分形插值函数的分数阶微积分的分形维数
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df分形维数
分形维数是分形理论中的一个重要概念,用于定量描述分形客体的复杂程度和粗糙程度。
在传统的几何学中,维数通常是指确定系统状态的独立变量的个数,并且只能取整数。
然而,在分形理论中,维数可以取任何实数值,包括分数。
分形维数有许多不同的计算方法,其中最常用的包括盒子计数法、相似多边形法、广义维数定义法和功率谱法等。
这些方法的计算结果可能会因所选的坐标系、尺度变换和测量方法等因素而有所不同。
分形维数在许多领域都有应用,例如物理、化学、生物学、地球科学、经济学和计算机科学等。
例如,在物理中,分形维数可以用于描述混沌吸引子的复杂性和分形布朗运动的路径;在化学中,分形维数可以用于描述分形物质的表面结构和化学反应的速率;在生物学中,分形维数可以用于描述生物体的复杂性和生长过程;在地球科学中,分形维数可以用于描述地貌和气候变化的复杂性;在经济学中,分形维数可以用于描述股票市场的复杂性和波动性;在计算机科学中,分形维数可以用于描述图像处理和数据压缩等方面的算法。
总之,分形维数是描述分形客体复杂性和粗糙程度的重要参数,其应用范围广泛。
随着科学技术的不断发展,分形维数的研究将更加深入,其应用领域也将更加广泛。
分数阶微积分及其应用分数阶微积分是一种扩展了传统整数阶微积分概念的数学工具,在过去的几十年中,其应用在物理、工程、生物、经济等多个领域取得了显著的进展。
在分数阶微积分中,函数的导数和积分的阶数可以是非整数,这使得分数阶微积分能够更灵活地描述现实世界中的复杂现象。
分数阶微积分的基本概念包括幂级数、勒让德符号等。
幂级数是一种用无穷级数表示函数的方法,通过幂级数,我们可以将一个函数表示成无限多个因子的乘积。
而勒让德符号则是一种表示分数阶导数和积分的符号,它能够简洁地描述分数阶微积分中的运算。
分数阶微积分在实际生活中的应用非常广泛。
例如,在信用卡计息中,分数阶微积分可以描述复利计息的规律,更好地拟合实际数据。
在股票投资中,分数阶微积分可以用于描述股票价格的动态变化,从而帮助投资者更好地预测股票价格的走势。
此外,分数阶微积分在科学研究和工程实践中也有广泛的应用,例如在电磁学、流体动力学、控制理论等领域都有重要的应用。
学习分数阶微积分需要掌握一些基本的技巧。
首先,需要熟悉函数的导数和不定积分的概念,这是学习分数阶微积分的基础。
其次,需要学会使用幂级数和勒让德符号进行运算,这可以帮助我们更准确地描述复杂的函数。
最后,需要掌握分数阶微积分的算法和计算方法,例如通过数值方法和软件包进行分数阶微积分的计算。
总之,分数阶微积分是一种具有重要应用价值的数学工具,它能够更灵活地描述现实世界中的复杂现象。
随着科学技术的不断发展,分数阶微积分的应用前景将更加广阔。
未来,分数阶微积分的研究和应用可能会涉及更多的领域,例如、大数据分析、化学反应动力学等。
随着分数阶微积分理论的不断完善,其应用也将越来越成熟和广泛。
因此,我们应该积极学习和掌握分数阶微积分这一重要的数学技能,为未来的科学研究和工程实践打下坚实的基础。
引言分数阶微积分是一种扩展了传统整数阶微积分概念的数学工具,它允许我们处理具有非整数阶导数的函数。
在过去的几十年里,分数阶微积分在物理学、工程学、生物学等许多领域发现了广泛的应用。
分形几何是一种研究具有自相似性质的几何形状的数学分支,而分形维数是用来描述这些分形形状的维度的概念。
分形几何的应用涵盖很多领域,比如自然科学、工程技术、金融等。
在这篇文章中,我们将探讨分形维数以及分形几何的应用。
首先,我们来了解一下分形维数的概念。
在传统的几何学中,维度是用来描述几何图形的尺寸的性质。
比如,平面图形的维度是2,立体图形的维度是3。
但是分形几何中的图形具有自相似性质,即图形的一部分与整体具有相似的形状,因此无法用传统的整数维度来描述。
为了解决这个问题,引入了分形维数的概念。
分形维数是一种用来描述具有自相似性质的图形的尺寸的数学工具。
具体来说,分形维数分为Hausdorff维数和盒维数两种。
Hausdorff维数是一种用来描述图形的粗糙度的维度,而盒维数是一种用来描述图形的分形特性的维度。
通过计算分形维数,我们可以量化和比较不同的分形形状,进而深入研究它们的数学性质和物理特性。
分形几何的应用非常广泛。
在自然科学领域,分形几何可以用来描述和研究自然界中的复杂结构,比如云雾、河流、树木等。
