Система с множественными фрактальными размерностями
Мультифрактальная система представляет собой обобщение фрактальной системы, в которой для описания ее динамики недостаточно одного показателя ( фрактальной размерности ); вместо этого необходим непрерывный спектр показателей (так называемый спектр сингулярности ). [1]
Мультифрактальные системы распространены в природе. Они включают в себя длину береговых линий , горную топографию, [2] полностью развитую турбулентность , реальные сцены, динамику сердцебиения , [3] человеческую походку [4] и активность, [5] активность человеческого мозга , [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] и временные ряды естественной светимости. [13] Модели были предложены в различных контекстах, начиная от турбулентности в динамике жидкостей до интернет-трафика, финансов, моделирования изображений, синтеза текстур, метеорологии, геофизики и многого другого. [ необходима цитата ] Происхождение мультифрактальности в последовательных (временных рядах) данных было приписано математическим эффектам конвергенции, связанным с центральной предельной теоремой , которые имеют в качестве фокусов конвергенции семейство статистических распределений, известных как модели экспоненциальной дисперсии Твиди , [14] а также геометрические модели Твиди. [15] Первый эффект конвергенции приводит к образованию монофрактальных последовательностей, а второй эффект конвергенции отвечает за изменение фрактальной размерности монофрактальных последовательностей. [16]
Мультифрактальный анализ используется для исследования наборов данных, часто в сочетании с другими методами фрактального и лакунарного анализа. Метод подразумевает искажение наборов данных, извлеченных из шаблонов, для создания мультифрактальных спектров, которые иллюстрируют, как масштабирование изменяется в наборе данных. Мультифрактальный анализ использовался для расшифровки правил генерации и функциональности сложных сетей. [17] Методы мультифрактального анализа применялись в различных практических ситуациях, таких как прогнозирование землетрясений и интерпретация медицинских изображений. [18] [19] [20]
Определение
В мультифрактальной системе поведение вокруг любой точки описывается локальным степенным законом :
Экспонента называется экспонентой сингулярности, поскольку она описывает локальную степень сингулярности или регулярности вокруг точки . [21]
Ансамбль, образованный всеми точками, которые разделяют один и тот же показатель сингулярности, называется многообразием сингулярности показателя h и является фрактальным множеством фрактальной размерности спектра сингулярности. Кривая против называется спектром сингулярности и полностью описывает статистическое распределение переменной . [ необходима цитата ]
На практике мультифрактальное поведение физической системы напрямую не характеризуется ее спектром сингулярности . Скорее, анализ данных дает доступ к показателям мультимасштабирования . Действительно, мультифрактальные сигналы обычно подчиняются свойству масштабной инвариантности , которое дает степенное поведение для величин мультиразрешения в зависимости от их масштаба . В зависимости от изучаемого объекта эти величины мультиразрешения, обозначенные как , могут быть локальными средними в блоках размера , градиентами по расстоянию , вейвлет-коэффициентами в масштабе и т. д. Для мультифрактальных объектов обычно наблюдается глобальное степенное масштабирование в форме: [ необходима цитата ]
по крайней мере, в некотором диапазоне масштабов и для некоторого диапазона порядков . Когда наблюдается такое поведение, говорят о масштабной инвариантности, самоподобии или мультимасштабировании. [22]
Оценка
Используя так называемый мультифрактальный формализм , можно показать, что при некоторых хорошо подходящих предположениях существует соответствие между спектром сингулярности и показателями мультимасштабирования посредством преобразования Лежандра . В то время как определение требует некоторого исчерпывающего локального анализа данных, что привело бы к сложным и численно нестабильным вычислениям, оценка опирается на использование статистических средних и линейных регрессий в логарифмических диаграммах. Как только известны, можно вывести оценку благодаря простому преобразованию Лежандра. [ необходима цитата ]
Мультифрактальные системы часто моделируются стохастическими процессами, такими как мультипликативные каскады . Они статистически интерпретируются, поскольку характеризуют эволюцию распределений по мере перехода от больших к меньшим масштабам. Эта эволюция часто называется статистической прерывистостью и выдает отход от гауссовых моделей. [ необходима цитата ]
Моделирование в виде мультипликативного каскада также приводит к оценке мультифрактальных свойств. Робертс и Кронин 1996 Этот метод работает достаточно хорошо, даже для относительно небольших наборов данных. Максимально вероятное соответствие мультипликативного каскада набору данных не только оценивает полный спектр, но и дает разумные оценки ошибок. [23]ошибка harvnb: нет цели: CITEREFRobertsCronin1996 ( помощь )
Оценка мультифрактального масштабирования с помощью подсчета ячеек
Мультифрактальные спектры могут быть определены из подсчета ячеек на цифровых изображениях. Сначала выполняется сканирование подсчета ячеек, чтобы определить, как распределены пиксели; затем это «распределение масс» становится основой для серии вычислений. [24] [25] [26] Основная идея заключается в том, что для мультифракталов вероятность появления нескольких пикселей в ячейке изменяется как размер ячейки , в некоторой степени , которая изменяется по изображению, как в уравнении 0.0 ( Примечание : для монофракталов, напротив, показатель степени не меняется значимо по всему набору). вычисляется из распределения пикселей подсчета ячеек, как в уравнении 2.0 .
