Когда вы думаете о фракталах, вам могут прийти на ум плакаты и футболки Grateful Dead, пульсирующие всеми цветами радуги и вызывающие завихрение сходства. Деревья, как и многие другие объекты в природе, имеют фрактальное строение. Деревья, как и многие другие объекты в природе, имеют фрактальное строение. В природе мы встречаем фракталы в изломах береговой линии, ветвях деревьев, прожилках листьев.
Любопытные фото природы, которые успокоят
А разнообразие видов фракталов в природе значительно больше того, что могут дать результаты компьютерных вычислений. Фракталы поразительно напоминают объекты живой и неживой природы вокруг нас. Фракталом в прессе и научно-популярной литературе могут называть фигуры, обладающие какими-либо из перечисленных ниже свойств. Смотрите 27 онлайн по теме фрактал в природе. Как вам, например, такая фраза: «Фрактал – это множество, обладающее дробной хаусдорфовой размерностью, которая больше топологической». Если изучить фрактальную геометрию природы, то наблюдая природные явления человек перестанет видеть хаос. Он увидит, насколько просты принципы развития и распределения в природе.
Загадочный беспорядок: история фракталов и области их применения
| Фракталы в природе - 65 фото | Папоротник — один из основных примеров фракталов в природе. |
| Фракталы в природе | | Термин «фрактал» введён Бенуа Мандельбротом в 1975 году и получил широкую известность с выходом в 1977 году его книги «Фрактальная геометрия природы». |
| Фракталы в природе исследование | 97 фото | Фото и картинки - сборники. |
| ХАОС, ФРАКТАЛЫ И ИНФОРМАЦИЯ | Просмотрите доску «Фракталы» пользователя Katrine в Pinterest. Посмотрите больше идей на темы «фракталы, природа, закономерности в природе». |
Что такое фрактал, как он проявляется в природе и что еще о нем нужно знать
Поскольку в природе мы часто наблюдаем фрактальные узоры, то искусственно созданный фрактальный трехмерный объект кажется невероятно реалистичным и даже «живым». неупо-рядоченные системы, для которых самоподобие выполняется только в среднем. В природе мы встречаем фракталы в изломах береговой линии, ветвях деревьев, прожилках листьев. Одна из вещей, которые привлекли меня к фракталам, это их повсеместное распространение в природе. По определению Википедии фрактал — это бесконечно самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба.
Популярные фоны
- Любопытные фото природы, которые успокоят
- Созерцание великого фрактального подобия / Хабр
- Прекрасные фракталы в природе
- Фракталы: бесконечность внутри нас
Фракталы – Красота Повтора
Парк онлайн весной 2021. Фракталы в природе. Автор Мануйленко Никита. Фракталы как узоры и формы, повторяющие себя в разных масштабах, находим в живой и неживой природе. Поскольку в природе мы часто наблюдаем фрактальные узоры, то искусственно созданный фрактальный трехмерный объект кажется невероятно реалистичным и даже «живым». Папоротник — один из основных примеров фракталов в природе. Чтобы доказать свое утверждение, он вводит ключевое для теории фракталов понятие фрактальной размерности. По определению Википедии фрактал — это бесконечно самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба.
Фракталы в природе и в дизайне: сакральная геометрия повсюду
Посмотрите больше идей на темы «фракталы, природа, эрнст геккель». Фракталы кажутся нам слишком совершенными, чтобы существовать в реальности, но они не так уж редко встречаются в природе, в частности реализуя себя в виде растений. Смотрите 27 онлайн по теме фрактал в природе. Фракталы в природе (53 фото).
Любопытные фото природы, которые успокоят
Международная группа ученых обнаружила впервые нашла в природе молекулу, обладающую свойствами регулярного фрактала. Международная группа ученых обнаружила впервые нашла в природе молекулу, обладающую свойствами регулярного фрактала. Приводим примеры фракталов в природе, жизни, математике, алгебре, геометрии и не только.