通过分析和计算它们的分形维数,我们可以揭示它们的自相似性质和分形特征,进而深入理解自然界的复杂性。
在工程技术领域,分形几何可以应用于图像处理、信号处理、网络设计等方面。
例如,分形压缩算法可以利用图像的自相似性压缩图像数据,从而实现图像的高效传输和存储。
此外,分形天线设计可以通过利用分形几何的自相似性,实现较宽带、较小体积的天线性能。
在金融领域,分形几何可以应用于股票价格的预测和分析。
通过分析股票价格的分形结构和分形维数,可以揭示市场的复杂性和非线性特性,进而辅助制定投资策略和风险管理。
除此之外,分形几何还可以应用于人工智能、生物学、城市规划等领域。
例如,分形模型可以用来生成逼真的自然景观和虚拟世界。
另外,分形几何的概念也可以用来研究生物系统的形态和发育过程。
在城市规划中,分形几何可以用来研究城市的空间分布和交通网络的优化。
分形理论在微观图像处理中的应用研究
本学位论文课题尝试运用分形动力学研究高分子材料宏观力学性能与微观
结构形态的关系问题。
高分子材料的微观结构及形态的表征是本文研究的重点,应用分形理论表征及刻画材料的电子显微镜图像,为此引入分形插值对图像数据进行处理。
运用分形插值进行图像处理是本研究的另一个主要内容。
选取Canny算子提取边缘图像,结合原始图像,依据K.Falconner对分形的描述,对微观图像分形特性的存在性进行探讨,得出自相似特性存在但具有区域性和尺度局限性的结论。
将分形插值应用到数字图像处理中,对比传统的插值方法,重点研究其在图像缩放中的适用性,结果表明在具有自相似特性的高分子材料微观图像中,分形插值放大算法能较好地保留原图像的分形信息。
通过对经典二维图像和典型分形图像的计算结果与实际维数的对比,验证了盒维数算法的准确性,在对微观图像的处理中通过对算法参数的调整及对比分析获取其比较精确的分形维数。
高分子材料的宏观力学性能由分数阶微分本构律刻画。
根据材料的宏观实验数据建立起其分数导数本构方程。
研究表明,表征材料微观结构形态的分形维数与描述材料宏观性能分数微分本构关系的分数微分阶值有明显的内在关系,初步验证了早年Rouse等著名学者对分数微分本构律物理蕴含的假设。
目录绪论 (1)1 分数阶微分的基本理论 (1)1.1分数阶微积分 (2)1.2分数阶微积分的定义 (3)1.3分数阶微积分的性质 (5)1.4各种定义之间的联系与区别 (6)1.5一些初等函数的分数阶微积分 (8)1.6分数阶微积分的物理意义 (10)1.7分数阶微积分在自然中的存在 (11)2 分数阶微积分的应用 (12)2.1 医学图像处理 (12)2.2 天气和气候的研究 (13)2.3 地震奇异性分析 (14)参考文献 (15)致谢 (16)分数阶微积分及其应用摘要分数阶微积分作为整数阶微积分的推广,其概念早已提出,近300年来,分数阶微积分这一重要数学分支渐成体系,它是研究分形分析的重要工具被应用于许多工程计算中。
本文给出了分数阶微积分的一些性质及其推导过程,并给出一些初等函数的分数阶微积分,及其应用。
【关键词】分数阶微积分分数阶微分分数阶积分图像增强模板应用Fractional calculus and its applicationsAbstractFractional Calculus as extention of integral calculus, its concept has long been proposed, for nearly 300 years, fractional calculus of this important branch of mathematics that had gradually become the system , it is the study of fractal analysis tools are used in many engineering calculations .in his paper, some properties of the fractional calculus and the derivation process of the fractional calculus are given, Besides some elementary functions of fractional calculus and its applications.【Key Words】Fractional Calculus Fractional derivatives Fractional integrals image enhancement applications绪论分数阶微积分是微积分的一个分支,它对函数进行分数阶微分积分,如对函数求1/2阶导数。
