แฟร็กทัล

แฟร็กทัลหรือสาทิสรูป(อังกฤษ:fractal) ในปัจจุบันเป็นคำที่ใช้ในเชิงวิทยาศาสตร์และคณิตศาสตร์หมายถึง วัตถุทางเรขาคณิตที่มีคุณสมบัติคล้ายตนเองคือ ดูเหมือนกันไปหมด (เมื่อพิจารณาจากแง่ใดแง่หนึ่ง) ไม่ว่าจะดูที่ระดับความละเอียด (โดยการส่องขยาย) หรือ สเกลใดก็ตาม
คำว่า แฟร็กทัล นี้เบอนัว ม็องแดลโบรตเป็นคนบัญญัติขึ้นในปีค.ศ. 1975จากคำว่าfractusในภาษาละตินซึ่งแปลว่า แตก หรือ ร้าว
ได้มีการค้นพบสิ่งที่เรารู้จักกันในนามของแฟร็กทัลมานานก่อนที่คำว่า "แฟร็กทัล" จะได้รับการบัญญัติขึ้นมาใช้เรียกสิ่งเหล่านี้ ในปีค.ศ. 1872คาร์ล ไวเออร์ชตรัสส์(Karl Weierstrass) ได้ยกตัวอย่างของฟังก์ชันที่มีคุณสมบัติ "everywhere continuous but nowhere differentiable" คือ มีความต่อเนื่องที่ทุกจุด แต่ไม่สามารถหาค่าอนุพันธ์ได้ ต่อมาในปีค.ศ. 1904เฮลเก ฟอน ค็อค(Helge von Koch) ได้ยกตัวอย่างทางเรขาคณิต ซึ่งได้รับการเรียกขานในปัจจุบันนี้ว่า "เกล็ดหิมะค็อค" (Koch snowflake) ต่อมาในปีค.ศ. 1938พอล ปีแอร์ ลาวี(Paul Pierre Lévy) ได้ทำการศึกษา รูปร่างของ กราฟ (curve และ surface) ซึ่งมีคุณสมบัติที่ส่วนประกอบย่อย มีความเสมือนกับโครงสร้างโดยรวมของมัน คือ "Lévy C curve" และ "Lévy dragon curve"
เกออร์ก คันทอร์(Georg Cantor) ก็ได้ยกตัวอย่างของ เซตย่อยของจำนวนจริง ซึ่งมีคุณสมบัติแฟร็กทัลนี้ เป็นที่รู้จักกันในชื่อเซตคันทอร์หรือฝุ่นคันทอร์จากการศึกษาเซตคันทอร์นี้ นักคณิตศาสตร์ เช่น Constantin Carathéodory และ Felix Hausdorff ได้ขยายความแนวคิดเรื่อง มิติ (dimension) จากเดิมที่เป็นจำนวนเต็ม ให้ครอบคลุมถึงมิติที่ไม่เป็นจำนวนเต็ม นอกจากนั้น นักคณิตศาสตร์อีกหลายคน ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19ถึงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20เช่นอองรี ปวงกาเร,เฟลิกซ์ คลิน(Felix Klein),ปิแอร์ ฟาตู(Pierre Fatou) และกาสตง จูเลีย(Gaston Julia) ได้ศึกษาฟังก์ชันวนซ้ำ(Iterated function) ซึ่งมีความเกี่ยวพันอย่างใกล้ชิดกับ คุณสมบัติความคล้ายตนเอง(self-similarity) แต่บุคคลเหล่านั้นก็ไม่ได้เห็นถึงความสวยงามของภาพจาก itereated functions ที่เราได้เห็นกัน เนื่องจากการแสดงผลที่ต้องใช้เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์กราฟิก ซึ่งพัฒนาขึ้นในภายหลัง
ในปีค.ศ. 1960เบอนัว ม็องแดลโบรตได้ทำการศึกษาถึงคุณสมบัติความคล้ายตนเอง นี้ และตีพิมพ์บทความชื่อHow Long is the Coast of Britain? Statistical Self-Similarity and Fractional Dimension.แมนดัลบรอ ได้เห็นถึงความสัมพันธ์ของผลงานในเรื่องต่าง ๆ ในอดีต ซึ่งดูราวกับจะเป็นคนละเรื่องไม่มีความสัมพันธ์กัน เขาได้รวบรวมแนวความคิด และบัญญัติคำว่า แฟร็กทัล ขึ้น เพื่อใช้ระบุถึงวัตถุที่มีคุณสมบัติความคล้ายตนเอง
