F R A T T A L I F R A T T A L I F R A T T A L I F R A T T A L I. frattali. frattali frattali

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1 F R T T L I F R T T L I F R T T L I F R T T L I F R T T L I F R T T L I frattali frattali frattali Il linguaggio della natura Osservando attentamente le forme naturali, si scopre che molte di esse, nonostante la loro forma irregolare e contorta, condividono un importante caratteristica che può essere oggetto di una nuova geometria. Nubi, montagne, alberi... hanno irregolarità di tipo stranamente ordinato : le forme si ripetono su scala diversa nello stesso oggetto. Le nuvole non sono sfere, le montagne non sono coni : così il matematico Mandelbrot sottolineava in un passo della sua opera The fractal geometry of Nature (982) l incapacità, da parte della geometria tradizionale, di descrivere adeguatamente, le forme anche più semplici che troviamo in Natura. Mandelbrot era stato, in qualche modo, un eretico tra i matematici rivolgendo il suo interesse a quegli insiemi numerici come la polvere di Cantor o a quelle funzioni come la curva di Koch Ma che cos è un oggetto frattale? che cos è la polvere di Cantor?... e la curva di Koch?

2 ma che cos è un oggetto frattale? come si genera e quali sono le sue proprietà caratteristiche? Fu Mandelbrot stesso che coniò tale termine di derivazione latina (fractus = rotto, spezzato) e che richiama bene la natura frastagliata e spigolosa di tali oggetti, i quali consentono di descrivere molto bene le forme dei fiocchi di neve, i profili delle coste, le forme di nuvole e montagne, la superficie di un arancia, l albero bronchiale, gli andamenti dei ritmi cardiaci... L idea fondamentale di Mandelbrot fu quella di riprendere il concetto di dimensione, già esplorato e approfondito da Hausdorff nel 99 la polvere di Cantor prendiamo un segmento di lunghezza unitaria, dividiamolo in tre parti e togliamo il tratto centrale ripetiamo la stessa operazione su ciascun segmento ottenuto e cosìvia.. Nel 99 il matematico tedesco FelixHausdorff suggerì come generalizzare il concetto di dimensione La dimensione di Hausdorff si basa sull idea di ricoprimento di una curva, una superficie, ecc E un insieme di segmentini in numero via via maggiore e di lunghezza via via minore. L insieme geometrico, se si ripetesse la procedura infinite volte, è detto polvere di Cantor la curva di Koch (904) ricoprimento N l dato un il quadrato è ricoperto da quadrato di lato segmento di lunghezza unitaria /2 4 /2 il quadrato è ricoperto da 4 quadrati di lato /2 togliamo il tratto centrale e lo sostituiamo con i due lati del triangolo equilatero che su di esso può essere costruito, ripetiamo la costruzione su ciascun segmento. La procedura può essere iterata quante volte si vuole, e si individua così una linea dal contorno frastagliato detta curva di Koch /4 6. / n (/2) n il quadrato è ricoperto da 6 quadrati di lato /4 il quadrato è ricoperto da 2 2n quadratini di lato (/2) n

3 utosimilarità e dimensione Consideriamo un segmento e sezioniamolo in parti con un fattore di scala s= ½: otterremo N = 2 segmenti identici tra loro e simili all originale. Se utilizziamo invece un fattore di scala s = /3, otterremo N = 3 segmenti identici e simili all originale, e così via. s= N= s=/2 N=2 s=/3 N=3 Se facciamo lo stesso procedimento su un quadrato, con s =!/2 otteniamo N = 4 quadrati identici e simili all originale, con s= /3 otteniamo N = 9 quadratini s=/2 N=4 s=/3 N=9 Se infine ripetiamo lo stesso procedimento su un cubo otteniamo N=8 con s=/2, N=27 con s=/3, e così via. Se indichiamo con d la usuale dimensione (topologica) di questi oggetti, vale la formula N = s d, ovvero d = - log N / log s, con il logaritmo preso in una base qualunque Si dà la seguente, valida per tutte le figure totalmente autosimili: Si chiama dimensionedi un oggetto, basata sull autosimilarità il rapporto: d = - log N / log s dove N è il numero di copie che si ottengono sezionando l oggetto con un fattore di scala s La precisazione basata sull autosimilarità è importante perchè, questo numero può essere diverso dalla dimensione topologica (euclidea). Si chiama frattale un oggetto autosimile per cui la dimensione frattale è strettamente maggiore di quella topologica Oss. per il segmento, il quadrato, il cubo: la dimensione frattale coincide con la dimensione topologica Calcoliamo la lunghezza della Calcoliamo la lunghezza dell insieme, detto polvere di Cantor, che è la somma delle lunghezze dei segmentini che la compongono: inizialmente il segmento è lungo, dopo ogni operazione otteniamo dei segmenti la cui lunghezza complessiva è 2/3 di quella precedente. Le successive lunghezze formano una progressione geometrica di primo termine e di ragione 2/3: 2/3 (2/3) 2 (2/3) 3... (2/3) n... la lunghezza del segmento è la lunghezza della linea è 4/3 della precedente curva di Koch lla ennesima ripetizione, la lunghezza è 2 n / 3 n. poiché la ragione è positiva e minore di, la progressione converge a 0. la sua dimensione frattale è d = log 2 / log 3 < (~ 0,6309) la lunghezza della linea è 4/3 della precedente e (4/3) 2 dilla linea iniziale Poiché la ragione è positiva e minore di, la progressione converge a 0 : la lunghezza della polvere di Cantor è 0 nonostante che la figura non sia costituita da punti, ma da piccolissimi segmenti che è sempre possibile suddividere nuovamente E qualcosa di più di un insieme di punti e qualcosa di meno di un insieme di linee Si tratta di una linea infinitamente spezzettata... si costruisce così una successione numerica: 4/3 (4/3) 2... (4/3) n... (la successione è una progressione geometrica di primo termine e di ragione 4/3) la successione è divergente: al tendere all infinito del numero n, la lunghezza della linea che unisce e tende a diventare infinita Il rapporto d = - log N / log s è costante e vale log 4 / log 3 ( ~,269)