2915.6 分形与分数维教学要求要求了解简单分形图形与朴素的分数维概念,并从中欣赏数学的美.知识点1.几个常见的分形图2.分数维数的概念5.6.1. 几个常见的分形图在近代数学的发展长河中, 与混沌密切相关的一门新的几何学诞生和发展起来了, 这就是分数维几何学. 1982年, 美国科学家曼德布罗特(B. Mandelbrot)出版了“自然界的分数维几何”一书, 从此, 分形或分数维就成了科学家们的一个热门话题.我们熟悉经典的维数概念, 知道点、直线、平面、立体分别是0 , 1 , 2 , 3 维的. 如果把时间变量添入我们生活的空间, 那么就出现了4维空间. 更一般地, 具有n 个自由度的对象, 就是n 维的. 这些维数都是非负整数. 但是在自然界又充满着许多人们熟悉的但又十分变幻莫测的现象, 它们涉及的几何图形无法用整数维数去解释. 比如天上多变的云彩, 地上河网水系,复杂形状的海岸线, 人体内的血管分布等等. 因此, 不要以为分数维概念是数学家头脑中凭空产生的, 它也是在人类生产实践、科学实验与艺术实践的推动下出现的.从数学本身来说, 经典的欧几里德几何研究圆规与直尺画的图形. 自牛顿~莱布尼兹创建微积分以来, 微分几何学研究光滑的即可微分的图形. 这些图形都具有特征长度, 如圆的半径, 正方形的边长, 可微曲线的弧长等等. 但是许多复杂的图形没有这样的特征长度, 但又有着明显的自相似或扩展对称性结构. 例如从集合论奠基者康托(Cantor)命名的康托集, 你将会看到, 它的长度为0, 但这个集合的点又与1维的实数集一样多. 你说它是0维呢, 还是1维呢? 无法解释. 只有分数维的理论才能给以科学的说明.我们不打算也不可能介绍纯理论的分数维概念, 只是从若干常见的分形图形初步了解分形或分数维几何的基本思想, 而且从中也将获得有趣的艺术欣赏, 体会数学的美感, 还可了解计算机对于艺术的强大功能.实验5.6.1 经典康托集.在区间 [ 0, 1 ]上, 截去中间的1 / 3,即开区间 32,31,得两个闭区间 ∪ 1,3231,0,其总长度为2/3; 在留下的两段中, 再截去它们各自中间的 1 / 3, 即两个开区间 ∪ 38,3732,31,得四个闭区间∪ ∪ ∪ 39,3837,3633,3231,0,其总长度为(2/3) 2; 如此继续, 一般地, 在第n 步, 截去2n -1开区间−− n n n n n n n 313 , 323 , , 38 , 37 , 32,31n L ,得2n 个闭区间, 其总长度为(2/3) n .当∞→n 时, 最后所留下的极限集称为康托集, 记作F . 简单地说, F 是从[0 , 1]减去无穷多个开区间得到的. 显然F 的长度等于032lim =∞→n n .另一方面,可以作出F 与实数集之间的一一对应来,也就是说, F 与实数集有同样多的点. 现在要问, F 的维数是多少? 是0, 还是1? 你再把康托292 集的构造过程用图表示出来.实验5.6.2 Weierstrass 函数.德国数学家K. Weierstrass ( 1815 ~ 1897 ) 在1872年发现了一个处处连续而又处处不可微的函数. 我们通常作函数的图象, 即使是分段连续的, 各段上也是光滑的, 即可微的. Weierstrass 函数的发现, 在数学史上具有重大意义, 它使人们确信, 直观的结论, 必须用严格的数学逻辑来论证, 直观只是为理性思维提供启迪, 当然这种启迪是十分必要的. 目前Weierstrass 函数常用的一种形式是())cos(1)()2(x b b x w kk k d −=∑+∞−∞=− , b > 1 , 1< d < 2 . (5.6.1) 对b = 1.5 , d = 1.2 , 1.5 , 1.8, 请你作出w (x )的图象.注意, (5.6.1)是极限函数, 作图时可取有限和. 例如可按下述程序作图:f [b_ , d_ ] := Sum [ b^( (d-2) k ) ( 1-Cos [b^k * x] ) , {k, -100, 100} ]f1 [x_ ] := f [ 1.5 , 1.8 ] ;Plot [ N [ f1 [ x ] ] , { x, 0, 1 } ]将得到图 5.24. 