Πολυμορφοκλασματικό σύστημα

Ένα πολυμορφοκλασματικό σύστημα είναι μια γενίκευση ενός μορφοκλασματικού συστήματος στο οποίο ένας μόνο εκθέτης (η μορφοκλασματική διάσταση) δεν είναι αρκετός για να περιγράψει τη δυναμική του, αλλά απαιτείται ένα συνεχές φάσμα εκθετών (το λεγόμενο φάσμα ιδιομορφίας).

Τα πολυμορφοκλασματικά συστήματα είναι κοινά στη φύση. Περιλαμβάνουν το μήκος των ακτογραμμών, την τοπογραφία των βουνών, την πλήρως ανεπτυγμένη τύρβη, σκηνές του πραγματικού κόσμου, τη δυναμική των καρδιακών παλμών, το ανθρώπινο βάδισμα και τη δραστηριότητα, τη δραστηριότητα του ανθρώπινου εγκεφάλου, και τις χρονοσειρές φυσικής φωτεινότητας. Πρότυπα έχουν προταθεί σε διάφορα πλαίσια που κυμαίνονται από την τύρβη στη δυναμική των ρευστών μέχρι την κυκλοφορία στο διαδίκτυο, τα οικονομικά, τη μορφοποίηση εικόνων, τη σύνθεση υφών, τη μετεωρολογία, τη γεωφυσική κτλ. Η προέλευση της πολυφρακταλικότητας σε διαδοχικά δεδομένα (χρονοσειρές) έχει αποδοθεί σε μαθηματικά φαινόμενα σύγκλισης που σχετίζονται με το κεντρικό οριακό θεώρημα και έχουν ως εστίες σύγκλισης την οικογένεια στατιστικών κατανομών που είναι γνωστή ως πρότυπα εκθετικής διασποράς Tweedie, καθώς και τα γεωμετρικά πρότυπα Tweedie. Το πρώτο φαινόμενο σύγκλισης παράγει μονοφρακταλικές ακολουθίες και το δεύτερο φαινόμενο σύγκλισης είναι υπεύθυνο για τη μεταβολή της μορφοκλασματικής διάστασης των μονοφρακταλικών ακολουθιών .

Η πολυμορφοκλασματική ανάλυση χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση συνόλων δεδομένων, συχνά σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους μορφοκλασματικής και ελλειμματικής ανάλυσης. Η τεχνική περιλαμβάνει την παραμόρφωση συνόλων δεδομένων που εξάγονται από πρότυπα για τη δημιουργία πολυμορφοκλασματικών φασμάτων που απεικονίζουν τον τρόπο με τον οποίο η κλίμακα μεταβάλλεται στο σύνολο δεδομένων. Η πολυμορφοκλασματική ανάλυση χρησιμοποιήθηκε για την αποκρυπτογράφηση των κανόνων δημιουργίας και των λειτουργιών πολύπλοκων δικτύων. Οι τεχνικές πολυμορφοκλασματικής ανάλυσης εφαρμόστηκαν σε διάφορες πρακτικές καταστάσεις, όπως η πρόβλεψη σεισμών και η ερμηνεία ιατρικών εικόνων.

Ορισμός
Σε ένα πολυκλασματικό σύστημα , η συμπεριφορά γύρω από οποιοδήποτε σημείο περιγράφεται από έναν τοπικό νόμο ισχύος:

Ο εκθέτης  ονομάζεται εκθέτης ιδιομορφίας, καθώς περιγράφει τον τοπικό βαθμό ιδιομορφίας ή κανονικότητας γύρω από το σημείο .

Το σύνολο που σχηματίζεται από όλα τα σημεία που μοιράζονται τον ίδιο εκθέτη ιδιομορφίας ονομάζεται πολλαπλότητα ιδιομορφίας εκθέτη h, και είναι ένα σύνολο φράκταλ με διάσταση φράκταλ  το φάσμα ιδιομορφίας. Η καμπύλη  συναρτήσει του  ονομάζεται φάσμα ιδιομορφίας και περιγράφει πλήρως τη στατιστική κατανομή της μεταβλητής .

