У матэматыцы фрактал (— дроблены, зламаны, разбіты) — гэта падмноства эўклідавай прасторы з фрактальнай памернасцю (у сэнсе Мінкоўскага або Хаўсдорфа), якая строга перавышае яе тапалагічную памернасць. Фракталы выглядаюць аднолькава ў розных маштабах, як паказана ў паслядоўных павелічэннях мноства Мандэльброта. Фракталы дэманструюць падобныя ўзоры ва ўсё меншых маштабах. Гэта ўласцівасць, званая самападабенствам, таксама вядомая як пашыраючаяся сіметрыя або сіметрыя разгортвання. Калі такое падабенства абсалютна аднолькавае ў кожным маштабе, як у губкі Менгера , яно называецца афінным самападабенствам. Фрактальная геаметрыя ляжыць у рамках матэматычнай галіны тэорыі меры.
Адным са спосабаў адрознення фракталаў ад канчатковых геаметрычных фігур з’яўляецца іх маштабаванне. Падваенне даўжыні краю шматвугольніка памнажае яго плошчу на чатыры, што складае два (адносіны даўжыні новай да старой стараны) у ступені два (памернасць прасторы, у якой знаходзіцца шматкутнік). Калі радыус сферы павялічыцца ўдвая, яе аб’ём павялічыцца ў восем разоў, што роўна два (адносіны новага радыусу да старога) у ступені тры (вымярэнне, у якім знаходзіцца сфера). Аднак, калі ўсе аднамерныя даўжыні фрактала падвоіць, плошча або аб’ём фракталу павялічыцца ў ступені, якая не абавязкова з’яўляецца цэлым лікам. Гэтая ступень называецца фрактальнай памернасцю фрактала, і яна звычайна перавышае тапалагічную памернасць фрактала.
Аналітычна большасць фракталаў не дыферэнцыруюцца канечным лікам бакоў. Бясконцая фрактальная крывая можа ўяўляцца як лінія ў прасторы, што праходзіць інакш, чым прамая лінія, — хоць яна па-ранейшаму з’яўляецца тапалагічна 1-мернай, яе фрактальная памернасць паказвае, што яна таксама нагадвае паверхню.
Пачынаючы з 17-га стагоддзя з паняццямі рэкурсіі, фракталы прайшлі праз больш строгую матэматычную апрацоўку і вывучэнне бесперапынных, але не дыферэнцыруемых функцый у 19-м стагоддзі дзякуючы працам Бернарда Бальцана, Бернхарда Рымана і Карла Вейерштраса. Слова «фрактал» увёў Бенуа Мандэльброт у 1975 годзе і выкарыстаў яго для пашырэння паняцця тэарэтычных дробавых памераў на геаметрычныя ўзоры ў прыродзе. Яно стала шырока вядома з выхадам у 1977 годзе яго кнігі «Фрактальная геаметрыя прыроды». З развіццём вылічальнай тэхнікі з’явілася магчымасць больш хуткага графічнага выяўлення фракталаў.
Сярод матэматыкаў існуюць некаторыя рознагалоссі наконт таго, як павінна быць фармальна вызначана паняцце фрактала. Сам Мандэльброт рэзюмаваў гэта як «прыгожае, надзвычай цяжкае, усё больш карыснае. Гэта фракталы». Больш фармальна, у 1982 годзе Мандэльброт вызначыў фрактал наступным чынам: «Фрактал — гэта мноства, для якога памернасць Хаўсдорфа-Безіковіча строга перавышае тапалагічную памернасць».Mandelbrot, B. B.: The Fractal Geometry of Nature. W. H. Freeman and Company, New York (1982); p. 15. Пазней, лічачы гэта занадта абмежавальным, ён спрасціў і пашырыў вызначэнне да наступнага: «Фрактал — гэта форма, складзеная з частак, у нечым падобных да цэлага». Яшчэ пазней Мандэльброт прапанаваў «выкарыстоўваць фрактал без педантычнага вызначэння, выкарыстоўваць фрактальную памернасць у якасці агульнага тэрміна, які ўжываецца да ўсіх варыянтаў».
