Фракталы!


Введение во фракталы


1. Понятие "фрактал"

Понятия фрактал и фрактальная геометрия, появившиеся в конце 70-х, с середины 80-х прочно вошли в обиход математиков и программистов. Слово фрактал образовано от латинского fractus и в переводе означает состоящий из фрагментов. Оно было предложено Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался. Рождение фрактальной геометрии принято связывать с выходом в 1977 году книги Мандельброта `The Fractal Geometry of Nature'. В его работах использованы научные результаты других ученых, работавших в период 1875-1925 годов в той же области (Пуанкаре, Фату, Жюлиа, Кантор, Хаусдорф). Но только в наше время удалось объединить их работы в единую систему.

Роль фракталов в машинной графике сегодня достаточно велика. Они приходят на помощь, например, когда требуется, с помощью нескольких коэффициентов, задать линии и поверхности очень сложной формы. С точки зрения машинной графики, фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря. Фактически найден способ легкого представления сложных неевклидовых объектов, образы которых весьма похожи на природные.

Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. В самом простом случае небольшая часть фрактала содержит информацию о всем фрактале.

Определение фрактала, данное Мандельбротом, звучит так: "Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому" [3].


2. Классификация фракталов

Для чтобы представить все многообразие фракталов удобно прибегнуть к их общепринятой классификации [2].

2.1 Геометрические фракталы
Фракталы этого класса самые наглядные. В двухмерном случае их получают с помощью некоторой ломаной (или поверхности в трехмерном случае), называемой генератором. За один шаг алгоритма каждый из отрезков, составляющих ломаную, заменяется на ломаную-генератор, в соответствующем масштабе. В результате бесконечного повторения этой процедуры, получается геометрический фрактал.

Рис 1. Построение триадной кривой Кох.

Рассмотрим один из таких фрактальных объектов - триадную кривую Кох [3]. Построение кривой начинается с отрезка единичной длины (рис.1) - это 0-е поколение кривой Кох. Далее каждое звено (в нулевом поколении один отрезок) заменяется на образующий элемент, обозначенный на рис.1 через n=1. В результате такой замены получается следующее поколение кривой Кох. В 1-ом поколении - это кривая из четырех прямолинейных звеньев, каждое длиной по 1/3. Для получения 3-го поколения проделываются те же действия - каждое звено заменяется на уменьшенный образующий элемент. Итак, для получения каждого последующего поколения, все звенья предыдущего поколения необходимо заменить уменьшенным образующим элементом. Кривая n-го поколения при любом конечном n называется предфракталом. На рис.1 представлены пять поколений кривой. При n стремящемся к бесконечности кривая Кох становится фрактальным обьектом [3].

Рис 2. Построение "дракона" Хартера-Хейтуэя

Для получения другого фрактального объекта нужно изменить правила построения. Пусть образующим элементом будут два равных отрезка, соединенных под прямым углом. В нулевом поколении заменим единичный отрезок на этот образующий элемент так, чтобы угол был сверху. Можно сказать, что при такой замене происходит смещение середины звена. При построении следующих поколений выполняется правило: самое первое слева звено заменяется на образующий элемент так, чтобы середина звена смещалась влево от направления движения, а при замене следующих звеньев, направления смещения середин отрезков должны чередоваться. На рис.2 представлены несколько первых поколений и 11-е поколение кривой, построенной по вышеописанному принципу. Предельная фрактальная кривая (при n стремящемся к бесконечности) называется драконом Хартера-Хейтуэя [3].

В машинной графике использование геометрических фракталов необходимо при получении изображений деревьев, кустов, береговой линии. Двухмерные геометрические фракталы используются для создания объемных текстур (рисунка на поверхности обьекта) [2,3].



Фильм посвящен забавным математическим объектам - фракталам. Фрактальную природу имеют многие структуры в природе, они нашли применение в науке и технике. Фрактал — термин, означающий геометрическую фигуру, обладающую свойством самоподобия, то есть составленную из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком. Многие объекты в природе обладают фрактальными свойствами, например побережья, облака, кроны деревьев, кровеносная система и система альвеол человека или животных. Фракталы, особенно на плоскости, популярны благодаря сочетанию красоты с простотой построения при помощи компьютер.

Год выпуска: 2008
Страна: США
Жанр: документальный, научно-популярный
Продолжительность: 00:53:13
Перевод: Профессиональный (одноголосый)
Режиссер: Билл Джерси / Bill Jersey, Майкл Шварц / Michael

продолжение следует

Комментарии (62)

Всего: 62 комментария
  
#31 | Анатолий »» | 04.07.2013 22:37
  
1
Фрактальная линия генерируется случайным образом по рекурсивной формуле (1)


Обратим внимание, что в рассматриваемом случае прямой угол α = 90o дает величину


Пожалуй, это одно из немногих проявлений золотого сечения. Но не по визуализации, а
численному определению параметров.
Представляет интерес другой генератор № 2В, имеющий такую форму СИФ:

  
#32 | Анатолий »» | 05.07.2013 18:56
  
1
В качестве примера рассмотрим ещё три генератора (рис. 18).


СИФ соответственно имеют вид:


Разнообразим наши фракталы дополнительной подборкой:

  
#33 | Анатолий »» | 06.07.2013 18:38
  
1





Вместо заключения.
Итак, проанализированы наиболее распространенные формы
классических фракталов, являющихся прообразами более сложных структур.
В качестве переменных выбирались линейные и/или угловые параметры,
определяющие золотое сечение.
Каких-либо преференций ЗС в наблюдаемых графических построениях не отмечено.
Можно сказать, что в пределах исследованных фрактальных структур золотое сечение
особым образом себя не проявляет.
Сдаётся, что это малопродуктивный путь поиска общностей в связке "фракталы – ЗС".
Мало пользы искать золото во фракталах, которого там, скорее всего, нет. Не это
является приоритетом "золотоносности" фракталов.
Равно как нет особой необходимости специально внедрять ЗС во фракталы.
ЗС и фракталы и без этого достаточно близкие структуры.
Нужно искать не возможные проявления числа Ф во фракталах, а сходные проявления и
общность свойств на общетеоретическом уровне, что гораздо существеннее и весомее.
Та же рекурсия или непрерывная цепь самоподобна, как и фрактал. С какого бы места
не начали отсчёт, всё время будем приходить к числу Ф. Это и есть действительное
совпадение целого с частью себя самого.
То есть формирование числа золотого сечения уже фрактально подобно!
Образование самой гармонической пропорции также несёт в себе проявление
фрактальности.
Что-то ещё более значительное в отношении "фракталы – ЗС", вероятно, трудно найти.
Во всяком случае, проведенные исследования это подтверждают.
Что ж, отрицательный результат – тоже результат.
Если и говорить о взаимосвязи размерности "вселенских" фрактальных множеств с
золотым сечением, то это лишь зыбкое предположение.
Никаких аргументированных оснований для его фетишизации на сегодня нет.
Литература:
1. Мандельброт Б.Б. Фрактальная геометрия природы: Пер. с англ. – М.: Ин-т
компьютерных исследований, 2002. – 656 с.
2. Татаренко А.А. Золотые Тm-гармонии и Dm-фракталы – суть солитоно-подобного
Тm-cтруктурогенеза мира // Академия Тринитаризма. – М.: Элю № 77-6567, публ.12691,
09.12.2005.
3. Василенко С.Л. Триномиально-квадратичный код мироздания // Академия
Тринитаризма. – М.: Эл. № 77-6567, публ.15995, 12.07.2010. –

4. Василенко С.Л. Базовое тождество математических основ гармонии // Академия
Тринитаризма. – М.: Эл. № 77-6567, публ.16069, 10.09.2010. –

5. Каменская В.Г., Зверева С.В. Ряд Фибоначчи и его странные свойства: фрактальные
и нумерологические характеристики // Сознание и физическая реальность. – 2001.– № 5. –
С. 17–30. –
6. Wall D.D. Fibonacci Series Modulo m // American Mathematical Monthly. – Vol. 67
(1960), 525–532.
7. Василенко С.Л. Циклические структуры и сокрытые периодичности суммирующих
рекурсий // Академия Тринитаризма. – М.: Эл. № 77-6567, публ.15756, 17.01.2010. –

8. Сокольчук К.Ю., Остапович В.В. Золотая пропорция, фракталы и хаос в связи с
некоторыми представлениями о мироздании // Клуб константа. – Киев, 2007. –

Академия Тринитаризма. – М.: Эл № 77-6567, публ.16576,
20.06.2011.
9. Василенко С.Л. Бифуркации в нелинейной динамической модели на основе
золотого сечения // Академия Тринитаризма. – М.: Эл. № 77-6567, публ.15232, 14.04.2009. –

