background image

7.

Elementy teorii chaosu deterministycznego

 

Str 265- 271 

7.1 ____________________________________  

Istota chaosu deterministycznego.

 

Chaos w układach zachowawczych i dyssypatywnych

 

W  poprzednich  rozdziałach  zostały  omówione  przykłady  oscylatorów,  których 
dynamiczne  zachowanie  było  chaotyczne,  tzn.  wykazujące  niemożliwą  do  przewidzenia   
i    zarazem  niepowtarzalną  nieregularność      Zjawiska    takie    mogą    być  przejawem 
chaosu deterministycznego, czyli zachowania praktycznie nieprzewidywalnego, w którym 
jednak można dopatrywać się pewnego złożonego, ukrytego porządku, niezwykle— co 
bardzo ważne — wrażliwego  na warunki początkowe ewolucji układu. Matematycznym 
obrazem  chaosu  deterministycznego  jest  takie  właśnie  zachowanie  rozwiązań 
(trajektorii)  ściśle  deterministycznych  (czyli  nie  zawierających  żadnych  elementów 
prawdopodobieństwa) 

równań 

opisujących 

dynamikę 

zachowania 

układu. 

Intensywne  prace  nad  chaosem  deterministycznym  liczą  sobie    niewiele  ponad  
dwadzieścia    lat  —  ale  jest  to  już    uznana  dyscyplina  naukowa  [A3.1-A3.17,  B7.1-
B7.32].  Pojecie  chaosu  deterministycznego  jest  bowiem  niezmiernie  ważne  dla 
zrozumienia wielu  zjawisk  przyrody  nieożywionej i ożywionej, które tylko wydają się 
całkowicie chaotyczne, a wiec podporządkowane wyłącznie prawom statystycznym. 
Ponadto  wśród  teoretyków  chaosu  pojawia  się  pogląd,  że  prawie  wszystkie  układy 
dynamiczne wykazują zachowanie chaotyczne dla odpowiedniego zespołu parametrów 
stanu, a wiec teoria chaosu nie dotyczy zachowań wyjątkowych. Przeciwnie,  z takiego 
punktu widzenia, to układy wykazujące jedynie regularną dynamik? mogą stanowić 
wyjątki.  Inna  sprawa,  że  uchwycenie  parametrów  odpowiadających  chaotycznemu 
zachowaniu  może  me  być  proste  i  dotyczyć  bardzo  wąskiego  ich  zakresu.  Przed 
przystąpieniem  do  dalszego  opisu  chaosu  deterministycznego  warto  dokonać 
podziału  rozważanych  układów  na  dyssypatywne    i  zachowawcze  (czyli 
konserwatywne,  zwane  są  także  hamiltonowskimi,  ponieważ  ich  ewolucję  opisują 
klasyczne równania  ruchu  Hamiltona  . O  podziale  tym  była już mowa w p.  3.3, gdzie 
model  Lotki-Volterry  byt  zaklasyfikowany  jako  konserwatywny,  w  przeciwieństwie  do 
pozostałych,  typowo  dyssypatywnych  modeli  (np.  modelu  Lotki,  Brukselatora  czy 
Oregonatora).  Nie  wdając  się  tutaj  w  szczegółowe  rozważania,  można  powiedzieć 
jedynie,  że  praktycznym  przejawem  zachowawczego  charakteru  układu  jest  nieistnienie 
jakichkolwiek  atraktorów  (a  więc  pojedynczych  stabilnych  stanów  stacjonarnych, 
stabilnych  cykli  granicznych  itp.),  do  których  mogłyby  zdążać  trajektorie  w  przestrzeni 
fazowej.  Taka  właśnie  sytuacja  miała  miejsce  w  przypadku  modelu  Lotki-Volterry, 
generującego  niegasnące  oscylacje,  opisywane  cyklicznymi,  lecz  niestabilnymi 

trajektoriami.  Dyssypatywny  charakter  układu  przejawia  się  natomiast  w  istnieniu 
różnego  typu a  traktorów,  do których  zdążają,  trajektorie  opisujące .ewolucję  układu  w 
czasie.  Istotne  jest,  że  chaos  deterministyczny  może  wystąpić  w  układach  obu  typów, 
choć musi on być inaczej opisany. 

Znanym  układem  zachowawczym,  w  którym  przejawia,  się  chaos  deterministyczny,  jest 
układ  trzech  ciał  [A  1.5].    Trajektorie    fazowe    ich    ruchu,  opisywanego    równaniami  
klasycznej  dynamiki,    wykazują    powyżej    pewnej  krytycznej  wartości  całkowitej  energii 
układu  przebieg  chaotyczny,  co  opisał  H.  Poincare.  Nieprzewidywalność  zachowania 
zespołu trzech ciał jest znakomitym   dowodem   na   to,    że   chaos  deterministyczny   
może   wystąpić  już w stosunkowo prostych  układach  o niewielu stopniach  swobody, co  
ma  istotne  znaczenie  praktyczne,  np.  w  zagadnieniu  stabilności  trajektorii  planet  w 
Układzie Słonecznym. Omówiony tutaj układ zachowawczy klasyfikuje się tradycyjnie jako  
należący    do    układów  klasycznych  —  w  odróżnieniu  od  kwantowych.  Istnienie  chaosu 
deterministycznego  w  układach  kwantowych  jest  obecnie  przedmiotem  intensywnych 
badań, o czym będzie jeszcze mowa. Bardziej istotny jest jednak opis chaosu w układach 
dyssypatywnych[  B7.321. Jednym  z najprostszych  takich  układów  jest  tłumione wahadło 
napędzane  sinusoidalnie  zmienna  siłą  [A3.l,  A3.16].  Powyżej  pewnej  krytycznej  wartości 
amplitudy  siły  wymuszającej  ruch  wahadła  zależność  kąta  wychylenia  wahadła      z  
położenia      równowagi      od      czasu    staje    się      nieprzewidywalna,    choć  przecież  —  w 
istocie — nie losowa. Chaotyczny może być także przebieg opisanego w p. 2.1.1 zjawiska 
Benarda,  polegającego  na  tworzeniu  zespołów  regularnych    wirów    (komórek)  
konwekcyjnych      w      ogrzewanej      cieczy.      Dla  odpowiednio  dużej  różnicy  temperatur 
między  dolną  i  górną  powierzchnią  cieczy  może  pojawić  się  chaos,  polegający  na 
zniesieniu  owej  regularności  w  obrazie  zjawiska  Benarda.  O  uproszczonym  opisie  tego 
zjawiska będzie jeszcze mowa w następnych rozdziałach. Wreszcie, źródłami struktur dys-
sypatywnych  są,  jak  wiadomo  z  poprzednich  rozważań,  wszystkie  układy,  w  których 
przebiegają chemiczne reakcje oscylacyjne. Przykłady ich chaotycznego przebiegu zostały 
opisane w rozdz. 3  (układy modelowe), 4 i 6 (układy rzeczywiste). 

