fractais i josé garcia vivas miranda. 1º dia era uma vez... que são fractais; conceitos; fractais...
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FractaisI
José Garcia Vivas Miranda
1º Dia Era uma vez...
Que são Fractais;
Conceitos;
Fractais e a Natureza;
Monstros Matemáticos;
Como construir-los;
Como caracteriza-los;
Índices Fractais;
... final século XIX e inicio do XX, Henrí Poincaré abre um caminho comum entre o simples (previsível) e o complexo (caótico)...
Dinâmicas simples poderiam gerar formas complexas.
... em paralelo, matemáticos como, Cantor, Peano, Hilbert iniciaram mudanças profundas nos conceitos de topologia, os “Monstros matemáticos”...
... Richardson em 1961 se pergunta: “Quanto mede um costa litorânea”... (exemplo da fronteira ES-PT).
... 1975 Mandelbrot junta tudo ecunha o termo FRACTAL
Histórico
TÓPICOS Era uma vez...
Que são Fractais;
Conceitos;
Fractais e a Natureza;
Monstros Matemáticos;
Como construir-los;
Como caracteriza-los;
Índices Fractais;
Que são fractais
Definições formais:
“Um objeto é considerado fractal quando sua dimensão de medida é maior que sua dimensão topológica e menor que sua dimensão de imersão”
Hausdorff
“Um fractal é uma figura feita de partes similares ao todo de alguma forma”
Mandelbrot
CONCEITOS
Que são fractais
Idéia de autosemelhança
Semelhança entre escalas (autosemelhança)
Cada tipo de árvore tem um padrão de autosemelhança próprio.
Que são fractais
Autosemelhança em estruturas naturais
Que são fractais
600 602 604 606 608 610-100
0100200300400
Tiempo
H=
0,9
-15-10-505
10
H=
0,5
-2-10123
H=
0,1
Autosemelhança em estruturas naturais
Que são fractais
600 602 604 606 608 610-100
0100200300400
Tiempo
H=
0,9
-15-10-505
10
H=
0,5
-2-10123
H=
0,1
Fractais e a Natureza NATUREZA
Fractais e a Natureza
Exemplo de autosemelhança
Fractais e a Natureza
Fractais estão por todas as partes.
Nuvens;
Montanhas;
Árvores;
Pulmões;
Rochas;
Coração;
Chuvas;
Música;
Estrelas;
Passag. do Ferry;
Ruídos;
etc..
Fractais e a Natureza
Porque a Natureza escolheu esta forma de estruturar-se ?
Para responder temos que conhecer os Monstros Matemáticos.
TÓPICOS Era uma vez...
Que são Fractais;
Conceitos;
Fractais e a Natureza;
Monstros Matemáticos;
Como construir-los;
Como caracteriza-los;
Índices Fractais;
Monstros Matemáticos
O Conjunto de Cantor
Monstros Matemáticos
A Curva de Koch
Monstros Matemáticos
A Curva de Peano
Monstros MatemáticosCOMO CONSTRUIR
Técnica da substituição de strings.
‘F’ == Passo a frente
‘+’ == Gira a direita de um ângulo A
‘-’ == Gira a esquerda de um ângulo A
Gerador
‘F’ “F-F++F-F”
Ângulo de 60º.
Exemplo da curva de Koch
F
(F – F ++ F – F)
(F-F++F-F)- (F-F++F-F)++ (F-F++F-F)- (F-F++F-F)
...
Monstros MatemáticosCOMO CONSTRUIR
Técnica da substituição de strings.
F
F
F FF-
++
-FractalStr
Monstros MatemáticosCOMO CONSTRUIR
Técnica da substituição de strings parte II
(Os fantasmas)‘F’ == Passo a frente‘+’ == Gira a direita de um ângulo A‘-’ == Gira a esquerda de um ângulo A‘X’ == Não faz nada‘Y’ == Não faz nada
FX
F X + Y F +
F (X + Y F +) + (- F X - Y) F +
...
Gerador‘F’ ‘F’‘X’ “X+YF+”‘Y’ “-FX-Y”Ângulo de 90º.
Exemplo do dragão
Monstros MatemáticosCOMO CONSTRUIR
Técnica da substituição de strings parte II
(Os fantasmas)
Exemplo do dragãoFractalStr
‘F’ == Passo a frente‘+’ == Gira a direita de um ângulo A‘-’ == Gira a esquerda de um ângulo A‘X’ == Não faz nada‘Y’ == Não faz nada‘[‘ == Salva posição corrente.‘]‘ == Recupera posição corrente.
Monstros MatemáticosCOMO CONSTRUIR
Técnica da substituição de strings parte III
(As Arvores)Exemplo da Arvore
Gerador‘F’ “FF-[-F+F+F+F]+[+F-F-F]
Ângulo de 22º.
Monstros MatemáticosCOMO CONSTRUIR
Exemplo da Arvore
FractalStr
Monstros MatemáticosCOMO CONSTRUIR
OBSERVAÇÃO
Não sei se deu para perceber, mas até aqui todos as figuras são,
perfeitamente DETERMINÍSTICAS!!!!
Conceito de simples complexo
de Poincaré
Monstros MatemáticosCOMO CONSTRUIR
Incluindo aleatoriedade.
A curva de Koch aleatória
Ângulos aleatórios.
Monstros MatemáticosCOMO CONSTRUIR
Incluindo aleatoriedade.
Arvore aleatória
Ângulos aleatórios.FractalStr
TÓPICOS Era uma vez...
Que são Fractais;
Conceitos;
Fractais e a Natureza;
Monstros Matemáticos;
Como construir-los;
Como caracteriza-los;
Índices Fractais;
Monstros MatemáticosCARACTERIZANDO
Qual o comprimento da curva de Koch ?
Mas antes, o que é comprimento ?
L = N()
Se medimos o N() para diferentes escalas:
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
0
10
20
30
40
50
N()
N() = 1/ 1 1 1
0,5 2 1
0,25 4 1
0,125 8 1
N() L
Dimensão Fractal
Fazendo o mesmo para áreas...
L = N()
0,0 0,5 1,0 1,5-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
N()
N() = 1/
Dimensão Fractal
E para a Curva de Koch ?
Que utilizar? Segmentos ou ladrilhos?
Se utilizamos segmentos
N() = 1
N() = 4
N() = 16
N() = 64
0,0 0,5 1,0
0
10
20
30
40
50
60
70
N()
N() = 1/
1 1 1
0,333 4 1,3
0,111 16 1,8
0,037 64 2,4
N() L
L0
lim
Dimensão Fractal
Juntando tudo...
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0-10
0
10
20
30
40
50
N()
Reta Plano Koch
Topologicamente a curva de Koch esta entre uma reta e um plano.
Generalizando...
N() = 1/D
onde D é a dimensão Fractal do objeto
Este método é conhecido como contagem de caixas. (box counting)
Dimensão Fractal
Método de contagem de caixas
•Calcular a dimensão fractal de sua assinatura!!!•Calcular a dimensão fractal de uma imagem
(programa Robson).
Porque a Natureza escolheu esta forma de estruturar-se ?
Dimensão Fractal
Resp.: Uma questão de economia!!
Dimensão Fractal
Conceito topológico de Dimensão
“Um objeto é considerado fractal quando sua dimensão de medida é maior que sua dimensão topológica e menor que sua dimensão de imersão”
Hausdorff
Dimensão Fractal
Prática,
Calcular a dimensão fractal de uma bolinha de papel!!!
Dimensão Fractal
Dever de casa,
Construir um novo Fractal!
Pensar em um método para calcular D para papeis rasgados.