然后取定一组参数 ( b , d ) , 对同样的和, 但对不同的区间作图, 比如]1,0[∈x , [0, 0.2 ], [0, 0.04]. 你将看到这些图形的相似性, 后者是从前者截取的一部分, 这正是Weierstrass 函数图象的自相似性.图5.24实验5.6.3 Koch 雪花曲线Weierstrass 函数的构造过于复杂, 数学家们沿着这个方向继续深入的研究,V on Koch 于1904年用简单的初等方法构造出一种同样是处处连续又处处不可微的曲线, 封闭起来形状像雪花, 称为Koch ( 雪花 ) 曲线. 其构造过程如下:取定一条线段E 0 (不妨设为单位长), 以中间的 1/3 线段A 为边作正三角形,然后截去A , 得到由四条长1/3 的线段组成的折线E 1, 再对E 1的每一线段施行同样的手术, 得到折线E 2, 如此继续 ( 即用E 1代替E 0 ), 直至无穷. 则极限曲线k k E lim E ∞→=就是Koch 曲线. 用Mathematica 形成Koch 曲线 ( E k )的程序是:Clear[LSystem]LSystem[atom_,rules_,angle_,k_:3] :=Module[{g ={},x0,x1,y0,y1,a =0,ps ={},str,i},293 {x0,y0}={x1,y1}={0,0};str =atom;Do[str =StringReplace[str,rules],{k}];For[i =1,i<=StringLength[str],i++,c =StringTake[str,{i}];Switch[c,"F",(* Line one step forward *){x1,y1}={x0,y0}+{Cos[a],Sin[a]};AppendTo[g,Line[{{x0,y0},{x1,y1}}]];{x0,y0}={x1,y1},"f",(* Move one step forward *) {x0,y0}={x1,y1}={x0,y0}+{Cos[a],Sin[a]},"B",(* Line one step backward *){x1,y1}={x0,y0}-{Cos[a],Sin[a]}; AppendTo[g,Line[{x0,y0},{x1,y1}]];{x0,y0}={x1,y1}, "b",(* Move one step backward *){x0,y0}={x1,y1}-{x0,y0}-{Cos[a],Sin[a]},"T",(*Turn angle CCW *) a=a+angle, "t",(*Turn angle CW *)a =a-angle, "[",(* Save current state *)AppendTo[ps,{x1,y1,a}],"]",(* Restore saved state *) {x0,y0,a}={x1,y1,a}=Last[ps]; ps=Drop[ps,-1] ] ];Return[Graphics[g]]]Show[LSystem["F",{"F"->"FTFttFTF"},Pi/3]]例如 k = 1 , 2 , 3 , 4 时, 我们分别得到图5.25 ~ 5.28.图 5.25 : E 1 图5.26 : E 2图5.27 : E 3 图 5.28 : E 4294你能否从一个正三角形或正方形的边界封闭折线出发,运用E 1代替E 0的步骤, 作出Koch 曲线来?我们已经看到,产生Koch 曲线这种分形图形的决定性因素是图 5.25中的图形E 1. 因此我们把E 1称为这种分形的生成元. 如果采用生成元F 1( 见图5.29 ) , 则产生康托集.F 0F 1图5.29实验5.6.4 Minkowski 香肠若取生成元为图图5.30的M 1 , 则产生的分形图形称为Minkowski 香肠.图5.30 : M 1用Mathematica 作M k ,只要将前面作Koch 曲线的程序的最后一句改成Show[LSystem["F",{"F"->"FTFtFtFFTFTFtF"},Pi/2]]即可. 若k = 1 , 2 , 3 , 4 , 我们将分别得到图 5.30 ~ 5.33.