Исследовательская работа "Фракталы" (6 класс)

МБОУ Лосевская СОШ №1 Павловского района Воронежской области Исследовательская работа: Выполнила: Запорожцева Надежда, учащаяся 6 класса Научный руководитель: Запорожцева Ольга Ивановна, учитель  физики 1 с. Лосево 2015г 2 СОДЕРЖАНИЕ 1.Введение……………………………………………………………………………………       1.1 Из истории фракталов………………………………………………………………       1.2.Что такое фракталы…………………………………………………………………… 2.Некоторые виды фракталов…………………………………………………………………       2.1.Геометрические (конструктивные) фракталы………………………………………       2.2.Фракталы в природе………………………………………………………………… 3.Применение фракталов……………………………………………………………………        3.1.Естественныенауки………………………………………………………………        3.2.Радиотехника……………………………………………………………………        3.3.Информатика………………………………………………………………………… 4.Aural: как поют фракталы…………………………………………………………………… 5.Лорен Карпентер: Искусство, созданное природой……………………………………… 6.Заключение………………………………………………………………………………… 3 1. ВВЕДЕНИЕ Самые гениальные открытия в науке способны кардинально изменить человеческую жизнь. Изобретенная вакцина может спасти миллионы людей, создание оружия, наоборот, эти жизни отнимает. Совсем недавно (в масштабе человеческой эволюции) мы научились «укрощать» электричество — и теперь не можем себе представить жизнь без всех этих удобных устройств, использующих электроэнергию. Но есть и такие открытия, которым мало кто придает значение, хотя они тоже сильно влияют на нашу жизнь. Одно из таких «незаметных» открытий — фракталы. Вам наверняка доводилось слышать   это   запоминающееся   слово,   но   знаете   ли   вы,   что   оно   означает   и   как   много интересного скрыто в этом термине? В каждом человеке заложена природная любознательность, стремление познавать окружающий его мир. И в этом стремлении человек старается придерживаться логики в суждениях.   Анализируя   процессы,   происходящие   вокруг   него,   он   пытается   найти логичность происходящего и вывести некоторую закономерность. Самые большие умы на планете заняты этой задачей. Грубо говоря, ученые ищут закономерность там, где ее быть не должно. Тем не менее даже в хаосе можно найти связь между событиями. И эта связь — фрактал. Не так давно, рассматривая поднятую с земли ветку, я вдруг заметила, что эта ветка, с сучками и ответвлениями, сама похожа на   дерево.   И,   конечно,   дальше   последовал   привычный   вопрос «Почему?».   Ответ   на   который   мне   и   пришлось   искать   самой   в процессе написания этой работы. Обнаруженная мною схожесть отдельной веточки с целым деревом   —   это   очень   точное   наблюдение,   которое   лишний   раз свидетельствует  о   принципе   самоподобия   в   природе.   Очень многие органические и неорганические формы в природе формируются аналогично. Облака, морские раковины, «домик» улитки, кора и крона деревьев, кровеносная система   и   так   далее   —  случайные   формы   всех   этих   объеков  могут   быть   описаны фрактальным алгоритмом. 4 1.1. ИЗ ИСТОРИИ ФРАКТАЛОВ Бенуа Мандельброт: отец фрактальной геометрии Само   слово   «фрактал»   появилось   благодаря   гениальному   ученому   Бенуа Мандельброту. Он сам придумал этот термин в семидесятых годах прошлого века, позаимствовав слово fractus из латыни, где оно буквально означает «ломанный» или «дробленный».  Просматривая   результаты   измерений   шума,   Мандельброт обратил  внимание   на  одну   странную   закономерность  —  графики шумов   в   разном   масштабе   выглядели   одинаково.   Идентичная картина наблюдалась независимо от того, был ли это график шумов за один день, неделю или час. Стоило изменить масштаб графика, и картина каждый раз повторялась. . Фрактальный   рисунок   не   имеет   идентичных   элементов,   но   обладает подобностью в любом масштабе.  Построить такое изображение с высокой степенью детализации   вручную   ранее   было   просто   невозможно,   на   это   требовалось   огромное количество   вычислений.   Например,  французский   математик   Пьер   Жозе   Луи   Фату описал это множество более чем за семьдесят лет до открытия Бенуа Мандельбротом. Если же говорить про принципы самоподобия, то о них упоминалось еще в трудах Лейбница и Георга Кантора. Один   из   первых   рисунков   фрактала   был   графической   которое   родилось интерпретацией   множества   Мандельброта, благодаря исследованиям Гастона Мориса Жюлиа. Как   гласит   древнее   изречение,   приписываемое   Гераклиту Эфесскому, «В одну и ту же реку нельзя войти дважды». Оно как нельзя лучше подходит для трактования геометрии фракталов.  Как   бы   детально   мы   ни   рассматривали   фрактальное   изображение,   мы   все время будем видеть схожий рисунок.  