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authorAlain <mceagle117@gmail.com>2021-06-19 18:17:20 +0200
committerAlain <mceagle117@gmail.com>2021-06-19 18:17:20 +0200
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-rw-r--r--buch/papers/ifs/teil2.tex77
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index 5de3d4b..be3d354 100644
--- a/buch/papers/ifs/teil2.tex
+++ b/buch/papers/ifs/teil2.tex
@@ -65,7 +65,7 @@ Ausserdem bestimmen wir drei Funktionen
\frac{1}{2}
\end{pmatrix},
\end{align*}
-welche die gesamte Menge auf eine ihrer kleineren Kopien abbildet
+welche die gesamte Menge auf eine ihrer kleineren Kopien abbildet.
$f_1$ bildet das Dreieck auf das Teilstück unten links ab, $f_2$ auf das Teilstück unten rechts und $f_3$ auf das obere Teilstück.
Wendet man alle drei Funktionen auf das Sierpinski-Dreieck an
\begin{align*}
@@ -99,31 +99,36 @@ Der Abstand zum Original wird immer kleiner, und konvergiert gegen null.
In diesem Abschnitt wollen wir die Erkenntnis, wie wir aus einer beliebigen Menge ein Sierpinski-Dreieck generieren können, verallgemeinern.
-$S_1,...,S_n$ sind Kontraktionen auf die Menge $D \subset \mathbb{R}^n$. Es gilt
+$S_1,\dots,S_n$ sind Kontraktionen auf die Menge $D \subset \mathbb{R}^n$. Es gilt
\begin{align}
|S_i(x) - S_i(y)| \leq c_i|x - y|
\end{align}
-für jedes i mit einem $c_i < 1$. Dann existiert eine eindeutige kompakte Menge $F$ für die gilt
+für jedes i mit einem $c_i < 1$.
+Der Banachsche Fixpunktsatz besagt, dass für solche Kontraktionen ein Eindeutiges $A$ existiert, für das $S(A) = A$ gilt.
+Den Beweis kann man in \cite{ifs:Rousseau2012} nachlesen.
+Hat man nicht nur eine sondern mehrere Kontraktionen, dann existiert eine eindeutige kompakte Menge $F$ für die gilt
\begin{equation}
- F = \bigcup\limits_{i = 1}^{m} S_i(F)
+ F = \bigcup\limits_{i = 1}^{m} S_i(F).
\end{equation}
-Weiter definieren wir die Transformation S auf kompakte Mengen ohne die leere Menge.
+Weiter definieren wir die Transformation S auf kompakte Mengen $E$ ohne die leere Menge.
\begin{equation}
S(E) = \bigcup\limits_{i = 1}^m S_i(E)
\end{equation}
Wird diese Transformation Iterativ ausgeführt, das heisst $S^0(E) = E, S^k(E) = S(S^{k-1}(E))$, und für jedes $i$ $S_i(E) \subset E$, gilt
\begin{equation}
F = \bigcap\limits_{k = 1}^{\infty} S^k(E).
+ \label{ifs:ifsForm}
\end{equation}
In Worte gefasst bedeutet das, dass jede Gruppe von Kontraktionen iterativ ausgeführt, gegen eine eindeutige Menge konvergiert.
Diese Menge ist auch als Attraktor des IFS bekannt.
-Dies für jede Startmenge, solange diese ihre Transformierten wieder beinhaltet.
-Auf den Beweis wird verzichtet.
+Der Beweis für die Existenz eines eindeutigen Attraktors ist in \cite{ifs:fractal-geometry} beschrieben.
+Aus diesem Beweis folgt, dass die Startmenge $E$, anders als in \ref{ifs:ifsForm} beschrieben ist, beliebig sein kann,
\subsection{Beispiel: Barnsley-Farn}
Der Barnsley-Farn, Abbildung \ref{ifs:farn}, ist ein Beispiel eines Fraktal, welches mit einem IFS generiert werden kann.
Wie man schnell erkennen kann, besteht der Farn aus Blättern, welche eine grosse Ähnlichkeit zum ganzen Farn haben.
-\begin{align*}
- {S_1(x,y)}
+Die vier affinen Transformationen
+\begin{align}
+ & {S_1(x,y)}
=
\begin{pmatrix}
0 & 0 \\
@@ -132,9 +137,9 @@ Wie man schnell erkennen kann, besteht der Farn aus Blättern, welche eine gross
\begin{pmatrix}
x\\
y\\
- \end{pmatrix}, \quad
+ \end{pmatrix}, \quad &
{S_2(x,y)}
- =
+ &=
\begin{pmatrix}
0.85 & 0.04 \\
-0.04 & 0.85 \\
@@ -148,7 +153,7 @@ Wie man schnell erkennen kann, besteht der Farn aus Blättern, welche eine gross
0 \\
1.6
\end{pmatrix}\\
- {S_3(x,y)}
+ & {S_3(x,y)}
=
\begin{pmatrix}
0.2 & -0.26 \\
@@ -162,9 +167,9 @@ Wie man schnell erkennen kann, besteht der Farn aus Blättern, welche eine gross
\begin{pmatrix}
0 \\
1.6
- \end{pmatrix}, \quad
+ \end{pmatrix}, \quad &
{S_4(x,y)}
- =
+ &=
\begin{pmatrix}
-0.15 & 0.28 \\
0.26 & 0.24 \\
@@ -178,26 +183,44 @@ Wie man schnell erkennen kann, besteht der Farn aus Blättern, welche eine gross
0 \\
0.44
\end{pmatrix}\\
-\end{align*}
-In der Abbildung \ref{ifs:farncolor} sehen wir die vier Transformationen farblich dargestellt.