图5.31 : M 2 图5.32 : M 3 图5.33 : M 4实验5.6.5 Peano 曲线若取生成元为图5.34的P 1 , 则产生的分形图形称为Peano 曲线, 这也是近代数学史上的一个十分著名的曲线.295图5.34 : P 1用Mathematica 作P k ,只要将前面作Koch 曲线的程序的最后一句改成Show[LSystem["F",{"F"->"FTFtFtFtFTFTFTFtF"},Pi/2]]即可. 若k = 1 , 2 , 3 , 4 , 我们将分别得到图 5.34 ~5.37.图5.35 : P 2 图5.36 : P 3图5.37 : P 4实验5.6.6 树木花草图若取生成元为图5.38的T 1 , 则产生的分形图形称为树木花草图.用Mathematica 作T k ,只要将前面作Koch 曲线的程序的最后一句改成Show[LSystem["F",{"F"->"F[TF]F[tF]F"},Pi/10]]同时,将a = 0改成a = Pi/2即可. 若k = 1 , 2 , 3 , 4 , 我们将分别得到图5.38~5.41.296图5.38 : T 1图5.39 : T 2 图5.40 : T 3 图5.41 : T 4通过对上述几个分形图形的观察研究, 我们大致可以看到它们的一些典型性质, 比如: 具有无限精细的结构, 比例自相似性质, 可以由非常简单的方法定义并由迭代产生.5.6.2. 分数维数的概念我们熟悉的维数都是非负整数,在物理学中反映了自由度的数目. 但Cantor 集与Peano 曲线的出现,使人们不得不要突破这种经典观念的束缚. 以Peano 曲线为例,k k P lim P ∞→= ,P 与正方形,作为点集,它们之间可以做出1-1对应来. 于是平面上的点就可以不用两个有序实数(横坐标与纵坐标)表示,而只需用一个实数就可表示出来. 那么我们就很难说P 究竟是1维还是2维. 实际上,对任何有限的正整数n ,Peano 曲线可以填满n 维立方体.为了克服上面的困难,必须从根本上重新考虑维数的意义. 目前考虑的方法有多种多样,但较易理解的一种是相似性维数的概念.我们从上面几个分形图形已经看到,它们的结构都有内在的几何规律性,特别是比例自相似性. 为理解相似性维数的意义, 先从最简单的线段、正方形与立方体的经典维数开始. 把线段、正方形与立方体的边二等分,于是线段是其一半长的2倍,正方形是边长为一半的小正方形的4倍,而立方体则是边长为1 ⁄ 2 的立方体的8倍. 换言之, 线段、正方形与立方图5.42297体分别是由2个、4个与8个相似形组成的. 把2、4、8分别写成21,22,23,即 2 = 21, 4 = 22, 8 = 23. (5.6.2)其中的指数1, 2, 3恰是对应图形的经验维数, 底数2则是分割边长的等分数, 或其倒数1/ 2是所占原长度的分数. 于是我们就可突破经验维数必须是整数的观念. 现在我们对(5.6.2)各式取对数, 得三个图形的维数分别是2ln 2ln 1=, 2ln 4ln 2=, 2ln 8ln 3=. 一般地说,如果一个集合F 可分成k 个与原集相似且尺寸大小为1/r 倍的子集, 则F 的相似性维数是r k d ln ln = , (5.6.3) 例如, 康托集的维数是 6309.03ln 2ln ≈. 请你写出Koch 曲线, Minkowshi 香肠与树木花草图的维数. 实验5.6.7 Sierpinski 三角垫. 从一个正三角形S 0出发, 连接相邻两边中点的联线, 构成一个小正三角形, 从原三角形中挖掉这个小三角形, 得到的图形( 由三个小正三角形组成, 见图 5.43) S 1, 就是Sierpinski 三角垫的生成元. 则Sierpinski 三角垫m m S S ∞→=lim 的维数是5850.12ln 3ln ≈. 作S m 的程序是 :Clear[Sp]Sp[nn_Integer]:=Module[{lt,lt1,k,t,n =nn},lt ={{{0,0},{1.,0},{0.5,Sqrt[3.]/2}}};While[ -- n >0 ,lt1={};For[k =1,k<=Length[lt],k++,t =lt[[k]];lt1=Append[lt1, {t[[1]],(t[[1]]+t[[2]])/2,(t[[3]]+t[[1]])/2}];lt1=Append[lt1, {t[[2]],(t[[1]]+t[[2]])/2,(t[[3]]+t[[2]])/2}];lt1=Append[lt1, {t[[3]],(t[[3]]+t[[2]])/2,(t[[3]]+t[[1]])/2}]];lt = lt1];Return[Graphics[Map[Polygon,lt]]]]Sp[m+1]//Show图5.43:S 1 图5.44:S 2298图5.45:S 3 图5.46:S 4 请你计算Sierpinski 三角垫m m S S ∞→=lim 的维数是多少?。
