A fraktáldimenzió ( angolul fractal dimension ) az egyik módja annak, hogy meghatározzuk egy halmaz dimenzióját egy metrikus térben . Egy n -dimenziós halmaz fraktáldimenziója a következő képlettel határozható meg:
, ahol a halmaz lefedéséhez szükséges n -dimenziós sugarú "golyók" minimális száma .A fraktáldimenzió nem egész számértéket vehet fel [2] .
A tört dimenzió alapötlete hosszú múltra tekint vissza a matematika területén, de magát a kifejezést Benoit Mandelbrot találta ki 1967-ben az önhasonlóságról szóló cikkében . amelyben leírta a „tört” ( eng. fractional ) dimenziót [3] . Ebben a cikkben Mandelbrot Lewis Fry Richardson korábbi munkájára hivatkozott , leírva azt az ellentétes gondolatot, hogy a partvonal mért hossza egy mérőpálca (pólus) hosszától függ ( lásd 1. ábra ). Ezt a felfogást követve a partvonal fraktáldimenziója a partvonal hosszának méréséhez szükséges pólusok számának (egy bizonyos léptékben) és az oszlop kiválasztott léptékének arányának felel meg [4] . A fraktáldimenziónak számos formális matematikai definíciója létezik, amelyek a léptékváltozással járó elem változásának ezen alapkoncepciójára épülnek.
Az egyik elemi példa a Koch-hópehely fraktáldimenziója . Topológiai mérete 1, de semmiképpen nem egyenirányítható görbe , mivel a Koch-hópehely bármely két pontja közötti görbe hossza végtelen . A görbének egyetlen tetszőleges kis része sem lehet vonalszakasz. Inkább a Koch-hópehely végtelen számú, különböző szögekben összekapcsolt szegmensből áll. A görbe fraktáldimenziója intuitív módon magyarázható, feltételezve, hogy egy fraktálvonal túl részletes (részletes) objektum ahhoz, hogy egydimenziós legyen, de nem elég összetett ahhoz, hogy kétdimenziós legyen [5] . Ezért a dimenzióját nem a szokásos 1-es topológiai dimenzió írja le jobban, hanem a fraktáldimenzió, amely ebben az esetben egy 1 és 2 közötti számmal egyenlő.
A fraktáldimenzió a fraktálszerkezeteket vagy -halmazokat komplexitásuk mennyiségi értékelése alapján leíró együttható , mint léptékváltozással járó részletváltozási együttható [4] :1 . A fraktáldimenzió bizonyos típusai elméletileg és empirikusan is mérhetők ( lásd 2. ábra ) [7] [8] . A fraktáldimenziókat tárgyak széles körének jellemzésére használják az absztrakttól [9] [7] a gyakorlati jelenségekig, például: turbulencia, [4] :97–104 folyóhálózatok, :246–247 városnövekedés, [10] emberi fiziológia , [11] [12] az orvostudomány [8] és a piaci trendek [13] . A tört- vagy fraktáldimenzió alapötletematematikában nagy múltra tekint vissza, 1600-ig [4] :19 [14] , de magukat a fraktál és fraktáldimenzió kifejezéseket Benoit Mandelbrot matematikus alkotta meg 1975-ben [9 ] [4] [8] [13] [15] .
A fraktáldimenziót először geometriailag összetett alakzatokat leíró együtthatóként vezették be, amelyeknél a részletek fontosabbak, mint a teljes rajz [15] . A közönséges geometriai alakzatokat leíró halmazok esetében az elméleti fraktáldimenzió megegyezik a szokásos euklideszi vagy topológiai dimenzióval . Így a pontokat leíró halmazok esetében az elméleti fraktáldimenzió 0; 1 egyenest leíró halmazokhoz (csak hosszúságú halmazokhoz); 2 a felületet leíró készletekhez (hosszúsággal és szélességgel); 3 a térfogatot leíró készletekhez (hosszúságú, szélességű és magasságú készletek). De ez megváltozik a fraktálkészleteknél. Ha egy halmaz elméleti fraktáldimenziója meghaladja a topológiai dimenziót, akkor a halmazt fraktálgeometriájúnak tekintjük [16] .
