Исследование особенностей фрактальных моделей для практического применения

Министерство образования, науки и молодежи Республики Крым

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Магазинский учебно-воспитательный комплекс» муниципального образования Красноперекопский район Республики Крым

Направление: математика

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФРАКТАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ

ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Работу выполнил:

ученик 8 класса муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Магазинский учебно-воспитательный комплекс» муниципального образования Красноперекопский район Республики Крым

Научный руководитель:

учитель математики муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Магазинский учебно-воспитательный комплекс» муниципального образования Красноперекопский район Республики Крым

Красноперекопский район – 2016

Наукой совершено множество гениальных открытий и изобретений, основательно изменивших жизнь человечества: электричество, атомная энергия, вакцина и многое другое. Однако есть такие открытия, которым мало придают значения, но они также способны повлиять и влияют на нашу жизнь. Одним из таких открытий являются фракталы, которые помогают установить связь между событиями даже в хаосе.

Американский математик Бенуа Мандельброт в своей книге «Фрактальная геометрия природы» писал: «Почему геометрию часто называют холодной и сухой? Одна из причин заключается в том, что она неспособна достаточно точно описать форму облака, горы, дерева или берега моря. Облака – это не сферы, линии берега – это не окружности, и кора не является гладкой, а молния не распространяется по прямой. Природа демонстрирует нам не просто более высокую степень, а совсем другой уровень сложности. Число различных масштабов длин в структурах всегда бесконечно. Существование этих структур бросает нам вызов в виде трудной задачи изучения тех форм, которые Евклид отбросил как бесформенные – задачи исследования морфологии аморфного. Математики, однако, пренебрегли этим вызовом и предпочли все больше и больше отдаляться от природы, изобретая теории, которые не соответствуют ничему из того, что можно увидеть или почувствовать».

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Гипотеза: всё, что существует в окружающем нас мире – фрактал.

Цель работы: создание объектов, образы которых похожи на природные.

Объект исследования: фракталы в различных областях науки и реальном мире.

Предмет исследования: фрактальная геометрия.

Задачи исследования:

1. знакомство с понятием фрактала, историей его возникновения и исследованиями Б. Мандельброта, Г. Коха, В. Серпинского и др.;

2. изучение научно-популярной литературы по данному вопросу, знакомство с научными гипотезами;

3. нахождение подтверждения теории фрактальности окружающего мира;

4. изучение применения фракталов в других науках и на практике;

5. проведение эксперимента по созданию собственных фрактальных изображений.

Методы исследования: аналитический, поисковый, экспериментальный.

История возникновения понятия «фрактал»

Фрактальная геометрия, как новое направление в математике, появилась в 1975 году. Понятие «фрактал» впервые ввел в математику американский ученый Бенуа Мандельброт. Фрактал (от англ. «fraction») – дробь, поделенный на части. Определение фрактала, данное Мандельбротом, звучит так: «Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому».

Работая в исследовательском центре компании IBM, сотрудники которого трудились над передачей данных на расстояние, перед Бенуа встала сложная и очень важная задача — понять, как предсказать возникновение шумовых помех в электронных схемах. Мандельброт обратил внимание на одну странную закономерность — графики шумов в разном масштабе выглядели одинаково. Одинаковая картина наблюдалась независимо от того, был ли это график шумов за один день, неделю или час. Стоило изменить масштаб графика, и картина каждый раз повторялась. Вдумываясь в смысл странных узоров, к Бенуа пришло осознание сути фракталов.

Однако первые идеи фрактальной геометрии возникли ещё в 19 веке.

Так Георг Кантор (Cantor, 1845-1918) - немецкий математик, логик, теолог, создатель теории бесконечных множеств, с помощью простой повторяющейся процедуры превратил линию в набор несвязанных точек. Он брал линию и удалял центральную треть и после этого повторял то же самое с оставшимися отрезками. То, что получилось, назвали Пылью Кантора (Рисунок 1).

А итальянский математик Джузеппе Пеано (Giuseppe Peano; 1858-1932) брал линию и заменял ее на 9 отрезков длинной в 3 раза меньшей, чем длина исходной линии. Далее он делал то же самое с каждым отрезком. И так до бесконечности. Позднее аналогичное построение было осуществлено в трехмерном пространстве (Рисунок 2).

Один из первых рисунков фрактала был графической интерпретацией множества Мандельброта, которое родилось благодаря исследованиям Гастона Мориса Жюлиа (Gaston Maurice Julia) (Рисунок 3).

Все фракталы можно поделить на группы, но самые большие из них это:

- геометрические фракталы;

- алгебраические фракталы;

- стохастические фракталы.

Геометрические фракталы

Геометрические фракталы самые наглядные и получаются они путём простых геометрических построений. Берут некоторую ломанную (или поверхность в трехмерном случае), называемую генератором. Затем каждый из отрезков, составляющих ломаную, заменяется на ломаную-генератор, в соответствующем масштабе. В результате бесконечного повторения этой процедуры, получается геометрический фрактал. Примерами геометрических фракталов могут служить:

1) Кривая Коха. В начале ХХ века с бурным развитием квантовой механики перед учеными встала задача найти такую кривую, которая бы наилучшим образом показывала движение броуновских частиц. Для этого кривая должна была обладать следующим свойством: не иметь касательной ни в одной точке. Математик Кох предложил одну такую кривую: 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 (Рисунок 4). Выполнив аналогичные преобразование на сторонах равностороннего треугольника можно получить фрактальное изображение снежинки Коха.

