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2016年01月20日

フラクタル次元を求めてみましょう

 それでは記念すべき「こばと数学問題集」の第 1 回目です!
 Blog Cat さんの出すしょーもない問題とは全然ちがって、もっとフレッシュでエキサイティングでワンダフルな問題(意味不明)ばかりを厳選する予定ですよー!

 初回の題材はフラクタル(Fractal)です!
 ...... と言われても、「フラクタル? なんじゃらほい?」と訊き返してしまう人も多いと思います。「フラクタルとはつまりね ...... 」と一生懸命言葉で説明しても余計に「???」となってしまうかもしれないので(言葉にし難い分野なんですよ、ほんとに)、さっそく問題を通してフラクタルを体感してみましょう!

 でも、その前に準備体操です。次元というものについて再定義してみたいと思います。
 数学大好きな皆さんが普段何気なく使っている 2 次元座標とか、 3 次元座標とかの、あの「次元」のことですよ。ここを読み飛ばすと問題が解けませんので、ちゃんと読んでおいてくださいなー。

 次のような線分を考えてみます。

 フラクタル次元線分.gif

 図ではちょうど真ん中で 2 つに分けています。線分全体は半分の長さの線分 2 つで出来ていますね(当たり前です)。次は正方形です。

 フラクタル次元正方形.gif

 各辺を 2 等分すると、小さな 4 つの正方形ができます。最後に立方体。

 フラクタル次元立方体.gif

 各辺を 2 等分すると、小さな 8 個の立方体ができあがります。

 さて、ここで次元を次のように考えます。 1 辺を半分にしたとき ......

  線分は小さな線分 21 個で構成されているので 1 次元。
  正方形は小さな正方形 22 個で構成されているので 2 次元。
  立方体は小さな立方体 23 個で構成されているので 3 次元。

 このように定義された次元のことをフラクタル次元(厳密には相似性次元)と呼びます。私たちが知っている次元とそれほど違いはなさそうですね。それでは問題です。

こばとの数学問題 01 フラクタル次元を求めましょう

 下図のように黒く塗られた三角形を用意し、各辺を 2 等分する点を結んで小さな三角形を作ってくり抜きます。そして残った 3 つの黒い三角形から同じように三角形をくり抜きます。

 シェルピンスキーのギャスケットの作り方.gif

 これを繰り返すと次のような図形が出来上がります。

 シェルピンスキーのギャスケット.gif

 これをシェルピンスキーのギャスケットと呼びます。
 この図形のフラクタル次元を求めてください(必要なら電卓を使ってください)。
 ⇒ 解答はこっちねー  
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