= произвольный масштаб ( размер ящика при подсчете ящиков), в котором рассматривается набор
= индекс для каждого ящика, наложенного на набор для
= количество пикселей или масса в любом поле, размером
= общее количество ячеек, содержащих более 0 пикселей, для каждого
используется для наблюдения за тем, как ведет себя распределение пикселей при искажении определенным образом, как в уравнении 3.0 и уравнении 3.1 :
= произвольный диапазон значений, используемых в качестве показателей для искажения набора данных
Когда , Ур.3.0 равно 1, обычной сумме всех вероятностей, а когда , каждый член равен 1, поэтому сумма равна количеству подсчитанных ящиков, .
Эти искажающие уравнения далее используются для определения того, как ведет себя множество при масштабировании, разрешении или разрезании на ряд частей размером и искажении Q, чтобы найти различные значения размерности множества, как показано ниже:
Важной особенностью уравнения 3.0 является то, что его можно также рассматривать как изменяющееся в зависимости от масштаба, возведенного в степень в уравнении 4.0 :
Таким образом, ряд значений для может быть найден из наклонов линии регрессии для логарифма ур.3.0 в зависимости от логарифма для каждого , на основе ур.4.1 :
Для обобщенного измерения:
оценивается как наклон линии регрессии для log A ,Q в зависимости от log , где:
Тогда находится из уравнения 5.3 .
Среднее значение оценивается как наклон линии регрессии в двойном логарифмическом масштабе для , где:
На практике распределение вероятностей зависит от того, как осуществляется выборка набора данных, поэтому были разработаны алгоритмы оптимизации, обеспечивающие адекватную выборку. [24]
Приложения
Мультифрактальный анализ успешно применяется во многих областях, включая физические, [27] [28] информационные и биологические науки. [29] Например, количественная оценка остаточных трещин на поверхности железобетонных стен сдвига. [30]
Анализ искажения набора данных
Мультифрактальный анализ использовался в нескольких научных областях для характеристики различных типов наборов данных. [31] [5] [8] По сути, мультифрактальный анализ применяет искажающий фактор к наборам данных, извлеченным из шаблонов, чтобы сравнить, как данные ведут себя при каждом искажении. Это делается с помощью графиков, известных как мультифрактальные спектры , аналогично просмотру набора данных через «искажающую линзу», как показано на иллюстрации. [24] На практике используются несколько типов мультифрактальных спектров.
ДВпротив Q
Одним из практических мультифрактальных спектров является график D Q против Q, где D Q — обобщенная размерность для набора данных, а Q — произвольный набор показателей. Выражение обобщенная размерность , таким образом, относится к набору размерностей для набора данных (подробные вычисления для определения обобщенной размерности с использованием подсчета ящиков описаны ниже).
Размерный порядок
Общий рисунок графика D Q против Q можно использовать для оценки масштабирования в рисунке. График, как правило, убывающий, сигмоидальный около Q=0, где D (Q=0) ≥ D (Q=1) ≥ D (Q=2) . Как показано на рисунке, изменение в этом графическом спектре может помочь различать рисунки. Изображение показывает спектры D (Q) из мультифрактального анализа бинарных изображений не-, моно- и мультифрактальных наборов. Как и в случае с изображениями образцов, не- и монофракталы, как правило, имеют более плоские спектры D (Q) , чем мультифракталы.