В 1904 году швед Хельге фон Кох придумал непрерывную кривую, которая нигде не   имеет   касательной,   причем   ее   довольно   просто   нарисовать.   Оказалось,   что   она обладает свойствами фрактала. Один из вариантов этой кривой носит название «снежинка Коха».                                                      5 1.2.ЧТО ТАКОЕ ФРАКТАЛЫ Фракталы   известны   уже   почти   век,   хорошо   изучены   и   имеют   многочисленные приложения в жизни. В основе этого явления лежит очень простая идея: бесконечное по красоте   и   разнообразию   множество   фигур   можно   получить   из   относительно простых   конструкций   при   помощи   всего   двух   операций —   копирования   и масштабирования В   1982 году   вышла   книга   Мандельброта   «Фрактальная   геометрия   природы», в которой автор собрал и систематизировал практически всю имевшуюся на тот момент информацию о фракталах и в легкой и доступной манере изложил ее. Основной упор в своем изложении Мандельброт сделал не на тяжеловесные формулы и математические конструкции,   а   на   геометрическую   интуицию   читателей.   Благодаря   иллюстрациям, полученным при помощи компьютера, и историческим байкам, которыми автор умело разбавил   научную   составляющую   монографии,   книга   стала   бестселлером,   а   фракталы стали известны широкой публике. Их успех среди нематематиков во многом обусловлен тем, что с помощью весьма простых конструкций и формул, которые способен понять и старшеклассник, получаются удивительные по сложности и красоте изображения. Когда персональные   компьютеры   стали   достаточно   мощными   то   появилось   даже   целое направление   в   искусстве —   фрактальная   живопись,   причем   заниматься   ею   мог практически   любой   владелец   компьютера.   Сейчас   в   интернете   можно   легко   найти множество сайтов, посвященных этой теме. 2.НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ФРАКТАЛОВ 2.1.Геометрические (конструктивные) фракталы Фракталы   этого   типа   строятся   поэтапно.   Сначала   изображается основа.   Затем некоторые части основы заменяются на фрагмент. На каждом следующем этапе части уже построенной фигуры, аналогичные замененным частям основы, вновь заменяются на фрагмент,   взятый   в   подходящем   масштабе.   Всякий   раз   масштаб   уменьшается.   Когда изменения   становятся   визуально   незаметными,   считают,   что   построенная   фигура хорошо приближает фрактал и дает представление о его форме. Для получения самого фрактала нужно бесконечное число этапов. Меняя основу и фрагмент, можно получить много разных геометрических фракталов. Геометрические фракталы хороши тем, что, с одной стороны, являются предметом достаточного серьезного научного изучения, а с другой стороны, их можно «увидеть» — даже человек, далекий от математики, найдет в них что­то для себя. Такое сочетание редко в современной математике, где все объекты задаются с помощью непонятных слов и 6 символов. Оказывается, многие геометрические фракталы можно нарисовать буквально на   листочке   бумаги   в клетку.   Сразу   оговоримся,   что   все   получаемые   изображения являются лишь конечными приближениями бесконечных по своей сути фракталов. Но всегда можно нарисовать такое приближение, что глаз не будет различать совсем мелкие детали и наше воображение сможет создать верную картину фрактала. Например, имея достаточно   большой   лист   миллиметровой   бумаги   и   запас   свободного   времени,  можно вручную нарисовать такое точное приближение к ковру Серпинского, что с расстояния в несколько метров невооруженный глаз будет воспринимать его как настоящий фрактал. Компьютер позволит сэкономить время и бумагу и при этом еще увеличить точность рисования.  Т­квадрат  H­фрактал  Треугольник Серпинского  Дерево Пифагора  Кривая Леви  Дракон 2.2.ФРАКТАЛЫ В ПРИРОДЕ Что общего у дерева, берега моря, облака или кровеносных сосудов у нас в руке? Существует   одно   свойство   структуры,  присущее   всем   перечисленным   предметам:   они самоподобны.  От ветки,   как   и   от ствола   дерева,   отходят   отростки   поменьше,   от них —   еще меньшие, и т. д., то есть ветка подобна всему дереву. 7 Похожим образом устроена и кровеносная система: от артерий отходят артериолы, а от них — мельчайшие капилляры, по которым кислород поступает в органы и ткани. В живой природе: Кораллы  Морские звезды и ежи  Морские раковины  Цветы и растения (брокколи, капуста)  Плоды (ананас)  Кроны деревьев и листья растений  Кровеносная система и бронхи людей и животных  В неживой природе:          Границы географических объектов (стран, областей, городов) Береговые линии Горные хребты Снежинки Облака Молнии Образующиеся на стеклах узоры Кристаллы Сталактиты, сталагмиты, геликтиты. 