البعد الكسري

تم قياس خط ساحل بريطانيا باستخدام مقياس 200 كيلومتر
11.5 × 200 كم = 2300 كم
تم قياس خط ساحل بريطانيا باستخدام مقياس 100 كيلومتر
28 × 100 كم = 2800 كم
تم قياس خط ساحل بريطانيا باستخدام مقياس 50 كم
70 × 50 كم = 3500 كم
الشكل 1. مع تصغير طول عصا القياس أكثر فأكثر، يزداد الطول الإجمالي للساحل المقاس (انظر مفارقة الساحل ).

في نظرية القياس الهندسي ، تُمكّن الأبعاد الكسورية من الحصول على مؤشرات إحصائية متسقة لتعقيد الأنماط . وبما أن الأنماط الكسورية يمكن أن تتغير بتغير المقياس ، فمن المفترض أن يكون قياس سعة ملء الفراغ ممكنًا في الأبعاد غير الصحيحة (الكسورية). [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

للفكرة الأساسية للأبعاد "المجزأة" تاريخ طويل في الرياضيات، لكن المصطلح نفسه برز بفضل بينوا ماندلبروت استنادًا إلى بحثه المنشور عام 1967 حول التشابه الذاتي ، حيث ناقش الأبعاد الكسرية . [ 4 ] في ذلك البحث، استشهد ماندلبروت بعمل سابق للويس فراي ريتشاردسون يصف المفهوم غير البديهي القائل بأن طول خط الساحل المقاس يتغير بتغير طول عصا القياس المستخدمة (انظر الشكل  1 ). وبناءً على هذا المفهوم، يحدد البعد الكسري لخط الساحل كيفية تغير عدد عصي القياس المتدرجة المطلوبة لقياس خط الساحل بتغير المقياس المطبق على العصا. [ 5 ] هناك العديد من التعريفات الرياضية الرسمية للبعد الكسري التي تستند إلى هذا المفهوم الأساسي لتغير التفاصيل بتغير المقياس، انظر قسم  الأمثلة أدناه.

في نهاية المطاف، أصبح مصطلح " البُعد الكسري" هو المصطلح الذي شعر ماندلبروت نفسه بالراحة التامة عند استخدامه لتلخيص معنى كلمة "كسري" ، وهو مصطلح ابتكره. بعد عدة محاولات على مر السنين، استقر ماندلبروت على هذا الاستخدام للغة: "استخدام كلمة "كسري" دون تعريف دقيق، واستخدام "البُعد الكسري" كمصطلح عام ينطبق على جميع المتغيرات". [ 6 ]

أحد الأمثلة غير البديهية هو البُعد الكسري لندفة ثلج كوخ . يبلغ بُعدها الطوبولوجي 1، لكنها غير قابلة للتصحيح بأي حال من الأحوال : فطول المنحنى بين أي نقطتين على ندفة ثلج كوخ لانهائي . لا يوجد جزء صغير منها يشبه الخط، بل يتكون من عدد لا نهائي من القطع المتصلة بزوايا مختلفة. يمكن تفسير البُعد الكسري للمنحنى بشكل بديهي من خلال اعتبار الخط الكسري كائنًا شديد التفصيل بحيث لا يمكن أن يكون أحادي البعد، ولكنه في الوقت نفسه شديد البساطة بحيث لا يمكن أن يكون ثنائي البعد. [ 7 ] لذلك، قد يكون من الأنسب وصف بُعده ليس ببعده الطوبولوجي المعتاد وهو 1، بل ببعده الكسري، الذي غالبًا ما يكون عددًا بين واحد واثنين؛ وفي حالة ندفة ثلج كوخ، يبلغ تقريبًا 1.2619.

مقدمة

الشكل 2. شكل كسري رباعي مكون من 32 قطعة، تم تكبيره وعرضه من خلال مربعات بأحجام مختلفة. يوضح النمط خاصية التشابه الذاتي . البعد الكسري النظري لهذا الشكل الكسري هو 5/3 ≈ 1.67؛ أما بعده الكسري التجريبي، المحسوب باستخدام تحليل عد المربعات ، فهو ±1% [ 8 ] باستخدام برامج تحليل الأشكال الكسرية .

البُعد الكسري هو مؤشر لتوصيف الأنماط أو المجموعات الكسرية من خلال قياس تعقيدها كنسبة بين التغير في التفاصيل والتغير في المقياس. [ 5 ] : 1 يمكن قياس عدة أنواع من الأبعاد الكسرية نظريًا وتجريبيًا (انظر الشكل 2 ). [ 3 ] [ 9 ] تُستخدم الأبعاد الكسرية لتوصيف طيف واسع من الأشياء، بدءًا من الظواهر المجردة [ 1 ] [ 3 ] وصولًا إلى الظواهر العملية، بما في ذلك الاضطراب، [ 5 ] : 97-104 شبكات الأنهار، : 246-247 النمو الحضري، [ 10 ] [ 11 ] فسيولوجيا الإنسان، [ 12 ] [ 13 ] الطب، [ 9 ] واتجاهات السوق. [ 14 ] إن الفكرة الأساسية للأبعاد الكسرية أو الكسورية لها تاريخ طويل في الرياضيات يمكن تتبعه إلى القرن السابع عشر، [ 5 ] : 19 [ 15 ] ولكن مصطلحي الكسوري والبعد الكسوري صاغهما عالم الرياضيات بينوا ماندلبروت في عام 1975. [ 1 ] [ 2 ] [ 5 ] [ 9 ] [ 14 ] [ 16 ] 