Обобщенное измерение также дает важную конкретную информацию. D (Q=0) равно измерению емкости , которое — в анализе, показанном на рисунках здесь — является измерением подсчета ящиков . D (Q=1) равно измерению информации , а D (Q=2) — измерению корреляции . Это относится к «мульти» в мультифрактале, где мультифракталы имеют несколько измерений в спектрах D (Q) по сравнению с Q, но монофракталы остаются довольно плоскими в этой области. [24] [25]
f(α) против α
Другим полезным мультифрактальным спектром является график против (см. расчеты). Эти графики обычно поднимаются до максимума, который приближается к фрактальной размерности при Q=0, а затем падают. Как и спектры D Q против Q, они также показывают типичные закономерности, полезные для сравнения не-, моно- и мультифрактальных закономерностей. В частности, для этих спектров не- и монофракталы сходятся на определенных значениях, тогда как спектры мультифрактальных закономерностей обычно образуют горбы на более широкой области.
Обобщенные измерения распределения численности видов в пространстве
Одно из применений D q против Q в экологии — характеристика распределения видов. Традиционно относительное обилие видов рассчитывается для области без учета местонахождения особей. Эквивалентным представлением относительного обилия видов являются ранги видов, используемые для создания поверхности, называемой поверхностью ранга видов, [32] которую можно проанализировать с использованием обобщенных измерений для обнаружения различных экологических механизмов, подобных тем, которые наблюдаются в нейтральной теории биоразнообразия , динамике метасообщества или теории ниш . [32] [33]
Смотрите также
Кривая де Рама – Непрерывная фрактальная кривая, полученная как изображение пространства Кантора
Взвешенная плоская стохастическая решетка – математическая структура, разделяющая некоторые свойства как решеток, так и графов.Страницы, отображающие описания викиданных в качестве резерва
Ссылки
^ Харт, Дэвид (2001). Мультифракталы . Лондон: Chapman & Hall. ISBN 978-1-58488-154-4.
^ Gerges, Firas; Geng, Xiaolong; Nassif, Hani; Boufadel, Michel C. (2021). «Анизотропное мультифрактальное масштабирование топографии горы Ливан: приближенное обусловливание». Fractals . 29 (5): 2150112–2153322. Bibcode :2021Fract..2950112G. doi :10.1142/S0218348X21501127. ISSN 0218-348X. S2CID 234272453.
^ Иванов, Пламен Ч.; Амарал, Луис А. Нунес; Голдбергер, Ари Л.; Хавлин, Шломо; Розенблюм, Майкл Г.; Струзик, Збигнев Р.; Стэнли, Х. Юджин (1999-06-03). «Мультифрактальность в динамике сердцебиения человека». Nature . 399 (6735): 461–465. arXiv : cond-mat/9905329 . Bibcode :1999Natur.399..461I. doi :10.1038/20924. ISSN 0028-0836. PMID 10365957. S2CID 956569.
^ Scafetta, Nicola; Marchi, Damiano; West, Bruce J. (июнь 2009 г.). «Понимание сложности динамики человеческой походки». Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science . 19 (2): 026108. Bibcode : 2009Chaos..19b6108S. doi : 10.1063/1.3143035. ISSN 1054-1500. PMID 19566268.
^ аб Франса, Лукас Габриэль Соуза; Монтойя, Педро; Миранда, Хосе Гарсия Вивас (2019). «О мультифракталах: нелинейное исследование данных актиграфии». Физика А: Статистическая механика и ее приложения . 514 : 612–619. arXiv : 1702.03912 . Бибкод : 2019PhyA..514..612F. doi :10.1016/j.physa.2018.09.122. ISSN 0378-4371. S2CID 18259316.
^ Папо, Дэвид; Гони, Хоакин; Булду, Хавьер М. (2017). «Редакционная статья: О связи динамики и структуры в мозговых сетях». Хаос: междисциплинарный журнал нелинейной науки . 27 (4): 047201. Bibcode : 2017Chaos..27d7201P. doi : 10.1063/1.4981391. ISSN 1054-1500. PMID 28456177.
^ Ciuciu, Philippe; Varoquaux, Gaël; Abry, Patrice; Sadaghiani, Sepideh; Kleinschmidt, Andreas (2012). «Не зависящие от масштаба и мультифрактальные свойства сигналов фМРТ во время отдыха и выполнения задач». Frontiers in Physiology . 3 : 186. doi : 10.3389/fphys.2012.00186 . ISSN 1664-042X. PMC 3375626. PMID 22715328 .
^ ab França, Lucas G. Souza; Miranda, José G. Vivas; Leite, Marco; Sharma, Niraj K.; Walker, Matthew C.; Lemieux, Louis; Wang, Yujiang (2018). «Фрактальные и мультифрактальные свойства электрографических записей активности человеческого мозга: к их использованию в качестве сигнального признака для машинного обучения в клинических приложениях». Frontiers in Physiology . 9 : 1767. arXiv : 1806.03889 . Bibcode : 2018arXiv180603889F. doi : 10.3389/fphys.2018.01767 . ISSN 1664-042X. PMC 6295567. PMID 30618789 .