7.2

  

_____________________________________________________________________

 

Przegląd dróg do chaosu w układach dyssypatywnych

 

Nie ulega wątpliwości, że zachowanie chaotyczne jest bardzo złożone. Okazuje się jednak, 
że można zaproponować stosunkowo niewiele sposobów (scenariuszy) [A3.1, B7.1, 

B7.32] 

pojawiania  się  chaosu  deterministycznego  w  układach  zachowujących  się  uprzednio  w 
sposób uporządkowany (periodyczny). Najważniejsze są następujące 

trzy 

drogi do 

chaosu

 

1. Scenariusz Ruelle'a-Takensa-Newhouse'a (RTN).  
W  uporządkowanym  zachowaniu  układu  pojawiają  się  kolejne  bifurkacje  Hopfa, 
polegające w najprostszym przypadku 

(jak 

wiadomo np. z p. 3.4) na przejściu od atraktora 

punktowego do atraktora cyklicznego-— stabilnego cyklu granicznego. Można wykazać, 
że  już  po  trzech  takich  bifurkacjach  istnieje  duże  prawdopodobieństwo  pojawienia  się 

background image

szczególnego,  jakościowo  nowego  tworu  odpowiedzialnego  za  istnienie  chaosu 
deterministycznego, tzw. dziwnego atraktora, który dokładniej zostanie omówiony niżej.

 

2.  Scenariusz Feigenbauma.  Zmiana  wartości  parametru  kontrolnego  powoduje  (o  czym 
wspominano już kilkakrotnie w poprzednich rozdziałach) wystąpienie kolejnych bifurkacji, 
polegających  na  podwajaniu  się  okresu  regularnych  oscylacji.  Jest  to  tzw.  kaskada 
bifurkacji Feigenbauma. Powyżej pewnej krytycznej wartości owego parametru bifurkacje 
te narastają lawinowo, prowadząc do chaosu

. Zagadnienia te będą szerzej omawiane w p. 7.6.

 

3.  Scenariusz  Pomeau-Manneville'a  (PM).  Polega  on  na  pojawieniu  się  intermitencji,  tj. 
losowo  występujących  i  narastających  zakłóceń  w  zachowaniu  periodycznym,  co 
prowadzi do chaosu.

 

Dla danego procesu może wystąpić więcej niż jeden scenariusz, np. kaskada Feigenbauma 
może  doprowadzić  do  chaosu,  którego  charakterystyka  ukazuje  intermitencje  w  miarę 
dalszych  zmian  parametru  kontrolnego.  Możliwe  są  też  inne,  rzadziej  spotykane 
scenariusze,  jak  np.  kryzysy,  tj.  nagłe  jakościowe  zmiany  chaotycznej  dynamiki  układu 
wynikające  ze  „zderzeń"  między  dziwnym  atraktorem  i  współistniejącymi  z  nim 
niestabilnymi  stanami  stacjonarnymi  [A3.1].  Dla  chemików ważne jest  to,  iż  wszystkie  te 
scenariusze osiągania chaosu znaleziono w przebiegu rzeczywistych reakcji oscylacyjnych.

 

7.3

______________________________________________________________________ 

Odkrycie dziwnych atraktorów. Zjawiska Benarda i atraktor Lorenza 

Pojęcie  dziwnego  atraktora  jest  jedną  z  najważniejszych  koncepcji  związanych  z 
przejawami  chaosu  deterministycznego  w  układach  fizykochemicznych,  której  historia 
wiąże się z pochodzącymi z lat 60. naszego wieku próbami 
komputerowego  prognozowania  pogody  prowadzonymi  przez  Edwarda  N.  Lorenza. 
Zasadniczym  elementem  takiego  numerycznego  modelu  jest  opis  stanu  atmosfery 
ziemskiej przez układ równań różniczkowych, opisujących ruchy konwekcyjne powietrzu 
pod  wpływem  różnic  temperatur.  Najprostszy  model  takich  procesów  to  tzw.  układ 
Lorenza,  
który  stanowi  uproszczony  układ  równań  Benarda  opisujący  konwekcje  cieczy 
miedzy płytkami o różnicy temperatur ΔT, (p. 2.1.1) : 

 v  jest  proporcjonalne  do  szybkości  cyrkulującej 
między 

poziomymi 

płytkami 

cieczy, 

charakteryzuje 

różnicę 

temperatur 

między 

wznoszącymi  się  i  opadającymi  strumieniami 
cieczy,  z  jest  proporcjonalne  do  wielkości  od-
chylenia  pionowego  profilu  temperatury  od 
wartości 

równowagowej, 

bezwymiarowy 

parametr  5  jest  tzw.  liczba  Prandtla

21

,(

  określa 

stosunek  szybkości  cząsteczkowego  przenoszenia  pędu 
w  cieczy  do  szybkości  przewodzenia  w  niej  energii  na 
sposób  ciepła,  tak  wiec  <5  = 

V

/

K

,

 

gdzie  v  —  lepkość 

kinematyczna. 

— przewodnictwo cieplne cieczy).

 r jest 

również 

bezwymiarowym 

parametrem, 

proporcjonalnym do tzw. liczby Rayleigha (proporcjonalnej z kolei do różnicy temperatur ΔT, 
p. 2.1.1), zaś parametr b zdefiniowany jest relacją 4Π

2

/(Π

2

 +k

2)

, gdzie k jest liczbą określającą 

stosunek pionowego (h) do poziomego (h/k) rozmiaru komórki konwekcyjnej. 
 
W swojej fundamentalnej pracy Deterministic Nonperiodic Flow, opublikowanej w 1962 r. w 
czasopiśmie Journal of Atmospheric Sciences [B7.4], E. N. Lorenz wykazał, że dla pewnych 
wartości parametrów (np. δ = 10, b = 8/3 i = 28) przebieg rozwiązań .x(t), y (t) z(t) jest 
niezwykle  czuły  na  drobną  nawet  zmianę  ich  wartości  początkowych.  Odkrycie  tego 
zjawiska  związane  było  z  istotnymi  i  nieoczekiwanymi  trudnościami  obliczeniowymi. 
Próbując  przewidzieć  modelową  pogodę,  np.  z  dwutygodniowym  wyprzedzeniem, 
wprowadzano aktualne wyjściowe dane atmosferyczne (x

0

y

0

 i z

0

) i otrzymywano pewne 

wyniki  (prognozę  pogody).  W  kilka  dni  później  powtarzano  obliczenia,  wprowadzając 
odpowiadające tym dniom dane początkowe. Oczekiwano zbliżonego wyniku końcowego 
symulacji,  a  tymczasem  otrzymywano  zupełnie  odmienne  rezultaty  (rys.  7.1)  [A3.11]!  Co 
więcej, wprowadzanie praktycznie tych samych danych początkowych, z różną dokładno-
ścią na dalekich miejscach po przecinku, prowadziło także do zupełnie różnych wyników. 
Okazało się, że ta nieprzewidywalność ma swoje przyczyny nie w błędach programu, ale 
w  uzyskiwanym,  ze  skończoną  dokładnością  obliczeń,  numerycznym  zachowaniu 
rozwiązań układu Lorenza, wykazującym zdeterminowany przez te równania chaos, czyli 
chaos  deterministyczny.  Zapewne  pojawienie  się  owego  chaosu  w  układzie  Benarda-
Lorenza  w  pewnym  stopniu  tłumaczy  znany  nam  dobrze  fakt,  iż  prognozy  pogody  nie 
należą do najlepiej sprawdzających się. 