استُخدمت الأبعاد الكسورية في البداية كمؤشر لتمييز الأشكال الهندسية المعقدة التي تبدو فيها التفاصيل أكثر أهمية من الصورة العامة. [ 16 ] بالنسبة للمجموعات التي تصف الأشكال الهندسية العادية، يساوي البعد الكسوري النظري البعد الإقليدي أو الطوبولوجي المألوف للمجموعة . وبالتالي، يكون صفرًا للمجموعات التي تصف النقاط (مجموعات صفرية الأبعاد)؛ وواحدًا للمجموعات التي تصف الخطوط (مجموعات أحادية الأبعاد لها طول فقط)؛ واثنين للمجموعات التي تصف الأسطح (مجموعات ثنائية الأبعاد لها طول وعرض)؛ وثلاثة للمجموعات التي تصف الأحجام (مجموعات ثلاثية الأبعاد لها طول وعرض وارتفاع). لكن هذا يتغير بالنسبة للمجموعات الكسورية. إذا تجاوز البعد الكسوري النظري لمجموعة ما بعد بُعدها الطوبولوجي، تُعتبر المجموعة ذات هندسة كسورية. [ 17 ]

على عكس الأبعاد الطوبولوجية، يمكن أن يأخذ مؤشر الفراكتال قيمًا غير صحيحة ، [ 18 ] مما يشير إلى أن المجموعة تملأ حيزها نوعيًا وكميًا بشكل مختلف عن المجموعة الهندسية العادية. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] على سبيل المثال، يتصرف منحنى ذو بُعد فراكتالي قريب جدًا من 1، ولنقل 1.10، تمامًا مثل خط عادي، بينما يلتف منحنى ذو بُعد فراكتالي 1.9 بشكل متعرج عبر الفضاء، يكاد يكون مثل سطح. وبالمثل، يملأ سطح ذو بُعد فراكتالي 2.1 الفضاء بشكل مشابه جدًا لسطح عادي، بينما ينطوي سطح ذو بُعد فراكتالي 2.9 ويتدفق ليملأ الفضاء بشكل أقرب إلى حجم. [ 17 ] : 48 [ ملاحظات 1 ] يمكن رؤية هذه العلاقة العامة في الصورتين لمنحنيات الفراكتال في الشكل  2 والشكل 3  - فالمحيط المكون من 32 جزءًا في الشكل 2 ، والمعقد والمملوء بالفراغ، له بُعد فراكتالي يبلغ 1.67، مقارنة بمنحنى كوخ الأقل تعقيدًا بشكل ملحوظ في الشكل 3، والذي يبلغ بُعده الفراكتالي حوالي 1.2619.   

رسم متحرك لمنحنى كوخ
الشكل 3. منحنى كوخ هو منحنى كسري متكرر كلاسيكي . يُنشأ هذا المنحنى بالبدء بقطعة مستقيمة، ثم يُكبّر كل جزء منها بمقدار الثلث بشكل متكرر إلى 4 أجزاء جديدة متصلة ببعضها، مع ميل الجزأين الأوسطين نحو بعضهما على طول مثلث متساوي الأضلاع، بحيث يمتد الجزء الجديد بالكامل على المسافة بين طرفي الجزء الأصلي. يُظهر الرسم المتحرك عددًا قليلًا من التكرارات، لكن المنحنى النظري يُكبّر بهذه الطريقة إلى ما لا نهاية.

قد يُفهم من العلاقة بين زيادة البُعد الكسري وملء الفراغ أن البُعد الكسري يقيس الكثافة، لكن هذا غير صحيح؛ فليس هناك ارتباط وثيق بينهما. [ 8 ] بل يقيس البُعد الكسري التعقيد، وهو مفهوم يرتبط ببعض السمات الرئيسية للكسور: التشابه الذاتي والتفاصيل أو عدم الانتظام . [ ملاحظات 2 ] تتجلى هذه السمات في المثالين لمنحنيات كسورية. كلاهما منحنيات ذات بُعد طوبولوجي يساوي 1، لذا قد يأمل المرء في قياس طولهما ومشتقاتهما بنفس طريقة قياس المنحنيات العادية. لكن لا يمكننا فعل أيٍّ من هذين الأمرين، لأن المنحنيات الكسورية تتميز بتعقيد يتمثل في التشابه الذاتي والتفاصيل التي تفتقر إليها المنحنيات العادية. [ 5 ] يكمن التشابه الذاتي في التوسيع اللانهائي، بينما تكمن التفاصيل في العناصر المُحدِّدة لكل مجموعة. المسافة بين أي نقطتين على هذه المنحنيات لانهائية، مهما تقاربت النقطتان، مما يعني استحالة تقريب طول هذا المنحنى بتقسيمه إلى أجزاء صغيرة متعددة. [ 19 ] يتكون كل جزء أصغر من عدد لا نهائي من الأجزاء المتدرجة التي تُطابق تمامًا الجزء الأول. هذه المنحنيات غير قابلة للتصحيح ، أي لا يمكن قياسها بتقسيمها إلى أجزاء تُقارب أطوالها. ولا يمكن وصفها بدقة بإيجاد أطوالها ومشتقاتها. مع ذلك، يمكن تحديد أبعادها الكسورية، مما يُظهر أنها تشغل حيزًا أكبر من الخطوط العادية وأقل من الأسطح، ويسمح بمقارنتها من هذه الناحية.

يُظهر المنحنيان الكسريان الموصوفان أعلاه نوعًا من التشابه الذاتي الدقيق، بوحدة تفصيلية متكررة يسهل تصورها. يمكن تعميم هذا النوع من البنية على فضاءات أخرى (على سبيل المثال، الكساري الذي يمتد من منحنى كوخ إلى الفضاء ثلاثي الأبعاد له قيمة نظرية D = 2.5849). مع ذلك، يُعد هذا التعقيد القابل للعد بدقة مثالًا واحدًا فقط على التشابه الذاتي والتفصيل الموجودين في الكساريات. [ 3 ] [ 14 ] فعلى سبيل المثال، يُظهر خط ساحل بريطانيا تشابهًا ذاتيًا لنمط تقريبي ذي مقياس تقريبي. [ 5 ] : 26 عمومًا، تُظهر الكساريات أنواعًا ودرجاتٍ متعددة من التشابه الذاتي والتفصيل، والتي قد لا يسهل تصورها. تشمل هذه الأمثلة، على سبيل المثال لا الحصر، الجاذبات الغريبة ، التي وُصفت تفاصيلها بأنها في جوهرها أجزاء ناعمة تتراكم، [ 17 ] : 49 ومجموعة جوليا ، التي يمكن اعتبارها دوامات معقدة فوق دوامات، ومعدلات ضربات القلب، التي هي أنماط من الارتفاعات الحادة المتكررة والمتغيرة مع الزمن. [ 20 ] قد لا يكون من الممكن دائمًا تحليل التعقيد الكسري إلى وحدات تفصيلية ومقياسية يسهل فهمها دون استخدام أساليب تحليلية معقدة، ولكنه لا يزال قابلاً للقياس الكمي من خلال الأبعاد الكسرية. [ 5 ] : 197، 262

