Symulacje komputerowe w fizyce Fraktale

Podobne dokumenty
Symulacje komputerowe w fizyce Fraktale

FRAKTALE I SAMOPODOBIEŃSTWO

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego

Fraktale deterministyczne i stochastyczne. Katarzyna Weron Katedra Fizyki Teoretycznej

PROPOZYCJA ZASTOSOWANIA WYMIARU PUDEŁKOWEGO DO OCENY ODKSZTAŁCEŃ PRZEBIEGÓW ELEKTROENERGETYCZNYCH

Obliczenia inspirowane Naturą

Fraktale wokół nas. Leszek Rudak Uniwersytet Warszawski. informatyka +

samopodobnym nieskończenie subtelny

Podręcznik. Przykład 1: Wyborcy

Fraktale. Jerzy Pogonowski. Funkcje rekurencyjne. Zakład Logiki Stosowanej UAM

FRAKTALE. nie tworzą się z przypadku. Są tworzone naturalnie przez otaczającą nas przyrodę, bądź za pomocą

Zbiór Cantora. Diabelskie schody.

Obrazy rekurencyjne. Zastosowanie rekurencji w algorytmice. AUTOR: Martin Śniegoń

OCENA FRAKTALNA POWIERZCHNI KRZEPNIĘCIA

Gra w chaos i sekwencje DNA

Sierpiński Carpet Project. W ZSTiL Zespół Szkół Technicznych i Licealnych

Fraktale. i Rachunek Prawdopodobieństwa

Systemy Lindenmayera (L-systemy)

INTERAKTYWNA KOMUNIKACJA WIZUALNA. Systemy Lindenmayera (L-systemy)

Zadania domowe. Ćwiczenie 2. Rysowanie obiektów 2-D przy pomocy tworów pierwotnych biblioteki graficznej OpenGL

Struktury fraktalne jako źródło inspiracji w kształtowaniu formy architektonicznej

Plan prezentacji. Cechy charakterystyczne fraktali Zastosowanie fraktali Wymiar fraktalny D. Iteracyjny system funkcji (IFS)

Własności multifraktalne serii czasowych

Analiza zjawisk fraktalnych w finansowych szeregach czasowych *

Złożoność wokół nas. Część pierwsza: gra w chaos

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Układy dynamiczne. proseminarium dla studentów III roku matematyki. Michał Krych i Anna Zdunik. rok akad. 2014/15

FRAKTALE WOKÓŁ NAS I KILKA SŁÓW O CHAOSIE

MODELOWANIE RZECZYWISTOŚCI

Paweł Kowol. Praca dyplomowa napisana pod kierunkiem dr Rafała Werona

Fraktale w Cinderelli Iteracje podobieństw

Rys.1. Obraz Pollocka. Eyes heat.

Wykład 4: Fraktale deterministyczne i stochastyczne

Teoria Chaosu. Proste modele ze złożonym zachowaniem: o teorii chaosu w ekologii.

Filip Piękniewski 10:50:29 1 /56. Fraktale i Chaos Filip Piękniewski 2004

Ć W I C Z E N I E N R E-16

Rzut oka na współczesną matematykę spotkanie 4: Benoit Mandelbrot i inni

Co wspólnego ze sztuką ma reaktor chemiczny?

Pracę wykonali: -Bryjak Mateusz -Chudziak Paweł -Palacz Angelika -Skorwider Dariusz

Fraktale i ich zastosowanie

ZASTOSOWANIE GEOMETRII FRAKTALNEJ DO OCENY KLASYFIKACJI GRAFITU W ŻELIWIE

raktale są wśród nas Zuzanna Cyunel klasa 5 Szkoła Podstawowa nr 95 ul. Wileńska Kraków Kraków 2012

Algebra WYKŁAD 3 ALGEBRA 1

RYZYKO DZIAŁALNOŚCI WSPÓŁCZESNEGO PRZEDSIĘBIORSTWA W UJĘCIU FRAKTALNYM

METODOLOGICZNE ASPEKTY FRAKTALNEGO MODELOWANIA RZECZYWISTOŚCI

Chaos, fraktale oraz euroatraktor

Fraktale w matematyce

START. Wprowadź (v, t) S:=v*t. Wyprowadź (S) KONIEC

Modele i symulacje - Scratch i Excel

Voter model on Sierpiński fractals Model głosujący na fraktalach Sierpińskiego

WIESŁAW KOTARSKI, KRZYSZTOF GDAWIEC, AGNIESZKA LISOWSKA NIELINIOWE PODZIAŁY I FRAKTALE

TEORIA CHAOSU. Autorzy: Szymon Sapkowski, Karolina Seweryn, Olaf Skrabacz, Kinga Szarkowska

