background image

WŁADYSŁAW HOFFMANN 
MAREK MIKOŁAJCZYK 
Uniwersytet Szczeciski 
Wydział Nauk Ekonomicznych i Zarzdzania 
Instytut Informatyki w Zarzdzaniu 

NOWOCZESNE ZASTOSOWANIA GEOMETRII FRAKTALNEJ 

Streszczenie 

Teoria  Chaosu  i  geometria  fraktalna  to  nowe  pojcia  w  nauce,  jednak  szybko 

zyskały  do  due  zainteresowanie.  Metody  korzystajce  z  właciwoci  fraktali 
okazały si czsto bardzo przydatne w wielu dziedzinach ycia: do kompresji obrazu, 
generowania  obiektów  wygldajcych  naturalnie,  a  nawet  w  ekonomii.  W  artykule 
pokrótce  przedstawiono  podstawy  geometrii  fraktalnej  i  przedstawiono  jej 
praktyczne zastosowania.  

1. Fraktale – definicja i cechy charakterystyczne

W  przyrodzie  obiekty  fraktalne  wystpuj  bardzo  czsto  –  wystarczy  spojrze  na  licie, 

naczynia  krwionone,  łacuchy  górskie,  lini  brzegow,  chmury  itp.,  Czym  jednak  jest  fraktal? 
Twórca  teorii  fraktali  Benoit  Mandelbrot  twierdził,  e  fraktalem  jest  wszystko,  natomiast  figury 
typu  prostokt,  koło,  trójkt  s  sztucznie  wymylone  przez  ludzi  w  celu  uproszczenia  opisu 
otaczajcego  nas  wiata.  Sugerował,  e  figury  takie  nie  maj  odpowiedników  w  rzeczywistoci. 
Niestety  taka  definicja  jest  zdecydowanie  za  mało  precyzyjna,  wic  warto  przytoczy
dokładniejsz, zawart w pracy prof. Kudrewicza „Fraktale i chaos”: 
"Fraktalem  na  płaszczynie  nazywamy  dowolny  niepusty  i  zwarty  podzbiór  płaszczyzny  X  ". 
Naley  równie  doda,  e  istnieje  kilka  cech,  które  musz  by  spełnione,  aby  dany  obiekt 
zdefiniowa  jako  fraktal.  Mandelbrot  w  swojej  pracy  napisał,  e  fraktale  to  zbiory  płaskie, 
charakteryzujce si: 
-  niecałkowitym wymiarem fraktalnym (ich wymiar nie jest liczb całkowit), 
-  cech samopodobiestwa, 
-  nie s okrelone wzorem matematycznym, tylko zalenoci rekurencyjn. 

W  tej  definicji  kryj  si  dwa  pojcia,  które  naley  wyjani.  Przede  wszystkim  wymiar  –  z 

elementarnego  kursu  matematyki  wiadomo,  e  wymiar  punktu  jest  równy  zeru,  prostej  –  jeden, 
płaszczyzny dwa a przestrzeni trzy. Jeli jednak rozpatrywana jest łamana na płaszczynie, to jaki 
jest  jej  wymiar?  Intuicyjnie  mona  stwierdzi,  e  wikszy  ni  jeden,  jednak  z  pewnoci  nie 
tworzy  płaszczyzny  dwuwymiarowej.  Na  lekcjach  geometrii  uczniowie  ucz  si  rozrónia
obiekty  jednowymiarowe,  (odcinek),  dwuwymiarowe  (koło,  kwadrat)  od  trójwymiarowych 
(szecian).  Wiadomo  równie,  e  jeli  długo  wszystkich  cian  pokoju  zostanie  zwikszona 
dwukrotnie,  to  za  parkiet  trzeba  bdzie  zapłaci  cztery  razy  wicej.  Jeli  natomiast  rozmiar 
odcinka wydrukowanego na papierze zostanie zwikszony trzykrotnie, to ilo potrzebnego tuszu 
do  narysowania  tak  powikszonego  odcinka  te  wzronie  trzykrotnie.  T  intuicyjnie  zrozumiał
własno mona wykorzysta do zdefiniowania wymiaru fraktalnego: 

background image

POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZDZANIA WIEDZ

Seria: Studia i Materiały, nr2, 2004 

31

P

P

N

D

P

ln

)