تاريخ

صاغ ماندلبروت مصطلحي "البُعد الكسري" و "الكسيري" عام 1975، [ 16 ] بعد نحو عقد من نشره بحثه حول التشابه الذاتي في سواحل بريطانيا. وينسب إليه العديد من المؤرخين الفضل في دمج قرون من الرياضيات النظرية المعقدة والأعمال الهندسية وتطبيقها بطريقة جديدة لدراسة الأشكال الهندسية المعقدة التي استعصت على الوصف بالمصطلحات الخطية المعتادة. [ 15 ] [ 21 ] [ 22 ] وتعود الجذور الأولى لما ابتكره ماندلبروت تحت مسمى "البُعد الكسري" بوضوح إلى كتابات حول الدوال غير القابلة للتفاضل والمتشابهة ذاتيًا إلى ما لا نهاية، والتي تُعدّ مهمة في التعريف الرياضي للكسيريات، وذلك في الفترة التي اكتُشف فيها حساب التفاضل والتكامل في منتصف القرن السابع عشر. [ 5 ] : 405 شهدت الأعمال المنشورة حول هذه الدوال فترة ركود بعد ذلك، ثم انتعاشًا بدءًا من أواخر القرن التاسع عشر مع نشر الدوال والمجموعات الرياضية التي تُعرف اليوم باسم الفراكتلات الكلاسيكية (مثل أعمال فون كوخ [ 19 ] ، وسيربينسكي ، وجوليا التي تحمل الاسم نفسه )، ولكنها كانت تُعتبر في وقت صياغتها بمثابة "وحوش" رياضية متناقضة. [ 15 ] [ 22 ] وقد رافق هذه الأعمال ربما أهم نقطة محورية في تطوير مفهوم البُعد الفراكتالي من خلال عمل هاوسدورف في أوائل القرن العشرين، الذي عرّف بُعدًا "كسريًا" سُمّي باسمه، ويُستخدم بكثرة في تعريف الفراكتلات الحديثة . [ 4 ] [ 5 ] : 44 [ 17 ] [ 21 ]

راجع تاريخ الفراكتلات لمزيد من المعلومات

التعريف الرياضي

الخطوط والمربعات والمكعبات.
الشكل 4. المفاهيم التقليدية للهندسة لتحديد القياس والبعد. 1{\displaystyle 1}،12=1{\displaystyle 1^{2}=1}،13=1;{\displaystyle 1^{3}=1;}2{\displaystyle 2}،22=4{\displaystyle 2^{2}=4}،23=8;{\displaystyle 2^{3}=8;}3{\displaystyle 3}،32=9{\displaystyle 3^{2}=9}،33=27.{\displaystyle 3^{3}=27.}[ 23 ]

يمكن اشتقاق التعريف الرياضي للبعد الكسري من خلال ملاحظة تأثير البعد التقليدي على تغيرات القياس عند تغيير المقياس، ثم تعميم هذا التأثير. [ 24 ] على سبيل المثال، لنفترض أن لديك خطًا وعصا قياس متساويين في الطول. الآن، صغّر العصا إلى ثلث حجمها؛ يمكنك الآن وضع 3  عصي قياس داخل الخط. وبالمثل، في بُعدين، لنفترض أن لديك مربعًا ومربع قياس مطابقًا له. الآن، صغّر ضلع مربع القياس إلى ثلث طوله؛ يمكنك الآن وضع 3² = 9  مربعات قياس داخل المربع. تخضع علاقات تغيير المقياس المألوفة هذه للمعادلة ( 1 ) ، حيث  ε{\displaystyle \varepsilon }هو عامل القياس،د{\displaystyle D}البعد، وشمال{\displaystyle N}عدد الوحدات الناتجة (العصي، المربعات، إلخ) في الجسم المقاس:

في مثال الخط، البعدد=1{\displaystyle D=1}لأن هناكشمال=3{\displaystyle N=3}الوحدات عند عامل القياسε=1/3{\displaystyle \varepsilon =1/3}في مثال المربع،د=2{\displaystyle D=2}لأنشمال=9{\displaystyle N=9}متىε=1/3{\displaystyle \varepsilon =1/3}.

محيط كسري لندفة ثلج كوخ
الشكل 5. التكرارات الأربعة الأولى لندفة الثلج كوخ ، والتي يبلغ بُعد هاوسدورف لها حوالي 1.2619.

يُعمم البعد الكسري البعد التقليدي من حيث أنه يمكن أن يكون كسريًا، ولكنه يرتبط بنفس العلاقة مع القياس التي يرتبط بها البعد التقليدي؛ في الواقع، يتم اشتقاقه ببساطة عن طريق إعادة ترتيب المعادلة ( 1 ) :

د{\displaystyle D}يمكن اعتبارها قوة عامل القياس لحجم الجسم بالنظر إلى بعض القياس لـ "نصف قطره".