分形维数算法范文分形维数是一种用来描述分形结构复杂度的数学工具。
它可以帮助我们理解分形的形状和特征,以及它们的生成规律。
在计算机图形学、图像处理和自然科学等领域,分形维数的应用非常广泛。
分形维数的计算方法有多种,包括几何维数、信息维数和相关维数等。
在下面,我将介绍其中两种常见的计算方法:盒维数和分块法。
1.盒维数:盒维数是最常见的一种分形维数计算方法。
它基于分形对象的尺度空间分解原理,通过计算不同尺度下覆盖分形对象的盒子数量来估计分形维数。
具体的计算步骤如下:1)将分形对象包围在一个边长为L的正方形中;2)将正方形等分为N*N个小正方形盒子,其中N是一个正整数;3)通过改变盒子边长L,计算覆盖分形对象的盒子数量N(L),并记录下N(L)与L的关系;4)根据记录的数据点,使用线性回归等方法拟合出N(L)与L的函数关系y=a*L^D,其中D就是分形维数。
2.分块法:分块法是用于计算自相似分形的分形维数的一种方法。
自相似分形是指分形对象的各个部分具有相似的形状和结构特征。
分块法通过将分形对象划分为不同尺度的子块,并计算不同尺度下子块的数量来估计分形维数。
具体的计算步骤如下:1)将分形对象划分为M*M个相等尺寸的子块,其中M是一个正整数;2)计算不同尺度下子块的数量N(M),并记录下N(M)与M的关系;3)根据记录的数据点,使用线性回归等方法拟合出N(M)与M的函数关系y=a*M^D,其中D就是分形维数。
以上是两种常见的分形维数计算方法,在实际应用中可以根据具体的问题选择适合的方法。
分形维数的计算对于理解分形结构的特征、模拟自然界的形态和生成分形图像等都具有重要的意义。
df分形维数-回复什么是分形维数?在数学和物理学中,分形维数是用来描述分形的一种特性。
分形是指在任意尺度上都具有相似性的对象或结构。
换句话说,当我们将分形对象放大或缩小时,它的形态和结构会保持不变。
分形维数可以帮助我们度量这种相似性和结构复杂性。
分形维数的概念最早由匈牙利数学家Mandelbrot在1975年引入,并为分形理论的发展做出了重要贡献。
分形维数是一个非整数的量,用于描述分形对象的细节复杂程度和空间尺度之间的关系。
它可以帮助我们理解自然界中的形态,如云朵、树枝、山脉等。
此外,分形维数还在金融市场分析、图像处理、数据压缩等领域有广泛应用。
如何计算分形维数?计算分形维数的方法有多种,其中最常用的是基于盒计数法(box counting method)。
下面将逐步解释:1. 首先,我们将分形对象覆盖上一系列大小相等的方框,这些方框被称为"盒子"。
2. 然后,我们计算在给定尺度下能够落入分形对象内的盒子数量。
3. 接下来,我们调整盒子的尺度,使其更适应分形对象的形态。
4. 重复以上步骤,直到尽可能地覆盖整个分形对象为止。
5. 在每个尺度下,我们记录下相应的盒子数量。
6. 最后,我们使用某种统计方法,如线性回归等,从盒子数量与尺度的关系中计算出分形维数。
这个过程可以用一个数学公式来表示:D = lim(log(N)/log(1/epsilon)),其中D是分形维数,N是盒子的数量,epsilon是盒子的尺度。
分形维数的应用分形维数的应用十分广泛,以下列举几个例子:1. 自然科学:分形维数帮助我们理解自然界中复杂的形态和结构,如云朵、树枝、山脉等。
通过对这些自然分形对象的分形维数进行测量和比较,我们可以研究它们的演化规律和变化过程。
2. 金融市场:分形维数可以用来分析金融市场的波动性和价格走势。
通过计算股票和指数价格序列的分形维数,我们可以研究市场的稳定性、周期性和风险。
3. 图像处理:分形维数可以用来衡量图像的纹理和形态复杂程度。
数学年刊 2017,38A(1):117—124 DOI:10.16205/j.cnki.cama.2017.0010
分形插值函数的分数阶微积分的分形维数木
梁永顺 张 琦z姚 奎s 提要证明了线性分形插值函数的Riemann—Liouville分数阶微积分仍然是线性分形插值函数.在基 于线性分形插值函数有关讨论的基础上,证明了线性分形插值函数的Box维数与Riemann—Liouville 分数阶微积分的阶之间成立着线性关系.文中给出的例子的图像和数值结果更进一步说明了这个结论.
