Fraktale

Matematyczne piękno

Start!

Czym tak naprawdę są fraktale?


Matematycy unikają ścisłego podawania definicji fraktalu, przez ich wielką różnorodność.

Jednak w uproszczeniu fraktal, jest figurą, w której część figury jest podobna do całości. Jest samopodobny.

Cechy fraktalu podawane przez matematyków:

  • 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 przybliżonym
  • ma naturalny („poszarpany”, „kłębiasty” itp.) wygląd

(Zbiór Julii)

Klasyczne fraktale

Trójkąt Sierpińskiego

Jest to jeden z najprostszych fraktali. Jego konstrukcja została podana przez polskiego matematyka Wacława Sierpińskiego w 1915.

Tworzymy go rysując trójkąt równoboczny, łączymy środki boków trójkąta, dzieląc go na 4 trójkąty. Następnie usuwamy trójkąt środkowy i powtarzamy operację na pozostałych 3 trójkątach.

Zbiór Cantora

Jest to podzbiór prostej rzeczywistej opisany w 1883 przez niemieckiego matematyka Georga Cantora. Zbiór ten jest najprostszym przykładem fraktala

Konstrukcja zbioru Cantora:

  • Zaczynamy od narysowania odcinka o długości 1
  • Następnie dzielimy ten odcinek na 3 równe części
  • Usuwamy środkowy odcinek. Mamy teraz 2 odcinki o długości $\frac 13$
  • Czynność powtarzamy dla następnych odcinków

Krzywa Kocha

Jest to krzywa fraktalna. Jest nieskończenie długa, ale mieści się na skończonej powierzchni. Po raz pierwszy została opisana przez Helgego von Kocha w roku 1904.

Kroki tworzenia krzywej Kocha:

Krok 0
Krzywa Kocha w kroku zerowym $(k=0)$ jest odcinkiem. Zostanie on podzielony na 3 równe części, a środkową zastąpią dwa odcinki długości $\frac 13 l$ nachylone względem niej pod kątem 60°. Wraz z wyciętym fragmentem mogłyby one utworzyć trójkąt równoboczny.

Krok 1
Krzywa Kocha w kroku pierwszym $(k=1)$, po transformacji zawiera 4 odcinki, każdy równy $\frac 13 l$. W kolejnym kroku każdy z tych odcinków ponownie zostanie podzielony na 3 części, a środkową znów zastąpimy dwoma odcinkami.

Krok 2
Krzywa Kocha w kroku drugim $(k=2)$ zawiera już 16 odcinków, każdy o długości $\frac 19 l$. Czynność możemy powtarzać w nieskończoność.

(Płatek kocha powstały przez połączenie trzech krzywych)

Drzewo pitagorejskie

Jest to fraktal zbudowany z kwadratów, który swym kształtem przypomina drzewo. Swoją nazwę zawdzięcza temu, że na każdym etapie konstrukcji, ilustruje graficznie twierdzenie Pitagorasa.

Konstrukcja fraktalu:

  1. Konstrukcja fraktala zaczyna się od narysowania dowolnego kwadratu.
  2. Następnie dorysowujemy do niego trójkąt prostokątny, w którym przeciwprostokątna jest górną krawędzią tego kwadratu.
  3. Na przyprostokątnych trójkąta budujemy kolejne kwadraty.
  4. Powtarzamy powyższe operacje 2 i 3.

Zbiór Mandelbrota

Według definicji:
"Zbiór Mandelbrota (żuk Mandelbrota) – podzbiór płaszczyzny zespolonej, którego brzeg jest jednym z najbardziej znanych fraktali"

Żeby jednak zrozumieć tą definicję, musimy poznać parę pojęć

Jednostka urojona - liczba, która po podniesieniu do kwadratu daje wartość rzeczywistą ujemną. $$i^2 = -1$$ a więc, $$i = \sqrt -1$$

Nie znajdziemy naszej liczby $i$ na osi liczbowej, ponieważ reprezentuje ona liczby rzeczywiste

Liczba zespolona - składa się z części rzeczywistej i urojonej. Każdą liczbę zespoloną $z$ można zapisać w postaci $$z = a + bi$$ gdzie $a$ i $b$ są pewnymi liczbami rzeczywistymi $(a, b \in \Bbb R)$,
a $i$ jest jednostką urojoną.

Liczby zespolone, choć mogą wydawać się dziwne, mają zastosowania w wielu dziedzinach np. chemii, fizyce, medycynie. Pierwiastek z liczby ujemnej nie jest pomysłem pozbawionym logiki, ponieważ pozwala wykonać wiele ważnych obliczeń, których wynik jest "normalną" liczbą rzeczywistą.

Płaszczyzna zespolona - jest podobna do znanego nam układu współrzędnych kartezjańskich, jednak mamy tutaj 2 osi - oś urojoną i oś rzeczywistą.

(układ współrzędnych kartezjańskich)

(płaszczyzna zespolona)

A więc, skoro zbiór Mandelbrota to podzbiór płaszczyzny zespolonej, możemy sprawdzić czy dany punkt, należy do tego podzbioru.