Удивительный мир фракталов
- Онлайн-курсы
- Фракталы в Природе - 24 photos. Елена Лаврина's photos.
- Фракталы - Красота Повтора | Сакральная Геометрия | Грани РазУма
- Что такое фрактал?
Что такое фрактал, как он проявляется в природе и что еще о нем нужно знать
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.
Это растение, похоже, никогда не перестанет размножать само себя всё дальше и дальше: 7. Разветвлённая река в архипелаге Мьянма: 8. Мечтательная река, которая сверху так напоминает корни дерева... Ослепительная сеть венок внутри листа: 10. Ветви деревьев разделились на меньшие версии самих себя: 11. Великолепная сеть соляных фигур: 12. Листья растения алоэ, покрытые каплями росы, завораживают: 13.
Это растение называется дипсакус, и у него головокружительный массив листьев: 14. Эту капусту слишком жалко есть: 15. Очень особенная снежинка. Или они все такие — особенные?.. Чудесные океанские волны: 17. И напоследок...
Некоторые космологи и в этих «нечеловеческих» условиях продолжают отстаивать гипотезу о макрооднородности Вселенной. Их можно понять.
Практически во всех своих теоретических выкладках космологи опираются не на уравнения общей теории относительности в общем виде из-за их чрезвычайной сложности, а на получаемые из них в предположении однородности Вселенной достаточно простые уравнения Фридмана. Отказ от этой гипотезы будет означать и отказ от этих уравнений. И с чем тогда останутся космологи?! Однако правде нужно смотреть в глаза: после открытия гигантских космических структур гипотеза о фрактальности Вселенной стала более правдоподобной, чем гипотеза о ее макрооднородности. Сделаем терминологическое уточнение. Природные фракталы, расположенные в нашем трехмерном мире, будем называть идеальными, если их плотность равна нулю. Единственным таким фракталом может оказаться Вселенная, если она бесконечна: устремляя в законе Карпентера радиус к бесконечности, получаем нулевую плотность. Мы включаем в гипотезу о фрактальности Вселенной предположение о ее бесконечности.
Делаем это по двум соображениям. Во-первых, это предположение — простейшее из возможных для фрактальной Вселенной. Во-вторых, Альберт Эйнштейн ввел в оборот модель замкнутой Вселенной 1917 , чтобы избавиться от ее нестационарности, возникающей в предположении однородности Вселенной. Для фрактальной бесконечной Вселенной с ее нулевой средней плотностью такой проблемы не существует. Как оно все устроено «на самом деле» Фрактальная Вселенная устроена не просто, а очень просто. Никаких художественных излишеств вроде дополнительных пространственных измерений, параллельных вселенных, вложенных в элементарные частицы макромиров, «кротовых нор» в пространстве и проч. Имеем одно бесконечное трехмерное глобально плоское пространство, описываемое специальной теорией относительности. В нем рассеяно бесконечное иерархически организованное множество звезд, галактик, метагалактик и т.
Расстояния между этими объектами многократно превосходят размеры самих космических систем и неограниченно растут с ростом их ранга, что и обеспечивает такой Вселенной нулевую среднюю плотность. Фрактальная Вселенная стационарна глобально, но не локально. Составляющие ее макросистемы конечных размеров могут расширяться и сжиматься, как им вздумается, однако эти локальные процессы сжатия и расширения не могут возобладать друг над другом. Отсюда следует, что если Вселенная фрактальна, то она не переживала Большого взрыва, а наблюдаемое нами космическое расширение является результатом Большого взрыва только нашей Метагалактики. Обсуждая прошлое нашей Метагалактики, можно опираться на идею «отскока», высказанную в научной литературе в отношении Вселенной. Судя по всему, Большому взрыву предшествовало сжатие нашей Метагалактики «до упора», остановившего гравитационный коллапс и обратившего его вспять. С будущим нашей Метагалактики сложнее. Из всех форм физических взаимодействий гравитационное — самое дальнодействующее.
