Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

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

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

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

Fraktály. Ondřej Bouchala, George Dzhanezashvili, Viktor Skoupý

RNDr. Martin Pivokonský, Ph.D.

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

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

Aplikace multifraktální geometrie na finančních trzích

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

Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

Jana Dannhoferová Ústav informatiky, PEF MZLU

FAKULTA INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

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

Cvičení z matematiky jednoletý volitelný předmět

Cvičení z matematiky - volitelný předmět

37. PARABOLA V ANALYTICKÉ GEOMETRII

Pythagorova věta a pythagorejské trojúhelníky-ondřej Zeman Asi 600 př.n.l

9 Prostorová grafika a modelování těles

ŠIFROVACÍ METODA ZALOŽENÁ NA FRAKTÁLNÍ KOMPRESI. 1. Úvod. V posledních letech se ukázalo, že teorii fraktálů lze využít v mnoha teoretických

volitelný předmět ročník zodpovídá CVIČENÍ Z MATEMATIKY 9. MACASOVÁ

CZ 1.07/1.1.32/

Maturitní témata z matematiky

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

Matematika B101MA1, B101MA2

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

Předpokládané znalosti žáka 1. stupeň:

Užití a zneužití fraktálů

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

Zobrazování těles. problematika geometrického modelování. základní typy modelů. datové reprezentace modelů základní metody geometrického modelování

Matematika - 6. ročník Očekávané výstupy z RVP Učivo Přesahy a vazby desetinná čísla. - zobrazení na číselné ose

Žák plní standard v průběhu primy a sekundy, učivo absolutní hodnota v kvartě.

ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM

KMA/GPM Barycentrické souřadnice a

Ludolfovo číslo přepočítá z diskrétního do Euklidova prostoru - 1

Projekt IMPLEMENTACE ŠVP. pořadí početních operací, dělitelnost, společný dělitel a násobek, základní početní operace

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

Fraktály. krásné obrázky v matematice

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

Vzdělávací obor matematika

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Modernizace studijního programu Matematika na PřF Univerzity Palackého v Olomouci CZ.1.07/2.2.00/28.

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

Křivky a plochy technické praxe

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Fakulta informačních technologií. Zbyšek Gajda

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

Matematika 1 Jiˇr ı Fiˇser 19. z aˇr ı 2016 Jiˇr ı Fiˇser (KMA, PˇrF UP Olomouc) KMA MAT1 19. z aˇr ı / 19

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

volitelný předmět ročník zodpovídá PŘÍPRAVA NA PŘIJÍMACÍ ZKOUŠKY Z MATEMATIKY 9. MACASOVÁ

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

Základní škola Blansko, Erbenova 13 IČO

1. Několik základních pojmů ze středoškolské matematiky. Na začátku si připomeneme následující pojmy:

Vyučovací hodiny mohou probíhat v multimediální učebně a odborných učebnách s využitím interaktivní tabule.

Matematika PRŮŘEZOVÁ TÉMATA

Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu

2.8.6 Čísla iracionální, čísla reálná

Volitelné předměty Matematika a její aplikace

A B C D E F 1 Vzdělávací oblast: Matematika a její aplikace 2 Vzdělávací obor: Matematika 3 Ročník: 8. 4 Klíčové kompetence. Opakování 7.

Management rekreace a sportu. 10. Derivace

POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

FAKULTA INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

Fraktální geometrie Plasnice,

Učební plán 4. letého studia předmětu matematiky. Učební plán 6. letého studia předmětu matematiky

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

2D transformací. červen Odvození transformačního klíče vybraných 2D transformací Metody vyrovnání... 2

POSLOUPNOSTI A ŘADY INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM

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

Matematika. 9. ročník. Číslo a proměnná. peníze, inflace. finanční produkty, úročení. algebraické výrazy, lomené výrazy (využití LEGO EV3)

Matematika Název Ročník Autor

Požadavky k opravným zkouškám z matematiky školní rok

Základní škola Náchod Plhov: ŠVP Klíče k životu

Mgr. Tomáš Kotler. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Procedurální modelování

TEMATICKÝ PLÁN. září říjen

CVIČNÝ TEST 48. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Numerické metody a statistika

Požadavky k opravným zkouškám z matematiky školní rok

CVIČNÝ TEST 24. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Kateřina Nováková. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

Vyučovací předmět: Matematika Ročník: 7.