^ Ihlen, Espen AF; Vereijken, Beatrix (2010). «Динамика взаимодействия в человеческом познании: за пределами флуктуации 1/ƒα». Журнал экспериментальной психологии: Общие сведения . 139 (3): 436–463. doi :10.1037/a0019098. ISSN 1939-2222. PMID 20677894.
^ Чжан, Яньли; Чжоу, Вэйдун; Юань, Шаша (2015). «Мультифрактальный анализ и автоматическое обнаружение приступов на основе векторной машины релевантности при внутричерепной ЭЭГ». Международный журнал нейронных систем . 25 (6): 1550020. doi :10.1142/s0129065715500203. ISSN 0129-0657. PMID 25986754.
^ Зорик, Тодд; Манделькерн, Марк А. (2013-07-03). "Мультифрактальный детрендированный флуктуационный анализ человеческой ЭЭГ: предварительное исследование и сравнение с методом вейвлет-преобразования модуля максимума". PLOS ONE . 8 (7): e68360. Bibcode :2013PLoSO...868360Z. doi : 10.1371/journal.pone.0068360 . ISSN 1932-6203. PMC 3700954 . PMID 23844189.
^ Гастон, Кевин Дж.; Ричард Ингер; Бенни, Джонатан; Дэвис, Томас У. (2013-04-24). «Искусственный свет изменяет естественные режимы яркости ночного неба». Scientific Reports . 3 : 1722. Bibcode :2013NatSR...3E1722D. doi :10.1038/srep01722. ISSN 2045-2322. PMC 3634108 .
^ Кендал, WS; Йоргенсен, BR (2011). «Сходимость Твиди: математическая основа степенного закона Тейлора, шума 1/f и мультифрактальности». Phys. Rev. E. 84 ( 6 Pt 2): 066120. Bibcode : 2011PhRvE..84f6120K. doi : 10.1103/physreve.84.066120. PMID 22304168.
^ Сяо, Сюнге; Чэнь, Ханьлун; Богдан, Пол (25 ноября 2021 г.). «Расшифровка правил генерации и функциональности сложных сетей». Scientific Reports . 11 (1): 22964. Bibcode :2021NatSR..1122964X. doi :10.1038/s41598-021-02203-4. PMC 8616909 . PMID 34824290. S2CID 244660272.
^ Лопес, Р.; Бетруни, Н. (2009). «Фрактальный и мультифрактальный анализ: обзор». Анализ медицинских изображений . 13 (4): 634–649. doi :10.1016/j.media.2009.05.003. PMID 19535282.
^ Atupelage, C.; Nagahashi, H.; Yamaguchi, M.; Sakamoto, M.; Hashiguchi, A. (2012). «Мультифрактальный дескриптор признаков для гистопатологии». Analytical Cellular Pathology . 35 (2): 123–126. doi : 10.1155/2012/912956 . PMC 4605731. PMID 22101185 .
^ Фальконер, Кеннет Дж. (2014). "17. Мультифрактальные меры". Фрактальная геометрия: математические основы и приложения (3-е изд., 1-е изд.). Чичестер: Wiley. ISBN978-1-119-94239-9.
^ AJ Roberts и A. Cronin (1996). «Непредвзятая оценка мультифрактальных размерностей конечных наборов данных». Physica A. 233 ( 3): 867–878. arXiv : chao-dyn/9601019 . Bibcode : 1996PhyA..233..867R. doi : 10.1016/S0378-4371(96)00165-3. S2CID 14388392.
^ Робертс, А. Дж. (7 августа 2014 г.). «Мультифрактальная оценка — максимальное правдоподобие». Университет Аделаиды . Получено 4 июня 2019 г.
^ abcd Karperien, A (2002), Что такое мультифракталы?, ImageJ, заархивировано из оригинала 20.10.2011 , извлечено 10.02.2012
^ ab Chhabra, A.; Jensen, R. (1989). "Прямое определение спектра сингулярности f(α)". Physical Review Letters . 62 (12): 1327–1330. Bibcode :1989PhRvL..62.1327C. doi :10.1103/PhysRevLett.62.1327. PMID 10039645.