-
+ \label{ifs:farnFormel}
+\end{align}
+, welche für die konstruktion des Farns benötigt werden sind in der Abbildung \ref{ifs:farncolor} farblich dargestellt.
+Das gesamte Farnblatt ist in der schwarzen Box.
+Auf diese werden die Transformationen angewendet
$S_1$ erstellt den Stiel des Farnblattes (rot).
Die Transformation bildet das Gesamte Blatt auf die Y-Achse ab.
$S_2$ (grün) erstellt den Hauptteil des Farnes.
Sie verkleinert und dreht das gesamte Bild und stellt es auf das Ende des Stiels aus $S_1$.
$S_3$ bildet das gesamte Blatt auf das blaue Teilblatt unten Links ab.
$S_4$ spiegelt das Blatt und bildet es auf das magentafarbene Teilblatt ab.
-\subsection{Chaosspiel}
-Wir führen im Zusammenhang mit dem Barnsley-Farn \cite{ifs:barnsleyfern} noch eine weitere Methode ein, um ein IFS zu zeichnen.
+\subsection{Erzeugung eines Bildes mit einem IFS}
+Es gibt zwei verschiedene Methoden um ein Bild mit einem IFS zu erzeugen.
+Die erste Methode ist wahrscheinlich die intuitivste.
+Wir beginnen mit einm Startbild, zum Beispiel ein Schwarzes Quadrat, und bilden dieses mit den affinen Transformationen des IFS ab.
+Das neue Bild, dass entsteht, ist die nächste Iterierte.
+Dieses wird wieder mit den Transformationen abgebildet.
+Wir wiederholen den letzten schritt, bis wir zufrieden mit der neusten Iterierten sind.
+Diesen Vorgang haben wir beim Sierpinski-Dreieck in Abbildung \ref{ifs:sierpconst} gebraucht.
+
+
+Die zweite Methode ist das Chaosspiel \cite{ifs:chaos}.
Bis jetzt wurde immer davon gesprochen, die Transformationen auf die gesamte Menge anzuwenden.
-Bei komplizierteren IFS welche viele Iterationen brauchen, bis man den Attraktor erkennen kann, ist diese Methode ziemlich rechenintensiv.
-Eine Alternative ist das Chaosspiel \cite{ifs:chaos}.
-Bei dieser Methode werden die Transformationen nicht auf die Menge angewendet, sondern nur auf einen einzelnen Punkt.
+Bei komplizierteren IFS welche viele Iterationen brauchen, bis man den Attraktor erkennen kann, ist die erste Methode ziemlich rechenintensiv.
+Beim Chaosspiel werden die Transformationen nicht auf die Menge angewendet, sondern nur auf einen einzelnen Punkt.
Der Startpunkt kann dabei ein beliebiger Punkt in $E$ sein.
Es wird bei jedem Iterationsschritt nur eine Transformation, welche zufällig gewählt wurde, angewendet.
-Da, wie wir beim Barnsley-Farn gut sehen, dass nicht jede Transformation gleich viel des Bildes ausmacht, werden diese beim Chaosspiel gewichtet.
-Die Gewichtung erfolgt über den Anteil der Gesamtmasse.
-Im Fall des Barnsley-Fern wird $S_1$ in $1\%$, $S_2$ in $85\%$ und $S_3 \& S_4$ in $7\%$ der Iterationen ausgeführt.
+Da, wie wir beim Barnsley-Farn gut sehen, nicht jede Transformation gleich viel des Bildes ausmacht, werden diese beim Chaosspiel gewichtet.
+Je mehr eine Transformation kontrahiert, desto weniger Punkte braucht es um die resultierende Teilabbildung darzustellen.
+Im Fall des Barnsley-Fern wird $S_1$ in $1\%$, $S_2$ in $85\%$ und $S_3 \& S_4$ in $7\%$ der Iterationen ausgeführt.
+Wir sehen auch in Abbildung \ref{ifs:farncolor} gut, dass der rote Stiel, $S_1$, einiges weniger Punkte braucht als der grüne Hauptteil des Blattes, $S_2$.
+
+In Abbildung \ref{ifs:farnNoWeight} wurden die vier gleich stark gewichtet.
+Man sieht, dass trotzt gleich vieler Iterationen wie in Abbildung \ref{ifs:farn}, der Farn kaum nicht so gut abgebildet ist.
+
+
+
+
\begin{figure}
\centering
\makebox[\textwidth][c]{
@@ -207,8 +230,8 @@ Im Fall des Barnsley-Fern wird $S_1$ in $1\%$, $S_2$ in $85\%$ und $S_3 \& S_4$
\end{figure}
\begin{figure}
\centering
- \includegraphics[width=0.7\textwidth]{papers/ifs/images/farncolor}
- \caption{Vier Transformationen des Barnsley-Farn}
+ \includegraphics[width=\textwidth]{papers/ifs/images/farncolor2}
+ \caption{Vier Transformationen des Barnsley-Farn in unterschiedlichen Farben}
\label{ifs:farncolor}
\end{figure}
\begin{figure}