Сярод матэматыкаў адзіны кансэнсус заключаецца ў тым, што тэарэтычныя фракталы — гэта бясконца самападобныя, паўтараючыяся і дэталёвыя матэматычныя структуры, якія маюць фрактальныя памеры, прыкладаў якіх было сфармулявана і вывучана шмат.
Фракталам можа называцца прадмет, які праяўляе, па меншай меры, адну з наступных уласцівасцяў:
Мае нетрывіяльную структуру на ўсіх маштабах. Пры набліжэнні ў маштабе да звычайных фігур: акружнасці, эліпсу, графіку гладкай функцыі — фрагмент фігуры будзе нагадваць фрагмент прамой. Для фрактала павелічэнне маштабу не вядзе да спрашчэння структуры, і ва ўсіх маштабах бачна аднолькава складаная выява. З’яўляецца самападобным або прыблізна самападобным. Мае дробавую метрычную памернасць або памернасць, якая перавышае тапалагічную памернасць.
Прыклады аб’ектаў у прыродзе, што маюць уласцівасці фрактала: узбярэжжа, аблокі, кроны дрэў, сняжынкі, сістэма кровазвароту, альвеолы і інш. Фракталы не абмяжоўваюцца геаметрычнымі ўзорамі, але таксама могуць апісваць працэсы ў часе. Фрактальныя ўзоры з рознай ступенню самападабенства былі апрацаваны або вывучаны ў візуальных, фізічных і слыхавых носьбітах і знойдзены ў тэхналогіях, мастацтве, архітэктуры Ostwald, Michael J., and Vaughan, Josephine (2016) The Fractal Dimension of Architecture. Birkhauser, Basel. . і праве. Фракталы маюць асаблівае значэнне ў галіне тэорыі хаосу, таму што графікі большасці хаатычных працэсаў з’яўляюцца фракталамі. Многія рэальныя і мадэльныя сеткі маюць фрактальныя асаблівасці, такія як самападабенства.
Уводзіны
Слова «фрактал» часта нясе розныя сэнсы для непрафесіяналаў і матэматыкаў. Грамадскасць звычайна больш знаёмая з фрактальным мастацтвам, чым з матэматычным паняццем. Для спрашчэння разумення мы будзем апісваць паняцце па яго ключавых рысах, не па яго навуковым вызначэнні.
Так, рысу «самападабенства» лёгка зразумець па аналогіі з павелічэннем з дапамогай аб’ектыва або іншай прылады, якая павялічвае лічбавыя выявы, каб выявіць больш тонкія, раней нябачныя новыя прыкметы. Калі гэта робіцца на фракталах, новыя дэталі не з’яўляюцца; нічога не мяняецца, і амаль адна і тая ж карціна паўтараецца зноў. Самападабенства само па сабе не абавязкова з’яўляецца супрацьінтуітыўным (так, людзі разважалі аб самападабенстве нефармальна, напрыклад, у бясконцым шэрагу адлюстраванняў у паралельных люстэрках, або ў Гамункуле, маленькім чалавеку ў галаве маленькага чалавека ў галаве…). Розніца для фракталаў заключаецца ў тым, што выяўлены ўзор павінен быць дэталізаваны.
Гэтая ідэя дэталізацыі звязана з іншай рысай, якую можна зразумець без спецыяльнай матэматычнай падрыхтоўкі. Фрактальная памернасць, большая за тапалагічную памернасць, значыць, што фрактал маштабуецца троху інакш, чым звычайныя геаметрычныя фігуры. Прамая лінія, напрыклад, звычайна разумеецца як аднамерная; калі такую фігуру разбіць на кавалкі, кожны памерам 1/3 даўжыні арыгінала, то заўсёды застаецца тры роўныя часткі. Суцэльны квадрат разумеецца як двухмерны; калі такую фігуру разбіць на кавалкі, кожная паменшаная ў 1/3 у абодвух вымярэннях, агулам атрымаецца 3² = 9 частак.