10. Харитонов А.С. Становление социальных систем и фрактал "золотого сечения" //
Научно-методолог. сборник факультета социального управления. – М., 2008.– С. 77–82.
11. Шипицын Е.В., Попков В.В. Двойственность и золотое сечение в теории фракталов и
хаоса // Вестник Международного института А. Богданова. – 2001. – № 2(6). – С. 5–27 /
Академия Тринитаризма. – М.: Эл. № 77-6567, публ.11073, 18.03.2004. –

12. Кроновер Р.М. Фракталы и хаос в динамических системах. – М: Постмаркет, 2000. –
352 с.
13. Василенко С.Л. Математические начала гармонии: русская матрешка в
геометрических образах гармонической пропорции // Академия Тринитаризма. – М.: Эл.
№ 77-6567, публ.15978, 04.07.2010. –
14. Байрашев К.А., Рекотов Р.А., Байрашева В.К. Определение центра масс
фрактальных структур // Фундаментальные исследования. – 2006. – № 7 – С. 18–19. –

15. Василенко С.Л., Белянин В.С., Радзюкевич А.В. Центры масс однородных тел как
аттракторы возвратных последовательностей (Фибоначчи, Трибоначчи ...) // Академия
Тринитаризма. – М.: Эл. № 77-6567, публ.16023, 30.07.2010. –

16. Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. Миниатюры из бесконечного рая. –
Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. – 528 с.
17. Василенко С.Л. Фрактальные многоугольники и золотое сечение // Академия
Тринитаризма. – М.: Эл № 77-6567, публ.15108, 21.02.2009.

18. Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы: Учеб. пособ. – Ижевск:
НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. – 128 с.
© ВаСиЛенко, 2011
  
#34 | Анатолий »» | 07.07.2013 23:43
  
1
Фрактальная логика.



Линия состоит из множества точек; плоскость - из бесконечного множества линий; книга - из бесконечного множества плоскостей; сверхкнига - из бесконечного множества книг. Нет, решительно не так. Не таким more geometrico должен начинаться рассказ. Сейчас любой вымысел сопровождается заверениями в его истинности, но мой рассказ и в самом деле - чистая правда.

Х.Л. Борхес "Книга песка"
Содержание



Глава 1 Исторические предпосылки фрактальной логики

1.1 Математические “монстры” - примеры и проблемы
1.2 Логические парадоксы – примеры и проблемы
1.3 “Монстры” и парадоксы – неслучайные совпадения.
1.4 Исторический очерк фрактальной геометрии
1.5 Принцип дополнительности фрактальной геометрии
1.6 Парадоксы как фракталы. Фрактальная логика: обратная связь как модель “монстров” и парадоксов
1.7 Парадокс лжеца: логический формализм через понятие обратной связи.


Глава 2 Логические ряды и логические фракталы

2.1 Определение логического ряда. Виды рядов.
2.2 Процедуры генерации логических рядов с помощью обратных связей. Прямая и обратная задача генерации логического ряда.
2.3 Операции с логическими рядами
2.4 Кортежи, масштабы и инварианты логических рядов. Самоподобие. Определение регулярного логического фрактала.
2.5 Формализм масштабного преобразования. Определение преобразованных логических фракталов.
2.6 Монады. Монадология.
2.7 Тезис о построении логического фрактала через два типа обратных связей
2.8 Количественные характеристики логических фракталов

Послесловие: проблемы и задачи фрактальной логики


Глава 1 Исторические предпосылки фрактальной логики

1.1 Математические “монстры” - примеры и проблемы
Рассмотрим построение триадной кривой, которую впервые исследовал в 1904 году шведский математик Хельге фон Кох (рисунок 1.1.1).
Возьмем прямолинейный отрезок длины 1. Назовем его затравкой. Разобьем затравку на три равные части длиной в 1/3, отбросим среднюю часть, и заменим ее ломаной из двух звеньев длиной 1/3 таким образом, чтобы средняя часть оказалась основанием равностороннего треугольника со стороной 1/3. Мы получили ломаную, состоящую из четырех звеньев с общей длиной 4/3 – так называемое первое поколение.
Для того чтобы перейти к следующему поколению кривой Коха, надо у каждого звена аналогично отбросить и заменить среднюю часть.
Соответственно, длина второго поколения будет равна 16/9, третьего – 64/27 и так далее.
Если продолжить этот процесс до бесконечности, то в результате получится триадная кривая Коха.
Рассмотрим свойства этой кривой.
Во-первых, эта кривая не имеет длины – как мы убедились, с увеличением числа поколений ее длина стремится к бесконечности.
Во-вторых, к этой кривой невозможно построить касательную – каждая ее точка является точкой перегиба (особой точкой или сингулярностью), в которой производная не существует - эта кривая не гладкая.
  
#35 | Анатолий »» | 08.07.2013 15:58
  
1
Рис.1.1.1 Построение кривой Коха


Длина и гладкость – фундаментальные свойства кривых, которые изучаются как евклидовой геометрией, так и неевклидовыми геометриями типа геометрий Лобачевского или Римана. На основании этих свойств развиваются методы анализа и преобразования геометрических фигур.
К триадной кривой Коха традиционные методы геометрического анализа оказались неприменимы. Поэтому, кривая Коха оказалась чудовищем – “монстром” среди гладких обитателей традиционных геометрий.
Одним из первых, кто досконально начал изучать “монстров” был Карл Вейерштрасс. Вслед за Бернардом Больцано, опубликовавшем в 1851 году книгу "Парадоксы бесконечности", он привел пример функции, графиком которой была негладкая кривая, обратив внимание на то, что понятие “непрерывная функция” и “непрерывная функция имеющая в каждой точке производную” не являются тождественными.
18 июля 1872 года в докладе Берлинской академии наук Вейерштрасс доложил пример негладкой непрерывной функции. Данная функция задается рядом:


График этой функции (рис. 1.1.2) самоподобен, то есть, инвариантен (неизменен) при определенных преобразованиях координат (растяжения по абциссам в b раз и в 1/a раз по ординатам). В малом масштабе дублируются детали крупного масштаба, в результате этого можно говорить, что это функция никогда не сводится на малом отрезке к линии - она непрерывна, но не имеет дифференциала и производной. Функция имеет очень сложную “пилообразную” структуру - причем на “пилы” большего масштаба до бесконечности накладываются “пилы” меньшего.


Рис 1.1.2 Функция Вейерштрасса при a=0,5 b=4 на различных масштабах: иллюстрация самоподобия
Пример Вейерштрасса получил широкий отклик и потряс математиков. “Как интуиция может обмануть нас до такой степени?” - восклицал Пуанкаре. Бурбаки так описывает период появления “монстров”:
“...примеры кривых, не имеющих касательных, построенные Больцано и Вейерштрассом, положили начало патологическим явлениям в математике. В течение целого века мы видели столько чудовищ такого рода, что почувствовали некоторое пресыщение, и чтобы нас действительно удивить, надо было бы показать нам нагромождение самых нелепых уродств. У большинства математиков XIX в. чувство отвращения сменилось состоянием растерянности... надо было винить грубый и несовершенный характер нашей геометрической интуиции, и вполне понятно, что после этого она с полным правом была дискредитирована как средство доказательства”.
“Монстры” составили своеобразную альтернативу объектам и методам евклидовой геометрии. До конца XX века эта альтернатива носила скорее негативный, чем позитивный оттенок. “Монстры” не были другой геометрией, это были скорее “темные” и “запретные” зоны геометрического анализа в которых традиционные методы не работали.
  
#36 | Анатолий »» | 09.07.2013 18:25
  
0
Рис. 1.1.4 Карл Вейерштрасс
(1815 - 1897)
Немецкий математик, автор аксиомы Вейерштрасса, признака Вейерштрасса, теоремы Вейерштрасса и множества исследований в области математического анализа, теории чисел, вариационного исчисления.

Рис.1.1.3 Бернард Больцано
(1781 - 1848)
Чешский философ, матемтик и теолог. Считал, что актуальная бесконечность существует объективно в двух аспектах – как данное (реальное) и как нереальное, но возможное существование "в себе". Нереальная бесконечность не зависит от субъекта и создает возможность мыслить чистыми, отвлеченными понятиями.

1.2 Логические парадоксы – примеры и проблемы

"Из них же самих один стихотворец сказал: "Критяне всегда лжецы, злые звери, утробы ленивые". Свидетельство это справедливо".
Послание к Титу святого апостола Павла. Глава 1. Стих 12-13.