4 L isola di Koch o fiocco di neve 2 L isola di Koch o fiocco di neve Dato un triangolo equilatero di lato unitario: inserire al centro di ciascun lato un nuovo triangolo equilatero di lato pari a un terzo del lato assegnato e poi cancelliamo la base di ciascuno di questi tre nuovi triangoli. Ne risulta una figura chiusa delimitata da una linea spezzata che ha 2 lati. Il perimetro della figura, che ha 2 lati, è i 4/3 di quello del triangolo originale Il passo successivo consiste nell aggiungere altri 2 triangoli più piccoli nel centro di ogni lato della stella Il perimetro della figura, che ha 48 lati, è i 6/3 di quello del triangolo originale Dopo n suddivisioni il perimetro è (3. 4 n /3 n ), al tendere di n all infinito tende a diventare infinito Continuando questo procedimento indefinitamente, viene determinata una curva limite arricciata, nota come la curva di von Koch o la curva a fiocco di neve nche se il contorno ha perimetro infinito la figura circoscrive un area finita : è 8/5 di quella del triangolo di partenza 3 4 Oss. Se i triangoli sono interni e non esterni, l area è solo 2/5 di quella del triangolo di partenza. NilsFabien von Koch (87-924) studiò, con altri matematici suoi contemporanei, alcune curve di questo tipo; curve molto particolari definite teoricamente e non concretamente costruibili. Non è infatti possibile costruire la curva di Koch, perch è occorrerebbe ripetere la stessa operazione infinite volte. altri frattali... Il setaccio di Sierpinski nasce come triangolo. Si prendono i punti medi dei tre lati e si traccia il triangolo inscritto: così si suddivide la superficie di partenza in quattro triangoli. Si toglie quello centrale e su ciascuno dei triangoli rimasti viene ripetuto il procedimento... Tuttavia, l utilizzo attuale dei calcolatori con la conseguente possibilità di ripetere operazioni per un gran numero di volte - consente di disegnare buone approssimazioni della curva di Koch, andando ben al di là di quelle che il suo ideatore avrebbe potuto vedere. Una particolarita della curva di Koche evidente: la curva ha lunghezza infinita pur racchiudendo una regione finita Dove nasce questa stranezza? Se si hanno due punti e del piano, una usuale linea che li congiunge, per quanto tortuosa ha sempre lunghezza finita Ogni volta il lato del triangolo viene dimezzato e si ha un numero di triangoli che è il triplo del precedente.perciò il setaccio di Sierpinski ha una dimensione di Hausdorff d = log 3 /log 2 (~,584...)

5 Un tappeto di Sierpinski inizia come quadrato. Togliendo pezze quadrate si genera la forma frattale Possiamo raggruppare quanto finora detto nella seguente tabella: segmento quadrato cubo Insieme di Cantor La curva di Koch Cardinalità????? Dimensione d = log 8 / log 3 (~, ) Dimensione frattale 2 3 ~ 0.63 ~.26 dimensione che naturalmente è inferiore a quella di un vero tappeto Mandelbrot ha dato prova di una notevole inventiva nel creare i frattali con strane proprietà. lcuni di questi assomigliano a forme naturali, per esempio a montagne, altri hanno caratteristiche geometriche che li rendono utili come modelli ideali di processi fisici. La prima applicazione dei frattali fu nella soluzione del problema del rumore durante la trasmissione di dati. Servendosi del concetto di polvere di Cantor, Mandelbrot aveva calcolato la distribuzione delle stelle in una galassia e delle galassie nell Universo. nche se il modello è una funzione e non impiega dati astronomici reali, esso ricorda la distribuzione delle stelle viste dagli astronomi Nel 980 M. stesso descrisse un ins. frattale (detto insieme di Mandelbrot) che ha l aspetto di un pupazzo di neve bitorzoluto ottenuto calcolando ripetutamente semplici espressioni matematiche come ( x 2 3x) a partire da un valore iniziale di x e sostituendo poi ogni volta nell equazione iniziale il risultato ottenuto. L insieme di M. sembrava auto-simile, ma esaminandolo più attentamente, i piccoli insiemi. di M. presentavano un maggior numero di protuberanze e di altre curiose caratteristiche: tali frattali sono chiamati non-linerari Gli astronomi avevano allora confermato che, come previsto dal modello, la massa dell intero Universo è distribuita nello spazio come un insieme di Cantor tridimensionale (ora... l astrofisica è in continua evoluzione) mano a mano che la ricerca sui frattali si sviluppava, i matematici scoprivano che il concetto di autosomiglianza non era sufficiente a coprire tutti i frattali possibili. Per i frattali auto-simili, le linee visibili all interno di una figura rimangono sempre linee, indipendentemente dalle variazioni di scala; per i frattali non-lineari, i cambiamenti di scala non conservano necessariamente le linee rette, ma rivelano nuove e affascinanti caratteristiche