Мы бачым, што для звычайных самападобных аб’ектаў n-мернасць азначае, што, калі іх разбіваць на кавалкі, кожны з якіх памяншаецца на каэфіцыент 1/r, агулам застаецца rn частак. Разгледзім крывую Коха. Яе можна разбіць на чатыры часткі, кожная у маштабе 1/3. Такім чынам, строга па аналогіі, мы можам разглядаць «памернасць» крывой Коха як сапраўдны лік D, які задавальняе 3D = 4. Матэматыкі называюць гэты лік фрактальнай памернасцю крывой Коха. Вядома, гэта не тое, што звычайна ўспрымаецца як памернасць крывой (гэты лік нават не цэлы!). Так, крывая Коха мае фрактальную памернасць, якая адрозніваецца ад яе звычайна зразумелай памернасці (або яе тапалагічнай памернасці), і гэта вызначае яе як фрактал.
Гэта таксама прыводзіць да разумення трэцяй асаблівасці, што фракталы як матэматычныя ўраўненні «нідзе не дыферэнцыруюцца». У канкрэтным сэнсе гэта азначае, што традыцыйныя спосабы вымярэння недастатковыя для фракталаў. Спрабуючы вылічыць даўжыню хвалістай нефрактальнай крывой, можна знайсці прамыя адрэзкі нейкага вымяральнага інструмента, дастаткова малыя, каб палажыць іх упрытык да хваляў. Кавалкі могуць быць дастаткова малымі, каб лічыцца шчыльна і дакладна дапасаванымі да хвалістай крывой, падобна да звычайнага спосабу вымярэння рулеткай.
Пры вымярэнні бясконца «хілістай» фрактальнай крывой, такой як сняжынка Коха, ніколі не знойдзецца досыць малы прамы адрэзак, каб адпавядаць крывой. Няроўны ўзор заўсёды будзе з’яўляцца зноўку, у як заўгодна малых маштабах. Гэты ўзор кожны раз будзе цягнуць больш і больш рулеткі ў агульную даўжыню, калі вы паспрабуеце прыкласці рулетку ўсё шчыльней і шчыльней да крывой. У выніку спатрэбіцца бясконцая стужка, каб ідэальна пакрыць усю крывую, г. зн. сняжынка мае бясконцы перыметр.
Гісторыя
У 1904 годзе Хельге фон Кох, пашыраючы ідэі Пуанкарэ і незадаволены абстрактным і аналітычным вызначэннем Вейерштраса, даў больш геаметрычнае вызначэнне, уключаючы намаляваныя ад рукі выявы падобнай функцыі, якая цяпер называецца сняжынкай Коха. У 1915 годзе Вацлаў Сярпінскі пабудаваў свой знакаміты трохкутнік, а праз год — дыван. Да 1918 г. два французскія матэматыкі, П’ер Фату і Гастон Жуліа, хоць і працавалі незалежна адзін ад аднаго, па сутнасці, адначасова прыйшлі да вынікаў, якія апісваюць тое, што цяпер разглядаецца як фрактальныя паводзіны, звязаныя з адлюстраваннем комплексных лікаў і ітэрацыйных функцый. Гэтыя фрактальныя рысы падказалі далейшыя ідэі аб атрактарах і рэпелерах (г. зн. кропках, якія прыцягваюць або адштурхваюць іншыя кропкі), якія сталі наступнай вехай у вывучэнні фракталаў.