فعلى سبيل المثال، ندفة ثلج كوخد=1.26185...{\displaystyle D=1.26185\ldots }مما يشير إلى أن زيادة نصف قطره تزيد من قياسه بشكل أسرع مما لو كان شكلاً أحادي البعد (مثل المضلع)، ولكن بشكل أبطأ مما لو كان شكلاً ثنائي البعد (مثل المضلع المظلل). [ 3 ]

تجدر الإشارة إلى أن الصور المعروضة في هذه الصفحة ليست كسورًا حقيقية لأن التحجيم الموصوف بواسطةد{\displaystyle D}لا يمكنها الاستمرار بعد أصغر مكوناتها، وهي البكسل. ومع ذلك، فإن الأنماط النظرية التي تمثلها الصور لا تحتوي على أجزاء منفصلة تشبه البكسل، بل تتكون من عدد لا نهائي من المقاطع ذات الأحجام اللانهائية، ولها بالفعل الأبعاد الكسورية المزعومة. [ 5 ] [ 24 ]

D ليس وصفًا فريدًا

الشكل 6. نظامان متفرعان من نوع L يتم إنشاؤهما عن طريق إنتاج 4 أجزاء جديدة لكل 1/3 من التكبير ، وبالتالي لهما نفس الشكل النظريد{\displaystyle D}كما هو الحال في منحنى كوخ، والذي يُستخدم فيه عدّ المربعات التجريبيد{\displaystyle D}وقد تم إثبات ذلك بدقة 2%. [ 8 ]

كما هو الحال مع الأبعاد المحددة للخطوط والمربعات والمكعبات، فإن الأبعاد الكسورية هي مؤشرات عامة لا تُعرّف الأنماط بشكلٍ فريد. [ 24 ] [ 25 ] فعلى سبيل المثال، تُحدد قيمة D لكسورية كوخ المذكورة أعلاه مقياس النمط المتأصل، لكنها لا تصفه بشكلٍ فريد ولا تُوفر معلومات كافية لإعادة بنائه. يمكن إنشاء العديد من الهياكل أو الأنماط الكسورية التي لها نفس علاقة المقياس ولكنها تختلف اختلافًا كبيرًا عن منحنى كوخ، كما هو موضح في الشكل  6 .

للاطلاع على أمثلة حول كيفية إنشاء الأنماط الكسورية، انظر: Fractal ، مثلث سيربينسكي ، مجموعة ماندلبروت ، التجميع المحدود بالانتشار ، نظام L.

هياكل سطحية كسورية

الشكل 7: توضيح لزيادة الفركتالية السطحية. الأسطح ذاتية التشابه (يسار) والملامح السطحية المقابلة (يمين) التي تُظهر زيادة البعد الفركتلي D f .

يُستخدم مفهوم الفراكتالية بشكل متزايد في مجال علم الأسطح ، مما يوفر جسراً بين خصائص السطح وخواصه الوظيفية. [ 26 ] تُستخدم العديد من مؤشرات وصف الأسطح لتفسير بنية الأسطح المستوية ظاهرياً، والتي غالباً ما تُظهر خصائص ذاتية التشابه عبر أطوال متعددة. يُعد متوسط ​​خشونة السطح ، والذي يُرمز إليه عادةً بـ RA ، أكثر مؤشرات وصف الأسطح شيوعاً، ومع ذلك، تُستخدم بانتظام العديد من المؤشرات الأخرى، بما في ذلك متوسط ​​الميل، وجذر متوسط ​​مربع الخشونة (R RMS )، وغيرها. ومع ذلك، وُجد أن العديد من الظواهر الفيزيائية للأسطح لا يُمكن تفسيرها بسهولة بالرجوع إلى هذه المؤشرات، ولذلك يُستخدم البُعد الفراكتالي بشكل متزايد لإيجاد علاقات بين بنية السطح من حيث سلوك القياس والأداء. [ 27 ] استُخدمت الأبعاد الفراكتالية للأسطح لشرح وفهم الظواهر بشكل أفضل في مجالات ميكانيكا التلامس ، [ 28 ] وسلوك الاحتكاك ، [ 29 ] ومقاومة التلامس الكهربائي ، [ 30 ] وأكاسيد الموصلات الشفافة . [ 31 ]

أمثلة

يُقدّم مفهوم البُعد الكسري الموصوف في هذه المقالة نظرةً أساسيةً على بنيةٍ معقدة. وقد اختيرت الأمثلة المذكورة هنا لتوضيح المفهوم، وكانت وحدة القياس والنسب معروفةً مسبقًا. مع ذلك، عمليًا، يُمكن تحديد الأبعاد الكسرية باستخدام تقنيات تُقارب القياس والتفاصيل من الحدود المُقدّرة من خطوط الانحدار على رسوم بيانية لوغاريتمية للحجم مقابل المقياس. ترد أدناه عدة تعريفات رياضية رسمية لأنواع مختلفة من الأبعاد الكسرية. على الرغم من أن جميع هذه الأبعاد تتطابق بالنسبة للمجموعات المدمجة ذات التشابه الذاتي الأفيني التام، إلا أنها ليست متكافئة بشكل عام.

