Суперфрактал - Деменок Сергей - Страница 34

Для иллюстрации этих идей представим себе дерево, которое растет таким образом, что в каждом поколении его ветви расщепляются на V ветвей. Этот алгоритм роста назовем «V-изменчивым» (V-variability). Комбинаторика типовых ветвей может изменяться от поколения к поколению, но число типовых ветвей не изменяется и равно V (своего рода «ген»).

Обыкновенный детерминированный фрактал генерируется одной системой итерируемых функций. Более сложный фрактал генерирует еще более сложный составной фрактал — семейство систем итерируемых функций. Он состоит из отдельных фракталов, как бы сложенных вместе. Каждый из этих составных фракталов генерируется одной из систем семейства систем итерируемых функций.

Естественным логическим шагом является случайное перемешивание действия систем итерируемых функций. В результате получается некоторый стохастический гомогенный фрактал с двумя уровнями выбора операций. Сначала мы выбираем с определенной вероятностью систему итерируемых функций, а затем выбираем с определенной вероятностью саму функцию. Далее эту процедуру усложнения можно продолжать, добавляя уровни сложности, соединяя один гомогенный фрактал с другим гомогенным фракталом.

Получается своего рода операциональная матрешка, в которой системы операций внутреннего уровня встроены в семейства операций внешнего уровня благодаря вероятностному выбору. Операторы вероятностного выбора выполняют функцию клея. Они слаженно связывают действие функций одной системы между собой и между семействами систем итерируемых функций и далее между семействами семейств систем итерируемых функций.

Идея V-изменчивого фрактала радикально отличается от описанного выше сложного гомогенного фрактала тем, что применяет склеивающее свойство вероятностного выбора не только к итерируемым функциям, но и к состояниям, в которых фиксируется результат. И если раньше операциональным элементом являлась функция в семействах систем итерируемых функций, то теперь вводится квант состояния — ячейка, в которую попадает результат после расчета на каждом шаге итерационного процесса.

V-изменчивый фрактал, как и гомогенный фрактал, генерируется семейством систем итерируемых функций с наложенной на них вероятностью выбора одной из систем на каждом шаге итерации. Однако при записи результата в одно из V состояний выбор этого состояния для записи также реализуется по случаю с определенной вероятностью. В общем случае мы можем иметь N систем и V состояний записи результата.

Между тем из условия суперсимметрии число систем итерированных функций должно совпадать с числом состояний N=V. Вероятность выбора на каждом шаге итераций семейства систем итерированных функций и состояния записи результата определяется V x V матрицей вероятности.

Представим себе, что правила преобразования V типовых «генов» описывают V систем итерируемых функций. В первом поколении возникнет V типов ветвей — аттракторов. На втором шаге мы будем применять те же V систем итерируемых функций к точкам сформировавшихся аттракторов. Если каждую из V систем итерируемых функций применить к точкам аттракторов, образованных этой системой на предыдущем шаге, то второе поколение будет повторять первое поколение. Однако, если мы случайным образом перетасуем системы итерируемых функций и применим их к «чужим» аттракторам, то получим новое разнообразие из V типов аттракторов. Однако самое замечательное то, что после многочисленных итераций вне зависимости от набора типовых «генов» мы получим своего рода аттрактор аттракторов — суперфрактал.

Графическое представление четырех уровней «2-изменчивого» дерева

Для иллюстрации рассмотрим простой случай, когда V = 2. Поставим следующий компьютерный эксперимент. Зарезервируем два буфера памяти — левый L и правый — R, в которых разместим аттракторы первого поколения, полученные вследствие многократного повторения расчета систем итерируемых функций F и G.

Далее случайным образом выберем одну из систем итерированных функций F или G. Затем выберем случайным образом буфер (L или R) и запишем результат применения выбранной системы итерированных функций. Снова выберем буфер случайным образом (это может оказаться буфер, выбранный шагом ранее) и поместим в него аттрактор после второй трансформации. Объединим результаты двух трансформаций в новый буфер L′. Снова выберем случайным образом систему итерируемых функций. Снова выберем буфер L или R и поместим туда трансформированный аттрактор. Возьмем вторую систему итерированных функций и выберем случайным образом буфер L или R. Поместим в него очередной трансформированный аттрактор. Объединим результаты и поместим их в новый буфер R′. Далее содержимое буфера L′  поместим в буфер L, а содержимое буфера R′  поместим в буфер R.

Продолжим все сначала. Вероятность выбора того или иного буфера и вероятность выбора той или иной системы итерируемых функций установим равными 1/2. После нескольких повторений этого цикла аттракторы в обоих буферах станут совершенно независимыми от начальных условий. Суперпозиция полученных аттракторов представляет собой совершенно новую фрактальную форму, называемую суперфракталом.

Для определенности возьмем две системы итерируемых функций F={ƒ1,ƒ2} и G={g1,g2}, где:

Аттракторы этих функций показаны на рисунке.

Аттракторы функций F = {ƒ1, ƒ2} (верхняя часть узора) u G = (g1, g2) (нижняя часть узора)

Далее реализуем процедуру построения 2-изменчивой системы. Эта реализация показана на следующей странице. После многочисленных итераций каждый следующий образ приближается к некоторому аттрактору, который и называется суперфракталом.

Барнсли заменил исходное изображение — линию — на образ «прыгающей рыбы». Он показал, что форма суперфрактала не зависит от формы исходного образа.

Фактически суперфрактал есть отображение системы итерируемых функций на систему итерируемых функций. Суперфракталы представляют своего рода математический мост между детерминистскими и стохастическими фракталами. При V = 1 суперфрактал совпадает с детерминистским фракталом, а при V → ∞ суперфрактал совпадает со стохастическим фракталом.

Напомним алгоритм построения «салфетки Серпинского» с помощью системы итерируемых функций в его графической форме.

Представленная на рисунке система итерированных функций основана на отношении 1/2. Назовем ее системой F.