Как известно, логика оперирует с высказываниями – записанными с помощью знаков суждениями естественного или искусственного языка, которые имеют значения – сформулированные для данного высказывания логические содержания. Набор значений конечен. В случае классической двузначной логики этот набор - истина и ложь. Одно высказывание не может одновременно иметь несколько значений.
Высказывания можно формализовать – то есть записать на формальном языке и сформулировать логику высказываний – набор процедур и операций, которые преобразуют одни высказывания в другие или изменяют значения высказываний.
На этом предположении строится традиционная формальная логика, устанавливающая процедуры и операции над высказываниями.
Рассмотрим суждение естественного языка “Я лгу”. Преобразуем его в высказывание логики. Для этого проанализируем его содержание и интерпретируем логические значения.
Если мы предположим, что содержание высказывания “Я лгу” истинно, то его содержание указывает на то, что это высказывание ложно, следовательно, это высказывание является ложным, и его значение – ложь.
Если мы предположим, что содержание высказывания “Я лгу” ложно, то суждение “Я лгу” неверно. Следовательно, я говорю истину, и это высказывание является истинным. Его значение – истина.
Таким образом, одно и то же высказывание обладает двумя значениями одновременно.
Высказывание “Я лгу” – широко известный с древних времен пример семантического парадокса, иллюстрирующего противоречивость интерпретаций высказываний.
Одним из первых исследователей парадоксов был Зенон Элейский, занявший место в истории философии благодаря рассмотрению четырех парадоксов движения.

Рис.1.2.1 Зенон Элейский
(430-495 до н.э.) и иллюстрация знаментитого парадокса "Ахилл и черепаха". Всего Зенонм было придумано более 40 апорий, направленных против бесконечности и движения.

В своих парадоксах Зенон пытался показать, что из определенного положения можно получить суждения, противоречащие друг другу. Следовательно, необходимо подвергнуть критике это положение.
Анализ парадоксов – любимая тема логических исследований XIX-XX веков, из которой выросло множество интересных работ по философии, основаниям математики, логическим теориям, искусственному интеллекту.
Парадоксы оказали колоссальное воздействие на литературу и беллетристику ХIХ-ХХ веков. Здесь можно упомянуть имена Л. Кэррола, Х.Л. Борхеса, Б. Касареса, Х. Кортасара, У. Эко, М. Павича.
Самой яркой работой на эту тему, на мой взгляд, является книга Дагласа Хофштадтера "Гёдель, Ешер, Бах". Главные герои книги – персонажи Зенона – Ахилл и Черепаха, постоянно попадают в бесконечные и парадоксальные ситуации. Между их диалогами обсуждаются проблемы логики, геометрии, биологии, нейрофизиологии, музыки и дзен-буддизма.
Кроме семантических парадоксов популярной темой исследований являлся анализ теоретико-множественных парадоксов, самым известным из которых был парадокс Рассела. Этот парадокс фиксировал противоречивость фундаментальной категории логики – категории множества.

Рис. 1.2.2 Бертран Артур Уильям Рассел
(1872-1970). Портрет и шарж с формулировкой знаменитого парадокса. Рассел - автор огромного количества книг по философии, логике, основаниям математики. Нобелевскую премию получил по литературе.

Так же как и “монстры”, поражающие математиков, парадоксы поражали логиков. Они не вписывались в традиционные процедуры логического анализа и наводили на мысль о том, что в основаниях логики не всё благополучно.
  
#37 | Анатолий »» | 10.07.2013 23:12
  
1
1.3 “Монстры” и парадоксы – неслучайные совпадения.

Сопоставив историю исследований геометрических “монстров” и логических парадоксов, можно увидеть ряд удивительных совпадений.
Совпадения исторические.
Если начинать отсчет с мифических времен, то первым известным нам местом встречи монстров и парадоксов будет остров Крит.
"Все критяне лжецы" – сказал один критянин" – формулировка древнейшего парадокса.
Лжецы критяне, еще и потому, что якобы у них был выстроен лабиринт – топологический аналог геометрического "монстра" и дом мифического монстра Минотавра – чудовища с головой быка и туловищем человека. Минотавр живет в архитектурном «монстре». Первооткрывателем (или первостроителем) этого геометрического – архитектурного "монстра" следует признать Дедала – строителя лабиринта.
Случайно или нет совпадение места лабиринта и места рождения парадокса лжеца? Сказать сложно. Лично меня это совпадение удивляет и поражает. Когда совмещаешь эти вещи, то охватывает ощущение резонанса, соприкосновения с какой-то тайной зашифрованной в этом совпадении. Может быть, тайной рождения европейской культуры и цивилизации, европейского "линейного" мышления из "нелинейного" мифа. Я вернусь к этой теме в конце книги

Рис 1.3.2 Монета с острова Крит с изображением лабиринта – метафоры геометрического «монстра»
Рис 1.3.1 Минотавр – монстр с головой быка

Мысленно перенесемся в другую эпоху и возьмем в качестве отправной точки 1903 год. В этом году Бертран Рассел пишет письмо Готлобу Фреге, впервые описывающее его знаменитый парадокс. Именно в этом году шведский математик Хельге фон Кох строит свои кривые и публикует их в следующем – 1904 году.
За тринадцать лет до этого Давид Гильберт в Кенигсберге исследует и обращает внимание научного сообщества на очередного “монстра” - кривую, построенную в 80 годах XIX века итальянским математиком и логиком Джузеппе Пеано. Приблизительно в это же время – в начале 90 годов, Георг Кантор исследует парадоксы в определении понятия “мощность множества”.
В 1912 году - через девять лет после 1903 года, поляк Вацлав Серпинский пополняет “монструарий” новыми фигурами - своими “салфетками” и треугольниками. На время перед первой мировой войной приходится расцвет полемики вокруг теоретико-множественных парадоксов в сообществе логиков.
В двадцатых-тридцатых годах ХХ века русский инженер адмирал А. Крылов применил функции без производных для моделирования процесса колебаний корабля: "монстры" постепенно стали приобретать физический смысл.
  
#38 | Анатолий »» | 11.07.2013 23:02
  
1
Рис 1.3.3 Нильс Фабиан Хельге фон Кох

Niels Fabian Helge von Koch
(1870 – 1924)

Шведский математик, работами которого иллюстрируются практически все книги по фрактальной геометрии. Возможно, что основой для этих работ послужили представления Давида Гильберта, к школе которого принадлежал фон Кох.


Рис 1.3.4 Фрагмент публикации Х. Коха "Une mйthode gйomйtrique йlйmentaire pour l'йtude de certaines questions de la thйorie des courbes planes", Acta Mathematica 30 (1906 г.),145-174


1.3.5 Давид Гильберт (1862 – 1943)

Великий немецкий математик, оставивший крупный вклад в теории инвариантов, основаниях геометрии, в логических основаниях математики. Его исследования "монстров" тесно переплетались с поисками непротиворечивых оснований геометрии


1.3.6 Публикация Д. Гильберта (1890), анализирующая работы Пеано



1.3.7 Вацлав Францижек Серпинский (1882 - 1969)
Основные труды Вацлава Серпинского связаны с теорией множеств и ее приложением к топологии. Кроме этого, на русском языке известны работы Серпинского по теории чисел и арифметике.



1.3.8 Построение треугольника Серпинского



Рис. 1.3.9 Алексей Николаевич Крылов (1863-1945)
Всемирно известный кораблестроитель. Разработал схемы расчетов основных характеристик корабля – остойчивости и плавучести. Создал теорию килевой качки, заложил основы строительной механики, динамики и вибрации кораблей.

Совпадения биографические.
Георг Кантор – пример математика и логика, который в своем творчестве обращался как к анализу парадоксов, так и к построению и исследованию “монстров” причем на одном и том же примере. В 1883 году Кантор публикует свою работу “Ьber unendliche, lineare Punktmannigfaltigkeiten”, в котором демонстрирует пример построения “монстра” – множества точек, называемого сейчас множеством Кантора. Это множество образовано в результате бесконечного итерационного процесса, похожего на процесс построения кривой Коха (рис. 1.3.11). Кантор последовательно отбрасывал из отрезка единичной длины сначала среднюю часть, а потом средние части всех оставшихся фрагментов. Проделав эту процедуру бесконечное число раз, великий логик рассмотрел свойства получившегося множества точек – так называемой канторовой пыли. Кантор показал, парадоксальность этого “монстра”. Мощность получившегося множества точек оказалась равной мощности множества точек на отрезке.
В этом примере встретились парадокс и “монстр” – “монстр” оказался иллюстрацией парадоксального понятия мощности множества, воплощением непонятной бесконечности. Кантор пытается понять бесконечность и строит концепцию для ее описания.
  