Lokalna analiza fraktalna w rozpoznawaniu obiektów dwuwymiarowych

Fraktale w Cinderelli Iteracje przekształceń afinicznych i inwersyjnych

Fraktale - ciąg g dalszy

Teoria ergodyczna. seminarium monograficzne dla studentów matematyki. dr hab. Krzysztof Barański i prof. dr hab. Anna Zdunik. rok akad.

Algorytmy i Struktury Danych.

Wymagania edukacyjne z matematyki w klasie III gimnazjum

Agregacja limitowana dyfuzją.

Wstęp do Informatyki

KARTA PRZEDMIOTU. 12. PRZEDMIOTOWE EFEKTY KSZTAŁCENIA Odniesienie do kierunkowych efektów kształcenia (symbol)

Chaos, fraktale i statystyka

Metody teorii gier. ALP520 - Wykład z Algorytmów Probabilistycznych p.2

która metoda jest najlepsza

WYMIAR FRAKTALNY SZEREGÓW CZASOWYCH A RYZYKO INWESTOWANIA *

Ilustracja metody Monte Carlo obliczania pola obszaru D zawartego w kwadracie [a,b]x[a,b]

Modele i symulacje - Scratch i Excel

ROZPRAWA DOKTORSKA. Wydział Elektroniki Katedra Metrologii Elektronicznej i Fotonicznej

Jezyki i metody programowania

zajęcia 1. Bartosz Górski, Tomasz Kulczyński, Błażej Osiński

Fraktale i Chaos czyli czemu nie można zmierzyć powierzchni trawnika?

Rys. 1. Kalafior podzielony na coraz mniejsze bardzo podobne do siebie fragmenty

Informatyka I stopień (I stopień / II stopień) ogólno akademicki (ogólno akademicki / praktyczny) podstawowy (podstawowy / kierunkowy / inny HES)

MATEMATYKA ZP Ramowy rozkład materiału na cały cykl kształcenia

Mathematica jako narz dzie badawcze Cz ± pi ta. Fraktale

Wymagania edukacyjne z matematyki

FIGURY I PRZEKSZTAŁCENIA GEOMETRYCZNE

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

ϕ(t k ; p) dla pewnego cigu t k }.

CHAOS DETERMINISTYCZNY W BADANIU DYNAMIKI ZMIAN ORGANIZACJI

Wykładnicze grafy przypadkowe: teoria i przykłady zastosowań do analizy rzeczywistych sieci złożonych

SEMINARIA DYPLOMOWE - studia II stopnia kierunek: informatyka i ekonometria oraz matematyka

Akademik Anatolij T. Fomienko, profesor matematyki, Rosja, Moskwa, Uniwersytet Moskiewski, grafika przedstawia ciąg liczb losowych, gdzie każda z

Algorytmy i Struktury Danych.

WYMAGANIA Z WIEDZY I UMIEJĘTNOŚCI NA POSZCZEGÓLNE STOPNIE SZKOLNE DLA KLASY TRZECIEJ M. zakres rozszerzony

WYMAGANIA Z WIEDZY I UMIEJĘTNOŚCI NA POSZCZEGÓLNE STOPNIE SZKOLNE DLA KLASY CZWARTEJ H. zakres rozszerzony. Wiadomości i umiejętności

Spacery losowe generowanie realizacji procesu losowego

WYMAGANIA EDUKACYJNE NIEZBĘDNE DO UZYSKANIA ŚRÓDROCZNYCH I ROCZNYCH OCEN KLASYFIKACYJNYCH Z MATEMATYKI W KLASIE III GIMNAZJUM

Technikum Nr 2 im. gen. Mieczysława Smorawińskiego w Zespole Szkół Ekonomicznych w Kaliszu

Zadania domowe. Ćwiczenie 3. Budowa modeli obiektów 3-D

Prognozowanie i Symulacje. Wykład I. Matematyczne metody prognozowania

Wymagania edukacyjne z matematyki do programu pracy z podręcznikiem Matematyka wokół nas

ĆWICZENIE 3. Agregacja kontrolowana przez dyfuzję: przykład fraktala. Andrzej Molski, Teresa Łuczak. Wstęp. Teoria L, (1)

O geometrii nieeuklidesowej. Andrzej Kotański

Graficzne opracowanie wyników pomiarów 1

Wymagania przedmiotowe dla klasy 3as i 3b gimnazjum matematyka

ROZWIĄZANIA DO ZADAŃ

Zakres na egzaminy poprawkowe w r. szk. 2013/14 /nauczyciel M.Tatar/

Szum w urzadzeniu półprzewodnikowym przeszkoda czy szansa?

