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authorAlain <mceagle117@gmail.com>2021-06-18 10:47:53 +0200
committerAlain <mceagle117@gmail.com>2021-06-18 10:47:53 +0200
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-rw-r--r--buch/papers/ifs/teil1.tex80
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index 54089ec..68e2e44 100644
--- a/buch/papers/ifs/teil1.tex
+++ b/buch/papers/ifs/teil1.tex
@@ -15,20 +15,20 @@ Von einem Fraktal $F$ können wir folgende Eigenschaften erwarten:
\begin{enumerate}
\item $F$ hat eine unendlich feine Struktur
\item $F$ kann nicht mit der klassischen Geometrie beschrieben werden.
- \item Oftmals haf $F$ eine Form von Selbstähnlichkeit.
- \item Die 'fraktale Dimension' ist grösser als die Topologische Dimension
+ \item Oftmals hat $F$ eine Form von Selbstähnlichkeit.
+ \item Die 'fraktale Dimension' ist grösser als die topologische Dimension
\item Viele Fraktale lassen sich einfach beschrieben
\end{enumerate}
\subsection{Koch Kurve
\label{ifs:subsection:lilkoch}}
-Diese Eigenschaften möchten wir nun anhand der Koch Kurve näher anschauen.
-In \ref{ifs:kochkurve8} sehen wir die Koch Kurve. Wie man schon erahnen kann, besteht sie aus lauter kleineren Kopien von sich selber.
+Diese Eigenschaften möchten wir nun am Beispiel der Koch Kurve näher anschauen.
+In Abbildung \ref{ifs:kochkurve8} sehen wir die Koch Kurve. Sie besteht aus lauter kleineren Kopien von sich selber.
Den Konstruktionsvorgang ist in Abbildung \ref{ifs:kochconst} dargestellt.
Gestartet wird mit einer einzelnen Strecke der Länge $a$.
-Diese wird in ersten Schritt mit vier gleich langen Streckenabschnitte der Länge $\frac{a}{3}$ ersetzt.
+Diese wird in ersten Schritt durch vier gleich langen Streckenabschnitte der Länge $\frac{a}{3}$ ersetzt.
In \ref{ifs:kochconstb} ist die Anordnung dieser vier Streckenabschnitte ersichtlich.
Dieser Schritt wird nun für jeden der resultierten Streckenabschnitten wiederholt.
-Die Kurve besteht also aus vier kleineren Kopien von der ganzen Kurve, was auch unter Selbstähnlichkeit bekannt ist.
+Die Kurve besteht also aus vier kleineren Kopien der ganzen Kurve, was auch unter Selbstähnlichkeit bekannt ist.
\begin{figure}
@@ -54,41 +54,79 @@ Die Kurve besteht also aus vier kleineren Kopien von der ganzen Kurve, was auch
\end{figure}
Die resultierende Kurve hat ein paar interessante Eigenschaften.
-Die Länge der Kurve lasst sich einfach berechnen.
+Die Länge der Kurve der jeweiligen Iteration lässt sich mit
\begin{align*}
- l_0 = a ,\quad l_1 = a \frac{4}{3} ,\quad l_2 = a \left( \frac{4}{3}\right)^2 , \quad ... , \quad
- l_n = a * \left( \frac{4}{3}\right)^n \quad
+ l_0 = a ,\quad l_1 = a \frac{4}{3} ,\quad l_2 = a \left( \frac{4}{3}\right)^2 , \quad \cdots , \quad
+ l_n = a \cdot \left( \frac{4}{3}\right)^n \quad
\Rightarrow \quad
\lim_{n\to\infty} a \left( \frac{4}{3}\right)^n = \infty
\end{align*}
-In jedem Schritt wird die Länge um den Faktor $\frac{4}{3}$ verlängert. Somit divergiert die Länge gegen Unendlich.
+beschreiben.
+In jedem Schritt wird die Länge um den Faktor $\frac{4}{3}$ verlängert. Daraus resultiert, dass die Länge gegen $\infty$ divergiert.
+
+
Die Fläche unter der Kurve lässt sich folgendermassen berechnen
\begin{align*}
- A_0 = 0 , \quad A_1 = \left( \frac{a}{3}\right)^2 \frac{\sqrt{3}}{4} = a^2 \frac{\sqrt{3}}{36}\\
+ A_0 = 0 \\
+ A_1 = \left( \frac{a}{3}\right)^2 \frac{\sqrt{3}}{4} = a^2 \frac{\sqrt{3}}{36}\\
A_2 = A_1 + 4\left( \frac{a}{3^2}\right)^2 \frac{\sqrt{3}}{4} = A_1 + \frac{4}{9} A_1 \\
A_3 = A_1 + A_2 + 4^2 \left( \frac{a}{3^2}\right)^2 \frac{\sqrt{3}}{4} = A_1 + \frac{4}{9} A_1 + \left( \frac{4}{9}\right)^2 A_1
\end{align*}
Wir sehen, dass mit jedem Schritt die neu dazugekommene Fläche um $\frac{4}{9}$ kleiner ist.
-Daraus resultiert eine konvergierende Geometrische Reihe.
+Die Gesamtfläche ist daher gegeben durch die geometrische Reihe,
\begin{align*}
A_n = A_1 \sum_{i = 0}^{n-1} \left( \frac{4}{9}\right)^n = a^2 \frac{\sqrt{3}}{36} \sum_{i = 0}^{n-1} \left( \frac{4}{9}\right)^n \\
- \lim_{n\to\infty} a^2 \frac{\sqrt{3}}{36} \sum_{i = 0}^{n-1} \left( \frac{4}{9}\right)^n = \frac{\sqrt{3}}{20} a^2
\end{align*}
-Wie wir sehen ist die Kochkurve ein Konstrukt mit endlicher Fläche, aber unendlichem Umfang.
+mit dem Grenzwert
+\begin{align*}
+ \lim_{n\to\infty} a^2 \frac{\sqrt{3}}{36} \sum_{i = 0}^{n-1} \left( \frac{4}{9}\right)^n = \frac{\sqrt{3}}{20} a^2.
+\end{align*}
+Wie wir sehen ist die Koch-Kurve eine Kurve mit endlicher Fläche, aber unendlicher Umfang.
+
+
Zu guter Letzt bestimmen wir die Dimension der Kurve.
-Es gibt viele verschiedene Arten die Dimension zu definieren. Diese können dann auch unterschiedliche Resultate liefern.
-Vor allem im Zusammenhang mit Fraktalen findet man in der Literatur viele verschiedene Arten.
+Es gibt viele verschiedene Methoden die Dimension zu definieren. Diese können dann auch unterschiedliche Resultate liefern.
+Vor allem im Zusammenhang mit Fraktalen findet man in der Literatur unterschiedliche Arten.
In diesem Beispiel werden wir die Ähnlichkeits-Dimension \cite{ifs:fractal-geometry}.
+Die Ähnlichkeits-Dimension ist das Verhältnis der Logarithmen der Anzahl Kopien $N$ des Originales und deren Skalierungsfaktor $\epsilon$
+
\begin{align*}
- D = - \frac{log(N)}{log(\epsilon)}
+ D = - \frac{\log N}{\log \epsilon }.
\end{align*}
Mit ihr kann man einfach die Dimension selbstähnlicher Mengen bestimmen.
-Als Beispiel nehmen wir ein gleichseitiges Dreieck. Dieses besteht aus $N = 4$ Kopien mit halber ($\epsilon = 1/2$) Kantenlänge.
+Als Beispiel nehmen wir ein gleichseitiges Dreieck. Dieses besteht aus $N = 4$ Kopien mit halber ($\epsilon = 1/2$) Kantenlänge $l$, Abbildung \ref{ifs:trinagle}.
Somit hat das Dreieck die Dimension $D = 2$.
-Die Koch Kurve besteht aus $N = 4$ Kopien mit Kantenlänge $\epsilon = 1/3$.
+Die Koch Kurve besteht aus $N = 4$ Kopien mit Kantenlänge $\epsilon =l \cdot 1/3$.
\begin{align*}
- D = - \frac{log(N)}{log(\epsilon)} = - \frac{log(4)}{log(1/3)} \approx 1.2619
+ D = - \frac{\log N }{\log \epsilon } = - \frac{\log 4 }{\log 1/3 } \approx 1.2619
\end{align*}
-Wie wir nun sehen besitzt die Kochkurve alle oben beschriebenen Eigenschaften von Fraktalen.
+Wie wir nun sehen besitzt die Koch-Kurve alle oben beschriebenen Eigenschaften von Fraktalen.
Dies muss jedoch nicht bei allen Fraktalen der Fall. Sonst wäre die Frage nach einer 'richtigen' Definition einfach zu beantworten.
+\begin{figure}
+ \centering
+ \begin{tikzpicture}
+
+ % draw the background
+ \draw [line width=1.5pt, fill=gray!2] (0,0) -- (60:4) -- (4,0) -- cycle;
+
+ \coordinate[label=left:$A$] (A) at (0,0);
+ \coordinate[label=right:$B$] (B) at (4,0);
+ \coordinate[label=above:$C$] (C) at (2,3.464);
+
+ \coordinate[label=below:$l$](c) at ($ (A)!.5!(B) $);
+ \coordinate[label=left:$l$] (b) at ($ (A)!.5!(C) $);
+ \coordinate[label=right:$l$](a) at ($ (B)!.5!(C) $);
+
+ \coordinate[label=below:$l/2$](d) at ($ (b)!.5!(a)$);
+
+ % the triangle
+ \draw [line width=1.5pt] (A) -- (B) -- (C) -- cycle;
+ \draw [line width=0.5pt] (a) -- (b);
+ \draw [line width=0.5pt] (a) -- (c);
+ \draw [line width=0.5pt] (c) -- (b);
+
+ \end{tikzpicture}
+ \caption{Selbstähnlichkeit eines gleichseitigen Dreiecks}
+ \label{ifs:trinagle}
+\end{figure}