Počítačové zobrazování fraktálních množin. J. Bednář*, J. Fábera**, B. Fürstová*** *Gymnázium Děčín **SPŠ Hronov ***Gymnázium Plasy



Podobné dokumenty
Fraktály. Kristina Bártová. Univerzita Karlova v Praze 9.prosince

Fraktály. Ondřej Bouchala, George Dzhanezashvili, Viktor Skoupý

Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

Fraktály a chaos. Za otce fraktální geometrie je dnes považován Benoit Mandelbrot. Při zkoumání chyb při

RNDr. Martin Pivokonský, Ph.D.

10. FRAKTÁLY. Cíl Po prostudování této kapitoly budete znát. Výklad Soběpodobnost. 10. Fraktály

Dynamické systémy 4. Deterministický chaos. Ing. Jaroslav Jíra, CSc.

Fraktální geometrie Plasnice,

Fraktální geometrie. Topologická a fraktální dimenze. Vypracovali: Jiří Thoma Jiří Pelc Jitka Stokučová

Základní topologické pojmy:

2.1 Pokyny k otevřeným úlohám. 2.2 Pokyny k uzavřeným úlohám TESTOVÝ SEŠIT NEOTVÍREJTE, POČKEJTE NA POKYN!

Maturitní otázky z předmětu MATEMATIKA

MATEMATIKA 5. TŘÍDA. C) Tabulky, grafy, diagramy 1 - Tabulky, doplnění řady čísel podle závislosti 2 - Grafy, jízní řády 3 - Magické čtverce

Procedurální modelování

1.1 Napište středovou rovnici kružnice, která má střed v počátku soustavy souřadnic a prochází bodem

Zavedeme-li souřadnicový systém {0, x, y, z}, pak můžeme křivku definovat pomocí vektorové funkce.

STEREOMETRIE. Bod, přímka, rovina, prostor. Mgr. Jakub Němec. VY_32_INOVACE_M3r0101

Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

3.6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE PARABOLY

Fraktalista Benoît Mandelbrot ( ) aneb soběpodobnost a fraktály na scéně. Alena Šolcová FIT ČVUT v Praze

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Euklidovský prostor. Funkce dvou proměnných: základní pojmy, limita a spojitost.

Systematizace a prohloubení učiva matematiky. Učebna s dataprojektorem, PC, grafický program, tabulkový procesor. Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

ztrátová odstraňuje zbytečné informace z obrazu. Různé druhy ztrátových kompresních metod se liší podle druhu odstraněných zbytečných informací.

Vyučovací předmět / ročník: Matematika / 4. Učivo

FAKULTA INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

Základní vlastnosti křivek

Obecná rovnice kvadratické funkce : y = ax 2 + bx + c Pokud není uvedeno jinak, tak definičním oborem řešených funkcí je množina reálných čísel.

Předpokládané znalosti žáka 1. stupeň:

Extrémy funkce dvou proměnných

Základní škola Náchod Plhov: ŠVP Klíče k životu

Bézierovy křivky Bohumír Bastl KMA/GPM Geometrické a počítačové modelování Bézierovy křivky GPM 1 / 26

Matematika pro informatiky

Křivky a plochy technické praxe

Aplikace multifraktální geometrie na finančních trzích

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

Modelové úlohy přijímacího testu z matematiky

Fraktály. krásné obrázky v matematice

2.1 Pokyny k otevřeným úlohám. 2.2 Pokyny k uzavřeným úlohám TESTOVÝ SEŠIT NEOTVÍREJTE, POČKEJTE NA POKYN!

2.1 Pokyny k otevřeným úlohám. Výsledky pište čitelně do vyznačených bílých polí. 2.2 Pokyny k uzavřeným úlohám

5. Statika poloha střediska sil

1. Definiční obor funkce dvou proměnných

Tematický plán Obor: Informační technologie. Vyučující: Ing. Joanna Paździorová

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

Numerické řešení variačních úloh v Excelu

P E N R O S E O V A T E S E L A C E

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ L-SYSTÉMY A SYSTÉMY ITEROVANÝCH FUNKCÍ POPIS A REALIZACE V PROSTREDÍ MATLAB

VE 2D A 3D. Radek Výrut. Abstrakt Tento článek obsahuje postupy pro výpočet Minkowského sumy dvou množin v rovině a pro výpočet Minkowského sumy