#39 | Анатолий »» | 12.07.2013 17:13
  
1

Рис.1.3.10 Георг Фердинанд Кантор (1845-1918)

По выражению Гильберта, развив теорию множеств, Кантор построил рай для математиков. Первым ввел в математику понятие актуальной бесконечности, сопоставив ей математические объекты – трансфинитные числа. Построил теорию трансфинитных чисел, связав ее с теорией множеств. Ввел понятия мощности множества и подобия множеств


Рис. 1.3.11 Построение канторовой пыли


Рис 1.3.12 Первая страница работы Кантора “Ьber unendliche, lineare Punktmannigfaltigkeiten” (1883)
Не случайным, с точки зрения изучения биографических совпадений, оказывается увлечение логикой Бернарда Больцано. В 1837 году Больцано пишет книгу "Попытка нового понимания логики", в которой он попытался ввести новую неформализованную "Про-Лейбницевскую" логику.
Попытки поиска оснований логики предпринимал и Джузеппе Пеано – автор кривой Пеано, исследовавший в 80-90 годах XIX века понятия числа. Пеано интересовался рекурсивными схемами – процедурами, с помощью которых можно определить понятие числа.
Работы Пеано оказали влияние на Бертрана Рассела, его взгляды периода "Принципов математики".


Рис. 1.3.14 Джузеппе Пеано
(1858-1932)
Занимался проблемами основания математики и математического анализа, ввел в оборот аксиоматику натурального ряда чисел.
Рис.1.3.13 Процедура построения кривой Пеано


Совпадения социальные.
И “монстры” и парадоксы – это контрпримеры, противоречащие существующим на данный момент парадигмам в сообществе ученых, частные случаи, разрушающие хорошо выстроенные научные представления.
Есть совпадения в отношении научного сообщества к “монстрам” и парадоксам. Удивление, испуг, растерянность, заменялись запретами на их применение и попытками создать новую теорию, свободную от “монстров” и парадоксов – описать логически корректные и непротиворечивые основания математики.

Этот процесс был проанализирован Имре Лакатосом в его книге «Доказательства и опровержения». Лакатос назвал его “monster barring” - процессом “исключения монстров” - как некоторой позитивистской программы ухода от парадоксальности при исследовании геометрических и логико-математических объектов, построенных путем бесконечных рекуррентных процедур.
Книга «Принципы математики» Б. Рассела и А. Уайтхеда с этой точки зрения предстает как попытка исключения монстров, попытка найти непротиворечивые первые принципы, основания математики, свободные от рекурсий и бесконечных кругов, заселяющих логику "монстрами". Попытка, на взгляд Лакатоса, неудачная.
Совпадения операциональные: дискретность процедур.
Построение “монстров” и парадоксов можно представить как набор дискретных операций-алгоритмов, напоминающих рецепт. Сначала договариваются о каких-то правилах игры, а потом описываются конечные мыслительные или геометрические операции, исполнение которых приводит к тому, что появляется “монстр” или парадокс.
Совпадения самодостраивания и цикличности.
И “монстры” и парадоксы есть результат применения процедур к одному и тому же объекту и изменений этого объекта, исходя из состояния этого объекта. Парадокс – это самореферентное суждение, суждение о суждении. «Монстр» - самореферентная рекуррентная процедура.
В случае с парадоксами суждение начинает бегать по кругу – от “Высказывание истинно, значит оно ложно” к “Высказывание ложно, значит, оно истинно”. Мысль зацикливается и не может остановиться. При этом, суждение пытается обосновать себя самого – объектом анализа суждения становится само суждение, рождается новое значение, разрушающее присутствие старого значения. Это и есть “самодостраивание”: зацикливаясь, мыслительная процедура, выстраивает сама себя и рождает парадокс.
Аналогичный процесс запускается и при построении “монстров”. Фигуры Коха, Пеано или Серпинского не есть выстроенные объекты, а есть процессы самодостраивания – процессы бесконечных изменений одного и того же объекта.
“Монстр” есть выстраивание - циклический, постоянно возвращающийся процесс изменения. Если процесс итераций остановить, то “монстр” тут же превратится в обычную ломаную линию с конечным количеством особых точек.
Совпадения бесконечности.
Суждение, попав в логический круг, начинает вертеться в нем – значения не фиксируется, и меняется бесконечное число раз по циклу: “Суждение истинно значит ложно, суждение ложно значит истинно”.
Так же, до бесконечности, продолжается построение “монстра”.
Бесконечность присутствует как в изменении значений парадоксального высказывания, так и в итерациях “монстров”.
Бесконечность сводит с ума борцов с монстрами, являясь символом нелогичности и иррациональности.
Концептуальные совпадения
Есть несколько научных и философских концепций, обращающихся одновременно и к математическим монстрам, и к логическим парадоксам.
Во-первых, это теория хаоса и концепция сложности (complexity), синергетическая парадигма, которые приводят парадоксы в качестве результата "линейного" мышления. «Монстры» в этих концепциях - формы нового, "нелинейного" мира.
Во-вторых, это концепция автопоэзиса, бурно развиваемая сейчас философами, биологами и социологами, основателями которой считаются чилийские биологи и эпистемологи Умберто Матурана и Франциско Варела. Франциско Варела в своих работах приводил монстры и парадоксы в качестве моделей саморазвивающихся, самодостраивающихся автопоэтических систем.
Многие статьи У. Матураны и Ф. Варелы присутствуют в ИНТЕРНЕТ. В качестве отправной точки можно сходить на сервер www.synergetic.ru, где присутствуют обзоры и библиография работ.
Наша задача состоит в том, чтобы выстроить совпадения математических "монстров" и логических парадоксов на концептуальном поле фрактальной геометрии.


Рис 1.3.15 Иллюстрация бесконечного самодостраивания и цикличности: метафора автопоэзиса. М. Эшер. Руки
  
#40 | Анатолий »» | 13.07.2013 17:58
  
1
Умберто Матурана
(род. 1928)
Чилийский нейрофизиолог, один из ярких представителей современной эволюционной эпистемологии или «биологии познания», анализирующий биологические корни человеческого мышления.
Франциско Варела (1946 -2001)
Ученик У. Матураны, развивший в своих работах оригинальное направление в системных исследованиях, связанное с анализом автономии и самовоспроизводства познающих систем

1.4 Исторический очерк фрактальной геометрии
…( и что этот образ? не явь и не сон,
не заболеванье и не исцеленье,
а с криком летящая над колесом
мгновенная ласточка одушевленья)
тогда он и скажет себе: - Чудеса!
Не я ли раздвинул тяжелые вещи,
чтоб это дышало и было как сад,
как музыка около смысла и речи,
и было псалтырью, толкующей мне
о том, что никто, как она, не свободен, -
словами, которых не ищут в уме
делами, которых нигде не находят...

Ольга Седакова "Последний читатель"

"Почему геометрию часто называют холодной и сухой? Одна из причин заключается в ее неспособности описать форму облака, горы, дерева или берега моря. Облака - это не сферы, горы - не конусы, линии берега - это не окружности, и кора не является гладкой, и молния не распространяется по прямой. Природа демонстрирует нам не просто более высокую степень, а совсем другой уровень сложности. Число различных масштабов длин в структурах всегда бесконечно.
Существование этих структур бросает нам вызов в виде трудной задачи изучения тех форм, которые Евклид отбросил как бесформенные - задачи исследования морфологии аморфного. Математики, однако, пренебрегли этим вызовом и предпочли все больше и больше отдаляться от природы, изобретая теории, которые не соответствуют ничему из того, что можно увидеть или почувствовать."
Этими, ставшими уже популярными, словами американский математик Бенуа Мандельброт начинает свой всемирно известный бестселлер “The Fractal Geometry of Nature”.
Фрактальная геометрия, по Мандельброту это и есть настоящая геометрия природы, отличающаяся от традиционных геометрий, уводящих человека в царство безжизненных абстракций. Природа аморфна и причудлива.
Фрактал - форма природного хаоса, форма аморфного, форма бесформенного, приближающая взгляд и ум человека к природе.
Термин "фрактал" предложен Мандельбротом. Вот что пишет он сам по этому поводу в разделе “Фрактал” и другие неологизмы” во введении к своей книге “Фрактальная геометрия природы”:
"Я создал термин фрактал от латинского прилагательного fractus. Соответствующий латинский глагол frangere означает "разрывать, прерывать": создавать нерегулярные фрагменты. Это, следовательно, имеет (подходящее для нас!) значение дополнительное к термину "фрагментированный" (как и к фракция (fraction), рефракция (refraction)), fractus также "нерегулярный", оба значения сохраняются в термине fragment.
Правильнее поизносить - frac'tal - с ударением таким же, как и в слове fraction.
Сочетание “фрактальное множество” (fractal set) будет определена строго, но сочетание “природный фрактал” (nature fractal) будет подано свободно - для определения природных примеров, которые полезно репрезентировать с помощью фрактальных множеств. Например, броуновская кривая - это фрактальное множество, а физическое броуновское движение - это природный фрактал.
(Поскольку алгебра происходит от Арабского jabara = “связывающего вместе”, фрактал и алгебра стоят в этимологических оппозициях!)
Обычно, в моих путешествиях по вновь открытой или заново определенной территории, я часто перемещался под влиянием права на присваивание имени поворотным пунктам этой территории. Как правило, тщательно созданный неологизм представляется более лучшим, чем добавление новый морщина к уже затасканному термину.”