Symetria w fizyce materii

Transkrypt:

Symulacje komputerowe w fizyce Fraktale Jakub Tworzydło Katedra Teorii Materii Skondensowanej Instytut Fizyki Teoretycznej telefon: (022)5532-919, pokój 5.19 Jakub.Tworzydlo@fuw.edu.pl 13 i 15/11/2017 Pasteura, Warszawa J. T. (IFT) Fraktale 1 / 29

Plan 1 Wprowadzenie 2 Fraktale 3 Fraktale naturalne (fizyczne) 4 Proste otrzymywanie fraktali J. T. (IFT) Fraktale 2 / 29

Plan 1 Wprowadzenie 2 Fraktale 3 Fraktale naturalne (fizyczne) 4 Proste otrzymywanie fraktali J. T. (IFT) Fraktale 2 / 29

Plan 1 Wprowadzenie 2 Fraktale 3 Fraktale naturalne (fizyczne) 4 Proste otrzymywanie fraktali J. T. (IFT) Fraktale 2 / 29

Plan 1 Wprowadzenie 2 Fraktale 3 Fraktale naturalne (fizyczne) 4 Proste otrzymywanie fraktali J. T. (IFT) Fraktale 2 / 29

Plan 1 Wprowadzenie 2 Fraktale 3 Fraktale naturalne (fizyczne) 4 Proste otrzymywanie fraktali J. T. (IFT) Fraktale 3 / 29

Podsumowanie i perspektywa atraktor w przestrzeni fazowej geometria fraktalna prawa potęgowe (skalowania) LITERATURA H.-O. Peitgen, H. Jurgens, D. Saupe Granice chaosu fraktale, PWN Warszawa, 1995. B.B. Mandelbrot The Fractal Geometry of Nature, New York, 1982. J. T. (IFT) Fraktale 4 / 29

Atraktor Lorentza ATRAKTOR: zbiór punktów w przestrzeni fazowej, do którego zmierzaja (w odpowiednio długim czasie) trajektorie układu dynamicznego ATRAKTOR DZIWNY: jest to aktraktor, który nie jest ani cyklem granicznym (krzywa), ani punktem stałym, lecz fraktalem J. T. (IFT) Fraktale 5 / 29

Plan 1 Wprowadzenie 2 Fraktale 3 Fraktale naturalne (fizyczne) 4 Proste otrzymywanie fraktali J. T. (IFT) Fraktale 6 / 29

Pierwszy przykład Weierstrass podał w 1872r przykład patologicznej funkcji łac. fractus złamany, ułamkowy W (x) = n an cos(b n πx) np. dla a = 3/5, b = 13 J. T. (IFT) Fraktale 7 / 29

Konstrukcja: krzywa Kocha Uproszczona recepta: obiekt geometryczny konstruowany rekurencyjnie z prostego elementu (Koch 1904). J. T. (IFT) Fraktale 8 / 29

Wymiar Euklidesowy zmniejsz jednostkowy obiekt w stosunku 1/p N liczba samo-podobnych obiektów pokrywajacych oryginał obliczamy N = p D czyli D = log N/ log p J. T. (IFT) Fraktale 9 / 29

Ułamkowy (uogólniony) wymiar samo-podobieństwo krzywej Kocha: dla N = 4, 1/p = 1/3 mamy N = p D D = log 4/ log 3 1.26 J. T. (IFT) Fraktale 10 / 29

Wymiar samo-podobieństwa Trójkat Sierpińskiego ( kanoniczny fraktal 1915): N = p D dla N = 3, p = 2 D = log 2 3 1.585 J. T. (IFT) Fraktale 11 / 29

Więcej przykładów figur samo-podobnych gabka Mengera fraktal oktaedryczny dywan Sierpińskiego (ciasteczka) drzewo Pitagorasa J. T. (IFT) Fraktale 12 / 29

