Self-similarity

Да приличаш на себе си

Много неща около нас изглеждат подобни независимо от това, колко ги увеличаваме – клоните и листата на дърветата, планините, облаците, реките, кръвоносните съдове и навсякъде в природата. Когато част от някоя фигура е подобна на цялата фигура, наричаме това самоподобие.

Точно самоподобие

При много фрактали, самоподобието е очевидно, може ясно да се види във фигурите по-долу. Всеки от тези фрактали е съставен от по-малки версии на себе си. При увеличение, се оказва, че частите са идентични на цялото изображение. Такива са геометричните фрактали.

dragon pentagone crab courbesierp
Драконът от книгата “Юрски парк” на Майкъл Крайтън, (дракон на Хартер-Хейтуей) Пентагонът на Албрехт Дюрер Kривaта на Леви Триъгълникът на Серпински

sierpinski Тази анимация показва ясно точното самоподобие в този фрактал – триъгълника на Серпински, може да я задвижите с “play”.
play pause
Това е анимация, демонстрираща самоподобието и на тримерния триъгълни (тетраедър) на Серпински . Може да я задвижите с “play”.
play pause

Приблизително самоподобие

Понякога, фигурата не е толкова очевидно самоподобна и в този случай имаме приблизително самоподобие. Например, в известния фрактал на Манделброт не се виждат идентичните изображения. Обаче, когато започнете да увеличавате, ще се сблъскате с малки версии на фрактала на всички нива на увеличение. Видеото долу е пример за алгебричен фрактал – Манделброт.

 

Брауновото самоподобие

Горните примери на фрактали са точни или детерминирани фрактали. Всички те са изградени върху ясно определено геометрично правило или формула.

В природата по-честно срещани от точните фрактали са т. н. случайни фрактали. В подреждането на техните елементи има някаква доза случайност.

През 1828 г. Роберт Браун изучавайки движението на микроскопични частици във водата, открил, че то е случайно и хаотично. Траекторията на частиците изпълняващи Брауново движение е прост случаен

 

фрактал.

Ако се свържат последователните позиции на една частица на всеки 30 секунди с прави линии, се получава траектория от отсечки, разположени произволно в пространството. Ако се намали интервала между измерванията 100 пъти, на мястото на всяка отсечка от линията ще се появи начупена линия също толкова сложна, колкото оригиналното изображение.

Манделброт в “Фракталната геометрия на природата” набляга на факта, че при постепенно увеличаване на мащаба, дължината на наблюдаваната крива на Брауновото движение се увеличава до безкрайност, подобно на дължината на крайбрежието на Англия.

Следите от Брауновото движение на частиците в края на крайщата ще изпълни почти цялата равнина. От това следва, че размерността на траекторията съвпада с размерността на равнина, т.е  фракталната размерност е D=2., въпреки, че топологично траекторията на Брауновите частици е с размерност 1. Този факт ни дава основание да класифицираме следите на брауновото движение като фрактал.

Фрактални клъстери или DLA (Diffusion-Limited Aggregation)

 

Друг пример на случаен фрактал, по-сложен, но също толкова разпространен в природата като горния, се получава в т.н. процес “дифузия, ограничена от агрегация” - DLA (Diffusion-Limited Aggregation).

Тя може да се моделира по следния начин: Да си представим сфера (окръжност в двумерния случай) с достатъчно голям радиус, от повърхността на която от време на време на случайни места се появяват частици, които блуждаят вътре в сферата. В центъра й се намира т.н. “клъстер” (зародиш). При сблъсък блуждаещата частица “прилепва” към него и повече не се движи. После прилепва следващата частица и така до безкрайност. В резултат се образува една силно пореста структура. С разрастването й, броят на порите и размерите им се увеличават. В двумерния случай фракталната размерност на такъв клъстер е около 1.7.

Такъв процес се нарича агрегация, а когато частиците се движат към растящия клъстер в условията случайно движение — това всъщност е DLA. Този процес е крайно неустойчив. С негова помощ може лесно да се обяснят някои свойства на растеж на фракталните структури. В природата подобни фрактални клъстери се срещат много често. Така, например, растат коралите, мазолите, саждите, кристалите от наситен разтвор, снежинките.

Read more ...

What is a fractal?

2 Responses to “Self-similarity”

  1. ШаШco says:

    Причината за самоподобията в природата е най-вече в особеностите на контекстното ни мислене. Ние определяме като качествени, разлики, които са в действителност количествени. Често на формално ниво разлики в модела няма, а ние виждаме само различни негови прояви поради неспособността ни да го обхванем като сьвкупност.
    Всеки модел се описва като алгоритьм – последователност от действия вьрху променливи (количества) или поне като взаимоотношения между тях (формули). Всеки опит да погледнем качествено на нещата (qualitatively) води до разделение по признаци, несьществуващи в основният модел. Дори простото представяне на данните вьрху хартия или в 3D пространство представлява манипулация на основният алгоритьм с цел получаване на закономерност.
    Затова, като Алиса, ние виждаме различните прояви на едни и сьщи прости правила и тенденции в природата, изкривени от нашето контекстно мислене и неспособност да “”разсьждаваме”" (като компютрите) формално.
    И слава Богу! :)

  2. […] Излезе, че наша Вселена е много прашно място. Накъдето и да насочат астрономите телескопите си светлината на звездите се затъмнява от прашинки между звездите, образувайки мъглявини с форма на конска глава или сомбреро.Изучавайки как поглъщат, излъчват и отразяват светлината, астрономите узнали, че частиците междузвезден прах се състоят предимно от въглерод, силиций и кислород, а размерите им са около хилядна част от милиметъра. Конгломератите от частиците образуват фрактални стуктури тип DLA.  […]

Leave a Reply

Or

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*


You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>