  • يتم تقدير بُعد عدّ المربعات كأس لقانون القوة :
    د0=ليمε0سجلشمال(ε)سجل1ε.{\displaystyle D_{0}=\lim _{\varepsilon \to 0}{\frac {\log N(\varepsilon )}{\log {\frac {1}{\varepsilon }}}}.}
  • يأخذ بُعد المعلومات في الاعتبار كيفية تناسب متوسط ​​المعلومات اللازمة لتحديد صندوق مشغول مع حجم الصندوق (ص{\displaystyle p}(احتمالية):
    د1=ليمε0-سجلصεسجل1ε.{\displaystyle D_{1}=\lim _{\varepsilon \to 0}{\frac {-\langle \log p_{\varepsilon }\rangle }{\log {\frac {1}{\varepsilon }}}}.}
  • يعتمد بُعد الارتباط علىم{\displaystyle M}باعتباره عدد النقاط المستخدمة لإنشاء تمثيل للكسر الهندسي و g ε ، عدد أزواج النقاط الأقرب من ε إلى بعضها البعض:
    د2=ليممليمε0سجل(زε/م2)سجلε.{\displaystyle D_{2}=\lim _{M\to \infty }\lim _{\varepsilon \to 0}{\frac {\log(g_{\varepsilon }/M^{2})}{\log \varepsilon }}.}
  • الأبعاد المعممة، أو أبعاد ريني: يمكن اعتبار أبعاد عد المربعات والمعلومات والترابط حالات خاصة من طيف متصل من الأبعاد المعممة من الرتبة α، والمحددة بواسطة
    دα=ليمε01α-1سجل(أناصأناα)سجلε.{\displaystyle D_{\alpha }=\lim _{\varepsilon \to 0}{\frac {{\frac {1}{\alpha -1}}\log(\sum _{i}p_{i}^{\alpha })}{\log \varepsilon }}.}
  • بُعد هيغوتشي [ 32 ]
    د=دسجلل(ك)دسجلك.{\displaystyle D={\frac {d\log L(k)}{d\log k}}.}
  • بُعد ليابونوف
  • الأبعاد متعددة الكسور : حالة خاصة من أبعاد ريني حيث يختلف سلوك القياس في أجزاء مختلفة من النمط.
  • معامل عدم اليقين
  • بُعد هاوسدورف : لأي مجموعة جزئيةS{\displaystyle S}في فضاء متريX{\displaystyle X}ود0{\displaystyle d\geq 0}يُعرَّف محتوى هاوسدورف ذو البعد d للمجموعة S بواسطةجحد(S):=معلومات{أنارأناد: يوجد غلاف لـ S بواسطة كرات ذات أنصاف أقطار رأنا>0}.{\displaystyle C_{H}^{d}(S):=\inf {\Bigl \{}\sum _{i}r_{i}^{d}:{\text{ يوجد غطاء لـ }}S{\text{ بواسطة كرات ذات أنصاف أقطار }}r_{i}>0{\Bigr \}}.}يُعرَّف بُعد هاوسدورف للمجموعة S بواسطة
    خافتح(X):=معلومات{د0:جحد(X)=0}.{\displaystyle \dim _{\operatorname {H} }(X):=\inf\{d\geq 0:C_{H}^{d}(X)=0\}.}
  • أبعاد التعبئة
  • بُعد أسود
  • البعد المتصل المحلي [ 33 ]
  • يصف بُعد الدرجة الطبيعة الكسورية لتوزيع درجات الرسوم البيانية. [ 34 ]
  • البعد المكافئ لهاوسدورف

التقدير من بيانات العالم الحقيقي

تُظهر العديد من الظواهر الواقعية خصائصَ فركتالية محدودة أو إحصائية، وأبعادًا فركتالية تم تقديرها من بيانات مُستقاة باستخدام تقنيات تحليل فركتالية حاسوبية . عمليًا، تتأثر قياسات البعد الفركتالي بقضايا منهجية متنوعة، وتتأثر بالضوضاء العددية أو التجريبية، فضلًا عن محدودية كمية البيانات. ومع ذلك، فإن هذا المجال ينمو بسرعة حيث أن الأبعاد الكسورية المقدرة للظواهر المتشابهة ذاتيًا إحصائيًا قد يكون لها العديد من التطبيقات العملية في مختلف المجالات، بما في ذلك علم الفلك، [ 35 ] علم الصوت، [ 36 ] [ 37 ] الهندسة المعمارية، [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] الجيولوجيا وعلوم الأرض، [ 41 ] التصوير التشخيصي، [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] علم البيئة، [ 45 ] العمليات الكهروكيميائية، [ 46 ] تحليل الصور، [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] علم الأحياء والطب، [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] علم الأعصاب، [ 54 ] [ 13 ] تحليل الشبكات ، علم وظائف الأعضاء، [ 12 ] الفيزياء، [ 55 ] [ 56 ] وأصفار زيتا ريمان . [ 57 ] كما تبين أن تقديرات البعد الكسري ترتبط بتعقيد ليمبل-زيف في مجموعات بيانات واقعية من علم النفس الصوتي وعلم الأعصاب. [ 54 ] [ 36 ]

يُعدّ استخدام نموذج رياضي يُحاكي تكوين جسم كسري حقيقي بديلاً عن القياس المباشر. في هذه الحالة، يُمكن التحقق من صحة النموذج بمقارنة خصائص أخرى غير الكسرية التي يُشير إليها، مع البيانات المقاسة. في فيزياء الغرويات ، تنشأ أنظمة مُكوّنة من جسيمات ذات أبعاد كسرية مُختلفة. لوصف هذه الأنظمة، من المُلائم الحديث عن توزيع الأبعاد الكسرية، وربما تطورها الزمني: وهي عملية مدفوعة بتفاعل مُعقد بين التجميع والاندماج . [ 58 ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. انظر قائمة الأشكال الكسورية حسب بُعد هاوسدورف للحصول على تمثيل بياني للأبعاد الكسورية المختلفة.
  2. انظر إلى قسم الخصائص في قسم الفراكتلات  .

