From Wikipedia, the free encyclopedia
Ֆրակտալ (լատ.՝ fractus - մանրացված, կոտրված), բազմություն, որն ունի ինքնանմանության հատկություն (օբյեկտ, որը ճշգրիտ կամ մոտավորապես համապատասխանում է ինքն իր մի մասին, այսինքն՝ ամբողջը ունի նույն ձևը, ինչ մեկ կամ մի քանի մաս)։ Մաթեմատիկայում ֆրակտալը նշանակում է էվկլիդեսյան տարածության կետերի բազմություն, որոնք ունեն կոտորակային մետրական չափականություն (Մինկովսկու կամ Հաուսդորֆի իմաստով) կամ տոպոլոգիականից տարբերվող մետրական չափականություն[4], այդ պատճառով դրանք պետք է տարբերվեն այլ երկրաչափական պատկերներից, որոնք սահմանափակված են սահմանափակ թվով կապերով։ Ինքնանման պատկերները, որոնք կրկնվում են վերջավոր թվով արտահայտվող անգամ, կոչվում են նախաֆրակտալներ։
Արտասովոր հատկություններով ինքնանման բազմությունների առաջին օրինակները հայտնվել են 19-րդ դարում՝ չդիֆերենցվող անընդհատ ֆունկցիաների ուսումնասիրության արդյունքում (օրինակ՝ Բոլցանոյի ֆունկցիան, Վեյերշտրասի ֆունկցիան, Կանտորի բազմությունը)[5]։ «Ֆրակտալ» տերմինը ներմուծել է Բենուա Մանդելբրոտը 1975 թվականին։ Այն լայն տարածում է գտել 1977 թվականին Մանդելբրոտի «Բնության ֆրակտալ երկրաչափություն» գրքի հրատարակումով։ Ֆրակտալները հատկապես մեծ ժողովրդականություն են արժանացել համակարգչային տեխնոլոգիաների զարգացման շնորհիվ, ինչը հնարավորություն է տվել արդյունավետորեն պատկերել այս կառույցները։
«Ֆրակտալ» բառը օգտագործվում է ոչ միայն որպես մաթեմատիկական տերմին։ Ֆրակտալ կարող է կոչվել այն առարկան, որն ունի հետևյալ հատկություններից առնվազն մեկը.
Բնության շատ օբյեկտներ ունեն ֆրակտալ հատկություններ, օրինակ՝ ծովափ, ամպեր, ծառի սաղարթ, ձյան փաթիլներ, արյան շրջանառության համակարգ, ալվեոլներ։ Սակայն ֆրակտալները չեն սահմանափակվում միայն երկրաչափական նախշերով, այլ կարող են վերաբերել նաև ժամանակի ընթացքում կատարվող գործընթացներին[6][7][8][9][10][11]։ Տարբեր աստիճանի ինքնանմանություն ունեցող ֆրակտալ նախշեր ներկայացվել կամ ուսումնասիրվել են պատկերների, կառուցվածքների և հնչյունների մեջ[12] և գտնվել բնության մեջ[13][14][15][16][17], տեխնոլոգիայի բնագավառում[18][19][20][21][22], արվեստում[23][24], ճարտարապետության[25] և իրավունքի[26] բնագավառներում։ Ֆրակտալները հատուկ նշանակություն ունեն քաոսի տեսության ոլորտում, քանի որ քաոսային գործընթացների մեծամասնության գրաֆիկները ֆրակտալներ են[27]։
19-րդ դարի վերջից սկսած՝ մաթեմատիկայում հայտնվում են դասական վերլուծության տեսանկյունից պաթոլոգիական հատկություններ ունեցող ինքնանման առարկաների օրինակներ։ Դրանց թվին կարելի է դասել.
Գոյություն ունի հարթության վրա ֆրակտալ կորերի ստացման պարզ ռեկուրսիվ ընթացակարգ։ Որոշենք վերջավոր թվով հանգույցներով կամայական բեկյալ, որը կոչվում է գեներատոր։ Հաջորդիվ դրա մեջ յուրաքանչյուր հատվածը փոխարինենք գեներատորով (ավելի ճիշտ՝ գեներատորի նման բեկյալով)։ Արդյունքում ստացված բեկյալի յուրաքանչյուր հատվածը նորից փոխարինենք գեներատորով։ Շարունակելով մինչև անսահմանություն՝ ստանում ենք ֆրակտալ կոր։ Աջ կողմում գտնվող նկարում ցույց է տրված Կոխի կորի համար այդ ընթացակարգի առաջին, երկրորդ և չորրորդ քայլերը։
Նման կորերի օրինակներն են.
Նմանատիպ ընթացակարգի կիրառմամբ է ստացվում Պյութագորասի ծառը։
Ինքնանմանության հատկությունը կարող է մաթեմատիկորեն խստորեն արտահայտվել հետևյալ կերպ։ Դիցուք հարթության սեղմիչ արտացոլումներն են։ Դիտարկենք հետևյալ արտացոլումը հարթության բոլոր կոմպակտ (փակ և սահմանափակ) ենթաբազմությունների վրա.
