Чтобы доказать свое утверждение, он вводит ключевое для теории фракталов понятие фрактальной размерности. Автор пина:Katrine. Находите и прикалывайте свои пины в Pinterest!
Фрактальные закономерности в природе
Они обладают так называемой жесткой самоподобностью, не изменяющейся при изменении масштаба. Это значит, что, независимо от того, насколько вы приближаете фрактал, вы видите все тот же узор. В двухмерном случае их получают с помощью некоторой ломаной или поверхности в трехмерном случае , называемой генератором. За один шаг алгоритма каждый из отрезков, составляющих ломаную, заменяется на ломаную-генератор, в соответствующем масштабе.
В результате бесконечного повторения этой процедуры, получается геометрический фрактал. Рассмотрим один из таких фрактальных объектов — триадную кривую Коха. Построение кривой начинается с отрезка единичной длины рис.
В результате такой замены получается следующее поколение кривой Коха. Для получения 3-го поколения проделываются те же действия — каждое звено заменяется на уменьшенный образующий элемент. Итак, для получения каждого последующего поколения, все звенья предыдущего поколения необходимо заменить уменьшенным образующим элементом.
На рис. При n стремящемся к бесконечности кривая Коха становится фрактальным объектом. Построение триадной кривой Коха Для получения другого фрактального объекта рис.
Пусть образующим элементом будут два равных отрезка, соединенных под прямым углом. В нулевом поколении заменим единичный отрезок на этот образующий элемент так, чтобы угол был сверху. Можно сказать, что при такой замене происходит смещение середины звена.
При построении следующих поколений выполняется правило: самое первое слева звено заменяется на образующий элемент так, чтобы середина звена смещалась влево от направления движения, а при замене следующих звеньев, направления смещения середин отрезков должны чередоваться. Предельная фрактальная кривая при n стремящемся к бесконечности называется драконом Хартера-Хейтуэя. Построение "дракона" Хартера-Хейтуэя Для построения треугольника Серпинского начальный элемент — треугольник со всеми внутренними точками.
Образующий элемент исключает из него центральный треугольник. Фрактальное множество получается в пределе при бесконечно большом числе. Построение треугольника Серпинского Представленные примеры геометрических фракталов не являются единственными, существует огромное количество других, еще более сложных и интересных фракталов.
Геометрические фракталы имеют огромное практическое значение. Применяя их в компьютерной графике, ученые научились получать сложные объекты, похожие на природные: изображения снежинок, горных вершин, искусственных облаков, деревьев, кустов, веток, береговой линии и так далее. Двухмерные геометрические фракталы используются для создания объемных текстур.
Первым ученым, который задумался о том, что в хаотичности есть свой определенный порядок, стал Вейерштрасс. В 1872 году ученый представил свою работу в Королевской Академии наук в Пруссии. Используя определение производной как предела, он доказал, что отношение приращения функций к приращению аргумента становится сколь угодно большим при увеличении индекса суммирования. Данное открытие считалось новаторским для математических наук того времени, так как математики привыкли к тому, что функции задают гладкие кривые. Вторым ученым, который занимался исследованиями по данной тематике, является Георг Кантор. Именно этот ученый стал основоположником будущих открытий Мандельброта. Будучи студентом Берлинского университета, Георг Кантор посещал лекции Вейерштрасса. Позднее данное множество получило название «множество Кантора».
Следующим ученым, который сделал шаг на пути к открытию фрактальной геометрии, является Хельге фон Кох, построил кривую Коха, а в результате — снежинку Коха, которая является ярким примером фрактала. Хотя в то время ученые не оперировали такими определениями и фрактальной геометрии, как таковой, не существовало. Далее в марте 1918 года Ф.
Значительно упрощённая схема кровообращения приведена ниже: Рис. Схема кровообращения Такое фрактальное строение обеспечивает максимальное снабжение тканей кислородом и питательными веществами, в том числе и при незначительных повреждениях. Интересный факт: у больного человека часто срабатывают компенсаторные механизмы. К примеру, у пациента, длительное время страдающего частичной закупоркой стенозом сосуда, со временем наблюдается появление новой сети мелких сосудов коллатералей , которые начинают доставлять кровь к обделённому участку в обход закупоренного.