Поэтому именно оно глобально доминирует во Вселенной, а также в метагалактиках и других достаточно больших космических системах. Доминирование же гравитационного взаимодействия в достаточно больших космических системах с ненулевой плотностью, как известно, приводит к их неустойчивости. В устойчивых состояниях могут находиться только не очень большие — по сравнению с метагалактиками — космические системы, в которых существенными наряду с гравитационным оказываются и другие физические взаимодействия. Приходим к выводу, что все рассеянные во Вселенной метагалактики и еще большие системы из-за доминирования в них гравитационного взаимодействия нестационарны. Поскольку же метагалактики могут только расширяться и сжиматься, не достигая устойчивого состояния, то они это циклически и делают. Впрочем, расширение и сжатие метагалактик из-за необратимости этих процессов характеризуются, надо полагать, своего рода остаточной деформацией, которая от цикла к циклу накапливается, пока однажды метагалактики не прерывают свою пульсацию, переходя к бесконечному расширению. Таким образом, при всей своей глобальной стационарности фрактальная Вселенная локально на всем ее протяжении живет бурной жизнью.
Фракталы, особенно на плоскости, популярны благодаря сочетанию красоты с простотой построения при помощи компьютера. Первые примеры самоподобных множеств с необычными свойствами появились в XIX веке например, множество Кантора. Термин «фрактал» был введён Бенуа Мандельбротом в 1975 году и получил широкую популярность с выходом в 1977 году его книги «Фрактальная геометрия природы». Самые большие группы это: геометрические фракталы алгебраические фракталы стохастические фракталы Однако существует и другая классификация: деление на рукотворные и природныефракталы. К рукотворным относятся те фракталы, которые были придуманы учёными, они при любом масштабе обладают фрактальными свойствами. На природные фракталы накладывается ограничение на область существования — то есть максимальный и минимальный размер, при которых у объекта наблюдаются фрактальные свойства. Именно с них и начиналась история фракталов. Этот тип фракталов — самый наглядный, потому что в нем сразу видна самоподобность. Получается он путем простых геометрических построений. Обычно при построении этих фракталов поступают так: берется «затравка» - аксиома - набор отрезков, на основании которых будет строиться фрактал. Далее к этой «затравке» применяют набор правил, который преобразует ее в какую-либо геометрическую фигуру. Далее к каждой части этой фигуры применяют опять тот же набор правил. С каждым шагом фигура будет становиться все сложнее и сложнее, и, если мы проведем по крайней мере, в уме бесконечное количество преобразований, получим геометрический фрактал. Рисунок 3. Снежинка Коха Кривая Коха является типичным геометрическим фракталом. Процесс её построения выглядит следующим образом: берём единичный отрезок, разделяем на три равные части и заменяем средний интервал равносторонним треугольником без этого сегмента. На следующем шаге повторяем операцию для каждого из четырёх получившихся звеньев и т. Выполнив аналогичные преобразование на сторонах равностороннего треугольника можно получить фрактальное изображение снежинки Коха. Для его построения из центра треугольника мысленно вырезают кусок треугольной формы, который своими вершинами будет упираться в середины сторон исходного треугольника. Рисунок 4. Треугольник Серпинского. Рисунок 5. Процесс построения Треугольника Серпинского Повторяют эту же процедуру для трех образовавшихся треугольников за исключением центрального , и так до бесконечности. Если теперь взять любой из образовавшихся треугольников и увеличить его, то получится точная копия целого. Это и есть полное самоподобие. Кривая дракона И зобретена итальянским математиком Джузеппе Пеано. Ее построение начинается с нулевого порядка, которая представляет собой прямой угол. Изображение фигуры каждого следующего порядка строится путем постоянных замен каждого из отрезков фигуры младшего порядка на два отрезка, сложенных также в виде прямого угла. При этом каждый первый угол оказывается вывернутым наружу, а каждый второй - вовнутрь. На рисунке проиллюстрирован алгоритм построения драконовой ломаной и изображен вполне взрослый дракон десятого порядка. Здесь можно заметить, что два равных звена продолжают друг друга. Рисунок 7. Кривая Минковского. Описано в 1883 году Г. Рисунок 8. Множество Кантора. Оставшееся точечное множество обозначим через C1, оно состоит из двух отрезков; удалим теперь из каждого отрезка его среднюю треть и оставшееся множество обозначим через C2.