Мандельброт рассматривает математические аналоги природных форм и уточняет представление о фракталах – особых геометрических множествах, форма которых принципиально отличается от традиционных геометрических форм типа точки, линии и плоскости.
В качестве примера фракталов Мандельброт рассмотрел множества Жюлиа Мандельброта на комплексной плоскости.


Вот что писал великий английский физик и математик Роджер Пенроуз по поводу фрактального множества Мандельброта:
“Доводилось ли вам когда-нибудь видеть картины, нарисованные компьютером, - объекты, известные под названием множеств Мандельброта? Впечатление такое, как будто вы отправляетесь в путешествие в какой-то далекий мир. Вы включаете свое чувствительное устройство, видите невероятно сложную конфигурацию с множеством всевозможных деталей и пытаетесь понять, что это такое. Вы можете вообразить, что перед вами какой-то необыкновенный ландшафт или, быть может, живое существо, облепленное со всех сторон крохотными детенышами, очень похожими на породившее их создание, но всё же несколько отличающееся от него. Весьма искусная и впечатляющая картина!
И всё же, даже глядя на уравнения, никто не имел ни малейшего представления о том, что они могут порождать структуру такого типа. А ведь эти ландшафты - не плод чьего-то разыгравшегося воображения: все видят одну и ту же картину.
Вы исследуете нечто с помощью компьютера, но это ничем не отличается от исследования, проводимого с помощью обычной экспериментальной техники.”
Мандельброт демонстрирует методологию описания множеств, полученных с помощью рекуррентных процедур.
В качестве качественного инварианта описания он применяет понятие самоподобия, подразумевающее подобие фрагмента множества, полученного бесконечной рекуррентной процедурой, всему множеству.


Рис. 1.4.1 Бенуа Мандельброт (род. 1924)
Автор термина "фрактал" и основоположник фрактальной геометрии




Рис 1.4.2 а)-е) Фрагменты множества Мандельброта при различных масштабах.
Фрагмент в рамке показан на следующем (по буквенному обозначению) рисунке. Фрагмент в е) напоминает по форме а).


Для количественного описания фрактальных множеств Мандельброт предложил использовать понятие размерности фрактального множества.
В обычном понимании размерность геометрического множества есть число измерений, с помощью которых можно задать положение точки на геометрическом объекте.
В свое время бурные дискуссии вызвал переход в “многомерие” - от плоскостей с размерностью два и евклидовых пространств с размерностью три, к менее представляемым n-мерным абстракциям. Достаточно сложно себе представить четырех, пяти или шестимерное пространство.
Сходная ситуация, на наш взгляд, складывается и в связи с освоением концепции фрактала.
Переход от «линейного мышления» к «фрактальному» сопряжен с введением новых интерпретаций размерности - числа измерений предметов.
Фрактальная геометрия заставляет мыслить в понятиях “дробномерия” - дробных измерений, или даже “дробномирия”.
Вот что пишут Ю.А.Данилов и Б.Б.Кадомцев в известной статье "Что такое синергетика?":
Мандельброт предложил использовать в качестве меры «нерегулярности» (изрезанности, извилистости и т. п.) определение размерности, предложенное Безиковичем и Хаусдорфом. Фракталь (неологизм Мандельброта) - это геометрический объект с дробной размерностью Безиковича-Хаусдорфа...
...Размерность Безиковича-Хаусдорфа всегда не меньше евклидовой и совпадает с последней для регулярных геометрических объектов (для кривых, поверхностей и тел, изучаемых в современном учебнике евклидовой геометрии). Разность между размерностью Безиковича-Хаусдорфа и евклидовой - «избыток размерности» - может служить мерой отличия геометрических образов от регулярных. Например, плоская траектория броуновской частицы имеет размерность но Безиковичу-Хаусдорфу больше 1, но меньше 2: эта траектория уже не обычная гладкая кривая, но еще не плоская фигура....
...Под фракталом, подразумевался некий сильно изрезанный, геометрический объект, который являлся, например уже не точкой, но еще не гладкой линией, или уже не линией, но еще не плоскостью.”
Мандельброт специально нашел такое определение размерности (размерности по Хаусдорфу и Безиковичу), которое бы в частном случае соответствовало нашим представлениям о классических целых размерностях, а в общем случае позволяло вводить и измерять фрактальные предметы.
Для уточнения понятия размерности рассмотрим множество S точек в некотором евклидовом пространстве.
  
#41 | Анатолий »» | 14.07.2013 23:47
  
0
Будем покрывать это множество по очереди отрезками прямой, квадратами, кубами. Для этого выберем функцию покрытия
которая при d=1 соответствует прямолинейным отрезкам, при d=2 квадратам, при d=3 - кубам. g - это геометрический коэффициент равный в нашем случае единице.

Рассмотрим меру множества
Мера – это общее понятие для таких понятий как длина, площадь и объем, которая работает "в зазорах" между этими понятиями.
равна нулю или бесконечности в зависимости от выбора d-размерности меры. Например, при покрытии фрагмента плоскости отрезками (d=1) мера равна бесконечности так как длина плоскости бесконечна - поверхность нельзя покрыть конечным числом отрезков, чья длина стремится к нулю. При покрытии фрагмента плоскости кубиками (d=3), мера стремится к нулю - объем плоскости равен нулю. Однако, при d=2 мера плоскости стремится к конечной величине. Этой мерой служит площадь исследуемого нами фрагмента плоскости.
При покрытии фигуры Коха (рис.1.1.1) отрезками (d=1), мера (длина фигуры) стремится к бесконечности. При покрытии фигуры Коха квадратами (d=2) мера (площадь фигуры) стремится к нулю. Этот факт дает основание предположить, что между d=1 и d=2 должно существовать значение d, при котором мера меняет свое значение с нуля на бесконечность.
Размерность Хаусдорфа-Безиковича D множества S есть критическая размерность, при которой мера Md меняет своё значение с нуля на бесконечность:
В случае с плоскостью, размерность Хаусдорфа-Безиковича равна двум. В случае фигуры Коха эта размерность не является целой и является фрактальной. Мера фигуры Коха не является длиной и площадью, а находится между ними.
Для определения размерности сложной фигуры на евклидовой плоскости (береговой линии, кластера), ее покрывают набором квадратов со стороной l®0, и при различных l подсчитывают число квадратов N(l). Далее ищется степенная функция меры таким образом, чтобы она была конечной при каком-то показателе степени. Для этого в двойных логарифмических координатах строится зависимость числа квадратов, покрывших фигуру, от длины сторон этих квадратов. Получается график, похожий на график зависимости длины береговой линии от функции выбранного шага (рис. 1.5.2). По углу наклона этого графика определяется фрактальная размерность.
Размерности можно вводить и по-другому. Будем покрывать изучаемое множество в p-мерном пространстве кубиками с ребром e. Кубику с номером i сопоставим вероятность Pi, с которой в него попадают точки множества. Далее можно ввести набор величин Dq называемых обобщенными размерностями, по формуле:
где суммирование ведется по всем кубикам покрытия.
При разных q возникают разные виды размерностей, характеризующих исследуемое множество - степень упорядоченности точек в пространстве.
Теория размерности – область математики, активно разрабатываемая в работах А. Н. Колмогорова, А. Реньи, Ф. Хаусдорфа.
  
#42 | Анатолий »» | 16.07.2013 19:14
  
0

1.4.3 Феликс Хаусдорф (1868 - 1942)
Автор оригинальных трудов по теории множеств, топологии, функциональному анализу. Предложил понятие меры и размерности, которое использовал Мандельброт для количественного описания фракталов. В 1942 году покончил жизнь самоубийством, узнав о предстоящей отправке своей семьи в гитлеровский концлагерь


Рис. 1.4.4 Андрей Николаевич Колмогоров (1903 - 1987)
Великий советский математик. Получил фундаментальные результаты в теории множеств, теории меры, используемые в хаотической и фрактальной динамике.