8 3.ПРИМЕНЕНИЕ ФРАКТАЛОВ В наши дни теория фракталов находит широкое применение в различных областях человеческой деятельности.  3.1. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ В  физике  фракталы   естественным   образом   возникают   при   моделировании нелинейных   процессов,   таких   как турбулентное течение   жидкости,   сложные   процессы диффузии­адсорбции,   пламя,   облака   и тому подобное.   Фракталы   используются   при моделировании пористых материалов, например, в нефтехимии. В биологии они применяются для моделирования популяций и для описания систем внутренних органов (система кровеносных сосудов).  После создания кривой Коха было предложено использовать  её при вычислении протяжённости береговой линии. 3.2.РАДИОТЕХНИКА Фрактальные антенны   геометрии   Использование   фрактальной при проектировании антенных   устройств было   впервые   применено американским инженером Натаном Коэном, который тогда жил в центре Бостона, где была запрещена установка внешних антенн на здания.   Натан   вырезал   из алюминиевой фольги   фигуру   в форме кривой Коха и наклеил её на лист бумаги, затем присоединил к приёмнику. Коэн основал собственную компанию и наладил их серийный выпуск. Фрактальные антенны: лучше меньше, да лучше Когда Натан подключил антенну к радиоприемному устройству, он был очень удивлен — чувствительность резко увеличилась, её высокий КПД и покрывает   гораздо   более   широкий   частотный   диапазон   по   сравнению   с классическими   решениями.   Кроме   того,   форма   антенны   в   виде   кривой фрактала   позволяет   существенно  уменьшить   геометрические   размеры. Автор   запатентовал   свое   открытие   и   основал   фирму   по   разработке   и проектированию фрактальных антенн справедливо полагая, что в будущем благодаря его открытию сотовые телефоны смогут избавиться от громоздких антенн и станут более компактными. 9 Сжатие изображений 3.3.ИНФОРМАТИКА Существуют алгоритмы сжатия изображения с помощью фракталов. Они основаны на идее о том, что вместо самого изображения можно хранить сжимающее отображение, для которого это изображение (или некоторое близкое к нему) является  неподвижной точкой. Один из вариантов данного алгоритма был использован фирмой Microsoft при издании своей энциклопедии, но большого распространения эти алгоритмы не получили. Компьютерная графика Фракталы   широко  применяются   в компьютерной  графике для  построения  изображений природных объектов, таких как деревья, кусты, горные ландшафты, поверхности морей и так   далее.   Существует   множество   программ,   служащих   для   генерации   фрактальных изображений, Создавать трехмерные объекты с похожей формой умеет программа Mandelbulb3D. Чтобы   получить   трехмерную   поверхность   с   использованием   фрактального   алгоритма, авторы данного приложения, Дениэл Уайт и Пол Ниландер, преобразовали множество Мандельброта   в   сферические   координаты.   Созданная   ими программа   Mandelbulb3D   представляет   собой   самый   настоящий трехмерный   редактор,   который   моделирует   фрактальные поверхности   разных   форм.   Поскольку   в   природе   мы   часто наблюдаем   фрактальные   узоры,   то   искусственно   созданный фрактальный   трехмерный   объект   кажется   невероятно реалистичным и даже «живым». Фрактальный   редактор   позволяет   создавать   анимацию.   Вы   не   только конфигурируете   трехмерное   множество   Мандельброта,   но   и   можете   его   вращать, масштабировать и менять параметры с течением времени. 10 4.Aural: как поют фракталы Мы   обычно   не   рассказываем   о   проектах,   работа   над   которыми   только   ведется, однако   в   данном   случае   мы   должны   сделать   исключение,   уж   очень   это   необычное приложение.   Проект   под   названием   Aural   придумал   тот   же   человек,   что   и   Incendia. Правда, на этот раз программа не визуализирует фрактальное множество, а озвучивает его, превращая в электронную музыку. Идея очень любопытная, особенно если учесть необычные свойства фракталов. Aural — это аудиоредактор, генерирующий мелодии с использованием   фрактальных   алгоритмов,   то   есть,   по   сути,   это   звуковой   синтезатор­ секвенсор Последовательность звуков, выдаваемая этой программой, необычна и… красива. Она вполне может пригодиться для написания современных ритмов и, как нам кажется, особенно хорошо подходит для создания звуковых дорожек к заставкам телевизионных и радиопередач, а также «петель» фоновой музыки к компьютерным играм. Рамиро пока не предоставил демонстрационной версии своей программы, но обещает, что, когда он это сделает, для того, чтобы работать с Aural, не нужно будет изучать теорию фракталов — достаточно   просто   поиграться   с   параметрами   алгоритма   генерирования последовательности нот. 11 5.