Именно поэтому последствия инфаркта миокарда у возрастных больных с историей хронических сердечно-сосудистых заболеваний намного легче, чем у молодых пациентов. У возрастных больных кровоснабжение быстрей восстановится благодаря имеющимся коллатералям. Другими словами инфаркт в молодом возрасте опасней, чем в пожилом. Благодаря фрактальному строению коронарной системы, обеспечивающей кровоснабжение сердечной мышцы, во многих случаях удаётся избежать инфаркта миокарда. К тому же именно фрактальное строение сердечных мышечных волокон при повреждении какой-либо её части инфаркт миокарда зачастую позволяет сердцу продолжать свою работу. Фрактальное строение сердечной мышцы и коронарных сосудов. Дыхательная система Дыхательная система ещё один яркий пример фрактала.
Её структурными элементами являются трахея, бронхи, бронхиолы, которые в совокупности образуют бронхиальное дерево; а также альвеолы, соединяющиеся в пирамидальные дольки, из которых и состоит лёгкое. Удивительно, но благодаря фрактальному принципу строения лёгких, в человеческой грудной клетке возможно разместить площадь теннисного корта. Именно столько занимает дыхательная поверхность лёгких. Сами же дыхательные пути искусно пронизаны артериями и венами в виде лабиринтов. Строением бронхиальное дерево напоминает H-фрактал, о котором мы говорили в предыдущей части «Что такое фракталы? Мир вокруг нас. Часть первая»: Рис.
Изображение Н-фрактала и бронхиального дерева На рисунке 14 мы видим переплетение двух фрактальных систем — лёгочной слева и кровеносной справа. Говорить про фрактальное строение человеческого организма можно много. Мы приведем еще несколько примеров.
Значительно упрощённая схема кровообращения приведена ниже: Рис. Схема кровообращения Такое фрактальное строение обеспечивает максимальное снабжение тканей кислородом и питательными веществами, в том числе и при незначительных повреждениях. Интересный факт: у больного человека часто срабатывают компенсаторные механизмы. К примеру, у пациента, длительное время страдающего частичной закупоркой стенозом сосуда, со временем наблюдается появление новой сети мелких сосудов коллатералей , которые начинают доставлять кровь к обделённому участку в обход закупоренного. Именно поэтому последствия инфаркта миокарда у возрастных больных с историей хронических сердечно-сосудистых заболеваний намного легче, чем у молодых пациентов. У возрастных больных кровоснабжение быстрей восстановится благодаря имеющимся коллатералям.
Другими словами инфаркт в молодом возрасте опасней, чем в пожилом. Благодаря фрактальному строению коронарной системы, обеспечивающей кровоснабжение сердечной мышцы, во многих случаях удаётся избежать инфаркта миокарда. К тому же именно фрактальное строение сердечных мышечных волокон при повреждении какой-либо её части инфаркт миокарда зачастую позволяет сердцу продолжать свою работу. Фрактальное строение сердечной мышцы и коронарных сосудов. Дыхательная система Дыхательная система ещё один яркий пример фрактала. Её структурными элементами являются трахея, бронхи, бронхиолы, которые в совокупности образуют бронхиальное дерево; а также альвеолы, соединяющиеся в пирамидальные дольки, из которых и состоит лёгкое. Удивительно, но благодаря фрактальному принципу строения лёгких, в человеческой грудной клетке возможно разместить площадь теннисного корта. Именно столько занимает дыхательная поверхность лёгких. Сами же дыхательные пути искусно пронизаны артериями и венами в виде лабиринтов.
Строением бронхиальное дерево напоминает H-фрактал, о котором мы говорили в предыдущей части «Что такое фракталы? Мир вокруг нас. Часть первая»: Рис. Изображение Н-фрактала и бронхиального дерева На рисунке 14 мы видим переплетение двух фрактальных систем — лёгочной слева и кровеносной справа. Говорить про фрактальное строение человеческого организма можно много. Мы приведем еще несколько примеров.