Rys. 7.1 

Przykładowy przebieg rozwiązań 
układu Lorenza (7.3.1) w czasie dla 
dwóch nieznacznie różniących się 
wartości początkowych, ilustrujący 
zasadę powstawania chaosu 
deterministycznego [A3. II); oś 
odciętych — czas, oś rzędnych — 
zmienna y układu (7.3.1) 

  

Uogólniając  dotychczasowe  rozważania  można  stwierdzić,  że  eksperymentalne 
obserwacje  chaosu  oraz  próby  modelowania  takiego  zachowania  wykazały,  iż  istnieje 
klasa  zjawisk  przyrodniczych,  których  nie  można  opisać  dotychczas  istniejącymi  modelami 
matematycznymi.  W  szczególności  rozszerzeniu  musiało  ulec  dotychczasowe  pojęcie 
atraktora.  Pozostanie  przy  jego  koncepcji  —jako  stabilnego  stanu,  czy  zespołu  stanów, 
charakteryzującego  się  pewnym  uporządkowaniem  zachowania  układu  —  uniemożliwia 
jakiekolwiek  przewidywania  teoretyczne  rozwoju  sytuacji  w  układach,  w  których  może 
przejawić się chaos deterministyczny. 

background image

Dziwny atraktor Lorenza 

Aby  wprowadzić  pojęcie  dziwnego  atraktora,  należy  rozważyć  przebieg  rozwiązań 
układu Lorenza w postaci trajektorii w przestrzeni fazowej (x,  y, z) dla takich wartości 
parametrów,  które  zapewniają  ich  „chaotyczny"  charakter.  Taką  typową  trajektorię 
dla trzech etapów ewolucji czasowej w postaci rzutu na płaszczyznę xy ilustruje rys. 7.2. 
Pouczające jest obserwowanie rozwoju trajektorii układu Lorenza na bieżąco, w trakcie 
symulacji.  Lepiej  niż  powyższe  statyczne  rysunki  uwidacznia  to  jej  następujące 
własności:  1)  dążenie  do  ograniczonego  obszaru  przestrzeni  fazowej i  pozostawanie  w 
nim (a - więc tworzenie arraktora); 2) błądzący charakter ruchu po takiej trajektorii, tzn. 
zakreślanie  pętli  w  prawo,  potem  kilku  pętli  w  lewo  i  znów  w  prawo,  na  przykład 
dwukrotnie,  po  czym  raz  w  lewo  itd.;  3)  wrażliwość  trajektorii  na  nawet  minimalne 
zmiany warunków początkowych, co w pewnym stopniu 

 

odpowiada  opisanym  wyżej  kłopotom  z  ustaleniem  właściwej  prognozy  pogody  (ta 
szczególna  wrażliwość  nadaje  atraktorowi  dziwny  charakter).  Słowem  jest  to  dziwny 
atraktor  Lorenza.  Warto  przytoczyć  prostą  analogię  sposobu  tworzenia  podobnej 
trajektorii  [B7.3].  Można  wyobrazić  sobie,  iże  wyrabiając  ciasto  dodajemy  do  niego  w 

pewnym momencie małą krople roztworu dowolnego barwnika. Wyrabianie ciasta polega 
na  rozciąganiu  i  ugniataniu  nakładanych  na  siebie  warstw,  co  powoduje  powstawanie 
fałd.  Razem  z  rozciąganymi  i  fałdowanymi  partiami  ciasta wędrują  cząsteczki  barwnika, 
przy czym — co ważne — drogi poszczególnych jego cząsteczek stopniowo coraz bardziej 
się  rozchodzą.  Barwne  pasemka rozchodzą się w  całej  objętości  ciasta.  To  tak,  jakby małe 
różnice  stanów  początkowych  cząsteczek  ulegały  wzmocnieniu  do  poziomu  zjawisk 
makro. W toku dalszego ugniatania oddalone cząsteczki mogą znów się do siebie zbliżyć, 
a potem znowu rozejść, ale nigdy ich sytuacja nie powtórzy się. 

Tak  więc    ogólnie  dziwny  atraktor  oznacza  skomplikowana  i  czują  na  warunki 

początkowe trajektorię rozwijającą się w przestrzeni fazowej  o wymiarze większym 
od 2. Podlegające jej zachowanie układu ;ma charakter chaosu deterministycznego. Choć 
przebieg  rozwiązań  układu  Lorenza  (7.3.1)  jest  istotnie  nieprzewidywalny,  to  jednak  nie 
jest  on  —  ściśle  rzecz  biorąc  —  losowy,  jako  że  wyjściowy  układ  równań  (7.3.1)  nie 
zawierał żadnych członów związanych z prawdopodobieństwem (stochastycznych). Jest 
to  zespół  ściśle  deterministycznych  wyrażeń.  Rozwiązanie  tego  układu  równań  dla 
danego zestawu parametrów to także nie zespół, ale pojedyncza trajektoria fazowa, która 
powinna z upływem czasu przejść przez każdy punkt atraktora. 
 

Chaos a fluktuacje 

Przedstawiając taki obraz powstawania chaosu deterministycznego, należy skomentować 
istotną różnice w chaotycznym zachowaniu modelu matematycznego i realnego układu. 
O  ile  bowiem  modelowanie  matematyczne  pozwala  na  powtarzalne  generowanie 
przebiegu  takich  wrażliwych  „chaotycznych"  trajektorii,  o  tyle  pojawienie  się  dziwnego 
atraktora  w  realnym  układzie  fizykochemicznym  może  być  źródłem  dodatkowych 
komplikacji.  Układy  rzeczywiste  bowiem  nieustannie  „szumią",  tj.  parametry  stanu  ich 
cząstek  ulegają  ciągłym  fluktuacjom,  co  wobec  niezwykłej  czułości  przebiegu  trajektorii 
dziwnego atraktora na wybór warunków początkowych może oznaczać niekontrolowane 
osiąganie przez układ zupełnie różnych stanów, nawet mimo starań o zachowanie stałych 
warunków początkowych (które—  notabene – nigdy nie są idealnie powtarzalne). Można 
powiedzieć,  że  dziwne  atraktory  działają  wtedy  jako  swoiste  wzmacniacze 
mikroskopowych  fluktuacji  do  poziomu  makroskopowego.  W  rezultacie  miedzy 
przeszłością  a  przyszłością  układu  może  przestać  istnieć  jakikolwiek  uchwytny  związek 
przyczynowo-skutkowy.  Wzmocnienie  fluktuacji  dobrze  ilustruje  zabawne  pytanie 
sformułowane  przez  samego  Lorenza:  „Czy  trzepot  skrzydeł  motyla  w  Brazylii  wywoła 
tornado  w  Teksasie?"  Problem  ten  znany  jest  w  literaturze  przedmiotu  jako  „efekt 
motyla
" [A3.11]. Taki obraz wpływu fluktuacji( lub ogólniej losowego szumu) komplikujący 
zachowanie  układu,  podporządkowane  dziwnemu  atraktorowi,  jest  zapewne  intuicyjnie 
zrozumiały.  Wydaje  się  jednak,  że  nie  jest  on  jedynym  możliwym.  W  p.  7.8  zostanie 
omówiony  przypadek,  w  którym  -  jak  przynajmniej  sugerują  modelowe  rozważania  -    w 
pewnych sytuacjach szum może wywierać działanie paradoksalne, tj. porządkujące chaos 
(w literaturze anglojęzycznej efekt ten nosi nazwę noise--induced order). 

background image

Na zakończenie tego rozdziału warto przypomnieć to, co sygnalizowano we wstępie do 
rozważań o chaosie — że nie każde chaotyczne zachowanie wynika z istnienia dziwnego 
atraktora. W układach niedyssypatywnych,' takich jak klasyczne (hamiltonowskie) układy 
dynamiczne,  chaotyczny  przebieg  trajektorii  fazowych  nie  jest  związany  z  istnieniem  i 
przyciągającym działaniem takiego obiektu. 