Рис. 1.4.5 Альфред Реньи (1921 - 1970)
Внес большой вклад в теорию размерностей и теорию множеств. Во фрактальной геометрии и мультифрактальном анализе активно используется понятие обобщенной размерности, введенное Альфредом Реньи


1.5 Принцип дополнительности фрактальной геометрии
Кроме исследования математических фракталов, Мандельброт предъявил процедуры отождествления математических фракталов и реальных природных и социальных объектов – облаков, рек, береговых линий, капилляров, колебаний цен на рынке.
В статье «Метафизика фрактала» мною было показано то, как введение фрактальной концепции в практику научных исследований разрушает евклидианскую исследовательскую научную программу. Этот процесс был рассмотрен с помощью представлений И. Лакатоса о влиятельной метафизике научной теории (то есть, о положениях, стоящих над эмпирической проверкой и направляющих научный поиск).
Концепция фрактала игнорирует "защитный пояс" классических геометрических концепций (конкретные исчисления, связанные с евклидианской программой фрактальной концепцией даже не критикуются), заменяя "жесткое ядро" - тривиальные первые принципы - категории геометрии. Этим самым задается метафизика фрактала - влиятельная метафизика фрактальной концепции.
Эта замена идет не по пути изменения или введения новой аксиоматики, основанной на строгих логических приемах определения понятия, а по пути введения интерсубъективного контекста фрактальной концепции - создания устойчивых практик узнавания фрактала как в феноменах математики (геометрических множествах, решениях нелинейных уравнений), так и в феноменах - конструктах прикладных теорий (географии, лингвистики, астрофизики).
В связи с этим, можно предложить схему контекстуального введения категории фрактала и задания на этой базе влиятельной метафизики - как самоорганизации коммуникаций, интерсубъективной среды для диалога между учеными, способствующему усилению познавательной ценности категории фрактала.
Мандельброт вводил представления о фрактале фрактально – не жестко и хаотически:
во-первых, Мандельброт ввел термин "фрактал";
во-вторых, он ввел "затравку" - первое - (математически точное, но в общем случае, неверное) определение понятия фрактала через размерность Хаусдорфа-Безиковича;
и, в-третьих, он запустил интерсубъективный механизм "самоорганизации научного понятия" – развил ассоциации между термином "фрактал" и предметами математики и природы в научном сообществе.
Для создания механизма «самоорганизации понятия» Мандельброт сумел описать (пользуясь методами аналогии, компьютерной визуализации, перечислением сходных, по его представлениям, предметных областей, применяя метафоры) способы отождествления (узнавания) различных математических и природных форм как фрактальных, с помощью которых можно было бы расширить "затравочное" определение и произвести диверсификацию понятия фрактала на различные области знания. Тем самым он придал новому понятию категориальный статус и создал на этой базе массовую научную коммуникацию - стратегию диалога, среду самоорганизации нового понятия.
Геометрические объекты, вовлекаемые Мандельбротом в корпус представлений фрактальной концепции давно исследовались математиками, и даже применялись физиками и инженерами, но общего позитивного понятия не было. Не было общей методологии, связывающей в целое представление такие, казалось бы, совершенно не корреспондирующие между собой вещи как, например, множество Жюлиа, колебания цен на хлопок и чертеж побережья Британии.
С методологический точки зрения представляется важным тот факт, что для введения нового понятия - понятия фрактала, Мандельброт не "изобретал" каких-то абсолютно новых формализмов или теорий. Он, скорее, не "первооткрыватель", а "перворассматриватель" - первый-по-новому-рассмотритель - его работа заключалась в перестройке перцептивных схем и создании языка объяснения новых предметов.
Его действия можно интерпретировать как переключение "гештальта" (парадигмы - воспринимающих и интерпретирующих способностей научного сообщества) на сборку нового понятия, на распознавание и интерпретацию фрактальных структур в конкретных познавательных контекстах. Мандельброт создал новые устойчивые перцептивные механизмы, и устойчивые лингвистические коммуникативные практики в науке, призвав научное сообщество по-новому оценить давно известные вещи (например - различные типы размерностей, парадоксы измерения, множества, типа множества Кантора).
Поэтому, фрактальная геометрия не есть "чистая" геометрическая теория. Это скорее концепция, новый взгляд на хорошо известные вещи, перестройка восприятия, заставляющая исследователя по-новому видеть мир.
Мандельброт сделал сильный методологический ход, перейдя от некомуникабельного современной ему науке "чистого" конструктивного "монстра", к фракталу - предмету измерения математики и прикладных наук. Для этого он сконструировал две процедуры отождествления - процедуру отождествления рекурсивных математических "монстров" как фракталов и процедуру отождествления предметов измерения фрактальной концепции и предметов измерения теоретических конструктов прикладных исследований (географии, лингвистики, материаловедения и др.). В этом смысле, он ввел цельность представления в разрозненные нагромождения фактов и моделей, создав (предустановив), по меткой метафоре Ю.А. Данилова, "фрактальную" гармонию - фрактальный порядок интерпретируемого мира. Мандельброт запустил интерсубъективный механизм самодостраивания, самоорганизации этого порядка.
После подобного "переключения внимания" в научном сообществе интерсубъективно фиксируется познавательная ценность категории фрактала, формируется некоторое "личностное" знание - подразумеваемое знание о фрактале, предающее статус очевидности категории фрактала, создающее контекст фрактальной концепции и снимающее необходимость точного определения фрактала.
В диссертационной работе было показано, что введение фрактальной геометрии в практики интерпретации природы можно интерпретировать с точки зрения принципов дополнительности, наблюдаемости и соответствия квантовой механики.
В качестве иллюстрации дополнительности схем измерения фрактальной геометрии, эксплицируем логические процедуры измерения природного фрактала – береговой линии.
С трудностями при измерении длины береговой линии Британии столкнулся в начале нашего века английский гидромеханик Ридчардсон при попытке заменить береговую линию ломаной с длиной L=Nd при исследовании зависимости длины ломаной от шага циркуля в разномасштабных картах (рис. 1.5.1).


Рис 1.5.1 К измерению длины береговой линии Британии



Рис 1.5.2 Зависимость длины побережий L(d) от шага циркуля d.
  
#43 | Анатолий »» | 17.07.2013 19:30
  
0
Оказалось, что при уменьшении единицы измерения d, длина L резко возрастает:
Таблица 1.5.1

Мандельброт предложил аппроксимировать степень “убегания” длины береговой линии L(d) в зависимости от d степенным законом:

Он показал, что размерности D различных побережий отличаются (рис. 1.5.2), и могут служить достаточно информативной географической характеристикой, описывая степень извилистости, скрученности побережья.
Зададимся вопросом - почему факт "разбегания" длины был долгое время – до работ Мандельброта, не замечаем научным сообществом географов? Почему географы не обращали внимания на работы Ридчардсона? Как можно интерпретировать эту селективную избирательность?
Если побережье - "действительно" фрактал, то почему, этого так долго "не замечали" географы? С чем это связано?
С одной стороны, можно сказать, что факт невнимания к аномальному поведению длины побережья - ошибка географов, которую исправила фрактальная теория.
Но как назвать ошибку, для которой не было корректно сформулированной задачи – не существовало образцов ответов?
Поэтому, нам интереснее рассмотреть факт невнимания к результатам Ридчардсона не в терминах ошибки или заблуждения, а в терминах интерсубъективности восприятия предмета исследования.
С этой точки зрения весьма интересной представляется концепция личностного знания М.Полани. Факт невнимания географов к масштабному "разбеганию" длины побережья, выразившийся, в частности, в попытках найти и обосновать "истинный", "самый верный" масштаб измерения обусловлен отсутствием "влиятельной метафизики" и соответствующей ей научной теории, и как следствие - языка описания, способов интерпретации.
В результате этого рождается селективный отбор эмпирических фактов:
"...в научном исследовании всегда имеются какие-то детали, который ученый не удостаивает особым вниманием в процессе верификации точной теории. Такого рода личностная избирательность является неотъемлемой чертой науки."
Когда внимание учного направлено на линию, происходит интенциональный акт понятийного "схватывания" линии, который, несомненно, связан с "влиятельной метафизикой" евклидианской исследовательской программы, определяющей свойства сознания ученого, характеристики познавательной среды, в которую он погружен. Личностная избирательность - результат этого "схватывания", абстрагирования понятия.
Математические «монстры» (затем преобразившиеся в фракталы) - яркий пример личностной избирательности научного сообщества, не желающего принимать "в свою компанию" то, что "противоречит здравому смыслу".
Ситуация становится более интересной, когда появляются дополнительные схемы объяснения, когда бывшие «монстры» теряют свои маргинальные статусы. В дополнительности кроится конфликт, вызов коммуникационной тотальности единой схемы объяснения
Для корректного рассмотрения данной проблемы введем понятие о принципе дополнительности фрактальной геометрии, когда природный феномен, в зависимости от понятийных установок исследователя или научного сообщества, может менять свой понятийный статус.
По аналогии с интерпретацией квантово-механических событий копенгагенской школой Бора и Гейзенберга, можно предположить, что при соотнесении природного феномена с предметами разных теорий (фрактальной геометрией и геометрией Евклида) образуются комплиментарные предложения, по крайней мере одно из которых может быть определенным, тогда как другое - неопределено.
Будем считать, что утверждение о том, является ли природный феномен, например, евклидовой линией или фракталом, является неопределенным до тех пор, пока мы не уточним, в рамках какой теории мы его пытаемся объяснить - на языке фракталов, или на языках других геометрий. Только после такого уточнения и задания соответствующей процедуры отождествления одно из дополнительных понятий приобретает определенность.