Загадочный беспорядок: история фракталов и области их применения
Найдите нужное среди 30 986 стоковых фото, картинок и изображений роялти-фри на тему «Fractals In Nature» на iStock. Природный фрактал Минералы, Родохрозит, Кристаллы, Природа, Фракталы, Из сети, Фотошоп мастер, Фейк. Это значит, что плоский фрактал в некотором смысле «проще» настоящей плоскости, но «сложнее» прямой. Фракталы также встречаются в природе. Часто говорят, что мать-природа чертовски хороший дизайнер, а фракталы можно рассматривать как принципы дизайна, которым она следует, собирая вещи вместе.
Открытие первой фрактальной молекулы в природе — математическое чудо
Именно поэтому небольшие человеческие легкие имеют дыхательную поверхность большую, чем стандартный теннисный корт. Теорию фракталов используют в материаловедении. Шероховатости и неровности, остающиеся на поверхности любого металла после его полировки или изготовления, имеют фрактальную природу. И более того, по ним можно предсказать прочностные характеристики металла — существует прямая зависимость между фрактальной размерностью и энергией, необходимой для разрушения металла.
Аналогичные результаты были в исследованиях полимеров. Оказалось, что полимерные цепочки образуют сложные и запутанные структуры, которые определяют ключевые показатели полимеров. И эти запутанные цепочки — тоже фракталы!
Отдельное развитие получили алгоритмы для генерации фракталов. Часть из них придумали еще в XIX веке, другие появились, когда возникла теория фракталов. Вместе они стали основой раздела в искусстве, посвященного фрактальным узорам.
Вскоре выяснилось, что можно генерировать компьютерную графику при помощи фракталов. Особенно актуально это оказалось для биологических структур: деревьев и растений. У капусты Романеско, например, невооруженным глазом видна фрактальная структура.
Капуста романеско, www. В свою очередь, математическая теория перколяции широко используется в статистической физике и химии. Более того, теория фракталов вместе с теорией перколяции широко применимы при добыче нефти и газа.
Это объясняется тем, что порода, в которой находится нефть, имеет фрактальные пустоты и представляет собой что-то наподобие губки Менгера. В совокупности этих пустот как раз и наблюдается явление перколяции. Правильный же способ расположения скважин и объем добычи нефти на месторождении в значительной степени определяется структурой этих пустот, то есть фрактальной размерностью.
У применения фракталов есть и весьма неоднозначные истории. В начале 90-х годов появились алгоритмы фрактального сжатия изображений, обещавшие огромную степень сжатия, но требующие большого количества времени. Такие алгоритмы ищут на картинке самоподобные участки, кодируют их специальным образом и значительно уменьшают размер изображения.
К сожалению, их развитие замедлилось в самом начале из-за того, что несколько основных и перспективных алгоритмов были запатентованы группой открывших их ученых. Патенты описывали метод сжатия достаточно общими чертами, и многие новые алгоритмы попадали под их ограничения. В 2012 году срок действия части патентов закончился, и фрактальное сжатие изображений продолжает развиваться вновь после долгого перерыва.
Фракталы делают максимально устойчивой работу компьютерных сетей. В физике фракталы помогают моделировать процессы турбулентности, диффузии, структуры пористых материалов. В биологии они оказались незаменимыми для моделирования популяций, а также при описании внутренних органов живых организмов. В радиотехнике были созданы многодиапазонные и широкополосные фрактальные антенны, которые значительно меньше обычных. Это облегчает работу мобильных сетей, а также применяется при создании новых сотовых телефонов. Британский математик Майкл Барнсли разработал алгоритм создания любой фрактальной формы на основе ее отображения. Это позволило сжимать изображения, тысячи их упаковывать и хранить на компактных дисках. Фрактальные технологии дали возможность децентрализовать сети интернета, что делает их работу максимально устойчивой. Фрактальные формы в природе Где встречаются фракталы в природе?
Фракталы как узоры и формы, повторяющие себя в разных масштабах, находим в живой и неживой природе.
Изучая возможности передачи данных на большие расстояния, ученые столкнулись с фактом больших потерь, которые возникали из-за шумовых помех. Бенуа искал пути решения этой проблемы. Просматривая результаты измерений, он обратил внимание на странную закономерность, а именно: графики шумов выглядели одинаково в разном масштабе времени. Аналогичная картина наблюдалась как для периода в один день, так и для семи дней или для часа. Сам Бенуа Мандельброт часто повторял, что он работает не с формулами, а играет с картинками.
Этот ученый отличался образным мышлением, любую алгебраическую задачу он переводил в геометрическую область, где правильный ответ очевиден. Так что неудивительно, что такой человек, отличающийся богатым пространственным мышлением, и стал отцом фрактальной геометрии. Ведь осознание данной фигуры может прийти только тогда, когда изучаешь рисунки и вдумываешься в смысл этих странных завихрений, образующих узор. Фрактальные рисунки не имеют идентичных элементов, однако обладают подобностью при любом масштабе. Жюлиа — Мандельброт Одним из первых рисунков этой фигуры была графическая интерпретация множества, которая родилась благодаря работам Гастона Жюлиа и была доработана Мандельбротом. Гастон пытался представить, как выглядит множество, построенное на базе простой формулы, которая проитерирована циклом обратной связи.
Попробуем сказанное объяснить человеческим языком, так сказать, на пальцах. Для конкретного числового значения с помощью формулы находим новое значение. Подставляем его в формулу и находим следующее. В результате получается большая числовая последовательность. Для представления такого множества требуется проделать эту операцию огромное количество раз: сотни, тысячи, миллионы. Это и проделал Бенуа.
Он обработал последовательность и перенес результаты в графическую форму. Впоследствии он раскрасил полученную фигуру каждый цвет соответствует определенному числу итераций. Данное графическое изображение получило имя «фрактал Мандельброта». Карпентер: искусство, созданное природой Теория фракталов довольно быстро нашла практическое применение. Так как она весьма тесно связана с визуализацией самоподобных образов, то первыми, кто взял на вооружение принципы и алгоритмы построения этих необычных форм, стали художники. Первым из них стал будущий основатель студии Pixar Лорен Карпентер.
Работая над презентацией прототипов самолетов, ему в голову пришла идея в качестве фона использовать изображение гор. Сегодня с такой задачей сможет справиться практически каждый пользователь компьютера, а в семидесятых годах прошлого века ЭВМ были не в состоянии выполнять такие процессы, ведь графических редакторов и приложений для трехмерной графики на тот момент еще не было. И вот Лорену попалась книга Мандельброта «Фракталы: форма, случайность и размерность». В ней Бенуа приводил множество примеров, показывая, что существуют фракталы в природе фыва , он описывал их разнообразную форму и доказывал, что они легко описываются математическими выражениями. Данную аналогию математик приводил в качестве аргумента полезности разрабатываемой им теории в ответ на шквал критики от своих коллег. Они утверждали, что фрактал - это всего лишь красивая картинка, не имеющая никакой ценности, являющаяся побочным результатом работы электронных машин.
Карпентер решил опробовать этот метод на практике. Внимательно изучив книгу, будущий аниматор стал искать способ реализации фрактальной геометрии в компьютерной графике.
Развитие фрактальной модели треугольника Серпинского. Имея в руках структуру, стало ясно, как именно этому белку удается собраться во фрактал: обычно при самосборке белков структура очень симметрична: каждая отдельная белковая цепь принимает такое же расположение относительно своих соседей. Такие симметричные взаимодействия всегда приводят к появлению паттернов, которые становятся одинаковыми в больших масштабах. Ключом к пониманию фрактального белка было то, что его сборка нарушала это правило симметрии. Различные белковые цепи осуществляют несколько разные взаимодействия в разных положениях фрактала. Это послужило основой для формирования треугольника Серпинского с его большими внутренними пустотами, а не регулярной решетки молекул.
Приносит ли эта странная сборка что-нибудь полезное?
