической фигуры путем дробления ее частей и их преобразования. Среди примеров можно назвать L-системы. Изначально они были спроектированы для моделирования биологических клеточных систем, но с таким же успехом могут быть применены и к другим ветвящимся системам.
Алгебраические фракталы
Алгебраические фракталы строятся на основе математических формул — их можно превратить в геометрические, если построить графики на координатной плоскости. Среди алгебраических фракталов можно выделить фракталы Мандельброта, Жюлиа и бассейны Ньютона. Все они строятся на множестве комплексных чисел, которые состоят из действительной и мнимой части. Просто фракталы Мандельброта и Жюлиа строятся на основе квадратов комплексных чисел, а бассейны Ньютона — на основе их кубов.
Стохастические фракталы
Этот вид фракталов строится на основе математических формул, но в процессе построения параметры в них случайным образом изменяются. Это приводит к появлению причудливых форм, очень похожих на природные. В отличие от геометрических и некоторых алгебраических, стохастические фракталы можно построить лишь при помощи компьютера.
Геометрия и алгебра
Многие природные объекты, такие как стебли растений, тоже представляют собой фракталы с конечным числом повторяющихся элементов
Другой класс — динамические (алгебраические) фракталы, к которым относится и множество Мандельброта. Первые исследования в этом направлении начались в начале XX века и связаны с именами французских математиков Гастона Жулиа и Пьера Фату. В 1918 году вышел почти двухсотстраничный мемуар Жулиа, посвященный итерациям комплексных рациональных функций, в котором описаны множества Жулиа — целое семейство фракталов, близко связанных с множеством Мандельброта. Этот труд был удостоен приза Французской академии, однако в нем не содержалось ни одной иллюстрации, так что оценить красоту открытых объектов было невозможно. Несмотря на то что это работа прославила Жулиа среди математиков того времени, о ней довольно быстро забыли. Вновь внимание к ней обратилось лишь полвека спустя с появлением компьютеров: именно они сделали видимыми богатство и красоту мира фракталов.
Наука и искусство
Читайте также: