16308

Фрактальный папоротник и аффинные преобразования

Домашняя работа

Информатика, кибернетика и программирование

Фрактальный папоротник и аффинные преобразования Около четырехсот миллионов лет назад из теплого девонского моря населенного диковинными рыбами на еще безжизненную сушу начали наползать первые растения. Позднее на первобытной Земле многие миллионы лет шумели ка

Русский

2013-06-20

43.5 KB

2 чел.

Фрактальный папоротник и аффинные преобразования

Около четырехсот миллионов лет назад из теплого девонского моря, населенного диковинными рыбами, на еще безжизненную сушу начали наползать первые растения. Позднее на первобытной Земле многие миллионы лет шумели карбонские леса, состоящие преимущественно из гигантских древовидных папоротников. Живописные видения того далекого времени в стиле палео-арт можно отыскать в закоулках интернета. Благодаря своему невероятно древнему происхождению папоротники представляют собой живую иллюстрацию самых фундаментальных природных формообразовательных алгоритмов. Вместе с тем это и классический пример фрактальной геометрической структуры. В одной из моих прошлых статей я рассказывал об L-формализме, который позволяет строить подобные фигуры. Однако, используя рекурсивные замены, мы всегда строим лишь предфрактал какого-либо заданного порядка. Для построения отпечатка истинного фрактала используется другой подход, называемый методом итерируемых функций или IFS-методом (аббревиатура IFS происходит от английских слов iterated function system). IFS-метод основан на аффинных (от лат. affinis - родственный) преобразованиях координат точек по формулам:

X=ax+by+e

Y=cx+dy+f,

где a, b, c, d, e, f - заданные коэффициенты, x и y - текущие координаты, а X и Y - вновь вычисленные значения координат. В начале процесса задается исходная позиция. Каждая последующая точка рассчитывается на основе предыдущей по указанным выше формулам. Для построения изображения листа папоротника одновременно используются четыре различных набора коэффициентов, каждый из которых выбирается на очередном шаге с определенной вероятностью при помощи генератора случайных чисел. Описанный алгоритм можно реализовать в виде циклически повторяющейся конструкции Case.

Private Sub Form_Click()

Randomize Timer

x = 0

y = 0

For i = 1 To 70000

 r = Rnd

 Select Case r

  Case 0 To 0.01

   a = 0: b = 0: c = 0: d = 0.16: e = 0: f = 0

  Case 0.01 To 0.8

   a = 0.85: b = 0.04: c = -0.04: d = 0.85: e = 0: f = 1.6

  Case 0.8 To 0.9

   a = 0.2: b = -0.26: c = 0.23: d = 0.22: e = 0: f = 1.6

  Case 0.9 To 1

   a = -0.15: b = 0.28: c = 0.26: d = 0.24: e = 0: f = 0.44

 End Select

 X1 = (a * x) + (b * y) + e

 Y1 = (c * x) + (d * y) + f

 x = X1

 y = Y1

 PSet (x + 10, 11 - y), RGB(0, 100, 0)

 Next i

End Sub

Метод IFS представляет собой хорошую иллюстрацию принципа системности. Изменение одного из коэффициентов влияет, так или иначе, на всю структуру в целом. В этом смысле влияние коэффициентов в аффинных преобразованиях на форму итогового листа можно сравнить с влиянием генов на фенотипические структуры организма. Все влияет на все. Например, если приравнять к нулю коэффициент d в первом преобразовании, то во всей итоговой структуре исчезнут стебельки. Если начать изменять симметричные значения коэффициентов b и c во втором преобразовании, то все элементы структуры листа в ответ будут скручиваться либо распрямляться (в зависимости от того, будем ли мы увеличивать или уменьшать их абсолютные величины).

При помощи метода IFS можно, разумеется, строить не только изображение листа папоротника, но и другие фрактальные структуры, такие, например, как треугольник Серпинского или снежинка фон Кох. Нужно лишь подобрать соответствующие коэффициенты. Например, треугольник Серпинского появится на экране в результате реализации следующего программного кода:

Private Sub Form_Click()

x = 0

y = 0

For i = 1 To 40000

 r = Rnd

 Select Case r

  Case Is < (1 / 3)

   x = 0.5 * x

   y = 0.5 * y

  Case (1 / 3) To (2 / 3)

   x = 0.5 * x

   y = 0.5 * y + 3000

  Case Is > (2 / 3)

   x = 0.5 * x + 1500

   y = 0.5 * y + 1500

 End Select

 PSet (y + 1000, 5000 - x), RGB(0, 0, 0)

