![]() ![]() ![]() ![]() |
|
|
![]() |
Рассмотрим т.н. множество Кантора и ковер Серпиньского. Эти множества обладают геометрической инвариантностью и известны как "множества средних третей". Отрезок единичной длины [0, 1] делится на три равные части, и средняя из них - интервал (1/3, 2/3) - вырезается. С каждым из остальных отрезков поступают точно так же (рис. 1).
Получаем последовательность отрезков все убывающей длины. На первом этапе имеем один отрезок, на втором - два, на третьем - четыре, на к-ом - 2k отрезков, длиной 3-k каждый. При k
получим множество точек, которое называется множеством Кантора. Суммарная длина всех вырезанных отрезков при этом равна единице.
Обобщение канторова множества средних третей на случай плоских фигур приводит к ковру Серпиньского.
Возьмем квадрат со стороной, равной единице, и разделим его на девять равных квадратов; при первой итерации (к=1) удаляем центральный квадрат; аналогично поступим с каждым из оставшихся восьми квадратов (к=2) и т. д. (рис. 2). Пересечение полученных при k
множеств - это ковер Серпиньского. Канторово множество, грубо говоря, является как бы "всюду дырявым".
Существует важная количественная характеристика канторова множества - дробная размерность. Рассмотрим некоторое множество А и попытаемся полностью покрыть его отрезками, квадратиками или гиперкубами со стороной (рис. 3). Пусть N - минимальное число кубиков или квадратиков, необходимых для покрытия А. Рассмотрим предел
Величина d(А)=dF является метрической размерностью и называется фрактальной размерностью.
Найдем фрактальную размерность квадрата со стороной 1. Для того чтобы закрыть этот квадрат необходимо иметь (1/ )2 квадратов со стороной
. Следовательно, d равно
Найдем d для множества Кантора (рис. 1). При первом разбиении для покрытия необходимо иметь два отрезка длиной 1/3; при втором разбиении потребуется четыре отрезка длиной 1/9 и вообще при n-ом разбиении нужно иметь 2n отрезков длиной (1/3)n. Итак, множество Кантора состоит из N=2n разделенных интервалов длиной (1/3)n каждый. Использовав определение (1), получим
Таким образом, множество Кантора - промежуточное между точкой (d=0) и линией (d=1), т. е. оно является фракталом.
Определим фрактальную размерность ковра Серпиньского. Имеем при первом (к=1) и последующих разбиениях
k=1 | N=8=8![]() | ![]() ![]() |
k=2 | N=8*8=8![]() | ![]() ![]() |
k=3 | N=8*8*8=8![]() | ![]() ![]() |
k=n | N=8n | ![]() |
Следовательно, ковер Серпиньского - это уже не линия с размерностью 1, но еще и не поверхность, размерность которой 2. Это что-то между линией и поверхностью. Самым неожиданным является то, что в природе существуют объекты, представляющие аналог ковра Серпиньского с размерностью 1<d<2. Это фрактальные агрегаты коллоидных частиц.
Рассмотрим теперь другой классический фрактальный объект - снежинку. Снежинка имеет бесконечный периметр, хотя ограничивает конечную область плоскости. Возьмем равносторонний треугольник, разделим каждую из его сторон на три части и по каждой из трех центральных третей построим по равностороннему треугольнику меньших размеров. Итерируя это построение бесконечно много раз, получим фрактальный объект, называемый иногда кривой Коха, размерность которого d = ln4/ln3 ~ 1,26 (рис.4).
Аналогичным способом можно построить много различных фракталов. Приведем некоторые из них.