A topológiai dimenzióval ellentétben a fraktál együttható nem egész értéket vehet fel [17] , ami azt mutatja, hogy a fraktálhalmaz a szokásos geometriai halmaztól eltérően tölti ki a teret [9] [18] [7] . Például egy olyan görbe, amelynek fraktáldimenziója nagyon közel van az 1-hez, mondjuk az 1,1-hez, egészen úgy viselkedik, mint egy szabályos vonal, de egy 1,9-es fraktáldimenziójú görbe a térben szinte felületszerűen tekercselődik. Hasonlóképpen viselkedik egy 2,1-es fraktáldimenziójú felület. Szinte úgy tölti ki a teret, mint egy normál felület, de a 2,9-es fraktáldimenziójú felület összeesik, és hajlamos majdnem térfogatként kitölteni a teret [16] :48 [1. jegyzet] . Ez az általános összefüggés a 2. ábrán látható 2 fraktál görbe képén látható . 2 és lásd a 2. ábrát. 3-32 szegmens, a 2. ábra körvonala bonyolult és teret kitöltő. Ennek a fraktálgörbének a dimenziója 1,67 a 3. ábrán látható kevésbé összetett Koch-görbéhez képest , amelynek fraktáldimenziója 1,26.
A növekvő fraktáldimenzió és a kitöltési tér kapcsolata felfogható a mért sűrűség fraktáldimenziójának, de nem az. Ez a két paraméter nincs szoros összefüggésben [6] . Ehelyett a fraktáldimenzió a komplexitást méri. Ez a fogalom a fraktálok bizonyos jellemzőihez kapcsolódik: önhasonlóság , mintázat és egyenetlenség [2. megjegyzés] . Ezeket a tulajdonságokat a fent leírt fraktálgörbék példáiban találjuk meg. Mindkét görbe topológiai dimenziója 1, ezért azt reméljük, hogy a normál vonalakhoz hasonlóan meg lehet mérni a hosszukat vagy a meredekségüket . De ezek közül egyiket sem tehetjük meg, mert a fraktálgörbék olyan összetett önhasonlóságokkal és mintázatokkal rendelkeznek, amelyekhez a szabályos vonalak nem [4] . Az önhasonlóság a végtelen skálában, a minta pedig az egyes halmazok meghatározó elemeiben rejlik. A görbék bármely két pontja közötti hossz nincs meghatározva , mert elméletileg ezek a konstrukciók soha nem állnak meg, hanem végtelen sokszor ismétlődnek [19] . Minden kisebb rész végtelen számú skálaszegmensből áll, amelyek pontosan úgy néznek ki, mint az első iterációban. Ezek nem egyenirányítható görbék , vagyis nem bonthatjuk külön szegmensekre és nem számíthatjuk ki a hozzávetőleges hosszt. Nem tudjuk leírni hosszban és lejtőn. Fraktál méretei azonban meghatározhatók. Megmutatják, hogyan töltik ki jobban a teret, mint a közönséges vonalak, de kevésbé, mint a felületek, és ez lehetővé teszi azok összehasonlítását is.
Megjegyzendő, hogy a fent leírt két fraktálgörbe egyfajta önhasonlóságot mutat, amely pontosan megismétli a kezdeti mintát, ami könnyen megjeleníthető. Ilyen szerkezetek más terekben is megtalálhatók (például fraktálok ). Ha a Koch-görbét háromdimenziós térré tágítjuk, akkor elméleti fraktáldimenziója 2,5849 lesz. A következő példa esetében azonban nehézséget okoz a fraktáldimenzió kiszámítása [7] [13] : Nagy-Britannia partvidéke egy közelítő modell hozzávetőleges léptékkel [4] :26 . Általánosságban elmondható, hogy a fraktálok különböző típusúak, önhasonlósági fokuk és nehezen elképzelhető minták lehetnek. Ide tartoznak például a furcsa attraktorok : sima pileup területek [16] :49 , Julia készlet és pulzusszám [20] . A fraktál komplexitást nem mindig könnyű kiszámítani anélkül, hogy olyan összetett analitikai módszerekre támaszkodnánk, amelyek még mindig fraktáldimenziókon keresztül vezetnek a válaszhoz [4] :197; 262 .