Կարելի է ցույց տալ, որ արտացոլումը սեղմիչ արտացոլում է հաուսդորֆյան մետրիկի հետ կոմպակտների բազմության վրա։ Հետևաբար, Բանախի թեորեմի համաձայն, այս արտացոլումն ունի եզակի անշարժ կետ։ Այս ֆիքսված կետը կլինի մեր ֆրակտալը։
Վերևում նկարագրված ֆրակտալ կորերի ստացման ռեկուրսիվ ընթացակարգը տվյալ կառուցվածքի մասնավոր դեպքն է։ Դրանում բոլոր արտացոլումները նմանության արտացոլումն են, իսկ -ը՝ գեներատորի հանգույցների թիվը։
Սերպինսկու եռանկյան համար և , , արտացոլումները հեմոտետիաներ են կանոնավր եռանկյան գագաթներում գտնվող կենտրոններվ և 1/2 գործակիցով։ Հեշտ է տեսնել, որ Սերպինսկու եռանկյունին անցնում է իրեն արտացոլման դեպքում։
Այն դեպքում, երբ արտացոլումները նմանության վերափոխումներ են գործակիցներով, ֆրակտալի չափականությունը (որոշ լրացուցիչ տեխնիկական պայմաններում) կարող է հաշվարկվել որպես հավասարման լուծում։ Այսպիսով, Սերպինսկու եռանկյան համար ստանում ենք՝ ։
Ըստ նույն Բանախի թեորեմի՝ սկսելով ցանկացած կոմպակտ բազմությունից և դրա նկատմամբ կիրառելով արտացոլման իտերացիաները, կստանանք մեր ֆրակտալին մոտ (Հաուսդորֆի մետրիկայի իմաստով) կոմպակտների հաջորդականություն։
Ֆրակտալները բնական կերպով առաջանում են ոչ գծային դինամիկ համակարգերի ուսումնասիրության ժամանակ։ Առավել ուսումնասիրվել է այն դեպքը, երբ դինամիկ համակարգը սահմանվում է բազմանդամի կամ հոլոմորֆիկ ֆունկցիայի իտերացիաներով կոմպլեքս բեկյալով հարթության վրա։ Այս ոլորտում առաջին հետազոտությունները վերաբերում են 20-րդ դարի սկզբին և կապված են Ֆաթուի և Ժուլիայի անունների հետ։
Դիցուք բազմանդամ է, -ը՝ կոմպլեքս թիվ։ Դիտարկենք հետևյալ հաջորդականությունը.
Մեզ հետաքրքրում է այս հաջորդականության փոփոխությունը, երբ n-ը ձգտում է անսահմանության։ Այս հաջորդականությունը կարող է.
-ի արժեքների բազմությունը, որոնց համար հաջորդականությունը ցույց է տալիս վարքի մեկ կոնկրետ տեսակ, ինչպես նաև կետերի բազմության երկատում տարբեր տիպերի միջև, հաճախ ունեն ֆրակտալ հատկություններ։
Այսպես, Ժուլիայի բազմությունը երկատման կետերի բազմության է բազմանդամի համար (կամ այլ նման ֆունկցիայի), այսինքն՝ - ի այն արժեքները, որոնց համար հաջորդականության վարքը կարող է կտրուկ փոխվել –ի կամայական փոքր փոփոխությունների դեպքում։
Ֆրակտալ ազմության ստացման մեկ այլ տարբերակ է պարամետրի ներմուծումը բազմանդամում և պարամետրի այն արժեքների բազմության դիտարկումը, որոնց դեպքում հաջորդականությունը ցույց է տալիս որոշակի վարք ֆիքսված դեպքում։ Այսպես, Մանդելբրոտի բազմությունը բոլոր այն բազմություն է, որոնց դեպքում -ի և -ի համար չի ձգտում անսահմանության։
Այս տեսակի ևս մեկ հայտնի օրինակ է Նյուտոնի լողավազանները։
Տարածված է գեղեցիկ գրաֆիկական պատկերների ստեղծումը, որը հիմնված է կոմպլեքս դինամիկայի վրա՝ հարթության կետերը գունավորելու միջոցով՝ կախված համապատասխան դինամիկ համակարգերի վարքից։ Օրինակ, Մանդելբրոտի բազմութքյան լրացման համար կարելի է գունավորել կետերը՝ կախված -ի անսահմանության ձգտման արագությունից (որը սահմանվում է, օրինակ, ամենափոքր համարը, որի դեպքում կգերազանցի ֆիքսված մեծությանը)։
Բիոմորֆները ֆրակտալներ են, որոնք կառուցված են բարդ դինամիկայի հիման վրա և նման են կենդանի օրգանիզմների։
Բնական օբյեկտները հաճախ ունենում են ֆրակտալ ձև։ Դրանց մոդելավորման համար կարող են օգտագործվել ստոխաստիկ (պատահական) ֆրակտալները։ Ստոխաստիկ ֆրակտալների օրինակներ.