FYZIKÁLNÍ CHAOS A FRAKTÁLY

volitelný předmět ročník zodpovídá CVIČENÍ Z MATEMATIKY 8. MACASOVÁ Učivo obsah

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

Matematika. 7. ročník. Číslo a proměnná celá čísla. absolutní hodnota čísla. zlomky. racionální čísla

----- Studijní obory. z matematiky. z matematiky. * Aplikovaná matematika * Matematické metody v ekonomice

Konvexní obal a množina

Základní topologické pojmy:

Nelineární problémy a MKP

Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu

7.1.3 Vzdálenost bodů

CVIČNÝ TEST 51. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Témata absolventského klání z matematiky :

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Vyučovací předmět / ročník: Matematika / 4. Učivo

MATEMATIKA Maturitní témata společná část MZ základní úroveň (vychází z Katalogu požadavků MŠMT)

Očekávané výstupy z RVP Učivo Přesahy a vazby

Matematika. ochrana životního prostředí analytická chemie chemická technologie Forma vzdělávání:

Josef Pojar Transitivita znamená, že aplikace transformace na libovolný daný interval I 1 ho roztahuje

Je založen na pojmu derivace funkce a její užití. Z předchozího studia je třeba si zopakovat a orientovat se v pojmech: funkce, D(f), g 2 : y =

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

Transkript:

Počítačová grafika Fraktál Fraktální geometrie Jana Dannhoferová (jana.dannhoferova@mendelu.cz) Ústav informatiky, PEF MZLU Fraktální geometrie se zabývá nepravidelností! s názvem přišel matematik B. Mandelbrot kolem roku 1980 (fractus frangere rozlámat, vytvořit nepravidelné úlomky) 1977: How long is the coast of Great Britain vlastnosti: vizuální modelování přírodních objektů tvarová komplikovanost a nepravidelnost objektů teorie chaosu tvarová soběpodobnost nezávislá na měřítku uplatnění: matematika, fyzika, výtvarná informatika, počítačové hry apod. 2 Fraktál Fraktál Fraktál = jakýkoliv geometricky nepravidelný útvar, ze kterého vznikne po rozdělení v ideálním případě několik soběpodobných kopií původního celku matematická definice fraktálu dosud nebyla podána nejvýstižnější Mandelbrot (1977): Fraktál je množina, jejíž hodnota Hausdorffovy-Besicovichovy dimenze přesahuje hodnotu dimenze topologické. DT topologická dimenze určuje klasický geometrický rozměr tělesa (např. bod: DT=0, přímka: DT=1, plocha: DT=2, prostorový objekt: DT=3) Haus.-Bes. dimenze D (tzv. fraktální dimenze) určuje míru nepravidelnosti tělesa 3 z = z 2 + c 4 Historie Lorenzův atraktor teorie chaosu + fraktální geometrie + počítače práce s chaosem prozkoumávání mnoha grafů spočítaných jednoduchými rovnicemi, zato s velkou přesností Edward Lorenz (50. a 60. léta): předpověď počasí chování vodního kola (první slavný chaotický systém) 5 6 1

Lorenzův atraktor Historie teorie chaosu a dynamické systémy: James Yorke Steve Smale Benoit Mandelbrot šum na telefonních linkách IBM (podobnost mezi Cantorovým mračnem a šumem) v přírodě existuje skrytý fraktální řád otázky: Kolik dimenzí má klubko provázku? Mandelbrotovy množiny (staly se symbolem všech fraktálů) Michael Barnsley 7 8 Cantorova množina IFS fraktály nebo také Cantorovo mračno rozdělení úsečky na stejné části a opakování tohoto procesu iterační funkční systémy (nejjednodušší) po nekonečně mnoho opakováních vznikne nekonečně mnoho bodů zlomková dimenze míra nepravidelnosti objektu 9 10 Barnsleyho kapradina Barnsleyho kapradina zabýval se problémem, jak nalézt u neznámého fraktálu jeho matematické vyjádření (tzv. kolážová věta, fraktálový řád) každý lístek kapradiny je téměř kopií sebe sama původní útvar byl postupně doplňován dalšími útvary, které byly zmenšenou kopií původního (menší útvary byly pokládány tak, že mohly i překrývat původní objekt) 11 12 2

Algoritmy větvení Kochova vločka Helge von Kocha trojúhelník, k jehož každé straně přilepíme k prostřední třetině další trojúhleník o třetinu menší (tento postup pak budeme aplikovat i na tento trojúhelník) po mnoha opakováních vznikne křivka s několika zajímavými vlastnostmi, která nikdy neprotne sama sebe, neboť nové trojúhelníky jsou příliš malé plocha zůstává na rozdíl od křivky konečná 13 14 Kochova vločka Sierpinského trojúhelník z trojúhelníka vyřízneme trojúhelník tvořený středními příčkami trojúhleníka původního a tento postup dále opakuje pro zbylé trojúhelníky 15 16 Sierpinského koberec Mengerova houba vyřezávání ze čtverce obdobné operace na trojrozměrných objektech trojrozměrná mřížka s nekonečně velkým povrchem, ale nekonečně malým objemem 17 18 3