A fraktáldimenzió és fraktál kifejezéseket Mandelbrot vezette be 1975-ben [15] , körülbelül 10 évvel azután, hogy publikálta az Egyesült Királyság partjainak önhasonlóságáról szóló tanulmányát. Mandelbrot a komplex elméleti matematikát és a mérnöki munkát a komplex geometria tanulmányozásának új módszerében ötvözte és alkalmazta. Ez kihívást jelentett a szokásos lineáris kifejezésekkel szemben [14] [21] [22] . A legkorábbi gyökereket, amelyeket Mandelbrot a "fraktálgeometria" fogalmában általánosított, egyértelműen a nem differenciálhatóságról, az önhasonló függvények végtelenségéről szóló írásokban vezettek vissza, amelyek fontosak a fraktálok matematikai meghatározásában. Ekkortájt (az 1600-as évek közepén) megjelent egy elemzés [4] :405 . Szünet következett be az ilyen funkciókról szóló közlemények kiadásában. Az 1800-as évek végétől kezdve, a ma kanonikus fraktáloknak nevezett matematikai függvények és halmazok létrehozásával (mint például von Koch azonos nevű művei , [19] Sierpinski , Julia ), megindult a megújulás ezen a területen. Ebben az időben megfogalmazásukat gyakran úgy tekintették, mint amely erősen ellentmondott a matematikai "szörnyeknek" [14] [22] . Ezeket a munkákat látszólag olyan felvetések kísérték, hogy Hausdorff munkásságán keresztül az 1900-as évek elején ők voltak a fraktálgeometria koncepciójának kidolgozásának legsarkalatosabb pillanatai . Hausdorff meghatározta a "törtdimenziót", amelyet ma az ő nevén neveznek, és gyakran használják a modern fraktálok meghatározásában [3] [4] :44 [16] [21] .
További részletekért lásd a fraktálok történetét .
A fraktáldimenzió gondolata a lépték és a dimenzió nem szokványos ábrázolásában rejlik [23] . Ez látható az ábrán. A 4. ábra a geometria hagyományos fogalmait szemlélteti, amelyek kiszámíthatóan alkotják a léptéket, a térrel kapcsolatos érthető és ismert elképzelések szerint. Például vegyünk egy sort, osszuk három egyenlő részre, ekkor mindegyik rész 3-szor kisebb lesz, mint az eredeti sor hossza. Ez is a repülőben játszódik. Ha megméri egy négyzet területét, majd megméri egy olyan négyzet területét, amelynek oldalhossza a kezdeti négyzet oldalának 1⁄3 - a, akkor ez 9-szer kisebb lesz, mint a terület a kezdeti négyzetből. Ez a skála matematikailag meghatározható az 1. egyenlet skálaszabályával, ahol a részletek száma, a léptéktényező, a fraktáldimenzió:
|
|
(egy) |
A szimbólum arányt jelent. Ez a léptékszabály megerősíti a léptékgeometria hagyományos szabályait, hiszen egy egyenesre - =3, amikor = 1 ⁄ 3 , akkor =1, a négyzetekre pedig azért, mert =9, amikor = 1 ⁄ 3 , =2.
Ugyanez a szabály vonatkozik a fraktálgeometriára is, de kevésbé intuitív módon. Egy egységnyi hosszúságú fraktálvonal kiszámításához első pillantásra 3-szoros faktorral kell lekicsinyíteni, ebben az esetben = 4, ha = 1⁄3 , és az értéket az 1. egyenlet átalakításával kaphatjuk meg:
|
|
(2) |
Így egy =4-gyel leírt fraktál esetén, ha = 1⁄3 , = 1,2619 . Ebben az esetben a dimenzió nem egész értéket vesz fel, ezért feltételezhető, hogy a fraktál mérete nem egyenlő annak a térnek a méretével, amelybe be van ágyazva [7] . Koch-görbe és a Koch- hópehely . Meg kell jegyezni, hogy ezek a képek önmagukban nem valódi fraktálok, mivel az érték által leírt léptékezés nem folytatódhat a végtelenségig azon egyszerű oknál fogva, hogy a képek csak a legkisebb ponton - a pixelben - léteznek. A digitális képet ábrázoló elméleti struktúra nem diszkrét pixeleket tartalmaz, mint darabokat, hanem végtelen számú, különböző szögű szegmensből áll, amelyek fraktáldimenziója 1,2619 [4] [23] .