Řešení 1b Máme najít body, v nichž má funkce (, ) vázané extrémy, případně vázané lokální extrémy s podmínkou (, )=0, je-li: (, )= +,

Modelové úlohy přijímacího testu z matematiky

Rovnice, soustavy rovnic, funkce, podobnost a funkce úhlů, jehlany a kužely

Vzdělávací obor matematika

Užití a zneužití fraktálů

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE. Kateřina Hajmová. Průvodce fraktální geometrií. Matematický ústav UK

Definice globální minimum (absolutní minimum) v bodě A D f, jestliže X D f

9. Je-li cos 2x = 0,5, x 0, π, pak tgx = a) 3. b) 1. c) neexistuje d) a) x ( 4, 4) b) x = 4 c) x R d) x < 4. e) 3 3 b

i=1 Přímka a úsečka. Body, které leží na přímce procházející body a a b můžeme zapsat pomocí parametrické rovnice

CVIČNÝ TEST 9 OBSAH. Mgr. Václav Zemek. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 5 III. Klíč 17 IV. Záznamový list 19

METODICKÉ LISTY Z MATEMATIKY pro gymnázia a základní vzdělávání

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

Funkce základní pojmy a vlastnosti

Gymnázium Česká a Olympijských nadějí, České Budějovice, Česká 64, 37021

II. Zakresli množinu bodů, ze kterých vidíme úsečku délky 3 cm v zorném úhlu větším než 30 0 a menším než 60 0.

Matematika. 6. ročník. Číslo a proměnná. desetinná čísla (využití LEGO EV3) číselný výraz. zaokrouhlování desetinných čísel. (využití LEGO EV3)

Příklady na testy předmětu Seminář z matematiky pro studenty fakulty strojní TUL.

ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ

Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Funkce základní pojmy a vlastnosti

Teorie tkaní. Modely vazného bodu. M. Bílek

Voronoiův diagram. RNDr. Petra Surynková, Ph.D. Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta

GYMNÁZIUM CHEB SEMINÁRNÍ PRÁCE

Elementární křivky a plochy

Maturitní témata z matematiky

MANUÁL K ŘEŠENÍ TESTOVÝCH ÚLOH

Příklad 1 ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1B ČÁST 2. Určete a načrtněte definiční obory funkcí více proměnných: a) (, ) = b) (, ) = 3. c) (, ) = d) (, ) =

3.3. ANALYTICKÁ GEOMETRIE KRUŽNICE A KOULE

Funkce jedné reálné proměnné. lineární kvadratická racionální exponenciální logaritmická s absolutní hodnotou

VY_32_INOVACE_INF.10. Grafika v IT

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

1. Přímka a její části

osobnostní rozvoj cvičení pozornosti,vnímaní a soustředění při řešení příkladů,, řešení problémů

SOUŘADNICE BODU, VZDÁLENOST BODŮ

od zadaného bodu, vzdálenost. Bod je střed, je poloměr kružnice. Délka spojnice dvou bodů kružnice, která prochází středem

Základní škola Blansko, Erbenova 13 IČO

SBÍRKA ÚLOH PRO PŘÍPRAVU NA PŘIJÍMACÍ ZKOUŠKY Z MATEMATIKY NA VŠ EKONOMICKÉHO SMĚRU

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Odvození středové rovnice kružnice se středem S [m; n] a o poloměru r. Bod X ležící na kružnici má souřadnice [x; y].

Řešení geometrické úlohy spočívá v nalezení geometrického útvaru (útvarů) daných vlastností.

Základní geometrické tvary

MATEMATIKA vyšší úroveň obtížnosti

Rasterizace je proces při kterém se vektorově definovaná grafika konvertuje na. x 2 x 1

Maturitní nácvik 2008/09

KŘIVKY A PLOCHY. Obrázky (popř. slajdy) převzaty od

Nezbytnou součástí ústní zkoušky je řešení matematických příkladů, které student obdrží při zadání otázky.

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

7 Konvexní množiny. min c T x. při splnění tzv. podmínek přípustnosti, tj. x = vyhovuje podmínkám: A x = b a x i 0 pro každé i n.

