Разработка элективного курса "Физические основы теории протекания" для старших классов профильной школы

Описываемое здесь канторовское множество не вполне самопо-добно. Однако мы можем расширить его с помощью процедуры экстраполяции, охватывающей область [0, 3] двумя канторовскими множествами, которые покрывают интервалы [0, 1] и . Повторяя этот процесс неограниченное число раз, мы можем построить самоподобное множество на полупрямо

й [0, ∞]. Если изменить масштаб в r = 1/3 раза, то, чтобы покрыть исходное множество, нам понадобится N — 2 таких множеств. Из определения размерности подобия Ds получаем

(13)

Размерность подобия совпадает с фрактальной размерностью Триадного канторовского множества.

Формула (13) позволяет тривиальным образом построить канторовское множество с любой заданной размерностью из интервала 0 < D < 1. В качестве примера на рис. 11 показаны два различных построения, которые оба приводят к одной и той же размерности D = 1/2. Внешне два множества "выглядят" по-разному, хотя они оба имеют одну и ту же фрактальную размерность: у них различная лакунарность.

Размерность кластера, или размерность массы, мы получим, если рассмотрим экстраполированный вариант канторовского множества. Начнем с "мономеров" длиной R0 и образуем "кластер" из N = 2 мономеров длиной R=3R0, после чего все повторим сначала, приняв димер за новый исходный мономер, и т.д. Кластер из N = 2n мономеров имеет диаметр R = 3n. Следовательно, фрактальная размерность этого кластера, определяемая соотношением (13), равна

(14)

Рис. 11. Два построения канторовского множества с D = 1/2. Вверху: N = 2 и r = 1/4; внизу: N = 3 и r = 1/9.

Размерность кластера совпадает с фрактальной размерностью этого канторовского множества.

Мы заключаем, что для весьма простого Триадного канторовского множества все определенные выше различные размерности совпадают.

Это самая крупная группа фракталов. Получают их с помощью нелинейных процессов в n-мерных пространствах. Наиболее изучены двухмерные процессы. Интерпретируя нелинейный итерационный процесс, как дискретную динамическую систему, можно пользоваться терминологией теории этих систем: фазовый портрет, установившийся процесс, аттрактор и т.д. Известно, что нелинейные динамические системы обладают несколькими устойчивыми состояниями. То состояние, в котором оказалась динамическая система после некоторого числа итераций, зависит от ее начального состояния. Поэтому каждое устойчивое состояние (или как говорят - аттрактор) обладает некоторой областью начальных состояний, из которых система обязательно попадет в рассматриваемые конечные состояния. Таким образом фазовое пространство системы разбивается на области притяжения аттракторов. Если фазовым является двухмерное пространство, то окрашивая области притяжения различными цветами, можно получить цветовой фазовый портрет этой системы (итерационного процесса). Меняя алгоритм выбора цвета, можно получить сложные фрактальные картины с причудливыми многоцветными узорами. Неожиданностью для математиков стала возможность с помощью примитивных алгоритмов порождать очень сложные нетривиальные структуры.

Рис. 12. Множество Мандельброта.

В качестве примера рассмотрим множество Мандельброта (см. рис.10 и рис.11). Алгоритм его построения достаточно прост и основан на простом итеративном выражении:

Z[i+1] = Z[i] * Z[i] + C(15)

где Zi и C - комплексные переменные. Итерации выполняются для каждой стартовой точки C прямоугольной или квадратной области - подмножестве комплексной плоскости. Итерационный процесс продолжается до тех пор, пока Z[i] не выйдет за пределы окружности радиуса 2, центр которой лежит в точке (0,0), (это означает, что аттрактор динамической системы находится в бесконечности), или после достаточно большого числа итераций (например 200-500) Z[i] сойдется к какой-нибудь точке окружности. В зависимости от количества итераций, в течении которых Z[i] оставалась внутри окружности, можно установить цвет точки C (если Z[i] остается внутри окружности в течение достаточно большого количества итераций, итерационный процесс прекращается и эта точка растра окрашивается в черный цвет).

Рис. 13. Участок границы множества Мандельброта, увеличенный в 200pаз [7].

Вышеописанный алгоритм дает приближение к так называемому множеству Мандельброта. Множеству Мандельброта принадлежат точки, которые в течение бесконечного числа итераций не уходят в бесконечность (точки, имеющие черный цвет). Точки, принадлежащие границе множества (именно там возникает сложные структуры) уходят в бесконечность за конечное число итераций, а точки лежащие за пределами множества, уходят в бесконечность через несколько итераций (белый фон).

Примеры алгебраических фракталов:

множество Мандельброта;

множество Жюлиа;

бассейны Ньютона;

биоморфы.

Размерность фрактала

В евклидовой геометрии есть понятие размерности: размерность отрезка — единица, размерность круга — два, шара — три (или: прямая - 1, плоскость - 2, .). Например, если мы будем измерять длину отрезка, то, например, метровых отрезков в нём будет N, полуметровых 2N, дециметровых — 10N и так далее. В данном случае наблюдается прямая пропорциональная зависимость. В случае измерения площади мы уже получим следующие значения: 4N, 100N, то есть здесь зависимость уже квадратичная. Объём трёхмерных фигур пропорционален кубу их линейных размеров.

Если попытаться применить эти правила к фрактальным объектам, возникает парадоксальная ситуация — их размерность окажется дробным числом. Так как фрактал состоит из бесконечного числа повторяющихся элементов, невозможно точно измерить его длину. Это означает, что чем более точным инструментом мы будем его измерять, тем большей окажется его длина. В то время как гладкая евклидова линия заполняет в точности одномерное пространство, фрактальная линия выходит за пределы одномерного пространства, вторгаясь в двумерное. Таким образом, фрактальная размерность кривой Коха будет находиться между 1 и 2.

Самым удивительным оказывается то, что и многие природные объекты обладают как бы дробной размерностью, хотя, строго говоря, для природных объектов такую размерность вычислить невозможно. Правильнее сказать, что в определённых диапазонах наблюдения природные объекты, возникшие в результате долгой диффузии и абсорбции, похожи на фрактальные множества. Например, размерность побережья лежит между 1,01 и 1,6, а кровеносной системы человека — между 2,4 и 2,6.

Дадим теперь общее определение фрактальной размерности. Пусть d — обычная Евклидова размерность пространства, в котором находится наш фрактальный объект. Покроем теперь этот объект целиком d-мерными "шарами" (под "шаром" в зависимости от задачи мы будем понимать также и куб, и квадрат, и просто отрезок прямой) радиуса l. Предположим, что нам потребовалось для этого не менее чем N(l) шаров. Тогда, если при достаточно малых l величина N(l) меняется с l по степенному закону: