فرکتال‌ها| قسمت اول، مقدمه

قصد دارم تا توی ۵ تا پست در مورد فرکتال‌ها (برخال ها – fractals) بنویسم. این پست رو اختصاص میدم به یک مقدمه و معرفی در مورد این موضوع:

همه ی ما با شکل هایی مثل دایره، مثلث، مربع، خط راست، چندضلعی ها و … آشنا هستیم، اشکال اقلدیسی که ساده ترین هندسه موجود (هندسه اقلدیسی) رو میسازند و ما به کمک اونها میتونیم یک تقسیم بندی برای اشکال محیط دور و برمون داشته باشیم. ولی حقیقت اینه که طبیعتی که ما اون رو توصیف میکنیم اصلا شکل اقلیدوسی نداره! به عبارت دیگه شکل هایی که توی دنیای واقعی هستند اقلیدوسی نیستند! به قول بنوآ مندلبرو، پدر هندسه فرکتالی:

«ابرها کره نیستند، کوها ها مخروط نیستند،‌ خطوط ساحلی دایره نیستند، پوست درخت صاف نیست و همین طور نور روی خط راست حرکت نمی کند!»

در حقیقت هندسه ای که دنیای اطراف ما رو توصیف میکنه یک هندسه پیچیده تری هست به نام هندسه برخالی یا هندسه فرکتالی. اجازه بدید موضوع رو با یک مسئله اندازه گیری ادامه بدم؛ فرض کنید به عنوان یک گردشگر وارد اصفهان -نصف جهان – شدید و میخواهید که فاصله ی بین پل خواجو تا سی و سه پل رو کنار زاینده رود قدم بزنید. از یکی از بومی های اونجا می پرسید که فاصله ی این پل تا اون پل چقدره و احتمالا جوابی حول و حوش ۲ کیلومتر میشنوید که برای یه قدم زدن، مناسب به نظر میرسه. خب این ۲ کیلومتری که جواب شماست چه جوری اندازه گیری شده؟ قریب به یقین مثل اندازه گیری فاصله دوتا شهر بوده. ولی اگه شما بخواهید دقیق این فاصله رو اندازه گیری کنید، یعنی از روی خطوط ساحلی این کارو انجام بدین بسته به این که واحد اندازه گیریتون چی باشه (چه اندازه ای باشه) جواب های مختلفی به دست میارید. فرض کنید با چند تا خط کش با طول های ۱۰۰، ۵۰ و ۱۰ سانتی متری این کارو میخواهید انجام بدین. چون خطوط ساحلی خم های کج و معوجی هستند، هر چقدر خط کش شما کوچیک تر باشه، خط کش شما نزدیک تر به شکستگی ها میشه و شما دقیق تر اندازه گیری میکنید. نکته اینجاست که با کوچیک و کوچیک تر شدن خط کش (واحد اندازه گیری) عدد به دست اومده بزرگ و بزرگتر میشه. بنابراین دقیق ترین اندازه گیری وقتی هست که طول خط کش به صفر میل کنه و مجموع واحدهای اندازه گیری شما (که حالا تبدیل به نقطه شدند) کاملا بر خطوط ساحلی منطبق بشه. ولی خب یه مشکلی هست و اون اینه که در این صورت عدد شما به بینهایت میل میکنه که خوشایند نیست! یعنی شما باید یک مسیر بینهایت طولانی رو قدم بزنید! نه نگران نباشید، چیزی که شما می پیمایید اون خطوط ساحلی نیست! شما موقع قدم زدن یک سری خط راست بهم پیوسته رو می پیمایید که همون ۲ کیلومتر میشه (خدا رو شکر کنید که دقیقا از روی خطوط ساحلی نمیتونید حرکت کنید . و گرنه هیچ وقت نمی رسیدین!) خب شاید این یکمی برای شما عجیب باشه که در یه جای محدود یه خم با طول بینهایت پیدا شده. خب راستش این مفهوم عجیب،‌ مفهوم هندسه فرکتال ها رو داره میگه!

برای روشن شدن قضیه بذارید یه مثال با شهود ریاضی بیشتری بزنم؛

برفدانه ی کخ! یک مثلث (برای راحتی فعلا متساوی الاضلاع) به ضلع یک رو در نظر بگیرید. خب محیط این مثلث (جمع جبری اندازه ی اضلاع) هست ۳ و مساحت این مثلث طبق رابطه ای که برای مثلث های متساوی الاضلاع وجود داره هست رادیکال ۳ تقسیم بر ۴ ضرب در مربع طول یکی از اضلاع. حالا اگر ما توی هر مرحله این بلا

رو سر مثلث بیاریم که هر ضلعش رو مطابق شکل به سه قسمت تقسیم کنیم، قسمت وسطش رو دور بریزیم و دو قسمت هم طول با اون رو بالا بیاریم

اون موقع محاسبات پایین نشون میده (امیدوارم واضح باشه)‌ که بعد از n مرحله محیط و مساحت به چه عددی میل میکنه:

برای محیط:

برای مساحت:

این نشون میده که این شکل که از ابتدایی ترین فرکتال ها هست دارای مساحت محدود ولی محیط نامحدود (بی نهایت) هست. که همون ماجرای اندازه گیری طول خطوط ساحلی از پل خواجو تا سی و سه پل هست.  فکر کنم برای مقدمه کافی باشه!