Фракталы в природе
Посмотрите потрясающие примеры фракталов в природе. Просмотрите доску «Фракталы в природе» пользователя Александрина в Pinterest. Фрактал – это геометрическая фигура, в которой один и тот же мотив повторяется в последовательно уменьшающемся масштабе.
Бесконечность фракталов. Как устроен мир вокруг нас
Одним из таких исследований является изучение фракталов в природе. Благодаря спутниковым снимкам мы также можем полюбоваться красотой нашей планеты и необычными рисунками, сделанными природой в разных странах. Для ученых это, конечно, больше, чем просто красивая картинка, но сейчас не об этом.
Здесь мы собрали фотографии естественных природных фракталов. С научными объяснениями.
Это папоротник, который состоит из множества мелких листьев, имитирующих общую форму папоротника. Это называется самоподобием, особенность многих фракталов. Брокколи Романеско содержит множество завораживающих закрученных стеблей а самое приятное, вы можете сами её вырастить, семена есть в продаже : 3. Вид на побережье британской Колумбии: 4.
Успокаивающая спиральная ракушка вот почему стоит хранить дома ракушки и носить украшения из них : Ими можно себя окружить: Фотообои Milan "Ракушка", текстурные, 100 х 270 см. Форма для мыла Выдумщики "Ракушка древняя". Ракушки Африки, Танзания. Лист коллекционерам марок.
Это колье декорировано океанической раковиной Трохус, натуральным перламутром и орехом. Колье "Роман с камнем" выполнено из варисцита, морской ракушки и палисандрового дерева. Новогоднее подвесное украшение Winter Wings "Ракушка".
На практике это означает, что если вы увеличите часть фрактала, вы увидите аналогичную структуру, а если вы увеличите часть этой части, вы опять увидите аналогичную структуру, и так далее, по существу, до бесконечности. В природе фрактальные особенности проявляются в таких вещах, как снежинки, молнии или дельты рек. Молекулы могут показаться идеальным местом, где можно их найти, поскольку они могут принимать самые разные формы, но среди всех существующих каталогов молекул никогда не было ни одного правильного фрактала тех, которые почти точно совпадают по масштабам. Но теперь ученые из Института Макса Планка и Университета Филиппса обнаружили первый регулярный молекулярный фрактал. Это фермент, используемый видами цианобактерий для производства цитрата, который, как было обнаружено, естественным образом собирается в определенный фрактальный узор, называемый треугольником Серпинского. Развитие фрактальной модели треугольника Серпинского.
Имея в руках структуру, стало ясно, как именно этому белку удается собраться во фрактал: обычно при самосборке белков структура очень симметрична: каждая отдельная белковая цепь принимает такое же расположение относительно своих соседей.
Многие объекты в природе обладают фрактальными свойствами, например, побережья, облака, кроны деревьев, кровеносная система и система альвеол человека или животных. Первые примеры самоподобных множеств с необычными свойствами появились в XIX веке. Термин «фрактал» был введён Бенуа Мандельбротом в 1975 году и получил широкую популярность с выходом в 1977 году его книги «Фрактальная геометрия природы».
Фракталы популярны благодаря сочетанию красоты с простотой построения при помощи компьютера.
Загадочный беспорядок: история фракталов и области их применения
Это значит, что плоский фрактал в некотором смысле «проще» настоящей плоскости, но «сложнее» прямой. Фракталы также встречаются в природе. дробленый) - термин, означающий геометрическую фигуру, обладающую свойством самоподобия, то есть составленную из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. Природа зачастую. Посмотрите больше идей на темы «фракталы, природа, закономерности в природе». Фракталы представляют собой довольно сложные для определения математические объекты, но в общих чертах их можно охарактеризовать как геометрические формы, состоящие из меньших структур, которые, в свою очередь, напоминают исходную целостную конфигурацию.
Любопытные фото природы, которые успокоят
Если посмотреть на фрактал с близкого или дальнего расстояния, можно увидеть, как повторяются одни и те же узоры. Посмотрите больше идей на темы «фракталы, природа, закономерности в природе». Фото подборка встречающихся в природе или искусственно созданных фракталов.