Str 290 -298  

 

7.7

_______________________________________

 

Miary chaosu deterministycznego 
 

Żeby  stwierdzić,  czy  konkretne  zachowanie  układu  jest  przejawem  chaosu 
deterministycznego,  należy sformułować możliwie pewne jakościowe i  ilościowe kryteria 
jego  istnienia,  odnoszące  się  zarówno  do  modeli  teoretycznych,  jak    i  do    wyników 
pomiarów    dla  różnych    układów    rzeczywistych.  Teoretyczna  analiza  układów  równań 
różniczkowych lub zależności iteracyjnych   pod   kątem   badania   istnienia   dziwnego   
atraktora    nie   jest     prosta,  ponieważ nie ma  jak  dotąd  twierdzeń gwarantujących jego 
istnienie. W związku  z   tym   uznanie   trajektorii   układu   Lorenza   lub   Rósslera  za   
dziwny  atraktor  też  nie  jest  ściśle  uzasadnione.  Obrazowo  mówiąc,  przypisuje  się  im 
właściwości atraktorowe, ponieważ nie znaleziono dotychczas żadnej sąsiadującej z nimi 
trajektorii,  która  nie  byłaby  przez  nie  ściągana.  Tak  więc  tylko  numeryczne  rozwiązanie 
takiego zagadnienia (czyli tzw  eksperyment numeryczny)   i jego  analiza   pozwala   na   
uznanie      konkretnego    zachowania      za  przejaw  chaosu  deterministycznego.  Jak  już 
wspomniano przy omawianiu chaosu w reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego (p. 4.1), można 
wskazać dwa najważniejsze  problemy  w  takiej  analizie:   1) ustalenie,  czy  obserwowana 
aperiodyczność  jest      istotnie    obrazem    chaosu    deterministycznego,    a    więc  pewnej 
złożonej,  ale  wewnętrznej,    kinetycznej  charakterystyki  układu,  czy  odpowiedzią  układu 
na  zewnętrzne,  istotnie  przypadkowe  (losowe),  a  więc  chaotyczne  w  klasycznym 
rozumieniu, zmiany stanu otoczenia, 2) udowodnienie,   że   ewentualnie  zaobserwowany   
chaos   deterministyczny   nie   jest w istocie złożonym zachowaniem periodycznym, ale o 
bardzo  długim  okresie.  Wniosek  o  wykryciu  chaosu  może  wtedy  wyniknąć  ze  zbyt 
krótkiego  czasu  pomiaru,  krótszego  od  długości  pojedynczego  okresu.  Można 
sformułować  dynamiczne  i  statyczne  kryteria  kwalifikacji  obserwowanych  zjawisk  jako 
przejawów  chaosu  deterministycznego  [A3.1,  A3.12,  B7.32,  B7  15,  B7  16].  Są  to,  odpo-
wiednio:  wykładnik  Lapunowa,  będący  ilościową  miarą  rozbiegania  się  trajektorii  dla 
początkowo  niewiele  różniących  się  stanów  początkowych  oraz  wymiar  Hausdorffa              
(a także inne Koncepcje wymiaru), wskazujące na fraktalną naturę dziwnego atraktora. 

 

 

7.7.1

______________________________________

 

 

 

Wykładnik Lapunowa. Chaos i hiperchaos

 

Charakterystyczną  cechą  chaosu  deterministycznego  (wynikającą  z  konstrukcji 
dziwnych  atraktorów)  jest,  jak  wielokrotnie  wspominano  wyżej,  bardzo  silne 
rozbieganie  się  trajektorii  opisujących  ewolucję  układu  w  czasie,  nawet  dla  bardzo 
zbliżonych  stanów  początkowych  .układu.  Matematycznie  można  określić  tę 
rozbieżność jako wykładniczą, tzn. dającą się opisać  zależnością proporcjonalną do 
członu  exp(λ),  gdzie  wielkość  λ    decyduje  o    stopniu  rozbiegania  się  owych 
trajektorii. Można powiedzieć, że wielkość λ już oddaje sens wykładnika Lapunowa. 
Będzie z nim tożsama, zgodnie z  definicją   wynikającą  z   przeprowadzonego  poniżej   
rozumowania      praw  dziwnego    dla    zbioru    dyskretnych    (nieciągłych)    wartości    x, 
oznaczających  wyniki  pomiaru  pewnej  wielkości  eksperymentalnej  (np.  stężenia 
wybranej substancji)

9

'. 

Należy  rozważyć  pewną  trajektorię  zmian  wielkości  x  w  czasie  i  należące  do  niej  dwa 
stany  początkowe,  oznaczone  jako x

0

  oraz x

0

  + e (e >  0).  Niech  ewolucja  stanu  układu 

prowadząca do kolejnych wartości x (x

1

x

2

, ... itd.) odbywa się krok po kroku zgodnie z 

zależnością iteracyjną 

 

Jeśli  równania  (7.7.1)  lub  (7.7.2)  opisują ewolucję  układu  po  trajektorii  należącej  do 
dziwnego  atraktora,  to  różnica  ε  miedzy  początkowymi  wartościami  x  ulegnie 
zwiększeniu,  co  widać  na  rys.  7.21.  A  zatem,  wykładnicza  rozbieżność  trajektorii 
przejawia  się  w  tym,  że  po  N  przekształceniach  początkowa  różnica  e  między 
wartościami osiąga następującą wartość [A3.1]: 

 

 

background image

 

Korzystając  z  reguł  różniczkowania  funkcji  złożonej

10)

,  równanie  (7.7.5) 

można  zapisać  w  innej  równoważnej(a  niejednokrotnie  bardziej  praktycznej) 
postaci,  operującej tylko pochodnymi pierwszego rzędu dla kolejnych wartości x

1

 

 

Z  równania  (7.7.6)  można  wywnioskować,  iż  między  charakterem  trajektorii  a 
wartością  wykładnika  Lapunowa  istnieją  następujące  zależności  (ograniczone 
tymczasem do jednej współrzędnej x)   :  

-----------------------------

_____________

__________________ 

 

 

λ  >0  oznacza  trajektorie  odpowiedzialną  za  generowanie  chaosu  deterministycznego 
(dziwny atraktor) λ  = O  -trajektorię stanowiącą cykl graniczny, a   λ < O — trajektorię 
dążącą do stabilnego stanu stacjonarnego. 

Powyższe  rozważania  trzeba  uogólnić  na  układy  wielowymiarowe.  Układ 

charakteryzuje  się  bowiem  liczbą  wykładników  Lapunowa  równą  jego  wymiarowi 
(czyli  liczbie  równań  różniczkowych  opisujących  dynamikę  układu).  W  przypadku 
opisanego  wyżej  układu  Lorenza  (czy  zespołu  przemian  chemicznych  z  trzema 
formami przejściowymi) otrzymuje się trzy wykładniki Lapunowa (dla trajektorii 

A

-

,

 

y, z). 

O  wystąpieniu  chaosu  deterministycznego  świadczy  już  to,  że  przynajmniej  jeden  z 
nich  jest  dodatni,  czyli  to,  że  „widmo"  znaków  wykładników  Lapunowa  wygląda 
następująco:  (  +  ,0,  -).  Zestawienie  związków  między  znakami 

X

x

,  A

r

.  A

z

  a  istnieniem 

odpowiednich atraktorów podaje tabl. 7.1. Jeśli dodatnią wartość wykazuje  więcej niż 
jeden wykładnik Lapunowa, to obserwowane dynamiczne zachowanie określa się jako 
hiperchaos  [B7.32J.  Odpowiadający  mu  dziwny  atraktor  rozwija  się  w  odpowiednio 
wielowymiarowej przestrzeni fazowej. Należy jednak  pamiętać, że  dla  opisywanych 
tu  układów  dynamicznych  suma  wszystkich  wykładników  Lapunowa  powinna  być 
ujemna 

(∑ λ

0

) [A3.I8]. 