9 Удивительных фракталов, найденных в природе
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. Хаусдорф ввел понятие хаусдорфовой размерности, которое стало значительным в исследовании фракталов. Сложнейшее исследование свойств самоподобия произвел Пол Леви, в своих работах он показал, что кривая Коха — это лишь один из множества примеров самоподобных кривых. Вряд ли кто-то в то время подозревал, что появиться ученый, который объединит все труды и внесет величайшее открытие в мире математики.
Бенуа Мандельброт стал выдающимся ученым, который неизменно верил в то, что хаотичность имеет определенный порядок. На пути к открытию Мандельброт встретил множество трудностей. После ряда его исследований и предположений многие его друзья-ученые отвернулись, считая, что он занимается не научными, а бесполезными исследованиями. Однако вскоре, изучая работы французских ученых Жулиа и Фату, Мандельброт и используя компьютеры, Мандельброт открыл множество, которое является самым существенным примером фрактала, — множество Мандельброта [1]. В наши дни данное открытие играет огромную роль, так как позднее появилось такое понятие, как фрактальная геометрия природы.
В числе параметров, которые он учитывал, была протяженность общей границы двух враждующих стран. Когда он собирал данные для численных экспериментов, то обнаружил, что в разных источниках данные об общей границе Испании и Португалии сильно отличаются. Это натолкнуло его на следующее открытие: длина границ страны зависит от линейки, которой мы их измеряем. Чем меньше масштаб, тем длиннее получается граница. Это происходит из-за того, что при большем увеличении становится возможным учитывать всё новые и новые изгибы берега, которые раньше игнорировались из-за грубости измерений. И если при каждом увеличении масштаба будут открываться ранее не учтенные изгибы линий, то получится, что длина границ бесконечна!
Правда, на самом деле этого не происходит — у точности наших измерений есть конечный предел.
Кривая Гильберта. Дерево Пифагора. На примере построения «дерева Пифагора» авторы создали учебное пособие.
Оно поможет тем, кто осваивает навыки компьютерной графики. Эти явления, кроме математиков, наблюдают естественные науки — физика и биология. Принцип фракталов применяется в радиотехнике и для создания новых электронных коммуникаторов. 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.
Но, в отличие от других исследователей, он решил взять линейку покороче и измерить длину еще раз.
И еще. И в каждом случае у него получалась разная длина! Казалось бы, здесь явно закралась ошибка. Однако, если мы внимательно посмотрим на изображение побережья Великобритании, то увидим, что Ричардсон был прав в своих подсчетах.
Длина измеряемой кривой зависит от масштаба измерений. И вот тут мы и подходим вплотную к понятию фрактала. Для обычной кривой при бесконечном уменьшении масштаба измерений ее длина станет постоянной. Но длина побережья при постоянном уменьшении линейки будет неограниченно возрастать — это называется «парадоксом береговой линии», и именно с него началось научное изучение фракталов.
Если рассмотреть этот вопрос с физической точки зрения, то может показаться, что такое невозможно. Действительно, для реального, физического объекта мы не сможем бесконечно уменьшать масштаб измерений — рано или поздно мы дойдем до размеров атома. Однако из этого логичного рассуждения не следует невозможность существования фракталов — оно лишь показывает, что каждый объект обладает фрактальными свойствами лишь до определенного момента. И только математические объекты являются фракталами в полной мере и при любых измерениях.