Στην πράξη, η πολυμορφοκλασματική συμπεριφορά ενός φυσικού συστήματος  δεν χαρακτηρίζεται άμεσα από το φάσμα ιδιομορφίας του . Αντίθετα, η ανάλυση των δεδομένων δίνει πρόσβαση στους εκθέτες πολυδιασταλτικότητας . Πράγματι, τα πολυδιάστατα σήματα υπακούουν γενικά σε μια ιδιότητα αναλλοίωτης κλίμακας που αποδίδει συμπεριφορές νόμου δύναμης για τις ποσότητες πολλαπλής ανάλυσης, ανάλογα με την κλίμακα τους . Ανάλογα με το υπό μελέτη αντικείμενο, αυτές οι ποσότητες πολλαπλής ανάλυσης, που συμβολίζονται με , μπορεί να είναι τοπικές μέσες τιμές σε κουτιά μεγέθους , κλίσεις σε απόσταση , συντελεστές wavelet σε κλίμακα , κ.λπ. Για πολυμορφοκλασματικά αντικείμενα, παρατηρείται συνήθως μια παγκόσμια κλιμάκωση νόμου δύναμης της μορφής:

τουλάχιστον σε κάποιο εύρος κλιμάκων και για κάποιο εύρος τάξεων . Όταν παρατηρείται μια τέτοια συμπεριφορά, μιλάμε για αναλλοίωτη κλίμακα, αυτοομοιότητα ή πολυκλιμάκωση.

Εκτίμηση 
Χρησιμοποιώντας τον λεγόμενο πολυμορφοκλασματικό φορμαλισμό, μπορεί να αποδειχθεί ότι, κάτω από ορισμένες κατάλληλες υποθέσεις, υπάρχει αντιστοιχία μεταξύ του φάσματος ιδιομορφίας  και των εκθετών πολλαπλής κλιμάκωσης  μέσω ενός μετασχηματισμού Λεζάντρ. Ενώ ο προσδιορισμός του  απαιτεί κάποια εξαντλητική τοπική ανάλυση των δεδομένων, η οποία θα οδηγούσε σε δύσκολους και αριθμητικά ασταθείς υπολογισμούς, η εκτίμηση του  βασίζεται στη χρήση στατιστικών μέσων όρων και γραμμικών παλινδρομήσεων σε log-log διαγράμματα. Μόλις γίνει γνωστή η , μπορεί να εξαχθεί μια εκτίμηση της  χάρη σε έναν απλό μετασχηματισμό Λεζάντρ.

Τα πολυμορφοκλασματικά συστήματα προσομοιώνονται συχνά με στοχαστικές διαδικασίες, όπως οι πολλαπλασιαστικοί καταρράκτες. Οι  ερμηνεύονται στατιστικά, καθώς χαρακτηρίζουν την εξέλιξη των κατανομών των  καθώς   πηγαίνει από μεγαλύτερες σε μικρότερες κλίμακες. Αυτή η εξέλιξη συχνά ονομάζεται στατιστική διαλείπουσα και προδίδει μια απόκλιση από τα πρότυπα του Γκάους.

Η προσομοίωση  ως πολλαπλασιαστικός καταρράκτης οδηγεί επίσης στην εκτίμηση των πολυμορφοκλασματικών ιδιοτήτων. (Ρόμπερτς & Κρόνιν 1996). Αυτή η μέθοδος λειτουργεί αρκετά καλά, ακόμη και για σχετικά μικρά σύνολα δεδομένων. Μια μέγιστη πιθανή προσαρμογή ενός πολλαπλασιαστικού καταρράκτη στο σύνολο δεδομένων όχι μόνο εκτιμά το πλήρες φάσμα αλλά δίνει επίσης λογικές εκτιμήσεις των σφαλμάτων.

Εκτίμηση της πολυμορφοκλασματικής κλιμάκωσης από την καταμέτρηση κουτιών
Τα πολυμορφοκλασματικά φάσματα μπορούν να προσδιοριστούν από την καταμέτρηση κουτιών σε ψηφιακές εικόνες. Καταρχάς, γίνεται μια σάρωση με καταμέτρηση κουτιών για να καθοριστεί πώς κατανέμονται τα εικονοστοιχεία- στη συνέχεια, αυτή η "κατανομή μάζας" γίνεται η βάση για μια σειρά υπολογισμών. Η κύρια ιδέα είναι ότι για τα πολυθραυσματικά, η πιθανότητα  ενός αριθμού εικονοστοιχείων , που εμφανίζονται σε ένα πλαίσιο , μεταβάλλεται ως μέγεθος πλαισίου , σε κάποιο εκθέτη , ο οποίος μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της εικόνας, όπως στην  (NB: Για τα μονοδιαθλαστικά, αντίθετα, ο εκθέτης δεν αλλάζει ουσιαστικά πάνω στο σύνολο). Το  υπολογίζεται από την κατανομή των εικονοστοιχείων με καταμέτρηση σε κουτιά, όπως στην .