Неўзабаве пасля таго, як гэтая праца была прадстаўлена, у сакавіку 1918 года Фелікс Хаўсдорф пашырыў вызначэнне «размернасці», істотна для эвалюцыі вызначэння фракталаў, каб дазволіць мноствам мець нецэлалікі памер. Ідэю самападобных крывых удасканаліў Поль Леві, які ў сваёй працы 1938 года «Крывыя і паверхні ў плоскасці або прасторы, якія складаюцца з частак, падобных да цэлага», апісаў новую фрактальную крывую — крывую Леві C.
Без дапамогі сучаснай камп’ютарнай графікі першыя даследчыкі былі абмежаваныя тым, што маглі адлюстраваць у ручных малюнках. Нялёгка было візуалізаваць прыгажосць і ацаніць некаторыя наступствы многіх выяўленых імі ўзораў. Набор Жуліа можна было ўявіць толькі праз некалькі ітэрацый як вельмі простыя малюнкі. У 1960-х гадах Бенуа Мандэльброт пачаў пісаць пра самападабенства ў такіх артыкулах, як «Даўжыня ўзбярэжжа Брытаніі», «Статыстычная самападобнасць і дробавае вымярэнне», якія пашыралі даследаванні і ідэі, закладзеныя ў ранейшай працы Льюіса Фрая Рычардсана.
У 1975 г. Мандэльброт крышталізаваў сотні гадоў мыслення і матэматычнага развіцця, стварыўшы слова «фрактал». Ён праілюстраваў сваё матэматычнае вызначэнне з дапамогай уражваючых камп’ютарных візуалізацый. Гэтыя выявы, напрыклад, яго кананічны набор Мандэльброта, захапілі думкі матэматычнай супольнасці. Многія выявы былі заснаваныя на рэкурсіі, што прывяло да папулярнага значэння тэрміна «фрактал».
У 1980 годзе Лорэн Карпентэр выступіў з прэзентацыяй на SIGGRAPH, дзе ён прадставіў сваё праграмнае забеспячэнне для стварэння і візуалізацыі фрактальна генераваных ландшафтаў.kottke.org. 2009. Vol Libre, an amazing CG film from 1980. [online] Available at: http://kottke.org/09/07/vol-libre-an-amazing-cg-film-from-1980
Азначэнне і характарыстыкі Часта цытуецца апісанне, якое Мандэльброт апублікаваў для характарызацыі геаметрычных фракталаў, — гэта «няроўная або фрагментаваная геаметрычная фігура, якую можна падзяліць на часткі, кожная з якіх з’яўляецца (прынамсі прыблізна) паменшанай копіяй цэлага». Хоць гэтае вызначэнне звычайна карыснае, яно абмежаванае. Аўтары разыходзяцца ў меркаванні адносна дакладнага вызначэння фрактала, але часцей за ўсё ўдакладняюць асноўныя ідэі самападабенства і незвычайныя адносіны, якія фракталы маюць з прасторай, дзе яны знаходзяцца.
Навукоўцы згаджаюцца, што фрактальныя ўзоры характарызуюцца фрактальнымі памерамі. Памеры колькасна вызначаюць складанасць — змяненне дэталяў са змяненнем маштабу. Памеры не апісваюць і не вызначаюць дэталяў таго, як пабудаваць канкрэтныя фрактальныя мадэлі. У 1975 годзе, калі Мандэльброт прыдумаў слова «фрактал», ён зрабіў гэта для абазначэння аб’екта, памернасць Хаўсдорфа-Безіковіча якога большая за тапалагічную памернасць. Аднак гэтаму патрабаванню не адпавядаюць крывыя, якія запаўняюць прастору, такія як крывая Гільберта.
З-за праблем, звязаных з пошукам агульнапрымальнага вызначэння для фракталаў, некаторыя сцвярджаюць, што фракталы не павінны быць строга вызначанымі. Паводле Фальконера, фракталы мусяць нідзе не быць дыферэнцыяванымі, мець фрактальную памернасць і характарызавацца гештальтам толькі наступных прыкмет: