Книга Эта странная математика. На краю бесконечности и за ним - Дэвид Дарлинг

Есть много разных видов фрактальной размерности. Одна из наиболее легких для понимания – размерность Минковского, еще ее можно назвать “клеточной” (box-counting) размерностью. Чтобы высчитать ее для побережья Великобритании, накроем карту прозрачной пленкой, расчерченной на квадратные клетки, и сосчитаем количество квадратиков, перекрывающих береговую линию. Затем разделим каждую из клеток нашей сетки пополам по горизонтали и вертикали и посчитаем снова. Если проделать это для прямой линии, количество клеток просто удвоится, то есть вырастет в 21 раза, где степень (1) – это клеточная размерность. Если то же проделать с квадратом, то количество клеток увеличится в четыре раза, то есть вырастет в 22 раза, и даст размерность 2. А в случае с кубом (для этого понадобится трехмерная сетка) количество клеток увеличится в восемь раз, то есть вырастет в 23 раза, поскольку куб имеет три измерения.

Большинство привычных нам фигур имеет размерность, выражаемую целым числом – 1, 2 или 3. С фракталами все по-другому. Возьмем, к примеру, снежинку Коха. Чтобы было проще, воспользуемся тем, что каждый составляющий ее элемент – кривая Коха – состоит, в свою очередь, из четырех кривых Коха меньшего размера. Если мы в три раза уменьшим сторону клетки в нашей измерительной сетке, то сможем разделить кривую Коха на четыре ее уменьшенных копии, каждая из которых будет в три раза меньше исходной. Каждая из уменьшенных копий перекрывается таким же количеством маленьких клеток, как было вначале с исходной кривой и большими клетками, – то есть общее число клеток увеличилось в четыре раза. Это позволяет нам рассчитать размерность кривой Коха d (она же размерность снежинки Коха, поскольку снежинка построена из этих кривых) из соотношения 3d = 4. Решив это уравнение, мы получаем значение d, равное примерно 1,26, то есть снежинка Коха имеет размерность приблизительно 1,26. Это число как бы говорит нам о том, насколько снежинка Коха в любом масштабе, какой бы мы ни выбрали, более извилиста, чем прямая линия. Или же можно сказать, что оно указывает на то, насколько снежинка Коха заполняет (двумерную) плоскость, в которой лежит. Снежинка Коха слишком сложна, чтобы быть одномерной, но слишком проста, чтобы быть двумерной. Прямая линия совершенно никак не заполняет плоскость, поскольку не только бесконечно тонка, но и очень проста по форме. Фракталы вроде снежинки Коха тоже бесконечно тонки, но настолько замысловаты по своей структуре, что, какие бы две точки мы ни взяли, даже если при малом масштабе они сливаются, расстояние между ними, измеренное вдоль кривой, бесконечно.

Если применить клеточный метод к салфетке Серпинского, мы получим значение d, равное 1,58. То, что объекты могут иметь размерность, выражаемую нецелым числом, кажется очень странным. И эта странность переходит из области чистой математики на объекты реального мира.

Фракталы, такие как снежинка Коха и салфетка Серпинского, самоподобны, то есть состоят из последовательно уменьшающихся копий самих себя. Большинство природных фракталов не являются самоподобными в строгом смысле слова. Но статистически они обладают самоподобием, поэтому их фрактальную размерность все равно можно вычислить описанным выше методом. Например, измеренная таким образом фрактальная размерность береговой линии Великобритании составляет 1,25, что очень близко к размерности снежинки Коха. Проще говоря, это означает, что британское побережье при рассмотрении в каком угодно масштабе в 1,25 раза более извилисто, или “неровно”, чем прямая линия или любая другая простая кривая. Береговая линия Южной Африки представляет собой куда более гладкую кривую – ее фрактальная размерность всего 1,05. Побережье Норвегии с ее многочисленными глубокими фьордами затейливой формы имеет размерность 1,52. То же и со многими другими природными фракталами. Яркий пример – человеческое легкое. Поскольку само легкое очевидно трехмерно, его поверхность, по идее, должна быть двумерной. Однако в процессе эволюции легкое обрело огромную площадь поверхности – около 80–100 квадратных метров, в половину теннисного корта, – чтобы максимально ускорить газообмен. Поверхность легкого имеет настолько причудливую форму, со всеми его бесчисленными разветвлениями и крохотными воздушными пузырьками – альвеолами, – что она почти заполняет содержащееся внутри него пространство. Поверхность легкого имеет фрактальную размерность, если измерять ее клеточным методом, примерно 2,97 – она почти трехмерна.

В реальном мире существует только три пространственных измерения, но иногда “четвертым измерением” считают время. Неудивительно поэтому, что фракталы могут существовать не только в пространстве, но и во времени. Пример из экономики – рынок ценных бумаг. Цены на рынке периодически существенно повышаются и понижаются. Некоторые из этих колебаний занимают годы, другие (например, биржевые крахи) могут происходить крайне быстро. Кроме них есть и более умеренные колебания, когда цены поднимаются и снижаются вроде бы независимо от более долговременных трендов, и совсем уж скромные подъемы и падения, происходящие по много раз в день. Поскольку любое колебание на фондовом рынке фиксируется компьютерами, все эти тренды можно отследить вплоть до самых коротких промежутков времени – поминутно и даже посекундно.

Еще один пример временно́го фрактала нам уже встречался – это все то же побережье Великобритании. В любой отдельно взятый момент береговая линия представляет собой чисто пространственный фрактал, длина которого зависит от масштаба увеличения. Но со временем его форма и сложность непрерывно меняются из-за процессов эрозии и отложения осадков, приливов и отливов и даже под действием отдельных волн, а также едва уловимых колебаний земной коры, вызванных тектонической активностью.

Из всех известных математикам фракталов один стоит особняком из-за своей невероятной замысловатости. Эта удивительная фигура не только имеет сложную структуру в любом масштабе, но и при разном увеличении в различных точках может выглядеть как два абсолютно непохожих фрактала! Речь идет о знаменитом множестве Мандельброта, которое американский писатель Джеймс Глик в своей книге “Хаос” назвал (возможно, не совсем справедливо) “наиболее сложным объектом во всей математике”[16]. Хотя фрактал и носит имя Бенуа Мандельброта, вопрос о том, кто на самом деле его открыл, остается спорным. Два математика утверждали, что независимо открыли его примерно в то же время. Еще один, Джон Хаббард, профессор Корнеллского университета, вспоминал, что во время поездки в IBM в самом начале 1979 года он показал Мандельброту, как запрограммировать компьютер для построения частичных изображений объекта, который в следующем году, после публикации Мандельбротом научной статьи, стал носить его имя. Хотя Мандельброт внес серьезный вклад в популяризацию фракталов и придумал хитроумные способы их визуального отображения, он, похоже, не слишком любил отдавать должное заслугам других математиков.

Фрагмент множества Мандельброта.