Więcej przykładów figur samo-podobnych gabka Mengera log 20/ log 3 2.73 fraktal oktaedryczny log 6/ log 2 2.58 dywan Sierpińskiego (ciasteczka) log 8/ log 3 1.89 drzewo Pitagorasa log 2/ log(2/ 2) = 2 J. T. (IFT) Fraktale 12 / 29

Plan 1 Wprowadzenie 2 Fraktale 3 Fraktale naturalne (fizyczne) 4 Proste otrzymywanie fraktali J. T. (IFT) Fraktale 13 / 29

Naturalne samo-podobieństwo How Long Is the Coast of Britain? B. Mandelbrot Science 1967 J. T. (IFT) Fraktale 14 / 29

Naturalne samo-podobieństwo How Long Is the Coast of Britain? B. Mandelbrot Science 1967 użyj linijki długości s wykreśl długość L tot w funkcji s w skali log-log skoro L (1/s) D f 1 to log L (D f 1) log(s) s = 200 km s = 50 km Wielka Brytania D f = 1.24, Afryka Południowa D f = 1.04, Norwegia D f = 1.52 J. T. (IFT) Fraktale 14 / 29

Wymiar pudełkowy Algorytm podziel obraz rozmiaru L L na p p komórek p = 2, 4, 8,... wykonaj pętlę po punktach należacych do badanego obiektu: przypisz wartość TRUE komórkom, które zawieraja punkt J. T. (IFT) Fraktale 15 / 29

Fraktal naturalny Algorytm podziel obraz rozmiaru L L na p p komórek p = 2, 4, 8,... wykonaj pętlę po punktach należacych do badanego obiektu: przypisz wartość TRUE komórkom, które zawieraja punkt oblicz: N(p) liczbę wypełnionych komórek log N(p) wtedy D f dla p 1 log p wykreśl N(p) w funkcji p w skali log-log: dopasuj prosta, nachylenie wynosi D f ustal zakres skalowania J. T. (IFT) Fraktale 16 / 29

Fraktal naturalny Algorytm podziel obraz rozmiaru L L na p p komórek p = 2, 4, 8,... wykonaj pętlę po punktach należacych do badanego obiektu: przypisz wartość TRUE komórkom, które zawieraja punkt oblicz: N(p) liczbę wypełnionych komórek log N(p) wtedy D f dla p 1 log p wykreśl N(p) w funkcji p w skali log-log: dopasuj prosta, nachylenie wynosi D f ustal zakres skalowania Wskazówki praktyczne: przynajmniej 2-dekady, testowanie przy pomocy syntetycznych fraktali (IFS), rozważ zakres stosowalności górny i dolny J. T. (IFT) Fraktale 16 / 29

Fraktale naturalne: przykłady Clouds are not spheres, mountains are not cones, coastlines are not circles, and bark is not smooth, nor does lightning travel in a straight line. B. Mandelbrot The Fractal Geometry of Nature, 1982. Sieci rzeczne, fiordy Góry: linie poziomic J. T. (IFT) Fraktale 17 / 29

Fraktale fizyczne: przykłady Proces bładzenia przypadkowego w funkcji czasu (ruch Brownowski): D f = 2 1 2 Polimer: bładzenie przypadkowe w 2D bez samoprzecięć D f 1.55 J. T. (IFT) Fraktale 18 / 29

Fraktale fizyczne: przykłady Diffusion limitted aggregation (DLA) (dyfuzyjnie ograniczona agregacja) >... D f = 1.7 Obrazy Lichtenberga: rozgałęzienia elektrycznego wyładowania D f = 2.5 takie jak 3D DLA J. T. (IFT) Fraktale 19 / 29

Co z wymiarem atraktorów? Matematycznie ścisłe sformułowanie konstrukcji pudełkowej: tzw. wymiar Hausdorffa. przykład: krzywa Weierstrassa (1984) D f = 2 log(1/a)/ log b... nadal niewiele wiadomo Atraktor Lorentza (symulacja) D f = 2.06 ± 0.01 Mapa Henona (pół-analitycznie) D f = 1.261 ± 0.003 Atraktor Duffinga (arxiv:1305.6708) D f = 1.43 ± 0.01 hipoteza Kaplana i Yorka w 2D D f = 1 + λ 1 / λ 2 J. T. (IFT) Fraktale 20 / 29