 = μια αυθαίρετη κλίμακα Μέγεθος κουτιού καταμέτρησης κουτιών στην καταμέτρηση κουτιών στο οποίο εξετάζεται το σύνολο

 = ο δείκτης για κάθε κουτί που τοποθετείται στο σύνολο για 

 = Ο αριθμός των εικονοστοιχείων ή της "μάζας" σε κάθε πλαίσιο, , στο μέγεθος 

 = το σύνολο των κουτιών που περιείχαν περισσότερα από 0 εικονοστοιχεία, για κάθε 

 χρησιμοποιείται για να παρατηρήσουμε πώς συμπεριφέρεται η κατανομή των εικονοστοιχείων όταν παραμορφώνονται με ορισμένους τρόπους, όπως στο  και :

 = ένα αυθαίρετο εύρος τιμών που θα χρησιμοποιηθεί ως εκθέτες για τη διαστρέβλωση του συνόλου δεδομένων

Όταν ,  ισούται με 1, το συνηθισμένο άθροισμα όλων των πιθανοτήτων, και όταν , κάθε όρος ισούται με 1, οπότε το άθροισμα ισούται με τον αριθμό των καταμετρημένων κουτιών, .

Αυτές οι εξισώσεις παραμόρφωσης χρησιμοποιούνται επίσης για να εξετάσουν πώς συμπεριφέρεται το σύνολο όταν κλιμακώνεται ή αναλύεται ή κόβεται σε μια σειρά από κομμάτια μεγέθους  και παραμορφώνεται από το Q, για να βρεθούν διαφορετικές τιμές για τη διάσταση του συνόλου, όπως παρακάτω:

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της  είναι ότι μπορεί επίσης να παρατηρηθεί ότι μεταβάλλεται ανάλογα με την κλίμακα που αυξάνεται στον εκθέτη  στο :

Συνεπώς, μια σειρά τιμών για την  μπορεί να βρεθεί από τις κλίσεις της γραμμής παλινδρόμησης για το λογάριθμο του  έναντι του λογαρίθμου του  για κάθε , με βάση την :

Για τη γενικευμένη διάσταση:



 εκτιμάται ως η κλίση της γραμμής παλινδρόμησης για  σε σχέση με το  όπου:

Τότε το  προκύπτει από την .

Η μέση τιμή  εκτιμάται ως η κλίση της γραμμής παλινδρόμησης log-log για  σε σχέση με , όπου:

Στην πράξη, η κατανομή των πιθανοτήτων εξαρτάται από τον τρόπο δειγματοληψίας του συνόλου δεδομένων, οπότε έχουν αναπτυχθεί αλγόριθμοι βελτιστοποίησης για την εξασφάλιση επαρκούς δειγματοληψίας.

 Εφαρμογές 
Η πολυμορφοκλασματική ανάλυση χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία σε πολλούς επιστημονικούς τομείς, όπως η φυσική, η πληροφορική και τις βιολογικές επιστήμες. Παραδείγματος χάριν, στην ποσοτικοποίηση των υπολειπόμενων ρωγμών στην επιφάνεια διατμητικών τοίχων από οπλισμένο σκυρόδεμα.

 Ανάλυση παραμόρφωσης συνόλου δεδομένων 

Η πολυμορφοκλασματική ανάλυση χρησιμοποιήθηκε σε διάφορα επιστημονικά πεδία για τον χαρακτηρισμό διαφόρων τύπων συνόλων δεδομένων.. Στην ουσία, η πολυμορφοκλασματική ανάλυση εφαρμόζει έναν παράγοντα παραμόρφωσης σε σύνολα δεδομένων που εξάγονται από πρότυπα, για να συγκρίνει τον τρόπο με τον οποίο τα δεδομένα συμπεριφέρονται σε κάθε παραμόρφωση. Αυτό γίνεται με τη χρήση γραφημάτων γνωστών ως πολυμορφοκλασματικά φάσματα, ανάλογα με την εξέταση του συνόλου δεδομένων μέσω ενός "παραμορφωτικού φακού", όπως φαίνεται στην εικόνα. Στην πράξη χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι πολυμορφοκλασματικών φασμάτων.

 DQ vs Q 

Ένα πρακτικό πολυμορφοκλασματικό φάσμα είναι το γράφημα του  DQ vs Q, όπου DQ είναι η γενικευμένη διάσταση για ένα σύνολο δεδομένων και Q είναι ένα αυθαίρετο σύνολο εκθετών.  Η έκφραση γενικευμένη διάσταση αναφέρεται επομένως σε ένα σύνολο διαστάσεων για ένα σύνολο δεδομένων (λεπτομερείς υπολογισμοί για τον προσδιορισμό της γενικευμένης διάστασης με τη χρήση της καταμέτρησης κουτιών περιγράφονται  παρακάτω).