 Next i

End Sub

При использовании формул IFS мы получаем отпечаток истинного фрактала, ограниченного лишь разрешающей способностью устройства отображения. В приведенных выше программных фрагментах используется генератор случайных чисел. Каждый из возможных наборов коэффициентов выбирается случайно с какой-то заданной вероятностью. При этом создается впечатление, что точки одна за другой налипают на висящий в пространстве призрачный фрактальный аттрактор, постепенно делая его видимым. Возможно использование и детерминированных алгоритмов построения фрактальных объектов методом IFS. Заинтересованный читатель найдет исчерпывающую информацию на этот счет в добротном учебнике: Р.М. Кроновер "Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории". Москва: Постмаркет, 2000. - 352 с. Появление учебников по фрактальной геометрии - знаковое событие. Недалеко то время, когда основы фрактальной геометрии войдут обязательной составной частью даже в школьную программу. Это не просто новый модный раздел геометрии. Фрактальная геометрия знаменует собой качественно новый этап ее развития.

В заключении процитирую мысль одного неизвестного сетевого автора, подписавшегося как Hard Wisdom. Сам он отнесся к своей идее как к малозначительному курьезу или приколу, но мне думается, что это нечто большее. Hard Wisdom между прочим высказал сколь элементарную, столь и глубокую мысль о том, что числа - это также не что иное, как фракталы. Он пишет: "Давайте взглянем на обычные целые числа, записанные в позиционной системе счисления. Очевидно, что любая часть такого числа - тоже число! Доказательство данного факта вряд ли необходимо.;-) Давайте отобразим графически число, взятое в двоичной системе счисления (исключительно ради наглядности, для произвольной системы счисления надо лишь использовать большее количество цветов, чем 2 :-). Цифру 1 будем изображать закрашенной точкой, а цифру 0 - пробелом. Итак:

На шкале N отложены числа, на шкале R - цифры в позиции числа. Мы можем заметить интересную симметрию (связанную с основанием системы счисления, в частности, причем симметрию рекурсивную)"


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12131. ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА ИСПУСКАНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА В ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ (СЕРИЯ БАЛЬМЕРА) 69.5 KB
  Лабораторная работа № 16 ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА ИСПУСКАНИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА В ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СЕРИЯ БАЛЬМЕРА Цель работы: определить частоты спектральных линий в видимой части спектра испускания водорода и вычислить значение постоянной Ридберга. Оборудование:
12132. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИССИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НАТРИЯ 111.5 KB
  Лабораторная работа № 17 СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИССИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НАТРИЯ Цель работы: изучить спектр испускания и тонкую структуру спектра испускания атома натрия. Оборудование: лампа с парами натрия неоновая лампа спектрограф ИСП51 линза. ...
12133. ИССЛЕДОВАНИЕ АТОМНОЭМИССИОННОГО СПЕКТРА РТУТИ 119 KB
  Лабораторная работа № 18 ИССЛЕДОВАНИЕ АТОМНОЭМИССИОННОГО СПЕКТРА РТУТИ Цель работы: пользуясь спектром испускания ртути определить квантовые числа соответствующие уровням энергии атомов ртути. Оборудование: монохроматор УМ2 ртутная и неоновая лампы. Кр
12134. ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОННОГО СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО ЙОДА 136.5 KB
  Лабораторная работа № 19 ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОННОГО СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО ЙОДА Цель работы: с помощью спектра поглощения паров йода определить частоту колебаний силовую постоянную и энергию диссоциации молекулы йода. Об
12135. КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО КРАСИТЕЛЯ 199.5 KB
  Лабораторная работа № 20 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО КРАСИТЕЛЯ Цель работы: Измерение пропускания и оптической плотности растворов красителей по точкам в ближней ультрафиолетовой 315400 нм и видимой областях спек
12136. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА АЛЬФА-ЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ 141 KB
  Лабораторная работа №21 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ПРОБЕГА АЛЬФАЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ Цель работы: ознакомление с aраспадом освоение методики измерения энергии по длине пробега в воздухе. Объект исследования Используется препарат плутоний238 из набора учебных радио...
12137. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ БЕТА-ЧАСТИЦ В АЛЮМИНИИ 307.5 KB
  Лабораторная работа №22 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГЛОЩЕНИЯ БЕТАЧАСТИЦ В АЛЮМИНИИ Цель работы: ознакомиться с распадом освоить методику измерения энергии элементарных частиц методом поглощения. Объект исследования В качестве источника частиц используется к
12138. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ В СВИНЦЕ 750 KB
  Лабораторная работа №23 ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ГАММАИЗЛУЧЕНИЯ В СВИНЦЕ Цель работы: Измерение коэффициентов поглощения излучения твердыми телами. Определение энергии квантов и механизма взаимодействия излучения с веществом по коэффициентам...
12139. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ (РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПУАССОНА) 106 KB
  Лабораторная работа №24 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПУАССОНА Цель работы: ознакомиться с устройством принципом работы счетчика Гейгера и методикой измерения радиоактивного излучения: изучение хара...