关键词分形维数,Riemann—Liouville分数阶微积分,线性分形插值函数 MR(2000)主题分类26A30,28A33 中图法分类O174.6 文献标志码A 文章编号1000—8314(2017)01—00117-08
1引 言 分形插值是插值理论的一个重要组成部分[1-a],其中线性分形插值函数按如下所定 义[4-5]:
令0=Xo<Xl…<XN:1,厶(X)是满足如下条件的线性映射: Li(O)=Xi一1, i(1)=Xi,i=1,2,…,Ⅳ. (1.1) 令K=[0,1]×碾,{uih50是某个数集.连续映射 : 一 定义如下: (0,Yo):Yi一1, (1,YN)=Yi,i=l,2,…,Ⅳ. (1.2) 对于OZ∈(0,1), 满足 l x,t)一 x,u)1≤ 一扎l, Vx∈[0,1】,Vt,仳∈ ,i=1,2,·一,Ⅳ. (1.3) : — 满足 ( ,Y)=(£ ( ), ( , )),i=1,2,-一,Ⅳ, (1.4) 则{ , :i=1,2,…,Ⅳ)是一个迭代函数系统.由(1.1)~(1.4)知,存在一个唯一吸引子 Ⅳ G=U (G).
i=1 G的图像正好是某个满足
g( )=Yi,i=1,2,…,Ⅳ (1.5) 的函数9:【0,1]一 的图像.我们称之为分形插值函数. 当i=1,2,…,Ⅳ时,令 1<1,qt连续且
x,Y)=diy+ ( ). (1.6) 本文2013年9月4日收到,2016年6月7日收到修改稿. 通讯作者.南京理工大学理学院,南京210014.E—mail:liangyongshun ̄tom.com 南京航空航天大学理学院,南京210094.E—mail:zhangqinju ̄numu.edu.cn 。中国人民解放军理工大学理学院,南京210093.E—mail:ya ̄kuinju@gmail.com 本文受到国家自然科学基金(No.11201230)的资助. 118 数学年刊 38卷A辑 我们称如(1.6)所定义的g为线性分形插值函数. 下面将证明一个线性分形插值函数的Riemann—Liouville分数阶微积分仍然是线性分 形插值函数.
本文中,令 :【0,1],r(f, )表示,在 上的图像,c(v)表示一个仅与 有关的 正常数.
2线性分形插值函数的Riemann—Liouville分数阶积分 Box维数定义如 定义2.1[。】令F是碾 中的非空有界子集, (F)是能够覆盖F的直径不超过5 的最少集合个数.下Box维数和上Box维数分别定义为
dim )= 6-- ̄0 to g (2.1)
—— U
与
dim )= 0. (2.2) d
÷U—l()
若(2.1)与(2.2)相等,则称其为F的Box维数,即
dimB(耻 . (2.3)
分数阶微积分是分析分形函数的一种数学工具[7】.其应用十分广泛[8一-lo1.Riemann— Liouville分数阶积分的定义如下.
定义2.2[11]令f∈C(o1).对于u>0,t∈(0,1),称
D~f(t) 高Jo(t-X) )d (2·4)
为.厂的 阶Riemann—Liouville分数阶积分. 在文『51中,作者证明了如下的定理. 定理2.1110】令f是一个线性分形插值函数.假设对于1≤i≤N有∑N[ci J>1和
=1 dimuF(qi,I)=1成立.则
dimBr(f, )=J[)({ni,ci})或1, Ⅳ 其中D({。t,Ci))是∑。 Ic =1的唯一解.
i=l
于是我们有如下两个结论.
定理2.2令f是由{L (z), ( , ))Ⅳ_1所定义的线性分形插值函数,其中 i( )= aix+bi, ( , )=ciy+qi( ),则D一”‘厂是关于{ i( ), , ( y N=1的一个线性分形插 1期 梁永顺 张琦 姚奎 分形插值函数的分数阶微积分的分形维数 119 值函数,其中 , =0且对于i=1,2,…,Ⅳ,有 ( ,Y)=a ̄ciy+ , ( ), ai=xi—xi一1, x): 一1, +n J[)一 qi(x), D~f(xd.
定理2.3令.厂是 上的有界变差函数.若1< ≤2,则 dimB r(D_。f,I)=1,0<v≤Oz一1.
3线性分形插值函数的Riemann—Liouville分数阶导数 Riemann-Liouville分数阶导数的定义如F. 定义3.1【11]令f∈ 01).对于f“>0,£∈(0,1),称
。 ,(t)=。(。“一 ,( ))=F :d/o (t— )一“,( )dz (3.1)
为f的u阶Riemann—Liouville分数阶导数. 于是,我们有如下定理. 定理3.1令,是一个如前所定义的线性分形插值函数,则D“f是关于{ t( ), ( , )) 的线性分形插值函数,其中对于i=1,2,…,Ⅳ,^O 一 :0,
l--u x, ):0i1一“c Y+ ,1一 ( ), ai=xi—xi_1. 磊,1一 (z)= 一l,l一 +al一“ “ (z),
1一 =D“f(xi), ㈤=南 dx 旷“一(xi-1-t If( .