6 La geometria frattale e la grafica del computer sono inestricabilmente legate fra loro... La grafica del computer fornisce un comodo sistema per disegnare e studiare oggetti frattali, e la geometria frattale è un utile strumento per creare immagini al computer Le operazioni semplici, ripetitive, occorrenti per la costruzione di un frattale si accordano perfettamente con il modo di funzionare di un computer I frattali suggeriscono una soluzione per disegnare realisticamente sullo schermo - video gli oggetti naturali: generare una forma fondamentale (es: un triangolo) che viene ripetuta molte volte in scala sempre più piccola, all interno della figura originale. Si inseriscono variabili casuali per dare all immagine un aspetto più realistico OSS. L immagine che compare sul video non è un vero frattale: un computer che generi un setaccio di Sierpinski non può mostrare triangoli più piccoli dei punti elementari di luce i pixel di cui è composto lo schermo. come costruire montagne frattali? Si possono creare paesaggi frattali con il metodo dello spostamento dei punti medi. I punti medi dei lati di un triangolo a) vengono uniti e spostati in su e in giù fuori dal piano dell immagine b) si ottengono così quattro piccoli triangoli su cui si ripete il procedimento Una legge di distribuzione stabilisce l entità dello spostamento e quindi determina la scabrosità del terreno frattale c) un programma poi genera le ombreggiature appropriate, dando vita a risultati straordinariamente realistici insieme di Mandebrot frattali non-lineari

7 insieme di Mandebrot insiemi di Julia Gli insiemi di Julia sono frontiere frattali che vengono generate dall iterazione della trasformazione quadratica g(z) = z 2 + c (z numero complesso) il punto z k+ si ottiene applicando la trasformazione al punto precedente della successione z k.il numero complesso c è un parametro di controllo che può essere scelto arbitrariamente. Questo processo iterativo, in apparenza semplice, costiituisce la base di una famiglia sbalorditiva di forme. Quando si applica la trasformazione a un punto iniziale z 0 la successione risultante può comportarsi in due modi diversi: può vagare senza limitazioni, allontanandosi verso l infinito, oppure restare confinata in una certa regione del piano complesso. L insieme dei punti confinati e l insieme dei punti vaganti sono separati da una frontiera infinitamente stretta detto insieme di Julia L insieme di Julia, per ogni parametro di controllo, può essere un unico insieme connesso oppure un ins. di punti non connessi, come polvere. frattali non-lineari frattali non-lineari insieme di J U L I Julia e Mandelbrot: che relazione? L insieme di Mandelbrot suddivide gli insiemi di Juliain connessi e non connessi : ingrandendo l insieme di M. intorno a un punto c situato sulla sua frontiera, appaiono forme che sono anche gli elementi costitutivi dell insieme di Julia corrispondente al punto c. L insieme di Mandelbrot rispecchia l ordine soggiacente all infinita varietà degli insiemi di Julia. Tutti i suoi punti rappresentano valori del parametro c corrispondenti a insiemi di Julia connessi. Se un punto c non appartiene all insieme di M. l insieme di Juliaad esso associato non è connesso L insieme di M. contiene una ricchezza di dettagli inimmaginabili: tre ingrandimenti successivi dell insieme rivelano strutture simili che si ripetono, fra cui anche copie in miniatura dell insieme stesso, oltre a forme nuove e differenti

8 felce di arnsley Un sistema di trasformazioni affini fornisce a un computer le istruzioni per generare questa immagine di una felce, che assomiglia all asplenio nero. Gli studi condotti sugli attrattori strani o caotici mostrano che sono frattali, e che in genere hanno dimensione maggiore di 2 Se i sistemi meteorologici si lasciano descrivere da equazioni che danno luogo a comportamento caotico, allora basta un cambiamento minuscolo come il battito di ali di una farfalla per rendere impossibili previsioni del tempo a lunga scadenza... ma questo è il COS che in matematica assume un significato particolare, di ordine in mezzo al disordine... Paesaggio frattale immaginario generato al calcolatore, ispirandosi alle montagne della nuova Zelanda

9 appunti tratti da : Il turista matematico un viaggio nella moderna scienza dei numeri di Ivars Peterson Rizzoli Il caos le leggi del disordine a cura di Giulio Casati Le Scienze Ed. enoit MNDELROT Waclaw SIERPINSKI Niels F.H. von KOCH frattali non-lineari insieme di J U L I