(

ln

lim

=

(1)

gdzie  P  jest  powikszeniem,  a  N(P)  iloci  tuszu  niezbdn  do  narysowania  P-krotnie 
powikszonego  zbioru?  Dla  odcinka,  zgodnie  z  przewidywaniami,  otrzymujemy  D  odcinka  =  1. 
Jednak  w  przypadku  innych  zbiorów,  nawet  tych  zawartych  na  prostej,  moe  by  inaczej. 
Powikszajc  trzykrotnie  samopodobny  zbiór  Cantora,  wystarczy  tylko  dwukrotnie  zwikszy
ilo  zuytego  tuszu  drukarki.  Ta  obserwacja  wiadczy  o  tym,  e  wymiar  zbioru  Cantora  jest 
mniejszy  od  jednoci.  Doprecyzowujc  szczegóły  matematyczne,  mona  poda cisł  definicje 
wymiaru,  która  nie  musi  by  liczb  naturaln,  ale  dla  standardowych  obiektów  bdzie  dawa
oczekiwany wynik 1, 2 lub 3[1]. 

Jeli chodzi o zbiory płaskie, to mona stwierdzi, e wymiar fraktalny takiego zbioru naley 

do  przedziału  [1,2];  jest  miar  zmiennoci,  postrzpienia  szeregu,  lub  inaczej  –  dostarcza 
informacji,  jak  bardzo  krzywa  wypełnia  płaszczyzn  [2].  Drugim  pojciem  wymagajcym 
omówienia  jest  samopodobiestwo.  Dwa  obiekty,  niezalenie  od  ich  wielkoci  s  podobne,  jeli 
maj  ten  sam  kształt,  tj.  równe  kty  oraz  odpowiednie  odcinki  proporcjonalne.  Współczynnik 
proporcjonalnoci nazywa si współczynnikiem skalowania. Załómy, e jest dodatni i oznaczmy 
go liter p. Zbiór Γ nazywamy samopodobnym, jeeli jest sum rozłczonych, pomniejszych kopii 
samego siebie, lub gdy kady fragment zbioru Γ, odpowiednio powikszony wyglda tak samo jak 
cały zbiór[3]. Jeli pomniejszymy np. krzyw Kocha trzykrotnie rK= 1/3, a nastpnie fragment ten 
skopiujemy  czterokrotnie  i  odpowiednio  skleimy  to  ponownie  otrzymamy  krzyw  Kocha. 
Typowym  fraktalem  wystpujcym  w  naturze,  w  którym  wida  cech  samopodobiestwa  to 
kalafior.  Jego  główka  składa  si  z  róyczek,  które  po  oddzieleniu  od  reszty  przypominaj  cał
główk, tyle, e w pomniejszeniu. Czci te mog by znowu podzielone na mniejsze czci, które 
bd podobne do całego kalafiora. Ta  własno przenosi si na  kolejne trzy lub cztery  generacje 
Efekt jest niewidoczny póniej gdy nastpne podziały skutkuj separowaniem zbyt małych czci 
kalafiora. Jednak nawet w przypadku, gdy kopie całoci pojawiaj si we wszystkich stadiach i s
kopiami dokładnymi, mog wystpowa róne rodzaje samopodobiestwa: 
-  samopodobiestwo  w  punkcie  przykładem  moe  by  okładka  ksiki,  która  przedstawia  rk
trzymajca  t  włanie  ksik.  Kopie  w  tym  przypadku  koncentruj  si  wokół  jednego  punktu  i 
jedynie  on  ma  własno  samopodobiestwa.  Punkt  ten  jest  granic,  w  której  wielkoci  kopii 
malej do zera. Inaczej mówic okładka ksiki jest samopodobna w tym punkcie. 
-  samoafiniczno  –  tutaj  przykładem  moe  by  drzewo  o  podwójnych  rozgałzieniach.  Całe 
drzewo  składa  si  z  pnia  i  dwóch  pomniejszonych  kopii  całoci.  Dlatego  coraz  mniejsze  kopie 
koncentruj si przy liciach. Całe drzewo nie jest wic samopodobne, ale samoafiniczne, tzn. pie
nie  jest  podobny  do  całoci,  ale  moe  by  traktowany  jako  afiniczny  obraz,  który  został 
sprasowany do linii. 
-  cisłe samopodobiestwo – przykładami cisłego samopodobiestwa moe by krzywa Kocha 
albo trójkt Sierpiskiego. W tych obiektach moemy znale kopie całoci w otoczeniu kadego 
jego punktu.  

