Fraktály. krásné obrázky v matematice

Podobné dokumenty
Fraktály. krásné obrázky v matematice

Definice (Racionální mocnina). Buď,. Nechť, kde a a čísla jsou nesoudělná. Pak: 1. je-li a sudé, (nebo) 2. je-li liché, klademe

Fraktály. Ondřej Bouchala, George Dzhanezashvili, Viktor Skoupý

1 Topologie roviny a prostoru

1 LIMITA FUNKCE Definice funkce. Pravidlo f, které každému x z množiny D přiřazuje právě jedno y z množiny H se nazývá funkce proměnné x.

Matematika (KMI/PMATE)

0.1 Funkce a její vlastnosti

Parciální derivace a diferenciál

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

Parciální derivace a diferenciál

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

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

Funkce a základní pojmy popisující jejich chování

1/15. Kapitola 2: Reálné funkce více proměnných

0.1 Úvod do matematické analýzy

Omezenost funkce. Definice. (shora, zdola) omezená na množině M D(f ) tuto vlastnost. nazývá se (shora, zdola) omezená tuto vlastnost má množina

FUNKCE A JEJICH VLASTNOSTI

(FAPPZ) Petr Gurka aktualizováno 12. října Přehled některých elementárních funkcí

Úvodní informace. 17. února 2018

Matematická analýza III.

Kapitola 7: Neurčitý integrál. 1/14

Matematika I (KMI/PMATE)

0.1 Úvod do matematické analýzy

Přehled funkcí. Funkce na množině D R je předpis, který každému číslu z množiny D přiřazuje právě jedno reálné číslo. přehled fcí.

(5) Primitivní funkce

11. Číselné a mocninné řady

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

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

Občas se používá značení f x (x 0, y 0 ), resp. f y (x 0, y 0 ). Parciální derivace f. rovnoběžného s osou y a z:

Funkce, elementární funkce.

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

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 =

Cílem kapitoly je opakování a rozšíření středoškolských znalostí v oblasti teorie množin.

Kapitola 7: Integrál. 1/17

Kapitola 7: Integrál.

P ˇ REDNÁŠKA 3 FUNKCE

Limita a spojitost funkce

13. cvičení z Matematické analýzy 2

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

Nalezněte obecné řešení diferenciální rovnice (pomocí separace proměnných) a řešení Cauchyho úlohy: =, 0 = 1 = 1. ln = +,

OBECNOSTI KONVERGENCE V R N

Kapitola 1: Reálné funkce 1/13

Bakalářská matematika I

Matematika 1 pro PEF PaE

Poznámky pro žáky s poruchami učení z matematiky 2. ročník 2005/2006 str. 1. Funkce pro UO 1

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

KOMPLEXNÍ ČÍSLA INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Matematická analýza pro informatiky I.

Matematika vzorce. Ing. Petr Šídlo. verze

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od podzimu 2014

2. FUNKCE JEDNÉ PROMĚNNÉ

Uzavřené a otevřené množiny

Definice funkce tangens na jednotkové kružnici :

Matematika (KMI/PMATE)

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

8.1. Definice: Normální (Gaussovo) rozdělení N(µ, σ 2 ) s parametry µ a. ( ) ϕ(x) = 1. označovat písmenem U. Její hustota je pak.

Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce

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

0 = 2e 1 (z 3 1)dz + 3z. z=0 z 3 4z 2 + 3z + rez. 4. Napište Fourierův rozvoj vzhledem k trigonometrickému systému periodickému

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

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

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

a r Co je to r-tá mocnina čísla a, za jakých podmínek má smysl, jsme důkladně probrali v kurzu ČÍSELNÉ MNOŽINY. Tam jsme si mj.

VY_32_INOVACE_M-Ar 8.,9.20 Lineární funkce graf, definiční obor a obor hodnot funkce

Příklad 1. Řešení 1a Máme vyšetřit lichost či sudost funkce ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 3

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

Funkce jedn e re aln e promˇ enn e Derivace Pˇredn aˇska ˇr ıjna 2015

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

Kapitola Základní množinové pojmy Princip rovnosti. Dvě množiny S a T jsou si rovny (píšeme S = T ) prvek T je také prvkem S.