แฟร็กทัล นั้นนอกจากเป็นวัตถุที่มีความคล้ายตนเองแล้วยังมีอีกคุณสมบัติหนึ่งคือ มีมิติเฮาส์ดอร์ฟ(Hausdorff) ไม่เป็นจำนวนเต็ม (นิยามโดย เบอนัว ม็องแดลโบรต ไว้ว่าA fractal is by definition a set for which the Hausdorff-Besicovitch dimension strictly exceeds the topological dimension.) แต่คำจำกัดความนี้ดูเหมือนจะมีปัญหาอยู่มาก เนื่องจาก ปรากฏว่ามีวัตถุที่มีรูปร่างเป็นแฟร็กทัล แต่ไม่ได้เป็นไปตามคุณสมบัติมิตินี้
คำจำกัดความของสิ่งที่เราเรียกว่า แฟร็กทัล นั้นจะค่อนข้างกำกวม ไม่ชัดเจนเนื่องจาก
แฟร็กทัลสามารถจำแนกออกเป็นสามประเภทตามวิธีการสร้างดังนี้
แฟร็กทัลประเภทแรกมีรูปแบบการสร้างแบบง่าย ๆ โดยอาศัยหลักการวนซ้ำกฎเกณฑ์ที่กำหนดไปเรื่อย ๆ ไม่มีที่สิ้นสุด เช่นเซตคันทอร์,ฝุ่นคันทอร์และฟังก์ชันคันทอร์ซึ่งจัดเป็นหนึ่งในฟังก์ชันประเภทที่เรียกว่าDevil's staircase,เส้นโค้งค็อค และ เกล็ดหิมะค็อค,พรมซูร์พินสกี(Sierpinski carpet),สามเหลี่ยมซูร์พินสกี(Sierpinski triangle)Space-filling curveหรือPeano curveและเส้นโค้งมังกรเป็นต้น แฟร็กทัลประเภทนี้มีคุณสมบัติคล้ายตนเองอย่างสมบูรณ์ (exact self-similarity)
แฟร็กทัลอีกจำนวนหนึ่งมีที่มาจากการศึกษาทฤษฎีความอลวนเรียกว่าescape-time fractalตัวอย่างเช่นเซตจูเลีย,เซตม็องแดลโบรต,แฟร็กทัล Burning Shipและแฟร็กทัลไลยาปูนอฟ(Lyapunov) แฟร็กทัลสร้างจากวนซ้ำสมการfc(z){\displaystyle f_{c}(z)}ไปเรื่อย ๆ หรือเขียนอยู่ในรูปสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์คือfc(fc(fc(...))){\displaystyle f_{c}(f_{c}(f_{c}(...)))}และสร้างกราฟของค่าพารามิเตอร์c{\displaystyle c}หรือค่าเริ่มต้นของz{\displaystyle z}ที่ให้ผลลัพธ์ที่อลวน แฟร็กทัลเหล่านี้มักมีคุณสมบัติคล้ายตนเองที่ไม่สมบูรณ์ กล่าวคือ เมื่อขยายแฟร็กทัลดูส่วนที่เล็กลงจะพบว่ามีรูปร่างคล้ายแต่ไม่เหมือนรูปร่างของเดิมซะทีเดียว (quasi-self-similarity)
แฟร็กทัลประเภทสุดท้าย สร้างโดยกระบวนการสโตคาสติกหรือ การสุ่ม เช่นการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนต้นไม้บราวเนียนเป็นต้น แฟร็กทัลลักษณะนี้ เฉพาะค่าทางสถิติของแฟร็กทัลที่สเกลต่าง ๆ เท่านั้นที่มีลักษณะเหมือนกัน (statistical self-similarity)