Jeśli  opisaną  wyżej  koncepcję  wykładnika  Lapunowa  zastosuje  się  do  badania 

chaosu w iteracjach odwzorowania logistycznego (p. 7.6), to otrzymuje się zależność /. 
od  parametru  odwzorowania  logistycznego  a  przedstawioną  na  rys.  7.22.  Zestawienie 
tego  przebiegu  z  mapą  bifurkacji  z  rys.  7.15,  dla  tego  samego  przedziału  wartości 
parametru a, dobitnie ukazuje opisane wyżej przejścia między porządkiem a chaosem w 
procesie  iteracji  odwzorowania  logistycznego  [A3.1].  Dotychczasowe  rozważania 
dotyczyły  idealnych,  teoretycznych  przebiegów  trajektorii  w  przestrzeniach  fazowych. 
Istnienie  czysto  losowego  szumu  w  zachowaniu  układu  może  niestety  w  praktyce 
prowadzić  do  otrzymania  dodatniej  wartości 

A

max

11)

a  zatem  wyciągnięcia 

wniosku o istnieniu chaosu deterministycznego, nawet jeżeli analizowany ruch jest 
w istocie periodyczny lub  quasi-periodyczny. Przy interpretacji wartości 

A

max

    

---------------------------------------                     

11)  Należy  tu  znowu  wspomnieć  o  pozornie  paradoksalnym  efekcie  nasilania  porządku  przez 
oddziaływanie  losowego  szumu  na  niektóre  układy  chaotyczne,  np.  modelowy  układ  Bielousowa-
Żabotyńskiego (p. 7.8). 

tablica 7

.1 ZESTAWIENIE RELACJI MIĘDZY ZNAKAMI WYKŁADNIKÓW LAPUNOWA (

λ 

x

 , λ 

y

 , 

λ 

z

) A CHARAKTEREM TRAJEKTORII W TRÓJWYMIAROWEJ PRZESTRZENI FAZOWEJ (

x, y, z

Charakter trajektorii — typ atraktora 

Zestawienie znaków (A,, A,, A.) 

Punktowy 

( —, —, —) 

Cykl graniczny 

( O ,  -,  -)  

Quasi-peńodyczny (torus) 

(0,0, —) 

Chaotyczny (dziwny atraktor) 

( + ,0,—) 

background image

 

7.7.2

_______________________________________

Fraktalna natura 

dziwnych atraktorów. Rozszerzone pojęcie wymiaru

 

Jak  wspomniano  na  początku  tego  rozdziału,  wszystkie  znane  dziwne  atraktory  mają 
strukturę  fraktalną  [A3.1,  A3.6-A3.il,  B7.17].  Czym  jest  fraktal  ?  Aby  odpowiedzieć  na  to 
pytanie, należy zdać sobie sprawę z tego, że zarówno dziwne atraktory, jak i inne obiekty, 
wykazują  strukturę,  do  opisu  której  znane  ze  szkoły  klasyczne  pojęcie  wymiaru, 
wywodzące  się  z  prac  Euklidesa  (tzw.  wymiar  topologiczny),  okazuje się niewystarczające. 
Takie  proste  obiekty  jak  odcinki,  gładkie  krzywe,  prostokąty,  okręgi  itp.  nie  opisują 
dokładnie kształtu drzew, płatków śniegu, łańcuchów górskich czy wybrzeży morskich, lecz 
znacznie  je  idealizują.  A  te  ostatnie  to  właśnie  są  typowe  obiekty  fraktalne.  Termin 
„fraktal",  stworzony  przez  ich  odkrywcę  —  Benoit  Mandelbrota  [A3.10],  nawiązuje do 

łacińskiego  słowa  fractus  (złamany).  Fraktalami  nazywane  są  więc  dosłownie  obiekty  o 
,,złamanym  wymiarze",  który  często  bywa  ułamkowy.  W    dalszych    rozważaniach  
będzie mowa o atraktorach opisywanych przez modele ciągłe (równania różniczkowe) 
i dyskretne (odwzorowania). 

Atraktory opisywane układami równań różniczkowych 

Warto  powrócić  do  rozważań  o  dziwnym  atraktorze  Lorenza.  O  tym,  że  powinien  on 
mieć  wymiar  ułamkowy,  świadczy  analiza  jego  własności  dla  czasu  dążącego  do 
nieskończoności, tj. gdy tworzy się tzw. graniczny zbiór punktów danej trajektorii. Okazuje 
się, że objętość takiego granicznego zbioru (atrakto-ra) powinna wtedy dążyć do zera. W 
przypadku atraktora regularnego np. stabilnego stanu stacjonarnego (punktu — wymiar 
0) lub cyklu granicznego na płaszczyźnie (wymiar 2) warunek ten jest oczywiście spełniony. 
W  przypadku  atraktora  dziwnego,  który  przedstawiany  był  np.  w  trójwymiarowej 
przestrzeni (x, y, z), problem objętości granicznego atraktora nieco się komplikuje. Jego 
wymiar  nie  może  być  równy  3,  bo  oznaczałoby  to  niezerową  jego  objętość  dla  czasu 
dążącego  do  nieskończoności.  Nie  może  to  być  również  wymiar  równy  zeru  (jak  dla 
punktu),  jedności  (prosta)  lub  dwóm  (płaszczyzna).  Wykluczałoby  to,  na  mocy 
odpowiednich twierdzeń, dziwny charakter takiego atraktora. Przypisanie więc dziwnemu 
atraktorowi wymiaru większego od 2, ale ułamkowego (potwierdzonego rozważaniami o 
geometrii  takiego  obiektu),  pozwala  na  spełnienie  warunku  o  zerowej  objętości 
granicznego  atraktora.  Przykładowo,  wymiar  fraktalny  opisanego  wyżej  atraktora 
Lorenza  wynosi  2,06.  Jak  jednak  zdefiniować  taki  niecałkowity  wymiar?  Pod  pojęciem 
wymiaru fraktalnego rozumie się zwykle tzw. wymiar Hausdorffa

I2)

 [A3.1, A3.16], określony 

przez  następujące  rozumowanie.  Zakłada  się,  że  obiekt,  którego  wymiar  (w  ujęciu 
Hausdorffa)  chce się  określić,  ma wymiar  topologiczny  równy d

T

Należy  rozważyć,  ile 

potrzeba (

d

T

-

wymiarowych kul

13)

 o promieniu r, aby pokryć (wypełnić) cały badany obiekt. 

Jeśli  ich  liczbę  oznaczy  się  przez  N(r),  to  wymiar  Hausdorffa 

d

H

  określony  jest 

wyrażeniem   

 

Łatwo  również  zauważyć,  że w  przypadku  tak  „porządnych"  obiektów  jak  punkt, 
prosta (lub gładka krzywa) czy kwadrat, wymiar fraktalny jest zgodny  z wymiarem 
topologicznym: 

d

H

  = 

d

T

 

(odpowiednio  dla  wymienionych  obiektów:  O,  1,2).  Warto 

rozważyć jednak obiekt zwany krzywą Kocha. 
----------------------------

 

2)

 Ściślej biorąc, wymiar Hausdorffa przedstawiony tu  będzie w szczególnej  postaci,  zbieżnej z 

pojęciem  tzw.  wymiaru  pojemnościowego  wprowadzonego  przez  Komiogorowa.  Tożsamość 
między  tymi  dwoma  wymiarami  jest  spełniona  przynajmniej  dla  większości  trajektorii  układów 
dynamicznych.