ЛОРЕН КАРПЕНТЕР: ИСКУССТВО, СОЗДАННОЕ ПРИРОДОЙ Теория   фракталов   скоро   нашла   практическое   применение.  Поскольку   она   тесно связана с визуализацией самоподобных образов, неудивительно, что первыми, кто взял на вооружение алгоритмы и принципы построения необычных форм, были художники. Будущий сооснователь легендарной  студии Pixar  Лорен Карпентер в 1967 году начал   работать   в   компании   Boeing   Computer   Services,   которая   была   одним   из подразделений известной корпорации, занимающейся разработкой новых самолетов. В   1977   году   он   создавал   презентации   с   прототипами   летающих   моделей.   В обязанности   Лорена   входила   разработка   изображений   проектируемых   самолетов.   Он должен был создавать картинки новых моделей, показывая будущие самолеты с разных сторон.   В   какой­то   момент   в   голову   будущему   основателю   Pixar   Animation   Studios пришла в голову креативная идея использовать в качестве фона изображение гор. Сегодня такую задачу может решить любой школьник, но в конце семидесятых годов прошлого века компьютеры не могли справиться со столь сложными вычислениями — графических редакторов не было, не говоря уже о приложениях для трехмерной графики. В 1978 году Лорен   случайно   увидел   в   магазине   книгу   Бенуа   Мандельброта   «Фракталы:   форма, случайность   и   размерность».   В   этой   книге   его   внимание   привлекло   то,   что   Бенуа приводил массу примеров фрактальных форм в реальной жизни и доказывал, что их можно описать математическим выражением. Такая аналогия была выбрана математиком не случайно. Дело в том, что как только он обнародовал свои исследования, ему пришлось столкнуться с целым шквалом критики. Главное, в чем упрекали его коллеги, — бесполезность разрабатываемой теории. «Да, — говорили они, — это красивые картинки, но не более. Практической ценности теория фракталов не имеет». Были также те, кто вообще считал, что фрактальные узоры — просто побочный результат работы «дьявольских машин», которые в конце семидесятых многим казались чем­то слишком сложным и неизученным, чтобы всецело им доверять. Мандельброт пытался найти очевидное применение теории фракталов, но, по большому счету, ему и не нужно было это делать. Последователи Бенуа Мандельброта в следующие 25  лет   доказали   огромную   пользу   от   подобного   «математического   курьеза»,   и   Лорен Карпентер был одним из первых, кто опробовал метод фракталов на практике. Проштудировав книжку, будущий аниматор серьезно изучил принципы фрактальной геометрии и стал искать способ реализовать ее в компьютерной графике. Всего за три дня работы   Лорен   смог   визуализировать   реалистичное изображение горной системы на своем компьютере. Иными словами, он с помощью формул нарисовал вполне узнаваемый горный пейзаж. Принцип, который использовал Лорен для достижения цели, был очень прост. Он состоял в том, чтобы разделять более крупную геометрическую фигуру на мелкие элементы, а те, в свою очередь, делить на аналогичные фигуры меньшего размера.                                                12 Используя более крупные треугольники, Карпентер дробил их на четыре мелких и затем повторял эту процедуру снова и снова, пока у него не получался реалистичный горный ландшафт. Таким образом, ему удалось стать первым художником, применившим в   компьютерной   графике   фрактальный   алгоритм   для   построения   изображений.   Как только стало известно о проделанной работе, энтузиасты по всему миру подхватили эту идею   и   стали   использовать   фрактальный   алгоритм   для   имитации   реалистичных природных форм. 13 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Во   всем,   что   нас   окружает,   мы   часто   видим   хаос,   но   на   самом   деле   это   не случайность, а идеальная форма, разглядеть которую нам помогают фракталы. Природа — лучший архитектор, идеальный строитель и инженер. Она устроена очень логично, и если где­то мы не видим закономерности, это означает, что ее нужно искать в другом масштабе.   Люди   все   лучше   и   лучше   это   понимают,   стараясь   во   многом   подражать естественным формам. Инженеры проектируют акустические системы в виде раковины, создают антенны с геометрией снежинок и так далее. Уверены, что фракталы хранят в себе еще немало секретов, и многие из них человеку еще лишь предстоит открыть. 14 7.ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА Широко использовались материалы Интернета 15