证由文[1]知 f(Li(x))=cif(z)+qi( ),i=1,2,…,N. (3.2) 对于X∈I和i=1,2,…,Ⅳ,有
( )= ( ㈤出 d(/o ~(xi-1-t + ’( ㈤d
+/ [(Li(x)一t)一“一(Xi一1一 )一“]f(t)dt) =Yi-1,1-u- ̄ ㈤+ ( ( ㈤d ) :.I 数学年刊 38卷A辑 由(3.2)知
I=Yi--ll-u q- )+ d(币 ( )一 s))~ ))n )
=Yi-l,l-u q-,{}l )+ d( [ Ms)十 s)]ds) 1,1一 + ,1一 ( )+n 1一“ciD f(x)+0ti一“D”qi(x) 1一 (X,D“.厂( )). 方面, 1一 (0, ,1一 ): ,1一 (0,0)=反,1一 (0)= 一1,l一 . 另一方面, 1一.“(1,^Ⅳ,l一 )=nt1一“ciD“f(1)+( 一1,1一 +^,1一 (1)+0i1一“D“qi(1)) D“f(Ld1))= ,1一 . 于是,由迭代函数系统{Li( ), ( , )) 得到线性分形插值函数D”f.
4线性分形插值函数的Box维数与Riemann—Liouville分数阶微 积分的阶之间的关系
研究分形函数和分形曲线的分数阶微积分是十分有意义的[7,12],尤其是研究分形函 数的分形维数与分数阶微积分的阶之间的关系[8-i0,13].所以我们讨论线性分形插值函数 的分形维数与Riemann—Liouville分数阶微积分的阶之间的关系. 如下定理说明线性分形插值函数的Box维数与Riemann—Liouville分数阶微积分的阶 之间成立着线性关系. Ⅳ 定理4.1令,是如前所定义的线性分形插值函数.设E lCil>1与dimBr(f, )=
1 J[)({n。,ct))成立,则对于任意V∈(0,J[)({0 ,c })一1),成立
dimsF(D~f,I)=dimsp(f,I)一V, 其中qi,1≤i≤N是l,上的有界变差函数. 证由定理2.1—2.3的讨论即得定理4.1的结论. 相应于线性分形插值函数的Riemann—Liouville分数阶导数的结论如下. Ⅳ 定理4.2令_厂是如前所定义的线性分形插值函数.设E}Cil>1与dimBr(f,,)=
=1 D(f。t,ci})成立,则对于任意 E(0,2一D({ai,c ))),成立
dimsr(D“f,I)=dimsP(f,I)+ , 其中dims r(D qi,I)=1,1≤i≤N. 证由定理2.1与定理3.1即知定理4.2的结论成立. 注4.1因为连续函数的Riemann-Liouville分数阶导数的Box维数可能会在文[1-2] 中变化,所以定理4.2中的条件dims r(D qi,I)=1是不能被去掉的. 1期 梁永顺 张琦 姚奎 分形插值函数的分数阶微积分的分形维数 121 5图像和数值结果
例5.1令N=2,X0=0,Xl=0.5,X2=1,Y0=0,Yl=1,Y2=0,C1=0.7,C2=0.8 则f是一个线性分形插值函数,且
dimBr(f,I)=1+log2 1.5=1.5850. 图1即为r(f, ).此时t厂的Box维数约为1.5688,记为dimNBr(f,I)=1.5688
图1 , 图2和图3表示,的0.1和0.2阶Riemann.Liouville分数阶积分.由Matlab程序 知dimⅣB r(D-0.1f,I)=1.4780和dimNB r(D--0.2f,I)=1.3877.
图2 D一。· , 图3 D一0· , 图4和图5表示,的0.3和0.4阶Riemann—Liouville分数阶积分.由Matlab程序 知dimNB r(D-0.3f,I)=1.3022和dimNB F(D--0.4f,I):1.2279.
图4 D一0·3, 图5 D一0·4, 图6和图7表示,的0.1和0.2阶Riemann-Liouville分数阶导数.由Matlab程序 知dimNB r(D。· ,,I)=1.6879和dimNB r(D。一f,I)=1.7912.