Asymptoty grafu funkce

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

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

Požadavky ke zkoušce. Ukázková písemka

IV. Základní pojmy matematické analýzy IV.1. Rozšíření množiny reálných čísel

Úvod. Integrování je inverzní proces k derivování Máme zderivovanou funkci a integrací získáme původní funkci kterou jsme derivovali

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od podzimu 2016

Zimní semestr akademického roku 2015/ ledna 2016

Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Požadavky k opravným zkouškám z matematiky školní rok

Křivky kolem nás. Webinář. 20. dubna 2016

0. ÚVOD - matematické symboly, značení,

III. Diferenciál funkce a tečná rovina 8. Diferenciál funkce. Přírůstek funkce. a = (x 0, y 0 ), h = (h 1, h 2 ).

1 Integrál komplexní funkce pokračování

Funkce více proměnných - úvod

Požadavky k opravným zkouškám z matematiky školní rok

Metody výpočtu limit funkcí a posloupností

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od jara 2014

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

Matematická analýza I

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od jara 2016

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

Definiční obor funkce

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LDF MT MATEMATIKA NEURČITÝ INTEGRÁL

FUNKCE, ZÁKLADNÍ POJMY

Lineární algebra : Lineární (ne)závislost

Komplexní analýza. Reziduová věta a její aplikace. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

Transkript:

Fraktály aneb krásné obrázky v matematice Mgr. Jan Šustek 22. 10. 2009

Grafy funkcí Grafy funkcí Mějme funkce f, g : [ 6, 6] R definované vztahy f(x) = 2 3 Jak vypadají jejich grafy? x 2 + x 6 x 2 + x + 2 + 36 x 2 a g(x) = 2 x 2 + x 6 3 x 2 + x + 2 36 x 2. x 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 f(x) 0,36 3,61 4,65 5,20 5,32 4,92 4,00 4,92 5,32 5,20 4,65 3,61 0,36 g(x) 0,36 3,02 4,29 5,20 5,99 6,92 8,00 6,92 5,99 5,20 4,29 3,02 0,36 1

Grafy funkcí Grafy funkcí Mějme funkce f, g : [ 6, 6] R definované vztahy f(x) = 2 3 Jak vypadají jejich grafy? x 2 + x 6 x 2 + x + 2 + 36 x 2 a g(x) = 2 x 2 + x 6 3 x 2 + x + 2 36 x 2. x 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 f(x) 0,36 3,61 4,65 5,20 5,32 4,92 4,00 4,92 5,32 5,20 4,65 3,61 0,36 g(x) 0,36 3,02 4,29 5,20 5,99 6,92 8,00 6,92 5,99 5,20 4,29 3,02 0,36 4 y f 4 y 2 2 x 6 4 2 2 4 6 2 x 6 4 2 2 4 6 2 4 4 g 6 6 8 8 1

Grafy funkcí Mějme funkce f, g : [ 6, 6] R definované vztahy f(x) = 2 3 Jak vypadají jejich grafy? x 2 + x 6 x 2 + x + 2 + 36 x 2 a g(x) = 2 x 2 + x 6 3 x 2 + x + 2 36 x 2. x 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 f(x) 0,36 3,61 4,65 5,20 5,32 4,92 4,00 4,92 5,32 5,20 4,65 3,61 0,36 g(x) 0,36 3,02 4,29 5,20 5,99 6,92 8,00 6,92 5,99 5,20 4,29 3,02 0,36 y x 1

Lindenmayerovy systémy Lindenmayerovy systémy Mějme počáteční slovo S 0 a množinu přepisovacích pravidel {x j ϕ(x j ) j = 1,..., k}. Příslušný L-systém dostaneme postupnou aplikací přepisovacích pravidel na počáteční slovo. Jestliže S 0 = a 1 0a 2 0... a n 0, pak S 1 = ϕ(a 1 0)ϕ(a 2 0)... ϕ(a n 0). Jestliže S 1 = a 1 1... a n 1, pak S 2 = ϕ(a 1 1)... ϕ(a n 1). Takto pokračujeme dále. 2

Lindenmayerovy systémy Lindenmayerovy systémy Mějme počáteční slovo S 0 a množinu přepisovacích pravidel {x j ϕ(x j ) j = 1,..., k}. Příslušný L-systém dostaneme postupnou aplikací přepisovacích pravidel na počáteční slovo. Jestliže S 0 = a 1 0a 2 0... a n 0, pak S 1 = ϕ(a 1 0)ϕ(a 2 0)... ϕ(a n 0). Jestliže S 1 = a 1 1... a n 1, pak S 2 = ϕ(a 1 1)... ϕ(a n 1). Takto pokračujeme dále. Vezměme počáteční slovo S 0 = 0 a přepisovací pravidla {0 1, 1 10}. Postupně dostaneme 0 1 10 101 10110 10110101 1011010110110 101101011011010110101 1011010110110101101011011010110110 1011010110110101101011011010110110101101011011010110101 Pokračováním donekonečna dostaneme známou králičí posloupnost, mající mnoho zajímavých vlastností. 2

Kochova vločka Kochova vločka Mějme počáteční slovo { a množinu přepisovacích pravidel }. 3