Բնական օբյեկտները (քվազիֆրակտալները) իդեալական վերացական ֆրակտալներից տարբերվում են ոչ լիարժեքությամբ և կառուցվածքի կրկնության անճշտությամբ։ Բնության մեջ հանդիպող ֆրակտալանման կառույցների մեծ մասը (ամպերի սահմանները, ափերի գիծը, ծառերը, բույսերի տերևները, մարջանները) քվազիֆրակտալներ են, քանի որ որոշ փոքր մասշտաբում ֆրակտալ կառուցվածքը անհետանում է։ Բնական կառույցները չեն կարող լինել իդեալական ֆրակտալներ կենդանի բջիջների չափսերի սահմանափակումների և մոլեկուլների չափերի պատճառով։
1999 թվականից ավելի քան 10 գիտական խմբեր իրականացրել են ֆրակտալ վերլուծություն Ջեքսոն Փոլոքի (1912-1956) ավելի քան 50 գեղանկարների վերաբերյալ, որոնք ստեղծվել են ներկն ուղղակիորեն հորիզոնական կտավների վրա լցնելով[38][39][40][41][42][43][44][45][46][47][48][49][50]։ Կոգնիտիվ նեյրոկենսաբանները ցույց են տվել, որ Փոլոքի ֆրակտալները նույնքան են նվազեցնում սթրեսը դիտորդների մոտ, որքան համակարգչի կողմից ստեղծված ֆրակտալներն ու բնության ֆրակտալները[51]։
Ֆիզիկայում ֆրակտալները բնականորեն ձևավորվում են ոչ գծային գործընթացների մոդելավորման ժամանակ, ինչպիսիք են հեղուկի մրրկային հոսքը, դիֆուզիոն-ադսորբման բարդ գործընթացները, կրակը, ամպերը և այլն։ Ֆրակտալներն օգտագործվում է ծակոտկեն նյութերի մոդելավորման մեջ, օրինակ՝ նավթաքիմիական նյութերում։ Կենսաբանության մեջ դրանք օգտագործվում են պոպուլյացիաների մոդելավորելու և ներքին օրգանների համակարգերը (արյունատար անոթների համակարգը) նկարագրելու համար։ Կոխի կորի ստեղծումուց հետո առաջարկվել է այն օգտագործել ափագծի երկարությունը հաշվարկելու համար։
Ֆրակտալ երկրաչափության օգտագործումը ալեհավաքների նախագծման ժամանակ առաջին անգամ կիրառվել է ամերիկացի ինժեներ Նաթան Քոենի կողմից, որն այն ժամանակ ապրում էր Բոստոնի կենտրոնում, որտեղ արգելված էր արտաքին ալեհավաքների տեղադրումը շենքի վրա։ Նաթանն ալյումինե փայլաթիթեղից կտրել է Կոխի կորի տեսքով կազմվածքը և այն փակցրել թղթի վրա, այնուհետև միացրել ռադիոընդունիչին։
Քոենը հիմնել է իր սեփական ընկերությունը և սկսել իր ալեհավաքների սերիական թողարկումը։ Այդ ժամանակներից ի վեր ֆրակտալ ալեհավաքները տեսությունը շարունակում է ինտենսիվորեն զարգանալ[52][53] [54]։ Նման ալեհավաքների առավելությունն այն է, որ դրանք բազմաբնույթ են և համեմատաբար լայնաշերտ։
Գոյություն ունեն ֆրակտալների միջոցով պատկերի սեղմման ալգորիթմներ։ Դրանք հիմնված են այն գաղափարի վրա, որ պատկերի փոխարեն կարելի է պահպանել սեղմող արտացոլումը, որի համար այդ պատկերը (կամ դրան մոտ պատկեր) անշարժ կետ է։ Այս ալգորիթմի տարբերակներից մեկն օգտագործվել է[55] Microsoft ընկերության կողմից իր հանրագիտարանը հրատարակելիս, սակայն այդ ալգորիթմները մեծ տարածում չեն ստացել։
Ֆրակտալները լայնորեն կիրառվում են համակարգչային գրաֆիկայում բնական օբյեկտների պատկերներ կառուցելու համար, ինչպիսիք են ծառերը, թփերը, լեռնային լանդշաֆտները, ծովերի մակերևույթները և այլն։ Կան բազմաթիվ ծրագրեր, որոնք ծառայում են Ֆրակտալ պատկերների գեներացման համար։
Netsukuku ցանցում IP հասցեների նշանակման համակարգն օգտագործում է տեղեկատվության ֆրակտալ սեղմման սկզբունքը ցանցի հանգույցների մասին տեղեկատվության կոմպակտ պահպանման համար։ Netsukuku ցանցի յուրաքանչյուր հանգույց պահպանում է միայն 4 ԿԲ տեղեկատվություն հարևան հանգույցների կարգավիճակի մասին, միևնույն ժամանակ, ցանկացած նոր հանգույց միանում է ընդհանուր ցանցին առանց IP-հասցեների բաշխման կենտրոնական կարգավորման անհրաժեշտության, ինչը, օրինակ, բնորոշ է ինտերնետին։ Այսպիսով, տեղեկատվության ֆրակտալ սեղմման սկզբունքը երաշխավորում է ամբողջովին ապակենտրոնացված, և, հետևաբար, ամբողջ ցանցի առավել կայուն աշխատանքը։
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.