 Διάταξη διαστάσεων 
Το γενικό μοτίβο της γραφικής παράστασης του DQ σε σχέση με το Q μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της κλιμάκωσης σε ένα πρότυπο.  Η γραφική παράσταση είναι γενικά φθίνουσα, σιγμοειδής γύρω από το Q=0, όπου Q=0, όταν D(Q=0) ≥ D(Q=1) ≥ D(Q=2). Όπως απεικονίζεται στην εικόνα, η διακύμανση αυτού του γραφικού φάσματος μπορεί να βοηθήσει στη διαμόρφωση προτύπων. Η εικόνα απεικονίζει D(Q) φάσματα από πολυμοροκλασματική ανάλυση δυαδικών εικόνων μη-, μονο- και πολυκλασματικών συνόλων. Όπως συμβαίνει και στις εικόνες του δείγματος, τα μη- και τα μονο-μορφοκλάσματα τείνουν να έχουν πιο επίπεδα φάσματα D(Q) σε σχέση με τα πολυμορφοκλάσματα.

Η γενικευμένη διάσταση παρέχει επίσης σημαντικές ειδικές πληροφορίες. D(Q=0) είναι ίση με τη διάσταση χωρητικότητας, η οποία στην ανάλυση που παρουσιάζεται στα σχήματα εδώ είναι η διάσταση καταμέτρησης κουτιών. D(Q=1) είναι ίση με τη διάσταση της πληροφορίας και η D(Q=2) με τη διάσταση της συσχέτισης. Αυτό σχετίζεται με το "multi" στο πολυκμορφολασματικό, όπου τα πολυφράκταλ έχουν πολλαπλές διαστάσεις στο φάσμα D(Q)  σε σχέση με το Q, αλλά τα μονοφράκταλ παραμένουν μάλλον επίπεδα σε αυτή την περιοχή.

 f(α) έναντι α 
Ένα άλλο χρήσιμο πολυθραυσματικό φάσμα είναι η γραφική παράσταση του  ως προς . Αυτές οι γραφικές παραστάσεις ανεβαίνουν γενικά σε ένα μέγιστο που προσεγγίζει τη μορφοκλασματική διάσταση στο Q=0 και στη συνέχεια πέφτουν. Όπως και τα φάσματα DQ έναντι Q, παρουσιάζουν επίσης τυπικά σχέδια χρήσιμα για τη σύγκριση μη-, μονο- και πολυμορφοκλασματικών σχεδίων. Συγκεκριμένα, για αυτά τα φάσματα, τα μη- και τα μονο-μορφοκλασματικά συγκλίνουν σε ορισμένες τιμές, ενώ τα φάσματα από πολυφρακτάλια πρότυπα σχηματίζουν συνήθως καμπούρες σε μια ευρύτερη περιοχή.

 Γενικευμένες διαστάσεις των κατανομών αφθονίας ειδών στο χώρο 
Μια εφαρμογή του Dq έναντι του Q στην οικολογία είναι ο χαρακτηρισμός της κατανομής των ειδών. Συνήθως η σχετική αφθονία των ειδών υπολογίζεται για μια περιοχή χωρίς να λαμβάνονται υπόψη οι θέσεις των ατόμων. Μια ισοδύναμη αναπαράσταση της σχετικής αφθονίας ειδών είναι οι τάξεις των ειδών, που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μιας επιφάνειας που ονομάζεται επιφάνεια τάξης ειδών, η οποία μπορεί να αναλυθεί με τη χρήση γενικευμένων διαστάσεων για την ανίχνευση διαφόρων οικολογικών μηχανισμών, όπως αυτοί που παρατηρούνται στην ουδέτερη θεωρία της βιοποικιλότητας, στη δυναμική των μετακοινοτήτων ή στη θεωρία των θέσεων.

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

 Movies of visualizations of multifractals

 Δημοσιεύσεις 







Δείτε επίσης
Αλγόριθμος διαμαντιού τετραγώνου
Καμπύλη που γεμίζει το χώρο
Νιφάδα του Κοχ 
Καμπύλη Χίλμπερτ
Καμπύλη του δράκου
Σπόγγος του Μένγκερ

Σύνολο Μάντελμπροτ 
Σύνολο Julia
Σύνολο Κάντορ
Οικοδομήσιμο Σύμπαν

Παραπομπές



Κατηγορία:Φράκταλ
Κατηγορία:Γενική τοπολογία
Κατηγορία:Μαθηματική φυσική