Zastosowania fraktali grafika komputerowa, wzornictwo, kamuflarze armii kompresja dźwięku i obrazu medycyna: skany tkanek patologicznych opis i klasyfikacja gleby mechanika pęknięć, zgnieceń itp. anteny, filtry i rezonatory fraktalne (USA patent 2002) historia sztuki: kontrowersja wokół obrazów Pollocka J. T. (IFT) Fraktale 21 / 29

Plan 1 Wprowadzenie 2 Fraktale 3 Fraktale naturalne (fizyczne) 4 Proste otrzymywanie fraktali J. T. (IFT) Fraktale 22 / 29

Samopodobieństwo: efekt Droste (1904) J. T. (IFT) Fraktale 23 / 29

Ogólniejszy generator fraktali Diagram przedstawiajacy konstrukcję Iterated Function System (IFS) dla dwu funkcji afinicznych trzy iteracje i... figura graniczna. J. T. (IFT) Fraktale 24 / 29

IFS dla trójkata Sierpińskiego Trzy przekształcenia (wielokrotne kopiowanie): skalowanie α = 1/2 i przesunięcia... trójkat Sierpińskiego zbiorem niezmienniczym. J. T. (IFT) Fraktale 25 / 29

Ogólne sformułowanie IFS zbiór przekształceń zwężajacych {f i : X X i = 1,..., n} obraz zbioru A dany operatorem Hutchinsona H(A) = n i=1 f i(a) Tw. Hutchinsona: istnieje zbiór niezmienniczy S taki, że S = H(S) oraz S = lim m H m (A) dla zwartego A Tw. wymiar D jest dany przez rozwiazanie r-nia: i αd i = 1 (dla czynników zwężajacych α i ) J. T. (IFT) Fraktale 26 / 29

Ogólne sformułowanie IFS zbiór przekształceń zwężajacych {f i : X X i = 1,..., n} obraz zbioru A dany operatorem Hutchinsona H(A) = n i=1 f i(a) Tw. Hutchinsona: istnieje zbiór niezmienniczy S taki, że S = H(S) oraz S = lim m H m (A) dla zwartego A Tw. wymiar D jest dany przez rozwiazanie r-nia: i αd i = 1 (dla czynników zwężajacych α i ) IFS dla trójkata Sierp.: i αd i D = log( 1 3 )/ log( 1 2 ) = 3(1/2) D = 1, co daje znane J. T. (IFT) Fraktale 26 / 29

Ogólne sformułowanie IFS zbiór przekształceń zwężajacych {f i : X X i = 1,..., n} obraz zbioru A dany operatorem Hutchinsona H(A) = n i=1 f i(a) Tw. Hutchinsona: istnieje zbiór niezmienniczy S taki, że S = H(S) oraz S = lim m H m (A) dla zwartego A Tw. wymiar D jest dany przez rozwiazanie r-nia: i αd i = 1 (dla czynników zwężajacych α i ) IFS dla trójkata Sierp.: i αd i D = log( 1 3 )/ log( 1 2 ) = 3(1/2) D = 1, co daje znane praktyczna metoda (ruletki): weź dowolny punkt startowy, wykonuj przekształcenie i-te z prawdopodobieństwem p i, zaznacz trajektorię J. T. (IFT) Fraktale 26 / 29

Fraktale stochastyczne fraktale w przyrodzie nie sa deterministyczne można generować fraktale z recepty stochastycznej przykład: usuwamy przypadkowo jeden z 9 kwadracików w konstrukcji dywanu Sierpińskiego (Uwaga: IFS prowadza do fraktali deterministycznych) J. T. (IFT) Fraktale 27 / 29

Fraktale stochastycze samopodobieństwo samopodobieństwo zachowane w sensie statystycznym wymiar fraktalny obliczamy np. przy pomocy skalowania masy M(L) wykres log-log: M(L) = AL D f uśrednione po położeniach (D f takie samo dla dywanu stochastycznego i deterministycznego) J. T. (IFT) Fraktale 28 / 29

Fraktale empiryczne Metoda skalowania masy rozmiaru: log M D f log L badano wymiar fraktalny zgniecionych kulek papieru M.A.F. Gomes Fractal geometry in crumpled paper balls Am. J. Phys. 55, 649 (1987). wymiar fraktalny chleba D.H. Esbenshade Fractal bread, Phys. Teach. 29, 236 (1991). J. T. (IFT) Fraktale 29 / 29