2) Кривая Леви. Берётся половина квадрата и каждая сторона заменяется таким же фрагментом. Операция повторяется много раз и в конечном итоге получается кривая Леви (Рисунок 5).

3) Кривая Минковского. Фундаментом является отрезок, а генератором - ломаная из восьми звеньев (два равных звена продолжают друг друга) (Рисунок 6).

4) Кривая Пеано (Рисунок 2).

5) Кривая дракона (Рисунок 7).

6) Дерево Пифагора. Построено на фигуре, известной как «Пифагоровы штаны», где на сторонах прямоугольного треугольника расположены квадраты. Впервые дерево Пифагора построил , используя обычную чертёжную линейку (Рисунок 8).

7) Квадрат Серпинского. Известен как «решётка» или «салфетка» Серпинского (Рисунок 9). Квадрат делится прямыми, параллельными его сторонам, на 9 равных квадратов. Из квадрата удаляется центральный квадрат. Получается множество, состоящее из 8 оставшихся квадратов "первого ранга". Поступая точно так же с каждым из квадратов первого ранга, получим множество, состоящее из 64 квадратов второго ранга. Продолжая этот процесс бесконечно, получим бесконечную последовательность или квадрат Серпинского.

Алгебраические фракталы

Фракталы, строящиеся на основе алгебраических формул, относятся к алгебраическим фракталам. Это самая крупная группа фракталов. К ним можно отнести фрактал Мандельброта (Рисунок 3), фрактал Ньютона (Рисунок 10), множество Жюлиа (Рисунок 11) и многие другие.

Некоторые алгебраические фракталы поразительным образом напоминают изображения животных, растений и других биологических объектов, вследствие чего получили название биоморфов.

$K:\Факультатив\фракталы\fr013.png$

Стохастические фракталы

Стохастические фракталы – ещё одна крупная разновидность фракталов, которые образуются путем многократных повторений случайных изменений каких-либо параметров. При этом получаются объекты очень похожие на природные - несимметричные деревья, изрезанные береговые линии и т. д.

Так если взять прямоугольник и каждому его углу определить цвет. Затем взять его центральную точку и раскрасить её в цвет равный среднему арифметическому цветов по углам прямоугольника плюс некоторое случайное число. Чем больше случайное число - тем более "рваным" будет рисунок. Таким образом, получится фрактал «плазма» (Рисунок 12). А если предположить, что цвет точки это высота над уровнем моря - получим вместо плазмы - горный массив. Именно на этом принципе моделируются горы в большинстве программ. С помощью алгоритма, похожего на плазму строится карта высот, к ней применяются различные фильтры, накладывается текстура и фотореалистичные горы готовы.

Применение фракталов

Фрактальная живопись. Популярное среди цифровых художников направление современного арта. Фрактальные картины необычно и завораживающе действуют на человека, рождая яркие пылающие образы. Сказочные абстракции создаются посредством скучных математических формул, но воображение воспринимает их живыми (Рисунок 13). Любой человек может упражняться с фрактальными программами и генерировать свои фракталы. Подлинное искусство состоит в умении найти неповторимое сочетание цвета и формы.

Фракталы в литературе. Среди литературных произведений находят такие, которые обладают фрактальной природой, т. е. вложенной структурой самоподобия:

1. «Вот дом.

Который построил Джек.

А вот пшеница.

Которая в тёмном чулане храница

В доме,

Который построил Джек

А вот весёлая птица-синица,

Которая ловко ворует пшеницу,

Которая в тёмном чулане храница

В доме,

Который построил Джек…».

Самуил Маршак

2. Блох больших кусают блошки

Блошек тех – малютки-крошки,

Нет конца тем паразитам,

Как говорят, ad infinitum.

Джонатан Свифт

Фракталы в медицине. Человеческий организм состоит из множества фракталоподобных структур: кровеносная, лимфотическая и нервная системы, мышцы, бронхи и т. д. (Рисунок 14, 15).

Фракталы в физике и механике. Фрактальные модели природных объектов позволяют моделировать различные физические явления и делать прогнозы.

Американский инженер Натан Коэн, живший в центре Бостона, где была запрещена установка внешних антен, вырезал из алюминиевой фольги фигуру в форме кривой Коха, наклеил ее на лист бумаги и присоединил к приёмнику. Оказалось, что такая антенна работает не хуже обычной. И хотя физические принципы такой антенны до сих пор не изучены, это не помешало Коэну обосновать собственную компанию и наладить их серийный выпуск. В данный момент американская фирма «Fractal Antenna System» производит фрактальные антены для мобильных телефонов.

Фракталы в природе. Природа зачастую создаёт удивительные и прекрасные фракталы, с идеальной геометрией и такой гармонией, что просто замираешь от восхищения. И вот их примеры:

- морские раковины;

- молнии;

- подвид цветной капусты (Brassica cauliflora), папоротник;

$P:\250px-Fractal_Broccoli.jpg$

- оперение павлина;

- лёд, морозные узоры;

- дерево от листочка до корня.

Картинка 7 из 122

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?

Практическая работа

Фрактальное дерево. C помощью панели инструментов «Рисование» программы Microsoft Word и нехитрых преобразований группировки, копирования и вставки, я построил своё фрактальное дерево. Генекатором моего фрактала стали пять отрезков расположенных определённым образом.