^ Посадас, И. А.; Хименес, Д.; Биттелли, М.; Ваз, К. М. П.; Флюри, М. (2001). «Мультифрактальная характеристика распределения размеров частиц в почве». Журнал Американского общества почвоведения . 65 (5): 1361. Bibcode : 2001SSASJ..65.1361P. doi : 10.2136/sssaj2001.6551361x.
^ Амин, Кази Рафсанджани; Рэй, Самриддхи Санкар; Пал, Наирита; Пандит, Рахул; Бид, Aveek (22 февраля 2018 г.). «Экзотические мультифрактальные флуктуации проводимости в графене». Физика связи . 1 (1): 1–7. arXiv : 1804.04454 . Бибкод : 2018CmPhy...1....1A. дои : 10.1038/s42005-017-0001-4 . ISSN 2399-3650. S2CID 55555526.
^ Лопес, Р.; Бетруни, Н. (2009). «Фрактальный и мультифрактальный анализ: обзор». Анализ медицинских изображений . 13 (4): 634–649. doi :10.1016/j.media.2009.05.003. PMID 19535282.
^ Эбрахимханлу, Арвин; Фархидзаде, Алиреза; Саламоне, Сальваторе (2016-01-01). «Мультифрактальный анализ структур трещин в железобетонных стенах сдвига». Structural Health Monitoring . 15 (1): 81–92. doi : 10.1177/1475921715624502 . ISSN 1475-9217. S2CID 111619405.
^ Trevino, J.; Liew, SF; Noh, H.; Cao, H.; Dal Negro, L. (2012). «Геометрическая структура, мультифрактальные спектры и локализованные оптические моды апериодических спиралей Фогеля». Optics Express . 20 (3): 3015–33. Bibcode : 2012OExpr..20.3015T. doi : 10.1364/OE.20.003015 . PMID 22330539.
^ ab Saravia, Leonardo A. (2015-08-01). «Новый метод анализа численности видов в пространстве с использованием обобщенных измерений». Методы в экологии и эволюции . 6 (11): 1298–1310. Bibcode :2015MEcEv...6.1298S. doi : 10.1111/2041-210X.12417 . ISSN 2041-210X.
^ Саравия, Леонардо А. (2014-01-01). "mfSBA: Мультифрактальный анализ пространственных закономерностей в экологических сообществах". F1000Research . 3 : 14. doi : 10.12688/f1000research.3-14.v2 . PMC 4197745 . PMID 25324962.
Дальнейшее чтение
Фальконер, Кеннет Дж. (2014). "17. Мультифрактальные меры". Фрактальная геометрия: математические основы и приложения (3-е изд., 1-е изд.). Чичестер: Wiley. ISBN 978-1-119-94239-9.
Barabási, A.- L.; Stanley, HE, ред. (1995), "Мультиаффинные поверхности", Fractal Concepts in Surface Growth , Кембридж: Cambridge University Press, стр. 262–268, doi :10.1017/CBO9780511599798.026, ISBN 978-0-521-48318-6, получено 2024-06-05
G, Evertsz CJ; Mandelbrot, Benoît B. (1992). "Мультифрактальные меры" (PDF) . Хаос и фракталы Новые рубежи науки : 922–953. Архивировано из оригинала (PDF) 2023-07-13.
Мандельброт, Бенуа Б. (1997). Фракталы и масштабирование в финансах: разрывность, концентрация, риск . Selecta. Нью-Йорк, Нью-Йорк Берлин Гейдельберг: Springer. ISBN 978-0-387-98363-9.
Харт, Дэвид (2001-06-26). Мультифракталы. Chapman and Hall/CRC. doi :10.1201/9781420036008. ISBN 978-0-429-12366-5.
Stanley HE, Meakin P. (1988). "Мультифрактальные явления в физике и химии" (Обзор) . Nature . 335 (6189): 405–9. Bibcode : 1988Natur.335..405S. doi : 10.1038/335405a0. S2CID 4318433.
Arneodo, Alain; Audit, Benjamin; Kestener, Pierre; Roux, Stephane (2008). "Мультифрактальный анализ на основе вейвлетов". Scholarpedia . 3 (3): 4103. Bibcode :2008SchpJ...3.4103A. doi : 10.4249/scholarpedia.4103 . ISSN 1941-6016.
Внешние ссылки
Венециано, Даниэле; Эссиам, Альберт К. (1 июня 2003 г.). «Поток через пористые среды с мультифрактальной гидравлической проводимостью». Water Resources Research . 39 (6): 1166. Bibcode : 2003WRR....39.1166V. doi : 10.1029/2001WR001018 . ISSN 1944-7973.