Из-за этой запутанности и сложности фракталов ученые обнаружили их как математический объект лишь во второй половине XX века. Хотя из примера с береговой линией очевидно, что они существовали и до этого, но только в 1975 году французский математик Бенуа Мандельброт написал книгу о фракталах и фактически основал теорию фракталов в недавно возникшей области науки — теории хаоса. Однако еще до выхода книги, в 1967 году в журнале Science была опубликована его статья «How Long Is the Coast of Britain? Statistical Self-Similarity and Fractional Dimension» о парадоксе береговой линии.
В статье ни разу не встречается слово «фрактал», хотя именно она считается стартовой точкой для фрактальной геометрии. Мандельброт решает этот парадокс удивительным образом — он заявляет, что нельзя говорить о таком понятии, как «длина береговой линии», в привычном нам понимании. Чтобы доказать свое утверждение, он вводит ключевое для теории фракталов понятие фрактальной размерности. Самое странное в ней то, что она не является целой!
В математике размерностью обычно называют топологическую размерность, которая просто-напросто соответствует количеству измерений предмета. Так, куб имеет три измерения — длину, ширину и высоту, следовательно, его размерность равна трем. А линия на бумаге имеет только длину, и ее размерность равна единице. Поэтому на первый взгляд кажется невозможным представить предмет с нецелой размерностью.
Загадочный беспорядок: история фракталов и области их применения
Метод «Систем Итерируемых Функций» появился в середине 80-х гг. Он представляет собой систему функций из некоторого фиксированного класса функций, отображающих одно многомерное множество на другое. Сначала мы выполнили построение одного отрезка в плоскости Оху, а затем проводили аффинные преобразования с изменением координат его концов, поворотом вокруг осей и изменением размера с определенным коэффициентом рис. Впоследствии количество уровней смогло увеличиться до 7. Мы достигли того, что было выполнено построение трехмерного изображения рис. Оказалось, что они нашли свое применение в радиотехнике, в теории информации, практическом сжатии информации, построении изображений, сжатии графической и аудиоинформации, в экологии, в биологии, в медицине, в экономике, в механике.
Примеры применения можно перечислять бесконечно, отметим лишь некоторые из них.
Уравнение решается и полученное решение снова подставляется в уравнение. Уравнение заново решается.
Множественное повторение решений одного и того же уравнения. Если при решении мы видим, что значение Z сильно увеличивается стремится к бесконечности , значит изначальное число не подходит. Если же Z колеблется в пределах одного значения, значит выбранное число входит в множество.
Далее полученные значения отмечают на плоскости. Уравнение решается огромное количество раз и в итоге получается графическое изображение множества Мандельброта его мы видели выше. До 1975 года, фракталы встречались в истории время от времени, но после работы Бенуа Мандельброта, изучение фракталов начало приобретать массовый характер, все больше интегрируясь в мир.
Изучение фракталов вызвало новый виток в изучении разных сфер жизни: в компьютерной графике, в передаче данных, в радиотехнике, в производстве, в работе мозга, в движениях человека, в росте живых существ и многом другом. Представьте, насколько упрощается построение графических моделей, зная, что они самоподобны и вычисляются по одной простой формуле.
Неправильные и фрагментарные формы — облака, горы, листья — демонстрируют повтор почти однотипных фрагментов при разных масштабах наблюдения.
На рисунке эти формы застыли. На самом деле они изменяются — облака движутся, пламя мерцает, лист увядает.
Рассмотрим в качестве примера необычную кривую Гильберта с размерностью, очень близкой к 2, и нарисуем ее на плоскости. Она будет настолько извилистой, что полностью займет всю предоставленную ей плоскость, при этом оставаясь кривой с бесконечной длиной. Аналогично можно представить объемную структуру с небольшим объемом и бесконечной площадью — это человеческие легкие. Способность поглощать кислород напрямую зависит от площади дыхательной поверхности легких, но при этом они должны занимать относительно небольшой объем. 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.