مراجع

  1. 1 2 3 4 فالكونر، كينيث (2003). الهندسة الكسورية . وايلي. ص 308. ISBN  978-0-470-84862-3.
  2. 1 2 3 ساغان ، هانز (1994). منحنيات ملء الفراغ . سبرينغر-فيرلاغ. ص 156. ISBN  0-387-94265-3.
  3. 1 2 3 4 5 6 فيتشيك، تاماس (1992). ظاهرة النمو الكسري . العلمية العالمية. ص. 10. رقم ISBN  978-981-02-0668-0.
  4. 1 2 ماندلبروت، ب. (1967). "ما هو طول ساحل بريطانيا؟ التشابه الذاتي الإحصائي والبعد الكسري" . مجلة ساينس . 156 (3775): 636-638 . Bibcode : 1967Sci...156..636M . doi : 10.1126/science.156.3775.636 . PMID 17837158. S2CID 15662830. مؤرشف من الأصل في 19 أكتوبر 2021. تم الاسترجاع في 12 نوفمبر 2020 .  
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 بينوا ب. ماندلبروت (1983). الهندسة الكسورية للطبيعة . ماكميلان. ISBN 978-0-7167-1186-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 فبراير 2012 .
  6. إدغار، جيرالد (2007). القياس، والطوبولوجيا، والهندسة الكسورية . سبرينغر. ص 7. ISBN  978-0-387-74749-1.
  7. هارت، ديفيد (2001). متعددات الكسور . تشابمان وهول. ص 3-4 . ISBN  978-1-58488-154-4.
  8. 1 2 3 بالاي-كاربرين، أودري (2004). تعريف مورفولوجيا الخلايا الدبقية الصغيرة: الشكل والوظيفة والبعد الكسري . جامعة تشارلز ستورت. ص 86. تم الاطلاع عليه في 9 يوليو 2013 . 
  9. 1 2 3 لوسا، غابرييل أ.؛ نوننماخر، ثيو ف.، محرران. (2005). الفراكتلات في علم الأحياء والطب . سبرينغر. ISBN 978-3-7643-7172-2تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 فبراير 2012 .
  10. تشين، يانغوانغ (2011). "نمذجة البنية الكسورية لتوزيعات أحجام المدن باستخدام دوال الارتباط" . PLOS ONE . 6 (9) e24791. arXiv : 1104.4682 . Bibcode : 2011PLoSO...624791C . doi : 10.1371/ journal.pone.0024791 . PMC 3176775. PMID 21949753 .  
  11. "التطبيقات" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 12-10-2007 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21-10-2007 .
  12. 1 2 بوبيسكو، د.ب.؛ فلورارو، س.؛ ماو، ي.؛ تشانغ، س.؛ سوا، م.ج. (2010). " توهين الإشارة وتحليل الفركتال باستخدام عدّ المربعات لصور التصوير المقطعي التوافقي البصري للأنسجة الشريانية" . مجلة البصريات الطبية الحيوية السريعة . 1 (1): 268-277 . doi : 10.1364/boe.1.000268 . PMC 3005165. PMID 21258464 .  
  13. 1 2 كينغ، آر دي؛ جورج، إيه تي؛ جيون، تي؛ هاينان، إل إس؛ يون، تي إس؛ كينيدي، دي إن؛ ديكرسون، بي؛ مبادرة التصوير العصبي لمرض الزهايمر (2009). "توصيف التغيرات الضمورية في القشرة الدماغية باستخدام تحليل الأبعاد الكسورية" . تصوير الدماغ والسلوك . 3 (2): 154-166 . doi : 10.1007/s11682-008-9057-9 . PMC 2927230. PMID 20740072 .  
  14. 1 2 3 بيترز، إدغار (1996). الفوضى والنظام في أسواق رأس المال: نظرة جديدة على الدورات والأسعار وتقلبات السوق . وايلي. ISBN 0-471-13938-6.
  15. 1 2 3 إدغار، جيرالد، محرر. (2004). كلاسيكيات في الفراكتلات . دار ويستفيو للنشر. ISBN 978-0-8133-4153-8.
  16. 1 2 3 ألبرز؛ ألكسندرسون (2008). "بينوا ماندلبروت: بكلماته الخاصة". شخصيات رياضية: نبذات تعريفية ومقابلات . إيه كيه بيترز. ص 214. ISBN  978-1-56881-340-0.
  17. 1 2 3 4 ماندلبروت، بينوا (2004). الفراكتلات والفوضى . سبرينغر. ص 38. ISBN  978-0-387-20158-0المجموعة الكسورية هي مجموعة يكون فيها البعد الكسوري (هاوسدورف-بيسيكوفيتش) أكبر بكثير من البعد الطوبولوجي .
  18. شريفي-فياند، أ.؛ محجاني، م.ج.؛ جعفريان، م. (2012). "دراسة الانتشار الشاذ والأبعاد متعددة الأبعاد في غشاء البوليبيرول". مجلة الكيمياء التحليلية الكهربائية . 671 : 51-57 . doi : 10.1016/j.jelechem.2012.02.014 .
  19. 1 2 هيلج فون كوخ، "حول منحنى متصل بدون مماسات يمكن إنشاؤه من الهندسة الأولية" في إدجار 2004 ، ص 25-46 . 
  20. تان، جان أوزان؛ كوهين، مايكل أ.؛ إيكبرغ، دواين ل.؛ تايلور، ج. أندرو (2009). " الخصائص الكسورية لتقلبات فترة القلب البشري: الآثار الفسيولوجية والمنهجية" . مجلة علم وظائف الأعضاء . 587 (15): 3929-3941 . doi : 10.1113/jphysiol.2009.169219 . PMC 2746620. PMID 19528254 .  
  21. 1 2 غوردون، نايجل (2000). مقدمة في الهندسة الكسورية . دوكسفورد: أيكون. ص 71. ISBN  978-1-84046-123-7.
  22. 1 2 تروشيه، هولي (2009). "تاريخ الهندسة الكسورية" . تاريخ الرياضيات في ماكتيوتور . مؤرشف من الأصل في 12 مارس 2012.
  23. أبيغنانزي، ريتشارد؛ محرر. (2006). مدخل إلى الهندسة الكسورية ، ص 28.أيقونة. رقم ISBN 978-1840467-13-0.
  24. 1 2 3 إياناكون، خوكا (1996). الهندسة الكسورية في الأنظمة البيولوجية . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-0-8493-7636-8.