Zbiór może zostać opisany tym równaniem rekurencyjnym$${\displaystyle {\begin{cases}z_{0}=0,\\z_{n+1}=z_{n}^{2}+p.\end{cases}}}$$ gdzie $p$ oznacza dowolną liczbę zespoloną.

Jeśli wynik nie dąży do nieskończoności to dany punkt należy do zbioru

Sprawdźmy czy dana liczba należy do zbioru Mandelbrota. Jako $p$ - naszą liczbę zespoloną, weźmy $1$ (Można zapisać jako $1 + 0i$)
Zaczynamy z $z = 0$

$z_0 = 0^2 + 1 = 1$, Wynik $1$ staje się nową wartością $z$

$z_1 = 1^2 + 1 = 2$, Wynik $2$ staje się nową wartością $z$ itd.

$z_2 = 2^2 + 1 = 5$

$z_3 = 5^2 + 1 = 26$

Jak widać wynik ciągle rośnie i będzie rósł, aż do nieskończoności. A więc $p = 1$ nie należy do zbioru Mandelbrota



Sprawdźmy dla innej liczby

$p = -1$, inaczej $p = -1 + 0i$

$z_0 = 0^2 + (-1) = -1$

$z_1 = (-1)^2 + (-1) = 0$

$z_2 = 0^2 + (-1) = -1$

Tutaj możemy zauważyć, że wynik będzie równy $0$ lub $-1$, czyli nie dąży on do nieskończoności

A więc $p = -1$ należy do zbioru Mandelbrota

Gdy przeprowadzimy obliczenia dla odpowiednio dużej próbki liczb zespolonych, otrzymamy taki wykres (każdy czarny punkt oznacza liczbę należącą do zbioru Mandelbrota)

Wszystko co należy do zbioru Mandelbrota musi być w odległości $2$ od środka płaszczyzny. Możemy pokolorować liczby nie należące do zbioru w owy sposób: W zależności od tego, jak szybko dana liczba będzie większa od $2$, możemy przypisać jej inny kolor. Np. gdy liczba nie należy do zbioru po 10 "krokach" (iteracjach) równania, dajemy temu punktowi inny odcień, niż jeśli liczba nie należy do zbioru po 50 krokach.

Przykładowy efekt takiego zabiegu

Dzięki komputerom możemy obliczliczyć bardziej dokładnie punkty i przynbliżyć obraz w różnych jego częściach

Przybliż zbiór Mandelbrota

Twoja przeglądarka nie wspiera HTML5 Canvas.


Sterowanie klawiszami:
p: przybliż
o: oddal
a: przesuń w lewo
d: przesuń w prawo
w: przesuń do góry
s: przesuń na dół

Zbiór Julii

Zbiór Julii - tak jak zbiór Mandelbrota, jest podzbiorem płaszczyzny zespolonej. Nazwa zbioru pochodzi od nazwiska francuskiego matematyka Gastona Julii.

Zbiór tworzą te punkty $p$ dla których ciąg opisany rówaniem rekurencyjnym:$${\displaystyle z_{0}=p,}$$ $${\displaystyle z_{n+1}=z_{n}^{2}+c}$$ nie dąży do nieskończoności, gdzie $c$ to liczba zespolona będąca parametrem zbioru

Jak widać rówanie jest bardzo podobne do równania którego używaliśmy do obliczania zbioru Mandelbrota. Jednak tym razem $c$ jest stałe, a zmieniamy tylko parametr początkowy równania. Wcześniej zaczynaliśmy z $z_0 = 0$, a teraz jest ono równe $p$, czyli punktowi któremu chcemy sprawdzić, czy należy do zbioru.

Podobnie jak wcześniej możemy przeprowadzić obliczenia dla dużej próbki liczb, kolorując te należące do zbioru Julii na czarno, a nie należące na inny kolor. Poniżej zbiór Julii dla $c = -0,73 + 0,19i$

Poeksperymentuj z parametrem $c$

Zaznaczając obszar obrazu powiększysz go.
Kliknięcie prawym przyciskiem myszy ponownie pokaże cały zbiór.
Po wpisaniu części parametru w pola (używaj kropek nie przecinków), kliknij aktualizuj

Przykładowy parametr $c = -0.73 + 0.19i$

Część rzeczywista parameteru $c$:

Część urojona parameteru $c$:

Parametry warte sprawdzenia:

$c = -0.4 + 0.6i$

$c = 0.285 + 0.01i$

$c = -0.8 + 0.156i$

$c = i$

Fraktale w przyrodzie

Chociaż fraktale mogą kojarzyć się tylko z kolorowymi, abstrakcyjnymi obrazami, to nie jest to wszystko. Fraktale możemy także zauważyć w otaczającym nas świecie.

Płatek śniegu

Kalafior Romanesco

Aloes

Figura Lichtenberga

Liście paproci

Delta rzeki

O stronie

Strona przygotowana w ramach XII edycji konkursu "Zobaczyć Matematykę".

Strona ma przedstawić odbiorcy podstawowe pojęcia związane z fraktalami. Starałem się przygotować materiał w taki sposób, aby był jak najprostszy do zrozumienia. W tym celu czasami zostały użyte uproszczenia. Do prawidłowego działania strony, potrzebny jest dostęp do internetu.

Autor: Kacper Gregorowicz kl. 3IT Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych Nr 1 w Brzesku