Пусть:
А - высказывание “длина побережья Британии равна 2 километра”,
В - высказывание “фрактальная размерность побережья Британии равна 1.23”.
Высказывания А и В находятся в отношении, напоминающим отношение дополнительности в квантовой механике. Если измерена длина побережья, и результаты измерения выражены высказыванием А, то А - истинно или ложно. В этом случае высказывание В о том, что побережье Британии имеет фрактальную размерность принципиально неопределено - фиксированием длины мы задали линейность предмета измерения побережья предустановив ему единичную, нефрактальную размерность.
Длину и фрактальную размерность измерить при одном и том же масштабном преобразовании нельзя. А дополнительно к В. И наоборот - В дополнительно к А. как и в квантовой механике, дополнительность в данном случае симметрична.
Эти высказывания подпадают под определение отношения дополнительности В.С.Меськова: “Два высказывания находятся в отношении дополнительности, если и только если: 1) они не могут быть одновременно истинными; 2) они не могут быть одновременно ложными; 3) если одно из них является истинными или ложным, то второе - неопределенным; 4) если одно из них является неопределенным, то второе может принимать любое из допустимых истинностных значений”.
Данные утверждения могут быть записаны в “трехзначной” логике Рейхенбаха:

где: Ú - обычная дизъюнкция, ® - альтернативная (по Рейхенбаху) импликация, ~ - “циклическое” (по Рейхенбаху) отрицание.
Как известно, Г. Рейхенбах, наряду с М. Штраусом и П. Феврие был основоположником семантического подхода в логике квантовой механики, суть которого заключалась в логической экспликации дополнительности рассмотрению дополнительности как отношению между высказваниями о дополнительных величинах.


Рис. 1.5.3 Ганс Рейхенбах (1891 - 1953)
Немецкий философ и логик. Профессор философии физики в Берлинском университете. Преподавал в Стамбульском университете и в Калифорнийском университете США.

Рейхенбах приводит следующую таблицу значений:
Таблица 1.5.2

Введение в предмет рассмотрения фрактальных размерностей или характеристик, связанных с гладкими моделями, зависит от наблюдателя – специфического познавательного субъекта с "загруженными" теоретическими и социокультурными установками.
Изучение когнитивного статуса наблюдателя – любимая тема исследований автопоэзиса. В этом можно найти еще одно концептуальное пересечение теории автопоэзиса и фрактальной геометрии.
Наиболее ярко зависимость от наблюдателя видна на примере введения понятия размерности. Вот, что пишут по этому поводу в уже упоминавшейся статье Ю.А.Данилов и Б.Б.Кадомцев:
“Мандельброт обратил внимание на то, что довольно широко распространенное мнение о том, будто размерность является внутренней характеристикой тела, поверхности или кривой неверно (в действительности, размерность объекта зависит от наблюдателя, точнее от связи объекта с внешним миром).
Суть дела нетрудно уяснить из следующего наглядного примера. Представим себе, что мы рассматриваем клубок ниток. Если расстояние, отделяющее нас от клубка, достаточно велико, то клубок мы видим как точку, лишенную какой бы то ни было внутренней структуры, т. е. геометрический объект с евклидовой (интуитивно воспринимаемой) размерностью 0. Приблизив клубок на некоторое расстояние, мы будем видеть его как плоский диск, т. е. как геометрический объект размерности 2. Приблизившись к клубку еще на несколько шагов, мы увидим его в виде шарика, но не сможем различить отдельные нити - клубок станет геометрическим объектом размерности 3. При дальнейшем приближении к клубку мы увидим, что он состоит из нитей, т. е. евклидова размерность клубка станет равной 1. Наконец, если бы разрешающая способность наших глаз позволяла нам различать отдельные атомы, то, проникнув внутрь нити, мы увидели бы отдельные точки - клубок рассыпался бы на атомы, стал геометрическим объектом размерности 0.”
Возьмем на заметку тот факт, что говоря о зависимости размерности от наблюдателя, авторы подчеркивают прагматику введения размерности, которая носит комплиментарный характер:
“Но если размерность зависит от конкретных условий, то ее можно выбирать по-разному. Математики накопили довольно большой запас различных определений размерности. Наиболее рациональный выбор определения размерности зависит от того, для чего мы хотим использовать это определение. (Ситуация с выбором размерности вполне аналогична ситуации с вопросом: «Сколько пальцев у меня на руках: 3 + 7 или 2 + 8?» До тех пор, пока мы не вздумали надеть перчатки, любой ответ можно считать одинаково правильным. Но стоит лишь натянуть перчатки, как ответ на вопрос становится однозначным: «5 + 5».)
Подчеркнем, что размерность сильно зависит от того как ее измерять. Это означает, что кроме формул для подсчета размерности необходимо точно задать и некий операциональный набор способа измерения размерности.
В одном из первых в отечественной литературе обзоров по фракталам (или фракталям - если сохранять род слова Fractal при переводе), Я.Б. Зельдович и Д.Д. Соколов приводят такой пример. Положение точки области плоскости, ограниченной квадратом можно задать двумя измерениями, и тогда ее размерность будет равна двум, а можно исхитриться, и представить себе эту область в виде ломаной с очень сильно прижатыми друг к другу звеньями, сложенными наподобие столярного метра. Тогда, для задания положения точки хватит и одного измерения, и размерность будет равна единице.
"Монстр" - кривая Пеано (1.3.10) напоминает подобный столярный метр – при уменьшении длины ее звеньев, она начинает заполнять всю плоскость.
Точно таким же свойством обладает траектория броуновской частицы – чем больше время наблюдения, тем плотнее частица заполняет плоскость. Размерность определяет степень сложности траектории частицы в фазовом пространстве, степень негладкости этой траектории.
  
#44 | Анатолий »» | 19.07.2013 19:46
  
0
Именно изломанность, пилообразность, негладкость "монстров" вызвала ассоциации при создании термина "фрактал" у Мандельброта:
“В латинском языке есть поговорка: “назвать (именовать) значит узнать”: Nomen est numen. До тех пор, пока я не принялся за своё изучение, упоминаемые в предыдущих разделах множества не нуждались в убедительном термине для их обозначения. Однако, когда классические монстры начали включаться в мои труды, и начали возникать многочисленные новые “монстры”, потребность в термине стала чрезвычайно необходимой. Это стало особенно острым, когда нужно было дать имя первому предшественнику этого эссе."
Термин "фрактал" закрепил и развил новый познавательный статус "монстров". С появлением имени у "монстров" появилось лицо, они перешли из области негативных примеров в область позитивных определений.

1.6 Парадоксы как фракталы. Фрактальная логика: обратная связь как модель "монстров" и парадоксов.