 

13)

W przypadku, gdy 

d

T

 = 1

, kula staje się odcinkiem, a gdy 

d

T

 = 2 

— kwadratem. Gdy    

d

T

 

 

3, 

równoważne są rozważania dla kuli i sześcianu. 

background image

Krzywa Kocha jako typowy obiekt fraktalny 

Krzywą Kocha konstruuje się następująco: 

1. 

obiektem wyjściowym  (zwanym  inicjatorem) jest odcinek  o jedno stkowej 
długości (rys. 7.23a); 

2.  jako generator przekształcania tego odcinka przyjmuje się operację 

dzielenia odcinka na 3 części i usuwania części środkowej, z zastąpieniem jej 
podwojoną długością usuniętego odcinka (rys. 7.23b); 

3.  analogiczną operację wykonuje się dla każdego z odcinków, otrzymując 

obraz (rys. 7.23c); 

operacje  tę  powtarza  się  „nieskończenie"  wiele  razy,  otrzymując krzywą Kocha, 
będącą łamaną złożoną z nieskończenie wielu odcinków. 
 
Jeśli    inicjatorem    nie  jest    odcinek,    ale    trójkąt    równoboczny  (lub    ich  zespół), 
otrzymuje się tzw. płatek śniegu Kocha (rys. 7.23d). 

 

Przy  okazji konstruowania  tego  obiektu  można  łatwo  zauważyć  pewną  bardzo  ważną 
cechę  większości  fraktali,  a  co  za  tym  idzie  także  rozważanych  tu  dziwnych 
atraktorów.  Jest  nią  samopodobieńsrwo,  czyli  powtarzanie  schematu  struktury 
„makroskopowej"  na  poziomie  bardziej  „mikroskopowym".  Inaczej  mówiąc,  mały 
kawałek  takiego  obiektu,  odpowiednio  powiększony,  jest  nieodróżnialny  od 
większego, z którego został wycięty. Można to łatwo zauważyć na przykładzie opisanej 
wyżej  krzywej  Kocha  i  dziwnych  atraktorów.  Jeśli  bowiem  program  komputerowy 
generujący dziwny atraktor napisze się tak, aby można było powiększać wybrane małe 
fragmenty  otrzymanej  trajektorii,  to  otrzymuje  się  bezpośredni  dowód  na  to,  że 
struktura  „mikroskopowa"  dziwnego  atraktora  jest  identyczna  ze  strukturą  bardziej 

„makroskopową".  Zatem  jest  to  istotnie  obiekt  samopodobny,  a  więc  należący  do 
fraktali. 
Wracając do konstrukcji krzywej Kocha należy zauważyć,  że z rysunków  powyższych 
wynika jasno, że dla r = 1/3, otrzymuje się  N(r) = 4 odcinki krzywej. Druga operacja 
oznacza  podzielenie  krzywej  na  16  (4

2

)  odcinków  o  długości  1/9  (czyli  l/3

2

)  każdy. 

Można sprawdzić, że dla «-tej operacji = 1/3

n

, a N (r) = 4

n

. Jak z tego wynika obliczanie 

granicy  wyrażenia  (7.7.7)  przy  r  0  jest  równoważne  obliczaniu  granicy  tego 
wyrażenia przy ∞ 

 

Należy  przypomnieć,  że  klasyczny  (topologiczny)  wymiar  krzywej  Kocha  jest  równy  1. 
Otrzymana relacja 

d

H

 >  

d

T

  

wydaje się dobrą definicją fraktala jako obiektu, dla którego 

wymiar fraktalny jest wyższy od wymiaru topologicznego [A3.16]. Jak widać, definicja ta 
nie  narzuca  warunku,  że  wymiar  fraktalny  ma  wykazywać  ułamkową  wartość.  W 
rzeczy  samej  istnieją  obiekty  fraktalne,  czyli  spełniające  warunek  (7.7.10),  ale  między 
dwiema  liczbami  całkowitymi,  np.  krzywa  łamana  powstająca  jako  ślad  toru  cząstki 
poruszającej  się  bezładnym  chaotycznym  ruchem  Browna  (jej  wymiar  topologiczny  jest 
równy l, a wymiar fraktalny wynosi dokładnie 2). Można powiedzieć, że wymiar fraktalny 
(Hausdorffa)  uwidacznia  złożoność  struktury  obiektu,  której  nie  uwzględnia  klasyczny 
wymiar topologiczny. Dodatkowe informacje o fraktalach zawiera Uzupełnienie D. 

Atraktory opisane przez równania iteracyjne (odwzorowania) 

Wszystkie  opisywane  wyżej  fraktalne  cechy  dziwnych  atraktorów  mają  zastosowanie 
do  opisu  chaosu  w  procesie  iteracji  odwzorowania  logistycznego  (scenariusz 
Feigenbauma), opisanego samopodobnym „drzewkiem figowym" (rys. 7.15), z jednym 
wyjątkiem.  Uważnemu  Czytelnikowi  mogła  zresztą  nasunąć  się  poważna  wątpliwość. 
Atraktor  Lorenza  musiał  mieć  wymiar  większy  od  2,  aby  można  było  dopuścić  jego 
chaotyczną  naturę.  Czy  więc  atraktor  Feigenbauma  może  być  odpowiedzialny  za 
chaos,  skoro  jego  wymiar  z  pewnością  nie  przekracza  2?  Dla  przykładu,  wymiar 
Hausdorffa  dla  atraktora  Feigenbauma  dla  krytycznej  wartości  paramatru  a,  po 
przekroczeniu  której    pojawia  się  chaos,  jest  równy  0,538...  Nie  wdając  się  jednak  w 
szczegóły  matematyczne,  należy  podkreślić  tylko,  że  istnieje  różnica  w  wymaganiach 
dotyczących  wymiaru  atraktora  w  przypadku,  gdy  jest  on  generowany  przez  układ 
równań różniczkowych i przez iteracje [A3.1]. W tym drugim przypadku trajektorie mają 
charakter nieciągły. Można wykazać, że wtedy nie ma sprzeczności między wymiarem 
atraktora, mniejszym  od  2,  a  jego  chaotyczną  naturą. Oprócz wymiaru  Hausdorffa 
istnieją  też  inaczej  zdefiniowane  wymiary,  przydatne  w  analizie  chaotycznego 
zachowania układów: m.in. tzw. wymiar informacyjny d

1

 oraz — szczególnie ostatnio 

popularny w literaturze — wymiar korelacyjny Grassbergera i Procacci d

c

 Wymiarom tym 

background image

nie będzie poświęcona tutaj uwaga, tym bardziej, że są one często zbliżone wartościami 
do wymiaru fraktalnego (Hausdorffa), zgodnie z relacją [B7 15, B7.32] 

 

gdzie d

L

 oznacza tzw  wymiar Lapunowa, opisany w następnym rozdziale. 