Fraktální dimenze Fraktální dimenze N.r 1 =1 N.r 2 =1 N.r 3 =1 N x 1D kopie v měřítku r =1/N D míra nepravidelnosti útvaru fraktály: fraktální dimenze je větší než topologická dimenze ne-fraktály: zmenšováním délky měřidla se přibližuje délka objektu (obvod) k nějaké limitní hodnotě (u fraktálů to neplatí, délka se neustále zvětšuje tzv. Richardsonův efekt) příklad: rozdělit úsečku o délce jedné jednotky na pět stejných dílů délka jednoho dílku: r=1/5 N je počet dílků, obecně: r=1/n rozdělit čtverec na dvacet pět stejných dílů délka jednoho dílku: r=1/5 po zobecnění: r=1/n 1/2 19 20 Fraktální dimenze Juliova množina obecný zápis: r = 1 / N 1/D (D je dimenze objektu) D můžeme vyjádřit jako: log r = - log N 1/D celkově tedy dostáváme: D = log N / log (1/r) (kde N označujeme faktor změny délky a 1/r faktor změny měřítka) příklad: použití vzorce na Kochovu křivku při každé transformaci je r=1/3 své původní hodnoty počet samopodobných úseků je N=4 dosadíme: D = log 4 / log 3 = 1.2618 Gaston Julia (práce okolo r. 1915) + Pierre Fatou skupina polynomických fraktálů chování komplexního polynomu při iteraci (z 4 +z 3 /(z-1)+z 2 /(z 3 +4z 2 +5)+c) v současné době je Juliova množina definována jako množina bodů z=x+iy v komplexní rovině 21 22 Juliova množina Juliova množina metoda: zvolíme jedno náhodné komplexní čislo c, které bude charakterizovat množinu pro každý bod komplexní roviny z zjistíme, zda neustálým mocněním z a přičítáním c konverguje výsledek k nule či ne. pokud k nule konverguje, bod patří do Juliovy množiny v praxi: zkoumané číslo umocníme a přičteme k němu konstantu c pokud je výsledek větší než 2, bod nepatří do množiny, pokud je menší, zopakujeme výpočet jestliže ani po několika iteracích nepřesáhne výsledek hodnotu 2, bod patří do Juliovy množiny aby byly Juliovy množiny zajímavější, zobrazují se barevně barvu zvolíme podle počtu iterací potřebných ke zjištění, zda číslo je či není prvkem Juliovy množiny 23 24 4

Mandelborotova množina Mandelborotova množina Benoit Mandelbrot pokoušel se zobecnit, sjednotit a popsat Juliovy množiny 1979: objevil jakýsi katalog Juliových množin (tím katalogem byla další množina v komplexní rovině, která popisovala v každém svém bodě určitou Juliovu množinu) tato množina se nazývá dle svého objevitele Mandelbrotova tyto dvě množiny jsou spolu propojeny tak, že každý bod vmandelbrotově množině určuje vzhled množiny Juliovy, která ke zvolenému bodu patří 25 idea: zkoumáme pro každý bod komplexní roviny, zda jeho neustálým umocňováním se vzdaluje od nuly a blíží k nekonečnu na každý bod několikrát aplikujeme rovnici z n = z n-12 + c výpočet: vezmeme komplexní číslo a přičteme k němu jeho druhou mocninu výsledek zase umocníme a přičteme k němu původní číslo tento proces opakujeme, dokud výsledek výpočtu nepřesáhne hodnotu 2 pokud ji přesáhne, výpočet končí, pokud ne, bod do množiny patří 26 Newton Nástroje John Hubbard Newtonova metoda řešení polynomů (postupné zpřesňování výsledku) zkoumal jednoduchou rovnici x 3-1 = 0 (v oboru reálných čísel má jen jedno řešení, v komplexním oboru jsou řešení ovšem celkem tři) tato rovnice se stala základem pro fraktál s označením Newton FractInt Fractal Explorer ChaosPro Ultra Fractal 27 28 Hénonův atraktor King s dream vznikne natahováním a ohýbáním fázového prostoru při postupném zjemňování fraktálu se objevují nové a nové detaily (nekonečně mnoho párů křivek vedle sebe) x n =y n-1 +1 (1.4(x n-1 ) 1/2 ), y n =0.3x n-1 vymyslel jej Clifford Pickover (kniha: Chaos in Wonderland) x n =sin(y n-1 b)+c sin(x n-1 b) y n =sin(x n-1 a)+d sin(y n-1 a) 29 30 5

Přírodní fraktály Literatura a zdroje útvary vzniklé přírodní oscilací, turbulencí, chemickou reakcí Beneš, B., Felkel, P., Sochor, J., Žára, J. Moderní počítačová grafika. Computer Press: Brno, 2004. Serba, J., Staudek, T., Žára, J. Výtvarná informatika. FI MU: Brno, 2003. Sochor, J.: Počítačová grafika. FI MU: Brno, 2003. 31 32 6