Мандельброт проанализировал "монстров" с точки зрения представлений фрактальной геометрии, показав общность между монстрами, природными объектами и множествами Жюлиа и Мандельброта.
Так же как и эти объекты, "монстры" обладают фрактальной размерностью и демонстрируют самоподобие.
Наиболее ярко понятие самоподобия иллюстрируется с помощью рассмотренной нами ранее фигуры Коха. Действительно, при увеличении ее фрагмента с помощью геометрического преобразования подобия можно получить фигуру тождественную той, чей фрагмент мы увеличивали.
Так же, как и для береговой линии, для кривой Коха или треугольника Серпинского можно вводить разного рода размерности.
В частности, “степень убегания” (1-D) длины (L) фигуры Коха в зависимости от единичной длины звена (d) оценивается по следующей формуле:


предложенная Мандельбротом степенная характеристика “убегания длины” или фрактальная размерность (по определению) триадной кривой Коха - мера изрезанности этой кривой”.
Итак, Мандельброт превратил "монстров" из "пугал", за которыми надо было охотиться с целями исключения из "нормальных" геометрических рассуждений в концептуально оформленные геометрией предметы измерения и построения.
Этот же мыслительный ход можно осуществить и по отношению к парадоксам.
Действуя по аналогии, можно предположить, что парадоксы есть частные случаи логических фракталов, которыми должна оперировать фрактальная логика.
Мы сознательно не будем жестко определять термины "логический фрактал" и "фрактальная логика", постепенно вводя представления о частных случаях логических фракталов и соответствующих логик. Пока ограничимся представлением о том, что фрактальная логика – это набор понятий и представлений, основанных на принципах фрактальной геометрии, применяемых к логическим объектам с бесконечным количеством значений.
Фрактальная геометрия оперирует парадоксальными геометрическими предметами, результаты измерения которых (длина, площадь, объем) устремляются к бесконечности. В качестве начальной (а потому неточной) метафоры можно сказать, что фрактальная логика оперирует парадоксальными логическими объектами, число логических значений которых также стремится к бесконечности.
Фрактальная логика превращает бесконечный парадокс из «монстра» и «пугала» в концептуальный предмет формального, инструментального и социокультурного рассмотрения.
Для того, чтобы сделать термины "логический фрактал" и "фрактальная логика" не только метафорами, но и понятиями оформленной и формализованной логической концепции, рассмотрим понятие обратной связи.
Интерпретация построения “монстров” – фракталов через обратную связь содержится в книге Пайтгена, Юргенса и Заупе “Хаос и фракталы: новые горизонты науки”.
Российский математик Александр Зенкин интерпретировал парадокс лжеца как процесс с обратной связью.
В свое время Алан Тьюринг предложил свой знаменитый мысленный эксперимент – машину Тьюринга, и выдвинул тезис о том, что любая вычислимая (частично рекурсивная – имеющая завершение) функция может быть запрограммирована (вычислена с помощью конечного алгоритма) на машине Тьюринга. Интеллект человека, по мнению Тьюринга, устроен похожим образом, поэтому машина в принципе может мыслить.
Машину Тьюринга можно интерпретировать в терминах отрицательной обратной связи – вычислительные процедуры за конечное число шагов сходятся к нужному значению функции.


Рис. 1.6.1 Алан Матисон Тьюринг (1912-1954)
Автор оригинальных трудов по математической логике, вычислительной математике, искусственному интеллекту. В годы второй мировой войны, будучи в Англии, успешно работал над дешифровкой сообщений нацистского командования.

Для систематизации и сравнения процедур генерации "монстров" и парадоксов, мы рассмотрим нечто подобное: мысленный эксперимент - машину логической обратной связи, схема которой представлена ниже.


Рис 1.6.2 Машина обратной связи.

Машина состоит из трех блоков памяти: входного блока (ВХБ), выходного блока (ВБ), блока управления (БУ) и одного процессорного блока обработки (БО), связанных между собой связями. Блок управления нужен для “запуска” машины.
Общая схема работы состоит из двух циклов – цикла запуска машины и рабочего цикла:
Цикл запуска:
Ввод информации в блок управления
Ввод информации во входной блок
Пересылка информации из блока управления в блок обработки
Рабочий цикл:
Пересылка информации из входного блока и ввод ее в блок обработки
Работа блока обработки
Пересылка информации из блока обработки в выходной блок
Пересылка информации из выходного блока во входной блок.
В качестве примера работы логической машины с обратной связью, приведем рассмотренный выше пример генерации кривой Коха:
Цикл запуска – в блок управления вводится “затравка” – единичный отрезок. Это нулевая итерация нашей фигуры – i=0.
Запускается рабочий цикл: затравка преобразуется в блоке обработки в первое поколение фигуры - отрезок делится на три равные части, средняя часть отбрасывается, а на ее месте строится ломаная, являющаяся фрагментом равностороннего треугольника со стороной, равной, одной третьей длины отрезка. Это первая итерация нашей фигуры – i=1.
Полученное первое поколение “отправляется” на выходной блок,
Обратная связь переносит первое поколение на вход.
После этого по тому же алгоритму, примененному для отдельному отрезку звеньев ломаной, первое поколение преобразуется во второе поколение в рабочем блоке: i=2.
Получающийся “монстр” – результат бесконечного числа циклов работы машины при i®¥.
В устремлении процедуры на бесконечность состоит главное отличие нашей машины от машины Тьюринга. Построение фракталов всегда осуществляется не на конечном, а на бесконечном числе итераций.
Теперь интерпретируем с помощью обратной связи парадокс лжеца.
Рассмотрим высказывание А, соответствующее суждению “Я лгу”.
Пусть оно будет истинным. С точки зрения обратной связи это означает, что на нулевой итерации при i=0, значение А равно И.
Далее, нам надо интерпретировать парадоксальное умозаключение “Значение А истинно, значит, А ложно” как обратную связь – процедуру, присваивающую новое значение высказыванию А при изменении счетчика итераций.
Обратная связь меняет значение А при i=1 на Л. Таким же образом, при i=2 значение А равно И, при i=3, опять Л – и так далее.
Таким образом, цикл запуска будет следующим:
Ввод информации в блок управления – установление i=0,.
Ввод информации во входной блок - значение А есть И
Пересылка информации из блока управления в блок обработки
Рабочий цикл:
Пересылка информации из входного блока и ввод ее в блок обработки
Работа блока обработки – смена значения А на противоположное (с И на Л или с Л на И), увеличение значения счетчика итераций на единицу,
Пересылка информации из блока обработки в выходной блок.
Пересылка информации из выходного блока во входной блок.
Построим таблицу истинности высказывания А в зависимости от итераций - различных i:


Таблица 1.6.1 Таблица истинности парадокса лжеца
Парадокс – это результат бесконечного изменения логического значения машиной обратной связи.
Таким образом, математический “монстр” и логический парадокс лжеца могут быть представлены как результат бесконечного числа итераций машины обратной связи.
На основании этой общности мы будем постепенно вводить представление о логических фракталах.
  
#45 | Анатолий »» | 20.07.2013 22:48
  
0
1.7 Парадокс лжеца: логический формализм через понятие обратной связи

Предположим, что значение высказывания “Я лгу” зависит от итерации i. Назовем это высказывание переменным высказыванием.
Назовем начальным условием значение переменного высказывания при i=0.
Если высказывание имеет только одно значение, то такое высказывание мы будем называть постоянным.
Рассмотрим феноменологию парадокса лжеца – то есть, не будем интерпретировать то, как обратная связь преобразует высказывание, а лишь зафиксируем, что на выходе из обратной связи появляется высказывание с противоположным логическим значением. Это может зафиксировать операция отрицания.


Введем следующие обозначения:
ai – обозначение высказывания “Я лгу” на i-той итерации. Его значение может быть И или Л. Ясно, что переменное высказывание может быть представлено как ряд постоянных высказываний классической логики высказываний.
= – обозначение операции ввода начальных данных – присвоения значения высказыванию при i=0. Запись a0=И означает, то, что мы задаем на нулевой итерации значение И. Это интерпретация нашего предположения о том, что высказывание “Я лгу” истинно.
: - обозначение обратной связи, переводящей значение высказывания с i итерации на i+1 итерацию бесконечное число раз. Слева будем записывать обозначение значение на i+1итерации, справа – на i итерации, в результате которой формируется значение на i+1 итерации.
~ - обозначение операции отрицания, преобразующей значение обратной связи на противоположное – Л преобразуется в И, И преобразуется в Л.

Тогда обратную связь парадокса лжеца можно формализовать следующим образом:


В результате действия обратной связи образуется переменное высказывание или ряд постоянных высказываний:

а0 a1 a2 a3 a4… (1.7.1)

Далее, пользуясь рядом (1.7.1) последовательно запишем значения переменного высказывания, рассчитанные по этому формализму. Таблица истинности из прошлого раздела будет представима в виде ряда значений переменного высказывания или ряда значений атомарных высказываний:
ИЛИЛИЛИЛИЛИЛИЛИЛ… (1.7.2)
Таким образом, в этой интерпретации логическое значение парадокса лжеца – бесконечное чередование значений, генерируемых обратной связью.
Заметим, что указанное представление можно распространить и на теоретико-множественные парадоксы. Суждение “Множество всех множеств, не содержащих себя в качестве элемента, принадлежит самому себе” может быть представлено как бесконечная последовательность значений такого рода высказываний.
Структура парадокса в нашей интерпретации – бесконечная последовательность чередующихся логических значений.
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2017, создание портала - Vinchi Group & MySites