  25. ^ فيتشيك، تاماس (2001). التقلبات والتحجيم في علم الأحياء . مطبعة جامعة أكسفورد. رقم ISBN 0-19-850790-9.
  26. فايفر، بيتر (1988)، "الكسور في علم الأسطح: تشتت وديناميكا حرارية للأغشية الممتزة"، في فانسيلو، رالف؛ هاو، راسل (محرران)، كيمياء وفيزياء الأسطح الصلبة VII ، سلسلة سبرينغر في علوم الأسطح، المجلد 10، سبرينغر برلين هايدلبرغ، الصفحات 283-305 ، doi : 10.1007/978-3-642-73902-6_10 ، ISBN   978-3-642-73904-0.
  27. ميلانيزي، إنريكو؛ برينك، توبياس؛ أغابابائي، رامين؛ موليناري، جان فرانسوا (ديسمبر 2019). "ظهور أسطح ذاتية التشابه أثناء التآكل اللاصق" . نيتشر كوميونيكيشنز . 10 (1): 1116. Bibcode : 2019NatCo..10.1116M . doi : 10.1038/ s41467-019-09127-8 . ISSN 2041-1723 . PMC 6408517. PMID 30850605 .   
  28. صلابة التلامس للأسطح متعددة المقاييس ، في المجلة الدولية للعلوم الميكانيكية (2017)، 131.
  29. الاحتكاك الساكن عند الواجهات الكسورية ، مجلة علم الاحتكاك الدولية (2016)، المجلد 93.
  30. تشونغبو، تشاي؛ دوريان، هاناور؛ غوينيل، بروست؛ ييكسيانغ، غان (2017). "مقاومة التلامس الكهربائي المعتمدة على الإجهاد عند الأسطح الخشنة الكسورية". مجلة الهندسة الميكانيكية . 143 (3): B4015001. doi : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967 .
  31. كالفاني، بيام رجبي؛ جهانجيري، علي رضا؛ شابوري، سمانة؛ ساري، أمير حسين؛ جليلي، يوسف سيد (أغسطس 2019). "تحليل متعدد الأنماط باستخدام مجهر القوة الذرية لأغشية رقيقة من أكسيد الزنك المطعم بالألومنيوم والمرسبة بالرش تحت درجات حرارة مختلفة للركيزة لتطبيقات الإلكترونيات الضوئية". Superlattices and Microstructures . 132 106173. doi : 10.1016/j.spmi.2019.106173 . S2CID 198468676 . 
  32. هيغوتشي، ت. (1988). "مقاربة لسلسلة زمنية غير منتظمة بناءً على نظرية الفراكتلات". فيزيكا د . 31 (2): 277-283 . Bibcode : 1988PhyD...31..277H . doi : 10.1016/0167-2789(88)90081-4 .
  33. جيلينك، أ.؛ جيلينك، هـ. ف.؛ لياندرو، ج. ج.؛ سواريس، ج. ف.؛ سيزار الابن، ر. م.؛ لوكي، أ. (2008). "الكشف الآلي عن اعتلال الشبكية التكاثري في الممارسة السريرية" . طب العيون السريري . 2 (1): 109-122 . doi : 10.2147/OPTH.S1579 . PMC 2698675. PMID 19668394 .  
  34. لي، ن.ز.؛ بريتز، ت. (2024). "حول عدم اتساق شبكات الاستبدال الملونة العشوائية". وقائع الجمعية الرياضية الأمريكية . 152 (4): 1377-1389 . arXiv : 2109.14463 . doi : 10.1090/proc/16604 .
  35. ^ كايسيدو أورتيز، سعادة؛ سانتياغو كورتيس، إي؛ لوبيز بونيلا، J .؛ كاستانيدا، هو (2015). "البعد الكسري والاضطراب في مناطق HII العملاقة" . مجلة الفيزياء: سلسلة المؤتمرات . 582 (1): 1– 5. أرخايف : 1501.04911 . بيب كود : 2015JPhCS.582a2049C . دوى : 10.1088/1742-6596/582/1/012049 .
  36. 1 2 بيرنز، ت.؛ راجان، ر. (2019). "نهج رياضي لربط الخصائص الطيفية الزمنية الموضوعية للأصوات غير اللغوية بإدراكاتها الذاتية لدى البشر" . فرونتيرز إن نيوروساينس . 13 : 794. doi : 10.3389/fnins.2019.00794 . PMC 6685481. PMID 31417350 .  
  37. ماراغوس، ب.؛ بوتاميانوس، أ. (1999). "الأبعاد الكسورية لأصوات الكلام: الحساب والتطبيق على التعرف التلقائي على الكلام" . مجلة الجمعية الصوتية الأمريكية . 105 (3): 1925-1932 . Bibcode : 1999ASAJ..105.1925M . doi : 10.1121/1.426738 . PMID 10089613 . 
  38. أوستوالد، مايكل جيه؛ فوغان، جوزفين؛ تاكر، كريس (2015). التعقيد البصري المميز: الأبعاد الكسورية في عمارة فرانك لويد رايت ولو كوربوزييه. في: العمارة والرياضيات من العصور القديمة إلى المستقبل: المجلد الثاني: من القرن السادس عشر إلى المستقبل . دار نشر سبرينغر الدولية. الصفحات 339-354 . ISBN  978-3-319-00143-2.
  39. بوفيل، كارل (1996). الهندسة الكسورية في العمارة والتصميم . سلسلة علوم التصميم. بوسطن: بيركهاوزر. ISBN 978-0-8176-3795-8.
  40. فوغان، جوزفين؛ أوستوالد، مايكل ج. (2014). "قياس أهمية شفافية الواجهات في العمارة الإقليمية الأسترالية: تحليل حاسوبي لعشرة تصاميم لغلين موركوت". مجلة العلوم المعمارية . 57 (4): 249-259 . doi : 10.1080/00038628.2014.940273 . hdl : 1959.13/1293729 .
  41. أفشار، إليف (2020-09-01). "مساهمة نظرية البعد الفركتلي في التنبؤ بقوة الضغط أحادي المحور للصخور البركانية الملحومة". نشرة هندسة الجيولوجيا والبيئة . 79 (7): 3605-3619 . Bibcode : 2020BuEGE..79.3605A . doi : 10.1007/s10064-020-01778-y . ISSN 1435-9537 . S2CID 214648440 .  
  42. لانديني، جي؛ موراي، بي آي؛ ميسون، جي بي (1995). "الأبعاد الكسورية المتصلة الموضعية وتحليلات الفجوات في صور الأوعية الدموية بالفلوريسين بزاوية 60 درجة". طب العيون الاستقصائي وعلوم الرؤية . 36 (13): 2749-2755 . PMID 749909 . 