Kochova vločka Kochova vločka Mějme počáteční slovo { a množinu přepisovacích pravidel }. Postupně dostaneme Nekonečným opakováním vznikne Kochova vločka. 3

Kochova vločka Kochova vločka Mějme počáteční slovo { a množinu přepisovacích pravidel }. Postupně dostaneme Nekonečným opakováním vznikne Kochova vločka. U běžných křivek je délka třikrát zvětšené křivky třikrát delší než délka původní křivky. Ale délka třikrát zvětšené Kochovy vločky je čtyřikrát větší než délka původní vločky. 3

Sierpińského koberec { Mějme počáteční slovo a množinu přepisovacích pravidel Sierpińského koberec }. 4

Sierpińského koberec { Mějme počáteční slovo a množinu přepisovacích pravidel Sierpińského koberec }. Nekonečným opakování vznikne Sierpińského koberec. 4

Sierpińského koberec { Mějme počáteční slovo a množinu přepisovacích pravidel Sierpińského koberec }. Nekonečným opakování vznikne Sierpińského koberec. U běžných obrazců je obsah dvakrát zvětšeného obrazce čtyřikrát větší než obsah původního obrazce. Ale obsah dvakrát zvětšeného Sierpińského koberce je třikrát větší než obsah původního koberce. 4

Komplexní čísla Komplexní čísla Komplexní číslo je číslo tvaru z = a + bi, kde a, b R a i 2 = 1. Množinu všech komplexních čísel značíme C. Im b z = a + bi 1 1 1 1 a Re 5

Komplexní čísla Komplexní čísla Komplexní číslo je číslo tvaru z = a + bi, kde a, b R a i 2 = 1. Množinu všech komplexních čísel značíme C. Im b z = z (cos ϕ + i sin ϕ) z 1 ϕ 1 1 1 a Re Komplexní čísla lze zapsat v goniometrickém nebo exponenciálním tvaru z = a + bi = z (cos ϕ + i sin ϕ) = z e iϕ, kde z = a 2 + b 2. Druhá mocnina komplexního čísla je z 2 = (a 2 b 2 ) + 2abi = z 2 (cos 2ϕ + i sin 2ϕ) = z 2 e 2iϕ. 5

Komplexní čísla Posloupnosti komplexních čísel Podobně jako posloupnost reálných čísel definujeme posloupnost komplexních čísel. Je to zobrazení N C. Posloupnost komplexních čísel {z n } n=1 se nazývá omezená, pokud existuje konstanta K > 0 taková, že pro všechny členy posloupnosti platí z n K. Jinými slovy existuje kruh v Gaussově rovině takový, že všechny členy posloupnosti leží uvnitř tohoto kruhu. 6

Komplexní čísla Posloupnosti komplexních čísel Podobně jako posloupnost reálných čísel definujeme posloupnost komplexních čísel. Je to zobrazení N C. Posloupnost komplexních čísel {z n } n=1 se nazývá omezená, pokud existuje konstanta K > 0 taková, že pro všechny členy posloupnosti platí z n K. Jinými slovy existuje kruh v Gaussově rovině takový, že všechny členy posloupnosti leží uvnitř tohoto kruhu. Vezměme posloupnost definovanou vztahy z 1 = i a z n+1 = z 2 n + z 1. Tato posloupnost má členy z 2 = z 2 1 + z 1 = i 2 + i = i 1, z 3 = z 2 2 + z 1 = (i 1) 2 + i = i, z 4 = z 2 3 + z 1 = ( i) 2 + i = i 1, z 5 = z 2 4 + z 1 = (i 1) 2 + i = i, Tato posloupnost je periodická a proto je omezená. 6

Komplexní čísla Posloupnosti komplexních čísel Podobně jako posloupnost reálných čísel definujeme posloupnost komplexních čísel. Je to zobrazení N C. Posloupnost komplexních čísel {z n } n=1 se nazývá omezená, pokud existuje konstanta K > 0 taková, že pro všechny členy posloupnosti platí z n K. Jinými slovy existuje kruh v Gaussově rovině takový, že všechny členy posloupnosti leží uvnitř tohoto kruhu. Vezměme posloupnost definovanou vztahy z 1 = i a z n+1 = z 2 n + z 1. Tato posloupnost má členy z 2 = z 2 1 + z 1 = i 2 + i = i 1, z 3 = z 2 2 + z 1 = (i 1) 2 + i = i, z 4 = z 2 3 + z 1 = ( i) 2 + i = i 1, z 5 = z 2 4 + z 1 = (i 1) 2 + i = i, Tato posloupnost je periodická a proto je omezená. Vezměme posloupnost definovanou vztahy z 1 = = i 1 a z n+1 = z 2 n + z 1. Tato posloupnost má členy z 2 = z 2 1 + z 1 = (i 1) 2 + (i 1) = i 1, z 3 = z 2 2 + z 1 = ( i 1) 2 + (i 1) = 3i 1, z 4 = z 2 3 + z 1 = (3i 1) 2 + (i 1) = 5i 9, z 5 = z 2 4 + z 1 = ( 5i 9) 2 + (i 1) = 91i + 55, Členy posloupnosti rostou nade všechny meze, proto tato posloupnost není omezená. Pro která čísla z 1 C je posloupnost definovaná vztahem z n+1 = z 2 n + z 1 omezená? 6

