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

24376. Понятие научной картины мира. Ее исторические формы. Функции научной картины мира (как онтология, форма систематизации знаний, исследовательская программа) 119.5 KB
  Функции научной картины мира как онтология форма систематизации знаний исследовательская программа По Радугину стр. 93 Становление понятия научной картины мира Вопрос о существовании научной картины мира и ее месте и роли в структуре научного знания впервые был поставлен и в определенной степени разработан выдающимися ученымиестествоиспытателями М.Планк в рамках обсуждения проблемы онтологических оснований научного знания поставил вопрос о существовании научной картины мира.
24377. Понятие метода. Классификация методов – эмпирические и теоретические методы познания 66 KB
  Классификация методов эмпирические и теоретические методы познания По Радугину стр. Как стороны единого процесса познания чувственное и логическое характеризуют любое познание непосредственное отношение субъекта к объекту особенности индивидуальной познавательной деятельности. Оно относится к научному познанию и связано с анализом методов и форм познания на различных уровнях научного исследования характеризуют типы исследований. Задача теоретического уровня познания состоит в познании сущности явлений их законов.
24378. Наблюдение, измерение, эксперимент как метод научного познания 93.5 KB
  Эта активность возрастает от наблюдения к модельному эксперименту. В акте научного наблюдения можно выделить: 1 объект наблюдения; 2 субъект наблюдения наблюдатель; 3 средства наблюдения; 4 условия наблюдения; 5 систему знаний исходя их которой задают цель наблюдения. Следует подчеркнуть следующие особенности научного наблюдения: опирается на развитую теорию или отдельные теоретические положения; служит решению определенной теоретической задачи постановке новых проблем выдвижению новых или проверке существующих гипотез; имеет...
24379. Анализ и синтез, индукция и дедукция как метод научного познания 54.5 KB
  Анализ это метод исследования состоящий в мысленном расчленении разложении целого или вообще сложного явления на его составные более простые элементарные части и выделение отдельных сторон свойств связей. Однако метод анализа дает сущность в абстрактном виде вне конкретных форм ее проявления. Синтез это метод исследования состоящий в соединении воспроизведении связей проанализированных частей элементов сторон компонентов сложного явления и постижения целого в его единстве.
24380. Формализация, идеализация и роль моделирования 93.5 KB
  Вторая группа методы построения и оправдания теоретического знания которое дано в форме гипотезы приобретающей в результате статус теории. Современная гипотетикодедуктивная теория опирается на некоторый эмпирический базис совокупность фактов которые нуждаются в объяснении и делают необходимым создание теории. Именно идеализированный объект делает возможным создание теории. Научные теории прежде всего отличаются положенными в их основу идеализированными объектами.
24381. Возникновение, сущность и роль системного подхода в научном познании (Л. Фон Берталанфи и А.Богдан) 138.5 KB
  В результате суть системного подхода исследование механизма жизни системы. Каковы же основные черты системного подхода Это прежде всего параметрическое описание поэлементного состава строения исследуемого объекта. ФОРМИРОВАНИЕ ОБЩЕНАУЧНОГО СИСТЕМНОГО ПОДХОДА В ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ФИЛОСОФИИ 50е начало 80х гг.
24382. Соотношение логического и исторического в процессе познания 71.5 KB
  Вопрос об отношении логического к историческому или как он сформулирован у Маркса об отношении научного развития к действительному развитию был непосредственно связан с необходимостью материалистически обосновать способ восхождения от абстрактного к конкретному. Если теоретическая реконструкция действительности осуществляется именно способом восхождения от абстрактного к конкретному то сразу же встает вопрос о том на что же должна ориентироваться теория определяя последовательность этого восхождения порядок развития понятий порядок...
24383. Метод восхождения от абстрактного к конкретному 78.5 KB
  Другой источник: Диалектика абстрактного и конкретного Э. Диалектика абстрактного и конкретного История марксистской диалектики. Понятия конкретного и абстрактного у Маркса и критика идеалистического и эмпирического их понимания 2.
24384. Роль интуиции в научном познании. Типы интуиции (А. Бергсон, Н.С. Лосский) 59.5 KB
  Лосский Другой источник: Одной из важнейших проблем гносеологии выступает феномен интуиции. Лосский подчеркивает значимость и революционность своей теории. Лосский ставит вопрос о возможностях и границах нашего познания. Лосский назвал эмпиризмом однако это не тот эмпиризм который мы находим в учениях Ф.