A vonalra, négyzetre és kockára definiált dimenzióhoz hasonlóan a fraktáldimenziók is általános jellemzők, ami lehetetlenné teszi a szerkezet egyértelmű meghatározását [23] [24] . A Koch-fraktál értékét fentebb megadtuk, például a skála a mennyiségi struktúra velejárója, de ez nem elég a felépítéséhez. Sok fraktálstruktúra és mintázat rajzolható ugyanabban a léptékben, mint a Koch-görbe, de ezek továbbra is eltérnek a Koch-görbétől ( lásd 6. ábra ).
Példák a fraktálokra: lásd: Fractal , Sierpinski-háromszög , Mandelbrot halmaz , Diffusion of limited aggregation , L-Systems .
A fraktáldimenzió ebben a cikkben leírt fogalma egy összetett szerkezet klasszikus formája. Az itt leírt példákat szemléltető céllal választottuk. A skála és az együttható régóta ismert. A gyakorlatban azonban a fraktáldimenziók közelítő léptékű módszerekkel határozhatók meg. A következő képletet használják a fraktáldimenzió meghatározására Bozhokin S.V. és Parshin D.A. „Fractals and Multifractals” [2] című könyvében:
, ahol a halmaz lefedéséhez szükséges n-dimenziós sugarú "golyók" minimális száma .E képlet szerint egy izolált pont, egy hosszúságú szakasz , egy felület , egy térfogattér esetében a fraktáldimenzió egybeesik a szokásos euklideszi dimenzióval.
Ezzel a képlettel kiszámítható például a Cantor-halmaz fraktáldimenziója ( lásd a 7. ábrát ). Nyilvánvaló, hogy a -edik lépésben hosszúságú szegmenseket kapunk , amiből az következik, hogy a Cantor-halmaz fraktáldimenziója 0,6309 [2] .
Az alábbiakban a különböző típusú fraktáldimenziók formális definícióit adjuk meg. Annak ellenére, hogy néhány klasszikus fraktál esetében ezek a dimenziók egybeesnek, általában nem egyenértékűek:
Sok valós világbeli jelenség korlátozott vagy statisztikai jellegű fraktáltulajdonságokkal és fraktáldimenziókkal rendelkezik, amelyek számítógépes fraktálelemzési módszerekkel adatmintából megbecsülhetők . A gyakorlatban a fraktáldimenzió mérése különböző módszertani kérdésektől függ, és érzékenyek a numerikus vagy kísérleti zajokra, és korlátozott az adatmennyiség. Ennek ellenére a terület gyorsan fejlődik a statisztikailag önhasonló jelenségek fraktáldimenziójának becslésében. A fraktáldimenziónak számos gyakorlati alkalmazása van különböző területeken, beleértve a diagnosztikai képalkotást, [27] [28] fiziológiát, [11] idegtudományt, [12] orvostudományt, [29] [30] [31] fizikát, [32] [33]. elemző képalkotás, [34] [35] [36] [37] akusztika, [38] a Riemann zéta-függvény nullái [39] és elektrokémiai folyamatok [40] .
A közvetlen mérés alternatívája egy olyan matematikai modell, amely egy valódi fraktál objektum kialakulásához hasonlít. Ebben az esetben a modellből származó egyéb fraktáltulajdonságok mérési adatokkal való összehasonlításával is elvégezhető az ellenőrzés. A kolloidfizikában a rendszerek különböző fraktáldimenziójú részecskékből állnak. E rendszerek leírására a fraktáldimenzió valószínűségi eloszlását használjuk. Végül pedig az idő az utóbbi evolúciója: ez egy olyan folyamat, amelyet az aggregáció és az összeolvadás [41] komplex kölcsönhatása vezérel .
fraktálok | ||
---|---|---|
Jellemzők | ||
A legegyszerűbb fraktálok | ||
furcsa vonzerő | Multifraktál | |
L-rendszer | Térkitöltő görbe | |
Bifurkációs fraktálok | ||
Véletlenszerű fraktálok | ||
Emberek | ||
Kapcsolódó témák |
A tér mérete | |
---|---|
Terek méret szerint |
|
Politópok és figurák |
|
A terek típusai |
|
Egyéb dimenziós fogalmak |
|
Matematika |