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

Teorie náhodných matic aneb tak trochu jiná statistika

Název: Výskyt posloupností v přírodě

MATEMATIKA. Problémy a úlohy, v nichž podrobujeme geometrický objekt nějaké transformaci

Transkript:

Počítačové zobrazování fraktálních množin J. Bednář*, J. Fábera**, B. Fürstová*** *Gymnázium Děčín **SPŠ Hronov ***Gymnázium Plasy *jurij.jurjevic@centrum.cz **icarosai@seznam.cz ***barborafurstova7@seznam.cz Abstrakt: Fraktály jsou nedílnou součástí matematiky. Tato práce definuje pojem fraktál a pojednává o různých typech fraktálních množin, jejich výpočtech a využití v praxi. 1 Úvod Fraktál je geometricky členitý útvar. Lze jej také definovat jako soběpodobnou množinu, tzn., že objekt je složen z útvarů, které zobrazují původní objekt v menším měřítku. Oproti ostatním geometrickým útvarům, např.: přímce, čtverci, krychli,..., má neceločíselnou dimenzi tzv. Hausdorffovu dimenzi. 2 Fraktální geometrie Je to vědní obor zabývající se zkoumáním fraktálů a jejich vlastností. Fraktály byly známy již ve velice brzké době, avšak počátky fraktální geometrie se datují od počátku 20. století, kdy byl B. B. Mandelbrotem poprvé matematicky definován fraktál. Velký rozvoj začal až v 60. letech 20. století s rozvojem počítačové techniky. Hausdorffova dimenze Pomocí Hausdorffovy, též fraktální, dimenze popisujeme složitost (členitost) objektů. Běžné objekty popisujeme pomocí topologické dimenze, kde číslo, kterého nabývá, udává počet rozměrů. U Hausdorffovy dimenze nemusí však toto číslo být celé. Poté platí: Čím je toto číslo větší, tím rychleji se zvyšuje složitost fraktálu s rostoucím měřítkem. 3 Fraktály Klasické fraktály

Cantorovo diskontinuum Cantorovo discontinuum, též Cantorova množina, je matematický pojem označující jistou množinu bodů na přímce. Cantorova množina bývá definována následujícím způsobem: Máme úsečku v uzavřeném intervalu [0;1], kterou rozdělíme na 3 části. Prostřední část odejmeme. V následujících krocích budeme celý postup opakovat, vždy vyjmeme prostřední část třetinového intervalu. Cantorovo diskontinuum má Hausdorffovu dimenzi rovnou log2/ log3 = 0,6309. Obr.1 - Cantorova množina (5 iterací) Sierpinského trojúhelník Jedná se o rovnostranný trojúhelník, který rozdělíme středními příčkami na čtyři stejné rovnostranné trojúhelníky. Prostřední trojúhelník poté vyjmeme a postup opakujeme nekonečněkrát. Sierpinského trojúhelník má Hausdorffovu dimenzi rovnou log3/log2 = 1,5850. Obr.2 - Sierpinského trojúhelník (5 iterací)

Sierpinského koberec Zobrazování Sierpinského koberce je založeno na stejném principu jako Sierpinského trojúhelník, avšak trojúhelník je nahrazen čtvercem. Dimenze Sierpinského koberce je rovna podílu log8/log3 = 1,8928. Obr.3 Sierpinského koberec (3 iterace) Kochova křivka ( vločka ) Tato křivka neobsahuje žádné úsečky nebo hladké segmenty, nemá derivaci v žádném bodě. Začneme s úsečkou délky 1, rozdělíme ji na tři části o délce 1/3. Prostřední třetinu nahradíme rovnostranným trojúhelníkem. Stejný postup aplikujeme na všechny čtyři vzniklé úsečky a opakujeme jej nekonečněkrát. Hausdorffova dimenze je zde log4/log3 = 1,2619. Obr.4 Kochova křivka (4 iterace) Fraktály zobrazované v komplexních číslech Mandelbrotova množina Mandelbrotova množina je na rozdíl od množin Juliových jen jedna. Je definována jako množina komplexních čísel c a posloupnost z 1, z 2, z n je dána rekurzivním předpisem:

z 0 =0; z n +1 = z 2 n +c, kde proměnné z n a c leží v komplexní rovině. Mandelbrotova množina se pak dá definovat následujícím vztahem: M = {c C c c 2 + c je omezená }. Mandelbrotova množina leží v kruhu se středem v počátku soustavy souřadnic s poloměrem r = 2. Je to jednoduše souvislá množina, což bylo dokázáno v roce 1982 (A. Douady, J. H. Hubbard). Zda je také obloukově souvislá, zůstává hypotézou. Tento fraktál se skládá z nespočetného množství podobjektů, které se vzájemně dotýkají. Mandelbrotova množina je úzce spjata s množinami Juliovými. Obr.5 - Mandelbrotova množina Juliovy množiny Juliovy množiny byly poprvé popsány francouzskými matematiky G. Juliou a P. Fatou. Dnes rozlišujeme dva druhy Juliových množin, souvislé a nesouvislé. Zpravidla platí, pokud bod, který je považován za parametr c Juliovy množiny náleží do Mandelbrotovy množiny na komplexní rovině, bude Juliova množina souvislá. Oproti tomu, pokud bod c nenáleží do Mandelbrotovy množiny, je Juliova množina nesouvislá. Tyto množiny jsou vytvářeny pomocí iterace funkce komplexní paraboly: z n +1 = z n 2 +c,

kde proměnné z n a c leží v komplexní rovině. Počáteční bod z 0 odpovídá pozici bodu v komplexní rovině. Komplexní hodnota c není volena striktně a je pro všechny body obrazce konstantní. Postupným přepočítáváním zjišťujeme, zda body dané posloupnosti divergují, či nikoliv. Pokud bod nediverguje, patří do množiny. V praxi platí, pokud absolutní hodnota bodu přesáhne 2, bod diverguje a nepatří do množiny. Hausdorffova dimenze Juliových množin je stejně jako u Mandelbrotovy množiny rovna 2 a oproti ní nemusí mít střed v počátku soustavy souřadnic a nemusí být souměrná podle osy. Obr.7 Juliovy množiny 4 Fraktálová komprese obrazu Pomocí metody fraktálové komprese obrazu se objekt rozdělí na segmenty. V obrázku se pomocí transformací snažíme najít soběpodobnost. Poté dostaneme obrázek menšího rozlišení a rovnice popisující transformace. Výhodou je velmi vysoký stupeň komprese, nevýhodou poměrně velká ztrátovost a velmi pomalá komprese. 5 Využití fraktálů v praxi Fraktály se vyskytují jako součást živých i neživých objektů. Přítomnost fraktálů v přírodě je například u stromů, kapradin, mraků, kamenů, hor, sněhových vloček, říčních systémů či cévních soustav. V poslední době se rozšiřuje přítomnost fraktálů v počítačové grafice a ve výtvarném umění. 6 Shrnutí Měli jsme možnost proniknout do větší hloubky ve studiu fraktálních množin. Experimentovali jsme s výpočty fraktálních množin v komplexních číslech, konkrétně s Mandelbrotovou množinou a Juliovými množinami. Počítačově jsme zkoumali soběpodobnost a divergenci při různém počtu iterací. Poděkování Rádi bychom na tomto místě poděkovali organizátorům Fyzikálního týdne 2009, supervizorovi Ing. Petrovi Paušovi, Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT a všem studentům za příjemnou atmosféru během Fyzikálního týdne 2009. Reference

[1] P.Pauš. Počítačové generování fraktálních množin [online]. Praha: c2001, aktualizováno 2003 [cit. 2009 06 15]. Dostupné z WWW: < http://geraldine.fjfi.cvut.cz/~pausp/cs/ fyztyd> [2] Julia set [online]. New York: c1995 1999, aktualizováno 1999 [cit. 2009 06 15]. Dostupné z WWW: <http://www.fordham.edu/lewis/fferm/fferman.htm> [3] Mandelbrot set [online]. Connelly: c2004, aktualizováno 2006 12 19. [cit. 2009 06 15]. Dostupné z WWW: <http://cs.wikipedia.org/wiki/mandelbrotova_množina> [4] Kochova křivka [online]. c2007, aktualizováno 2007 05 19. [cit. 2009 06 15]. Dostupné z WWW: <http://cs.wikipedia.org/wiki/kochova_k%c5%99ivka> [5] Cantorovo diskoninuum [online]. c2007, aktualizováno 2007 01 18. [cit. 2009 06 15]. Dostupné z WWW: <http://cs.wikipedia.org/wiki/cantorovo_diskontinuum>