7.7.3 ___________________________________  

Wykładnik Lapunowa a wymiar fraktalny 

Po  przeczytaniu  ostatnich  rozdziałów  może  pojawić  się  pytanie,  czy  miedzy  dwiema 
omówionymi  wyżej  a  różnymi  miarami  chaosu:  dynamiczną  —  w  postaci  wykładnika 
Lapunowa  i  statyczną  —  w  postaci  wymiaru  fraktalnego,  istnieje  jakikolwiek  ścisły 
związek.  Okazuje  się,  że  zależność  taka  została  zaproponowana  i  znana  jest  w 
literaturze  jako  hipoteza  Kaplana  i  Yorke'a  (A3.1,  B7  15].  Zgodnie  z  nią,  istnieje  — 
przynajmniej  w  wielu  przypadkach  -  równość  między  wymiarem  fraktalnym 

d

H

  i  tzw. 

wymiarem Lapunowa 

d

L 

Wymiar Lapunowa zdefiniowany jest za pomocą wykładników 

Lapunowa ).

w następujący sposób 

 

przy  czym,  aby  obliczenie  zostało  wykonane  prawidłowo,  wykładniki  Lapunowa  
m u s z ą   by ć   u p o r z ą dk ow a n e   w   k o l e j n o ś c i   m a le j ą c y c h   w a r t o ś c i                            

(

λ 

1

 

>  λ 

2

 

>  …)  Za  j  przyjmuje  się  największą  liczbę  całkowitą,  dla  której 

spełniony jest warunek 

 

Wymiar  Lapunowa  jest  wielkością  szczególnie  wygodną  do  wyznaczania  w 
numerycznych  symulacjach  dla  modeli  teoretycznych.  Trzeba  jednak  podkreślić,  że 
uniwersalność  hipotezy  Kapłana  i  Yorke'a  nie  została  dotychczas  potwierdzona. 
Prawdopodobnie prawdziwa  jest w  ogólnym  przypadku  raczej nieostra 

nierówność

 

d

H

  ≤  d

L

,

  co  jednak  nie  ma  znaczenia  dla  prostych  rozważanych  tu  dziwnych 

atraktorów,  dla  których  równość 

d

H

  =  d

L

 

jest  spełniana  z  wystarczającą 

dokładnością. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 
Rozdział     1  Czym są 

fraktale?

 

 
 
Wprowadzenie 

 

Człowiek  jako    istota  obdarzona  zdolnością  myślenia,  od  zarania 
swego  istnienia  starał  się  zrozumieć  otaczający

 

go świat i rządzące nim 

prawa.  Pierwsze  produkty  działalności  ludzkiej  inspirowane  tworami 

natury,  powstawały  na  zasadach  prymitywnego  empiryzmu,  przez  co  w  swym 
wyglądzie  nie  odbiegały  od  otaczającego  je  świata  przyrody.  Z  czasem  zdolność 
człowieka  do  myślenia  abstrakcyjnego  uległa  zwiększeniu  i  każde  zdejmowane  z 
nieboskłonu bóstwo zastępowała nowa teoria czy też hipoteza. Co więcej, z biegiem czasu 
teorie  opisujące  istotę  świata  ulegały  uproszczeniom,  by  od  platońskiego  podejścia 
spirytualistycznego  reprezentowanego 

przez 

starożytnych  filozofów  greckich  przejść  do 

materializmu  -  nurtu  w  pełni  empirycznego 

wymaganego 

przez  dzisiejszą  naukę.  W  1610 

roku  Galileusz  wyraził  pogląd,  że  językiem  natury  jest  matematyka,  a  ,  jej  alfabetem  są 
trójkąty,  koła  i  inne  figury  geometryczne" 

tak  więc  matematyka  stała  się  językiem 

formalnym  wszelkich  teorii  naukowych.  Ale 

czy 

stwierdzenie  Galileusza  było  słuszne?  Czy 

twory  natury  rzeczywiście 

przypominają 

kształty  znane  z  geometrii  klasycznej?  Pablo 

Picasso,  Georges  Braque  i 

inni  kubiści  krzyknęliby 

głośno  TAK!,  lecz  poglądowi  temu 

sprzeciwił  się  Benoit  Man

delbrot,  pionier  w  zakresie 

badań  nad  nieregularnością 

struktury  rzeczywistego  świata  i 

form  geometrycznych 

w nim 

zawartych, 

które  nazwał 

fraktalami. W swojej słynnej książce The Fractal 

Geometry of 

Nature opublikowanej w 1975 

roku,  .stwierdził:  „Ani  chmury  nie 

są 

kulami,  góry  -  stożkami, 

linia  brzegowa  Kołem, 

kora  nie  jest  płaska,  ani  też  błyskawica  nie  mknie  po  linii  prostej".  Zdanie  to 
przytaczane jest  chyba  we wszystkich publikacjach poruszających temat fraktali i w pełni 
oddaje  istotę  rzeczy  Dzisiejsze  twory  działalności  człowieka,  takie  jak  przedmioty_ 
codziennego  użytku  czy  obiekty  architektoniczne,  proste  w  swej  strukturze 
geometrycznej, te twory kultu geometrii 

klasycznej 

wpajanej ludziom od najmłodszych lat, 

przez  co  budującej  podświadome 

uwielbienie 

dla  trywialnej  estetyki,  zdają  się  zgodne  z 

galileuszowskim widzeniem 

świata, lecz jakże 

są odmienne od występujących w przyrodzie. 

Dlatego  opis  tworów 

natury  za  pomocą 

fraktali,  który 

propaguje 

Mandelbrot  i  jemu 

podobni, wydaje się o wiele lepiej modelować ten aspekt rzeczywistości niż teorie mające 
za narzędzie geometrię euklidesową.

 

 
 

 
 
 

 

 

 
 
Geneza fraktali

 

 

 

Jakże  kręte  i  powikłane  są  drogi  rozwoju  nowych  idei  Powstawanie  i  rozwój  teorii 
zdaje  się  przypominać  działanie  ewolucji,  tworzącej  na  zasadzie  ślepego  przypadku 
nowe  gatunki  w  przyrodzie,  które  to  albo  giną  śmiercią  naturalna  zaraz  po 
powstaniu, albo trwają w swej egzystencji przez miliony lat jako formy ukryte, by nagle 
po zmianie warunków środowiska naturalnego lub z powodu innych czynników wyjść w 
pełnej  krasie  na  światło  dzienne.  Analogia  ta  sprawdza  się  również  i  w  przypadku 
fraktali,  jeśli  prześledzić  drogę  rozwoju  tej  dziedziny  wiedzy.  Za  narodziny  fraktali 
można  przyjąć  koniec  wieku  XIX  i  początek  XX,  kiedy  to  matematycy  tacy  jak  Koch, 
Hilbert  czy  Peano,  zaczęli  tworzyć  krzywe  wypełniające  przestrzeń  oraz  krzywe,  które 
przecinają się w każdym punkcie. Współcześni im matematycy ograniczyli się jedynie 
do określenia tych  tworów czystej matematyki mianem  patologiczne, monstrualne  i nie 
okazali  im  większego  zainteresowania.  Prace  Kocha,  Hilberta  i  Peana  zostały 
złożone  w  matematycznym  lamusie.  Ponowne  zainteresowanie  tematem  nastąpiło 
dopiero  w  latach  sześćdziesiątych  naszego  wieku  wraz  z  rozwojem  badań  nad 
zachowaniem  układów  dynamicznych  i zachodzących w nich procesów chaotycznych. 
To  właśnie  chaos  deterministyczny  bo  taką  nazwę  nadano  temu  obszarowi  badań, 
spowodował ponowne pojawienie się „monstrualnych" krzywych na scenie naukowej, 
lecz  tym  razem  pod  nazwą  dziwne  atraktory/Jednak  na  początku  związek  między 
dziwnymi atraktorami  chaosu,  a matematycznymi  rojeniami  Kocha,  Hilberta  i  Peana, 
nie  został  zauważony.  Dopiero  dzięki  wyobraźni  Mandelbrota  tajemnicze  krzywe  i 
twory chaosu scaliły się tworząc nowy byt o nazwie fraktal.

