Бенуа Мандельброт - Фрактальная геометрия природы

Этот метод построения прекрасно рандомизируется – например, можно заменить треугольник двумя треугольниками с коэффициентом r=1/√3 , как на рис. 71, либо тремя треугольниками с r=1/3 .

Простейшей сквиг – кривой является случайная фрактальная кривая, построенная в [393, 394] и более подробно изученная в [473, 474, 475]. Эта модель русла реки, созданная по образу и подобию известных картинок из учебников по географии и геологии, на которых изображены последовательные этапы развития реки, промывающей себе путь через долину; с каждым этапом будущее русло приобретает все более четкие очертания.

Перед началом k - го этапа река течет в «предсквиг – долине», составленной из ячеек правильной треугольной решетки со стороной 2 −k . Разумеется, ни в одну ячейку нельзя наведываться более чем однажды, к тому же каждое звено в решетке должно касаться сторонами двух соседних звеньев, оставляя третью сторону «свободной».

На k - м этапе эта предсквиг – кривая заменяется другой, более точной, построенной на интерполированной решетке со стороной 2 −k−1 . Очевидно, что предсквиг – кривая (k+1) - го порядка обязательно содержит половину каждой стороны, общей для двух соседних звеньев k - го порядка. Верно также строгое обратное утверждение, а именно: положение общих (несвободных) половин сторон однозначно определяет вид предсквиг – кривой k - го порядка.

Симметрично – случайные сквиг – кривые.Будем выбирать половину стороны, которую следует оставить свободной, случайным образом, полагая, что каждый из вариантов равновероятен. Тогда число звеньев (k+1) - го порядка внутри звена k - го порядка равно 1 с вероятностью 1/4 или 3 с вероятностью 3/4 . Среднее значение составит 2,5.

С каждым этапом долина сужается и в пределе асимптотически сходится в некую фрактальную кривую. Я, естественно, предположил, что размерность этой предельной кривой равна D= ln2,5 / ln2 =1,3219 . Доказательство (весьма деликатное, надо сказать) можно найти в [473].

Асимметрично – случайные сквиг – кривые.Предположим, что вероятность того, что после разделения стороны треугольника на две половины поддолина выберет, скажем, «левую», не равна 1/2 . Понятия «правый» и «левый» можно определять либо с позиции наблюдателя, смотрящего в направлении вниз по реке, либо с позиции наблюдателя, находящегося в центре разделяемого треугольника. В первом случае D=ln[3−p 2−(1−p 2)]/ln2 и может принимать значения от 1 до ln2,5 / ln2. Во втором случае D=ln[3−2p(1−p)]/ln2 и может принимать значения от ln2,5 / ln2 до ln3 / ln2. В общей сложности допустимы все значения D от 1 до ln3 / ln2.

Используя другие интерполированные решетки, можно получить сквиг – кривые иного вида. Во всех случаях, когда для идентификации предсквиг – кривой (k+1) - го порядка достаточно знать, в каких интервалах она пересекает границу между двумя ячейками k - го порядка возможно непосредственное обобщение. В качестве примера можно привести прямоугольную решетку, в которой отношение длинной стороны ячейки к короткой имеет вид √ b , и каждая ячейка интерполируется в b ячеек, расположенных поперек исходной ячейки.

Иначе обстоит дело с треугольными решетками, ячейки которых интерполируются в b 2 ≥9 треугольников, или с квадратными решетками, где ячейки интерполируются в b 2 ≥4 квадратов. В обоих случаях интерполяция предсквиг – кривых требует дополнительных шагов.

При b=3 (треугольная решетка) или b=2 (квадратная решетка) достаточно одного дополнительного шага – вполне, впрочем, естественного. В самом деле, представьте себе четыре «луча», исходящего из центра квадрата и разделяющих его на четыре части (либо шесть лучей, разделяющих треугольник на девять частей). Как только мы оставляем свободным один из этих лучей, поддолина оказывается полностью определена. Согласно моему описанию сквиг – кривых, луч, который следует оставить свободным, выбирается случайным образом, причем каждый из вариантов равновероятен. Размерности при этом принимают следующие значения: D~1,3347 (для треугольников, разделенных на девять частей) и D~1,2886 (для квадратов, разделенных на четыре части). Учитывая, что для простейших сквиг – кривых D~1,3219 , можно заключить, что все сквиг – кривые характеризуются приблизительно одинаковой размерностью D , значение которой находится в окрестности 4/3 .

В тех случаях, когда ячейка разделяется на b 2 частей, где b>3 (для треугольников) или b>2 (для квадратов), для определения поддолины необходимо вводить различные дополнительные факторы, отчего конструкция приобретает все более произвольный характер. При этом сущность сквиг – построения, понимаемая в свете рассуждений последующего раздела, оказывается потерянной.

Остановимся на минуту и припомним, что независимо от того, получаем ли мы фрактальную кривую цепным методом Чезаро или с помощью оригинального метода Коха, погрешность, возникающая при остановке процесса, распределяется вдоль кривой очень неоднородно. Полезным здесь может оказаться тот факт, что некоторые точки уже после конечного числа этапов подходят к своему предельному положению бесконечно близко. Это обстоятельство, к примеру, помогло Коху в отыскании простейшей кривой, не имеющей касательных ни в одной своей точке. Однако сущность понятия кривой становится гораздо яснее, если рассматривать кривую как предел полосы однородной ширины. Мои сквиг – кривые вполне отвечают этому условию.

Следующий пункт сравнения связан с числом произвольных решений, которые приходится принимать «создателю» при том и другом подходе. Подход Коха к построению неслучайных или случайных фракталов необычайно эффективен (он, в частности, позволяет достичь любой желаемой размерности в рамках относительно простой кривой), однако он требует от создателя принятия многочисленных специфических решений, причем все они, так или иначе, зависят друг от друга. Значение b здесь также не является внутренней характеристикой.

Все мы знаем, что наука немало настрадалась от недостатка в евклидовой геометрии моделей для описания негладких природных форм, а потому известие о том, что фрактальная геометрия способна справиться с этим, несомненно, бедственным положением, должно, казалось бы, наполнить наши сердца восторгом. Боюсь, однако, что на настоящей стадии развития теории восторги придется несколько попридержать и постараться обойтись как можно меньшим числом произвольных решений.