สิ่งที่มีลักษณะใกล้เคียงกับแฟร็กทัลสามารถพบได้ง่ายในธรรมชาติ ตัวอย่างสิ่งของที่มีคุณลักษณะความคล้ายตนเองในระดับหนึ่ง เช่นเมฆเกล็ดหิมะภูเขาสายฟ้าในฟ้าผ่าการแตกสาขาของแม่น้ำปุ่มบนดอกกะหล่ำการแตกแขนงของเส้นเลือดฝอยเป็นต้น ซึ่งเมื่อนำวัตถุนั้นมาขยายแล้วจะพบว่ามีรูปร่างคล้ายกับของเดิม แต่วัตถุในธรรมชาติก็มีข้อจำกัดคือเมื่อขยายมาก ๆ เช่น จนถึงระดับเซลล์หรือ โมเลกุล จะไม่เหลือคุณสมบัติความคล้ายตนเองเหลืออยู่
ต้นไม้และเฟิร์นก็มีคุณสมบัติแฟร็กทัลในธรรมชาติของมัน เช่น กิ่งของต้นไม้ดูคล้ายต้นไม้ทั้งต้นแต่มีขนาดเล็กลง ส่วนย่อย ๆ ของใบเฟิร์นก็เช่นกัน ด้วยคุณสมบัติความคล้ายตนเองนี้ เราสามารถสร้างแบบจำลองของต้นไม้และในเฟิร์นบนเครื่องคอมพิวเตอร์ได้ง่ายโดยวิธีวนซ้ำ
แฟร็กทัลยังพบได้ในงานศิลปะ ตัวอย่างเช่นภาพเขียนของจิตรกรชาวอเมริกัน แจ็คสัน พอลล็อก (Jackson Pollock) ซึ่งดูผิวเผินจะประกอบด้วยหยดหมึกหรือแต้มหมึกที่ไม่เป็นระเบียบ แต่จากการวิเคราะห์ด้วยคอมพิวเตอร์ก็พบรูปแบบของแฟร็กทัลในงานของเขา
แฟร็กทัลยังพบได้มากในศิลปะและสถาปัตยกรรมในแบบแอฟริกา เช่น บ้านรูปวงกลมเล็ก ๆ ตั้งเรียงกันเป็นรูปวงกลมใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้น บ้านรูปสี่เหลี่ยมซึ่งมีรูปสี่เหลี่ยมขนาดเล็กประกอบ เป็นต้น ลวดลายของรูปร่างหนึ่ง ๆ ในหลายสเกลยังพบในสิ่งทอ รูปปั้น หรือแม้กระทั่งทรงผมในแบบแอฟริกัน
ทฤษฎีและผลจากการศึกษาแฟร็กทัล สามารถนำมาประยุกต์ใช้กับงานหลาย ๆ ด้าน ตัวอย่างที่สำคัญเช่น
การสร้างภาพในคอมพิวเตอร์สามารถใช้กฎเกณฑ์การเรียกตนเอง(recursion) มาเขียนโปรแกรมสร้างภาพของสิ่งต่าง ๆ ที่โดยธรรมชาติมีลักษณะใกล้เคียงแฟร็กทัล เช่น ต้นไม้ ภูเขา มาใส่ในเกมคอมพิวเตอร์หรือสร้างเป็นฉากกราฟิกส์ในภาพยนตร์โดยโปรแกรมที่เขียนจากหลักการเรียกตนเองมีขนาดเล็ก ในทางกลับกันเราสามารถใช้แฟล็กทัลมาประยุกต์กับการบีบอัดข้อมูลสัญญาณและภาพ โดยการหาค่าพารามิเตอร์ของสมการวนซ้ำที่ให้ได้ผลลัพธ์ใกล้เคียงกับสัญญาณหรือภาพที่ต้องการ และใช้ค่าพารามิเตอร์นั้นเป็นข้อมูลที่ถูกบีบแล้ว
เราสามารถใช้วนซ้ำมาสังเคราห์เสียงดนตรีแนวใหม่ สร้างงานศิลปะแปลกใหม่ ออกแบบแฟชั่น ลวดลายบนชุดพรางตัวของทหารนาวิกโยธินสหรัฐที่เรียกว่า MARPAT (MARine Disruptive PATtern) ซึ่งมีลวดลายไม่เป็นระเบียบ สามารถกลมกลืนกับธรรมชาติได้ดี ก็สร้างขึ้นจากหลักการแฟล็กทัล
รอยร้าวต่าง ๆ ลักษณะแตกแขนงย่อย ๆ ออกไปเหมือนแฟร็กทัล จึงมีประโยชน์ในการคาดคะเนการแตกหักในวิชากลศาสตร์(Fracture mechanics) และใช้ในการศึกษาด้านแผ่นดินไหว (Seismology)
อีกตัวอย่างการใช้งาน คือสายอากาศแบบแฟร็กทัลที่มีขนาดเล็กแต่สามารถรับส่งคลื่นความถี่ได้หลากหลายสายอากาศที่ใช้รับสัญญาณโทรทัศน์ ก็มีลักษณะความคล้ายตนเองเช่นเดียวกัน