 

 

  

 

Definicja fraktala

 

Benoit  Mandelbrot  w  swojej  książce  podaje  definicję  fraktala,  jako 

obiektu  geometrycznego  posiadającego  cechę  samopodobieństwa, 
którego  wymiar  nie  jest  liczbą  całkowitą.  Zajmiemy  się  teraz  głębszą 

analizą  tej  definicji.  Samopodobieństwo,    oznacza,  że  część  obiektu  jest  podobna  do 
całości. Jest to cecha charakterystyczna dla obiektów występujących w przyrodzie. Liść 
paproci jest małą repliką całej paproci, powiększenie kory drzewa dalej przypomina korę, 
a linia brzegowa pozostaje nie zachwiana w swojej strukturze niezależnie od skali mapy. 
Natomiast  tradycyjne  kształty  geometryczne  -  trójkąty,  koła,  sfery  -  tracą  przy 

1.1 

1.

3

 

1.

2

 

background image

powiększeniu swoje właściwości. Na przykład powiększenie ad itifitiititm wycinka okręgu 
jest  pozbawionym  własności  okręgu  odcinkiem.  Pojęcie  wymiaru  obiektu 
geometrycznego  jest  znane  chyba  wszystkim  absolwentom  szkoły  podstawowej.  Tak 
więc  wymiar  odcinka  wynosi  l,  wymiar  kwadratu  wynosi  2,  wymiar  sześcianu  3,  a 
hipersześcianu  4.  Ten  rodzaj  wymiaru  nosi  nazwę  wymiaru  topologicznego  i  jego 
wartością jest  nieujemna  liczba  całkowita.  Cóż  jednak  oznacza  sformułowanie  „wymiar 
niecałkowity"?  Czy  jest  to  kolejna imaginacja  jakiegoś  szalonego  pisarza  science-fiction, 
która  znalazła  swoje  miejsce  w  nauce?  Istnieje  wiele  definicji  wymiaru  (wymiar 
informacyjny,  wymiar  Lapunowa,  wymiar  korelacyjny  itd.).  Ten,  o  którym  mowa,  służy 
opisowi  stopnia  chropowatości  obiektu  geometrycznego  i  jest  znany  jako  wymiar 
Hausdorffa-Besicovitcha.  W  celu  lepszego  zrozumienia  tematu  przyjrzyjmy  się  dwóm 
przykładowym obiektom: domkniętemu wycinkowi okręgu i łamanej.

1

 Wymiar topologiczny 

obu tych obiektów jest równy i ma wartość l, lecz w sensie wymiaru Hausdorffa-Besicoyitcha 
wymiar  łamanej  jest  większy,  ponieważ  łamana  lepiej  zapełnia  przestrzeń  niż  gładki 
wycinek  okręgu,  a  jednocześnie  gorzej  niż  dwuwymiarowa  po-  wierzchnia.  Zatem  ma sens 
wymiar  zawarty  gdzieś  między  wartościami  l  i  2>.  Nie  jest  przypadkiem,  że  jako  drugi  z 
przykładowych  obiektów  podano  łamaną,  ponieważ  termin  fraktal  stworzony  przez 
Mandelbrota  pochodzi  od  łacińskiego  przymiotnika  fractus,  a  odpowiadający  mu 
czasownik frangere znaczy „łamać", „tworzyć nieregularne fragmenty". Zatem wymiar jest 
tym, co odróżnia w sposób ilościowy fraktale od obiektów geometrii euklidesowej. 

 

 

 

 

   

Zastosowanie fraktali

 

W dzisiejszej nauce fraktale stosowane są do: 

  badania nieregularności powierzchni, opisu procesów chaotycznych 

zachodzących w układach dynamicznych, 

  przetwarzania i kodowania obrazów cyfrowych - kompresja fraktalna, 
  modelowania tworów naturalnych dla celów realistycznej grafiki 

komputerowej,  

  badania struktury łańcuchów DNA,   
  badania samopodobnych struktur harmonicznych występujących w 

muzyce. 

Jak  już  wspomniano  wcześniej,  natura  nie  tworzy  form  o  strukturze  gładkiej,  lecz 

charakteryzującej  się  większym  lub  mniejszym  stopniem  chropowatości  powierzchni. 
Odnosi  się  to  zarówno  do  obiektów  rozpatrywanych  w  skali  mikroskopowej,  jak  i  ma-

kroskopowej. Na przykład Douglas Rees i Mitchel Lewis ustalili, że powierzchnia białka 
jest  fraktalem  o  wymiarze  około  2,4  i  co  więcej,  że  pewne  jej  obszary  są  bardziej 
chropowate od innych, co implikuje, że mają one średnio większy wymiar. Jak się wydaje, 
obszary te są miejscami, w których białka sklejają się ze sobą w procesie syntezy. natomiast 
obszary bardziej gładkie są to miejsca aktywne dla enzymów, które wiążą się z białkami 
znacznie gorzej. W latach sześćdziesiątych Mandelbrot, jeszcze jako pracownik naukowy 
firmy  IBM,  zaproponował  fraktalna  koncepcję  rozkładu  galaktyk  we  wszechświecie. 
Dowodził on mianowicie, że struktura wszechświata może być jednorodna, ale nie musi 
wynikać  stąd  jednorodny  rozkład materii,  pod warunkiem,  iż  rozkład  ten jest  fraktalem. 
Dzisiejsi znawcy tematu przyjmują, że wszechświat nie jest czysto fraktalny, ponieważ nie 
wykazuje cechy samopodobieństwa we wszystkich rozpatrywanych skalach, lecz określają 
go  jako  multifraktalny,  to  znaczy  składający  się 

:

ze  zbioru  fraktali  pomiędzy  którymi  nie 

zachodzi relacja podobieństwa. 

Fraktalny  model  natury  i  procesów  w  niej  zachodzących  wydaje  się  spełniać  swoje 

zadanie.  Ale  czy  jest  to  model  prawdziwy?  Czy  rzeczywiście  przyroda  działa  na  pod-
stawie zasad geometrii fraktalnej? Na tego typu pytania nigdy nie można dać odpowie-
dzi  twierdzącej.  Każda  teoria  jest  tylko  teorią,  a  to  znaczy,  że  może  zostać  zastąpiona 
modelem  lepszym,  sprawdzającym  się  w  szerszym  aspekcie  rzeczywistości.  Zastąpiona 
nie znaczy jednak odrzucona. Jako przykład można podać mechanikę klasyczną Newto- 
na, której prawa panowały niepodzielnie przez ponad dwa stulecia jako ostateczny opis 
rzeczywistości.  Wraz  z  rozwojem  nauki  odkryto,  że  nic  sprawdzają  się  one  jednak  w 
przypadku  prędkości  bliskich  prędkości  światła.  Powstała  nowa  koncepcja  -  teoria 
względności Alberta Einsteina. Nie wyparła ona jednak całkowicie mechaniki Newtona, 
ponieważ w szerokim przedziale prędkości sprawdza się znakomicie i jest zupełnie wy-
starczająca.  Fraktale,  oprócz  swych  naukowych  zastosowań,  posiadają  jeszcze  jedną 
ważną zaletę. Przede wszystkim są wizualnie piękne, co czyni je nieśmiertelnymi dopó-
ty,  dopóki  człowiek  będzie  hołdował  nie  tylko  wartościom  materialnym,  lecz  również 
estetycznym. 
 

1.

4