  43. تشنغ، تشيومينغ (1997). "النمذجة متعددة الأبعاد وتحليل الفجوات". الجيولوجيا الرياضية . 29 (7): 919-932 . Bibcode : 1997MatG...29..919C . doi : 10.1023/A:1022355723781 . S2CID 118918429 . 
  44. ^ سانتياغو كورتيس، إي. مارتينيز ليديزما، جي إل (2016). “البعد الكسري في شبكية العين البشرية” (PDF) . مجلة العلوم والهندسة . 8 : 59 – 65. إيسن 2539-066X . ردمك 2145-2628 .  
  45. وايلدهافر، مارك ل.؛ لامبرسون، بيتر ج.؛ غالات، ديفيد ل. (1 مايو 2003). "مقارنة مقاييس شكل قاع النهر لتقييم توزيعات الأسماك القاعية". مجلة أمريكا الشمالية لإدارة مصايد الأسماك . 23 (2): 543-557 . Bibcode : 2003NAJFM..23..543W . doi : 10.1577/1548-8675(2003)023 < 0543 :acomor > 2.0.co ; 2. ISSN 1548-8675 . 
  46. افتخاري، أ. (2004). "البعد الكسري للتفاعلات الكهروكيميائية". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 151 (9): E291– E296. Bibcode : 2004JElS..151E.291E . doi : 10.1149/1.1773583 .
  47. القاضي، أ.س.، وواتسون، د. (2008). "تحليل نسيج صور الأشعة المقطعية المحوسبة المعززة بالتباين لأورام الرئة العدوانية وغير العدوانية" ( ملف PDF) . مجلة IEEE للمعاملات في الهندسة الطبية الحيوية . 55 (7): 1822-1830 . doi : 10.1109/tbme.2008.919735 . PMID 18595800. S2CID 14784161. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 13 أبريل 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 أبريل 2014 .  
  48. بيير سويل وجان ف. ريفست (1996). "حول صحة قياسات البعد الكسري في تحليل الصور" (ملف PDF) . مجلة الاتصال المرئي وتمثيل الصور . 7 (3): 217-229 . doi : 10.1006/jvci.1996.0020 . ISSN 1047-3203 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 20 يوليو 2011. 
  49. تول، سي آر؛ ماكجونكين، تي آر؛ غورسيتش، دي جيه (2003). "طريقة شبه مثالية لقياس البعد الكسري تعتمد على تغطية حجم المجموعة الأدنى" . معاملات IEEE في تحليل الأنماط والذكاء الآلي . 25 : 32-41 . CiteSeerX 10.1.1.79.6978 . doi : 10.1109/TPAMI.2003.1159944 . 
  50. غورسيش، دي جيه؛ تول، سي آر؛ كارلسن، آر إي؛ جيرهارت، جي آر (1996). "تحليل الموجات الصغيرة والكسورية لصور المركبات الأرضية". في: أونزر، مايكل أ.؛ الدروبي، أكرم؛ لاين، أندرو إف. (محررون). تطبيقات الموجات الصغيرة في معالجة الإشارات والصور IV . وقائع SPIE. المجلد 2825. الصفحات 109-119 . Bibcode : 1996SPIE.2825..109G . doi : 10.1117/12.255224 . S2CID 121560110 .   
  51. ليو، جينغ ز.؛ تشانغ، لو د.؛ يو، غوانغ هـ. (2003). "البعد الكسري في المخيخ البشري المقاس بالتصوير بالرنين المغناطيسي" . مجلة الفيزياء الحيوية . 85 (6): 4041-4046 . Bibcode : 2003BpJ....85.4041L . doi : 10.1016/ S0006-3495 (03)74817-6 . PMC 1303704. PMID 14645092 .  
  52. سميث، تي جي؛ لانج، جي دي؛ ماركس، دبليو بي (1996). "الأساليب والنتائج الكسورية في مورفولوجيا الخلايا - الأبعاد، والفجوات، والكسور المتعددة" . مجلة أساليب علم الأعصاب . 69 (2): 123-136 . doi : 10.1016/S0165-0270(96)00080-5 . PMID 8946315. S2CID 20175299 .  
  53. لي، ج.؛ دو، ك.؛ صن، س. (2009). "طريقة محسّنة لعدّ المربعات لتقدير البُعد الكسري للصورة". التعرف على الأنماط . 42 (11): 2460-2469 . Bibcode : 2009PatRe..42.2460L . doi : 10.1016/j.patcog.2009.03.001 .
  54. 1 2 بيرنز، ت.؛ راجان، ر. (2015). "دمج مقاييس تعقيد بيانات تخطيط كهربية الدماغ: مضاعفة المقاييس تكشف معلومات مخفية سابقًا" . F1000Research . 4 : 137. doi : 10.12688/f1000research.6590.1 . PMC 4648221. PMID 26594331 .  
  55. دوبوك، ب.؛ كينيو، ج.؛ روك-كارم، س.؛ تريكو، س.؛ زوكر، س. (1989). "تقييم البعد الفركتلي للملامح". مجلة Physical Review A. 39 ( 3): 1500–1512 . Bibcode : 1989PhRvA..39.1500D . doi : 10.1103/PhysRevA.39.1500 . PMID 9901387 . 
  56. روبرتس، أ.؛ كرونين، أ. (1996). "التقدير غير المتحيز للأبعاد متعددة الكسور لمجموعات البيانات المحدودة". فيزيكا أ: الميكانيكا الإحصائية وتطبيقاتها . 233 ( 3-4 ): 867-878 . arXiv : chao-dyn/9601019 . Bibcode : 1996PhyA..233..867R . doi : 10.1016/S0378-4371(96)00165-3 . S2CID 14388392 . 
  57. شانكر، أ. (2006). "المصفوفات العشوائية، ودوال زيتا المعممة، والتشابه الذاتي لتوزيعات الأصفار". مجلة الفيزياء أ: الرياضية والعامة . 39 ( 45): 13983-13997 . رمز Bibcode : 2006JPhA...3913983S . doi : 10.1088/0305-4470/39/45/008 .
  58. كريفن، آي.؛ لازاري، إس.؛ ستورتي، جي. (2014). "نمذجة توازن السكان للتجمع والاندماج في الأنظمة الغروية" . نظرية ومحاكاة الجزيئات الكبيرة . 23 (3): 170-181 . doi : 10.1002/mats.201300140 .

للمزيد من القراءة