フラクタルとは?拡大しても細部が現れる形と、「端数の次元」の考え方

フラクタルは、細かな尺度まで複雑な構造が続く図形や集合を捉える考え方です。自己相似や、整数ではない次元がよく登場します。ただし、自然の模様がすべて無限に同じ形を繰り返す、という意味ではありません。

読み:ふらくたる / 英語・関連表記:fractal self similarity 自己相似

コッホ曲線を、短い規則で作る

一本の線分を三等分し、真ん中を正三角形の山の二辺へ置き換えます。これで、元の長さの1/3の線分が4本になります。同じ操作を各線分へ繰り返すと、コッホ曲線の段階的な図ができます。

一段ごとに全長は4/3倍になります。一方、細部を構成する線分は短くなります。有限回だけ描いた画面の折れ線と、操作を無限に続けた数学的な極限は、区別して考える必要があります。

次元は、座標の本数だけではない

相似な小部分N個で全体を構成し、各部分の縮尺が1/rなら、相似次元をlogN/logrで考えられる場合があります。コッホ曲線ならlog4/log3で、約1.26です。

この1.26は、時間を含む「1.26個の方向」があるという話ではありません。拡大率に対して、細部の数がどう増えるかという尺度です。平面の中へ描ける図でも、図形の複雑さを別の次元で測れます。

同じ置き換え規則で、細部を作るコッホ曲線の最初の三段階です。各線分の中央の三分の一を山形に置き換えます。無限回続けた数学的な図形と、有限の画面で描いた途中の図は区別します。段階 0段階 1段階 2
コッホ曲線の最初の三段階です。各線分の中央の三分の一を山形に置き換えます。無限回続けた数学的な図形と、有限の画面で描いた途中の図は区別します。(当サイト作成の模式図)

自然では、似方にも範囲がある

海岸線や枝分かれなどは、尺度を変えると似た特徴が見える例として紹介されます。しかし自然の形には原子の大きさなどの限界があり、あらゆる倍率で厳密に同じ形が続くわけではありません。

測定では、箱の大きさを変えて、図形を覆う箱の数を調べる方法などがあります。狭い範囲の測定だけで直線が見えたからといって、全尺度でフラクタルだと断定しないようにします。

フラクタルとカオスは、何が違う?

フラクタルは主に幾何や尺度の構造、カオスは主に時間変化の性質を捉えます。静止した図形にもフラクタルはありますし、複雑な図を眺めただけで、背後の時間変化がカオスと分かるわけでもありません。

ストレンジアトラクターでは、二つの話が出会います。図形としてどんな細部を持つかと、状態がどう動くかを別々に質問すると、格好いい言葉同士を混同せず楽しめます。

フラクタルとカオスの違い

観点フラクタルカオス
主な問い拡大した形や尺度の性質時間とともに状態がどう変わるか
例コッホ曲線の細部初期値の差が成長する運動
関係カオスのアトラクターに現れる場合があるすべての複雑な模様と同義ではない

フラクタル模様を見つけただけで、その対象の時間変化がカオスだと結論することはできません。形と運動のどちらを調べたかを分けます。

参考資料