Množina čísel z 1 z předchozí otázky se nazývá Mandelbrotova množina, { M = z 1 C ( ) ( n: z n+1 = zn 2 + z 1 K n: zn K )}. 7

Množina čísel z 1 z předchozí otázky se nazývá Mandelbrotova množina, { M = z 1 C ( ) ( n: z n+1 = zn 2 + z 1 K n: zn K )}. Jak poznat, že z 1 M? Pokud pro některé m platí z m > 2, pak z 1 / M. Proto { M = z 1 C ( ) ( n: z n+1 = zn 2 + z 1 n: zn 2 )}. Im 1 1 1 Re 1 i M 7

Množina čísel z 1 z předchozí otázky se nazývá Mandelbrotova množina, { M = z 1 C ( ) ( n: z n+1 = zn 2 + z 1 K n: zn K )}. Jak poznat, že z 1 M? Pokud pro některé m platí z m > 2, pak z 1 / M. Proto { M = z 1 C ( ) ( n: z n+1 = zn 2 + z 1 n: zn 2 )}. Im 1 1 1 Re 1 i M i + 0,001 / M 7

M = { z 1 C ( ) ( n: z n+1 = zn 2 + z 1 n: zn 2 )} 8

Přidání barev Jednotlivým číslům z 1 C lze přiřadit barvu podle času, kdy posloupnost {z n } n=1 opustí kruh z 2, tedy podle F (z 1 ) = min { n N zn > 2 }. Platí z 1 M F (z 1 ) =. 9

10

11

12

13

14

Počítání cibulek Každé cibulce na hlavním kardioidu lze přiřadit racionální číslo p. Jmenovatel q určuje počet větví antény q na cibulce (včetně hlavní větve). Čitatel p určuje pořadí nejkratší větve počítané od hlavní větve proti směru hodinových ručiček (bez hlavní větve). 15

Počítání cibulek Každé cibulce na hlavním kardioidu lze přiřadit racionální číslo p. Jmenovatel q určuje počet větví antény q na cibulce (včetně hlavní větve). Čitatel p určuje pořadí nejkratší větve počítané od hlavní větve proti směru hodinových ručiček (bez hlavní větve). Cibulka 1 3 15

Počítání cibulek Každé cibulce na hlavním kardioidu lze přiřadit racionální číslo p. Jmenovatel q určuje počet větví antény q na cibulce (včetně hlavní větve). Čitatel p určuje pořadí nejkratší větve počítané od hlavní větve proti směru hodinových ručiček (bez hlavní větve). Cibulka 2 5 15

Počítání cibulek Každé cibulce na hlavním kardioidu lze přiřadit racionální číslo p. Jmenovatel q určuje počet větví antény q na cibulce (včetně hlavní větve). Čitatel p určuje pořadí nejkratší větve počítané od hlavní větve proti směru hodinových ručiček (bez hlavní větve). Cibulka 9 25 15

Největší cibulka mezi cibulkami p a r p+r je cibulka. V důsledku toho jsou na hlavním kardioidu cibulky q s q+s pro všechna čísla p (0, 1) Q a tyto cibulky jsou navíc seřazeny v přirozeném pořadí. q 2 5 5 13 3 8 4 11 1 3 5 12 3 7 4 9 16

Použité zdroje Použité zdroje Robert L. Devaney: The Dynamical Systems and Technology Project at Boston University. http://math.bu.edu/dysys Przemys law Prusinkiewicz et al.: Algorithmic Botany at The University of Calgary. http:// algorithmicbotany.org Manfred Schroeder: Fractals, Chaos, Power Laws. W. H. Freeman & Co., 1991. Wikipedia contributors: Misiurewicz Point. Wikipedia, The Free Encyclopedia. http:// en.wikipedia.org/wiki/misiurewicz_point Wikipedia contributors: Mandelbrot Set. Wikipedia, The Free Encyclopedia. http:// en.wikipedia.org/wiki/mandelbrot_set phaumann: Mandelbrot Set Zoom 10E125. YouTube. http://www.youtube.com/ watch?v=g0nmvuu_7iq 17