2. Przegląd klasycznych fraktali 

Geometria  obok  arytmetyki  jest  najstarszym  działem  matematyki.  Ju  w  staroytnoci 

osignła wysoki stopie rozwoju, a gdy Euklides w IV w. p.n.e. przedstawił j w Elementach w 
postaci aksjomatycznej, stała si na ponad dwa tysiclecia wzorem precyzji mylenia nie tylko dla 

background image

Władysław Hoffmann, Marek Mikołajczyk 

Nowoczesne zastosowania geometrii fraktalnej 

32

matematyków.  Za  najnowszy  etap  rozwoju  geometrii  uwaa  si  zwykle  geometri  róniczkow, 
której  dynamiczny  rozwój  nastpił  na  pocztku  naszego  wieku  i  mimo,  e  nie  zapomniano  o  tej 
dziedzinie, to mona powiedzie, e nie pojawiły si w niej adne istotne nowe i ciekawe pojcia. 
Tymczasem w cigu ostatnich kilku lat powstała zaliczana do geometrii teoria fraktali, opisujca i 
badajca  obiekty  o  strukturze  odmiennej  od  tego,  do  czego  przyzwyczaiła  nas  klasyczna 
geometria[4].  
 

Pierwsze obiekty o tak nietypowej konstrukcji pojawiły si pod koniec XIX w - w roku 1883 

Georg  Cantor,  niemiecki  matematyk  z  uniwersytetu  w  Halle  opublikował  prac,  w  której 
zaproponował  konstrukcj  nazwan  póniej  jego  imieniem  jako  zbioru  o  wyjtkowych 
własnociach.  Odcinek  [0,1]  podzielił  na  trzy  równe  czci  i  usunł  rodkow.  Z  pozostałymi 
dwoma  odcinkami  postpił  analogicznie.  W  konsekwencji  takiego  postpowania  w  granicy 
nieskoczonej iloci kroków powstaje tzw. zbiór punktów Cantora.  

Niewiele  póniej,  w  1904  roku  szwedzki  matematyk  Helge  van  Koch  wprowadził  krzyw

nazywan  obecnie  krzyw  Kocha.  Po  połczeniu  trzech  odpowiednio  obróconych  egzemplarzy 
krzywej Kocha otrzymamy figur zwan płatkiem niegu. 

Budow krzywej Kocha zaczyna si od linii prostej. Pocztkowy obiekt nosi nazw inicjatora. Po 
jego  podziale  na  trzy  równe  czci  w  miejsce  rodkowej  wstawiamy  trójkt  równoboczny  i 
usuwamy  jego  podstaw.  Jest  to  podstawowy  krok  w  konstrukcji.  Po  pomniejszeniu  figura  ta,  w 
czterech  egzemplarzach  bdzie  słuy  w  kolejnych  krokach.  Nazywa  si  j  generatorem. 
Konstrukcj tworzymy w ten sposób, e kady odcinek w figurze dzielimy na trzy czci i zamiast 

rodkowego wstawiamy generator, itd.[5]  

Rys.2.Krzywa Kocha 

Kolejny klasyczny fraktal, to stworzony przez polskiego matematyka, Wiesława Sierpiskiego 

trójkt  Sierpiskiego.  Metoda  tworzenia  trójkta  jest  nastpujca:  Wybiera  si rodki  trzech 
boków  trójkta.  Punkty  te,  po  połczeniu  razem  z  wierzchołkami  pocztkowego  trójkta 
wyznaczaj  cztery  mniejsze  trójkty,  z  których  usuwamy  rodkowy.  Jest  to  krok  podstawowy 
konstrukcji. Procedura jest powtarzana dla kadego z pozostałych trzech trójktów, itd. 

Rys.1. Zbiór Cantora 

background image

POLSKIE STOWARZYSZENIE ZARZDZANIA WIEDZ

Seria: Studia i Materiały, nr2, 2004 

33

Rys.2.Trójkt Sierpiskiego 

3. Praktyczne zastosowania geometrii fraktalnej 

Jak ju wczeniej wspomniano z fraktalami spotykamy si w naszym yciu codziennym. Linie 

brzegowe,  łacuchy  górskie,  niektóre  owoce  i  warzywa  wykazuj  cechy  charakterystyczne  dla 
fraktali. Niektóre zjawiska równie charakteryzuj si np. samopodobiestwiem w czasie. Dziki 
odpowiednim  badaniom  i  obserwacjom  geometri  fraktaln  i  teori  chaosu  deterministycznego 
mona  próbowa  stosowa  w  wielu  dziedzinach  nauki.  W  1991  roku  na  prestiowym  zjedzie 
SIGGRAPH  (Special  Interest  Group  of  the  Association  for  Computing  Machinery  (ACM))  
przedstawiono  zastosowanie  geometrii  fraktalnej  do  analizy  obrazu.  Technika  ta  wprowadzała 
nowy  sposób  binarnego  cieniowania,  uytecznego  do  wprowadzenia  odcieni  szaroci  do 
dwukolorowego urzdzenia  graficznego, takiego jak np. drukarka laserowa . Oprócz cieniowania 
geometri fraktaln udało si zastosowa do kompresji obrazu. W medycynie fraktali uywa si do 
analizy  obrazów  tomograficznych,  rozpoznawania  komórek  itp.  W  ten  sposób  przeprowadzone 
par lat temu badania w orodku badawczym Mount Sinai w Nowy Jorku wskazały na zaleno
pomidzy  wymiarem  fraktalnym  chromosomu  a  rakiem.  W  psychologii  naukowcy  badajcy 
ludzkie  oceny  estetyczne  stwierdzili,  e  istnieje  zaleno  pomidzy  estetyk  rysunku 
wygenerowanego  za  pomoc  fraktala  a  jego  wymiarem.  Wraz  z  rozwojem  geometrii  fraktalnej 
ułatwiona została te codzienna praca grafików komputerowych. Gdy potrzebuj oni obrazu stoku 
górskiego  lub  drzewa  zamiast  przeszukiwa  setki  zdj  mog  posłuy  si  odpowiednimi 
modelami  do  generowania  tego  typu  obrazów.  Istnieje  moliwo  wygenerowania  wymaganego 
obiektu, co dzieje si za spraw sparametryzowania programu. Z grafiki fraktalnej skorzystała te
sztuka  filmowa.  Fraktale  wykorzystano  w  filmie  Star  Trek  II:  The  Wrath  of  Khan  do 
przedstawienia krajobrazu planety Genesis, a take w filmie Powrót Jedi do stworzenia geografii 
ksiyców Endora i zarysów Gwiazdy mierci. 

W  ostatnim  okresie  obserwuje  si  coraz  wiksz  rónorodno  metod,  które  s  stosowane  do 

analizy danych finansowych, a w szczególnoci do analizy finansowych szeregów czasowych. Sił
napdow,  która  spowodowała  rozwój  tych  metod,  była  ch  stworzenia  metody  prognozowania 
cen  finansowych  (w  szczególnoci  kursów  akcji),  których  stosowanie  na  rynku  przynosiłoby 
ponadprzecitne dochody. 

W ramach tego nurtu  mona  wyróni  nastpujce grupy  metod (wymienione zostaj jedynie 

te, które bezporednio dotycz finansowych szeregów czasowych): 

- analiza techniczna; 

background image

Władysław Hoffmann, Marek Mikołajczyk 

Nowoczesne zastosowania geometrii fraktalnej 

34

- metody oparte na teorii procesów stochastycznych;
- metody cybernetyki finansowej; 
- modele ekonometryczne; 
- teoria chaosu. 
Zwłaszcza ta ostatnia  metoda zasługuje na uwag. Okazuje si, e przy pewnych załoeniach 

mona  kusi  si  o  prognozowanie  np.  wyników  finansowych  spółek  korzystajc  z  metod  teorii 
chaosu i geometrii fraktalnej. Istnieje szereg bada nad przewidywaniem zachowa notowa akcji. 
Liczenie wymiaru Minkowskiego z wykresu cen akcji moe posłuy do analizy trendów spółek. 
Udowodniono  równie,  e  ruchami  kursów  giełdowych  rzdz  prawa  dynamiki  nieliniowej, 
ukazujc  fraktaln  geometri  polskiego  rynku  akcji.  Trwaj  równie  badania  nad  wymiarem 
fraktalnym  szeregów  czasowych  sprzeday  produktów  w  sieciach  hipermarketów.  Istnieje 
podejrzenie,  e  szeregi  te  wykazuj  cechy  fraktali,  co  by  moe  pozwoli  na  generowanie 
skuteczniejszych  od  dotychczasowych  prognoz  sprzeday  produktów  w  sieciach  sklepów,  które 
identyfikuj  swoich  klientów.  Warta  weryfikacji  jest  równie  hipoteza,  e  samopodobiestwo  w 
szeregach  czasowych  ma  do  silny  zwizek  z  sezonowoci.  Wad  metody  jest  fakt,  e  aby 
wyniki  bada  były  rzetelne  naley  dysponowa  danymi  z  długiego  okresu  czasu  (wiele  próbek). 
Niestety  dane  ekonomiczne  składaj  si  z  reguły  z  małej  iloci  obserwacji,  z  niezbyt  długiego 
okresu.  Tymczasem  na  podstawie  takich  danych  trudno  jednoznacznie  wnioskowa  o  istnieniu 
bd  nieistnieniu  jakiej  struktury.  Niektóre  sygnały  potwierdzaj  istnienie  chaosu  na  giełdzie, 
inne  temu  zaprzeczaj.  Naleałoby  wic  wypracowa  nowe  metody  badania  danych 
ekonomicznych, mniej zalene od iloci dostpnych informacji[6].  

Podsumowujc  mona  powiedzie,  e  geometria  fraktalna  ma  zastosowanie  w  wielu 

dziedzinach  ycia.  By  moe  metody  wyszukiwania  samopodobnych  wzorców  w  przyrodzie 
pomog  w  tworzeniu  zupełnie  nowych  teorii  i  wnios  jeszcze  wiele  nowych  pomysłów  w  wielu 
dziedzinach nauki. 

Bibliografia

1.

K. yczkowski, A. Łoziski „Chaos, fraktale oraz euroatraktor”, FOTON 80, 2003r

2.

M.  Zwolankowska:  Fraktalna  Geometria  Polskiego  Rynku  Akcji”,  Wydawnictwo
Naukowe Uniwersytetu Szczeciskiego, 2001r

3.

H.  Zawadzki:  „Chaotyczne  systemy  dynamiczne.  Elementy  teorii  i  wybrane  przykłady
ekonomiczne
”. Prace Naukowe AE im. K. Adamieckiego. Katowice 1996r.

4.

E. Melnyczok, „Systemy Funkcji Iterowanych”, Białystok 1988

5.

H.-O.  Peitgen,  H.  Jurgens,  D.  Saupe:  „Granice  Chaosu  –  Fraktale“  Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 1997r.

6.

K.  Jajuga,  D.  Papla:  „Dynamiczne  modele  ekonometryczne”  V  Ogólnopolskie
Seminarium Naukowe w Toruniu, Toru 1997r.