globals [ ;Declaração das variáveis globais. tempo ;Permite saber o tempo de cálculo. porta ;O valor lógico desta variável determina se o programa é ou não abortado. NP ;Número de células pintadas para cada partição. NPOLD NPOLD2 lado ladoOLD ladoOLD2 verde ; azul ;;Nomear duas cores que tal como o "black" não podem fazer parte dos objectos a calcular a dimensão. ] ;;;O verde será a cor dos diversos quadrados que aproximam o objecto. O azul é a cor dos patches restantes. patches-own [ pintado ] ;Variável dos patches. Se os patches representados pertencerem ao objecto que se pretende calcular a dimensão ;;os patches representantes (em cada partição) têm pintado diferente de zero, caso contrário têm pintado igual a ;;;zero tal como todos os patches não representantes. to apagar clear-all end to desenhar ;para remover esta função e o botão if mouse-down? [ set pcolor-of patch-at mouse-xcor mouse-ycor green ask patches-from patches with[pcolor = green] [patches in-radius-nowrap raio] [set pcolor red] ] end to calculadimensao ;Esta função é executada quando se pressiona Calcula Dimensão. locals [ n ;Variável auxiliar que indica o número de pontos que se pretende desenhar no gráfico. rx ry ;Variáveis auxiliares que tomam os valores das coordenadas dos patches representantes. ] reset-timer ;Inicializa o contador interno da linguagen a zero e começa a contar o tempo. set NPOLD 0 set ladoOLD 0 set verde (green + 0.1); set azul (blue + 0.1) ;;definição das novas cores set porta true ;Fica com este valor lógico até indicação contrária do utilizador, aí o programa aborta. inicializa-grafico set lado 256 while [ lado >= 1 ] [ ask patches [ set pintado 0 ] ;A cada nova partição é necessário "limpar" todos os representantes, ;;pois eles são diferentes de particão para partição. ask patches [ representantes ];Cada patch calcula o seu representante. Se o patch pertence ao objecto para o qual se pretende saber ;;a dimensãoentão incrementa a variável pintado do seu representante de uma unidade. if ver-particao ;Permite ao utilizador ver as sucessivas partições da janela e a aproximação (por quadrados) do objecto. [ ask patches [ set rx lado * int ((pxcor + screen-edge-x) / lado) - screen-edge-x ; set ry lado * int ((pycor + screen-edge-y) / lado) - screen-edge-y ;;Como cada patch calcula o seu representante. ifelse (pintado-of patch rx ry != 0) ;Se o representante está "pintado" então os representados fazem parte da [ ;;aproximação e devem colorir-se de verde. if pcolor = black or pcolor = azul [ set pcolor verde ] ] [ set pcolor azul ];Caso o representante não esteja pintado então o patch sabe que não faz parte da aproximação, ] ;;fica azul. ] set NPOLD2 NPOLD set ladoOLD2 ladoOLD set NPOLD NP set ladoOLD lado set NP 0 ;O número de células com pintado != 0 é inicializado a zero em cada novo valor do lado ask patches [ ;Contar o número de patches com pintado != 0, isto é, o número de representantes "pintados". if pintado > 0 [ set NP NP + 1 ] ] desenha-ponto ;Desenha um novo ponto no gráfico. ;set lado (lado - passo) ;Actualizar o lado. set lado lado / 2 if not porta ;Caso o utilizador tenha pressionado Parar, o programa acaba aqui. [ set tempo timer stop ] ] ;set lado (lado + passo) set lado lado * 2 set ladoOLD ladoOLD * 2 set ladoOLD2 ladoOLD2 * 2 tangente ;Traça a recta que passa no ponto (0.0) e no ponto do gráfico que corresponde ao menor valor de lado usado. ;;Calcula a dimensão fractal com base do declive na recta anterior. set tempo timer ;Dá o tempo de cálculo. end to inicializa-grafico ;Desenha duas rectas de enquadramento set-current-plot "Dimensao" set-current-plot-pen "dimensao 1" auto-plot-off plotxy 0 0 plotxy 10 10 set-current-plot-pen "dimensao 2" plotxy 0 0 plotxy 10 20 auto-plot-on end to representantes locals [ rx ry ] set rx lado * int ((pxcor + screen-edge-x) / lado) - screen-edge-x; set ry lado * int ((pycor + screen-edge-y) / lado) - screen-edge-y;;Como cada patch calcula as coordenadas do seu representante. if pcolor != black and pcolor != azul and pcolor != verde ;Se o patch respectivo pertence ao objecto então incrementa a variável [ set (pintado-of patch rx ry) (pintado-of patch rx ry) + 1 ] ;;pintado do seu represntante de uma unidade. end to desenha-ponto ;Desenha um ponto no gráfico com os valores que variáveis globais (NP e lado) tenham no momento em que é chamada. set-current-plot "Dimensao" set-current-plot-pen "pontos" if NP = 0 [ user-message "Não desenhou nada!" stop ] if NP != 1 ;Toma-se como unidade de comprimento a largura da janela. [ plotxy (ln (screen-size-x / lado)) (ln NP) ] end ;Traça a recta que passa no ponto (0.0) e no ponto do gráfico que corresponde ao menor valor de lado usado. to tangente ;;Calcula a dimensão fractal com base do declive na recta anterior. locals [ dec const ] set-current-plot "Dimensao" set-current-plot-pen "tangente" auto-plot-off set dec ( ln NPOLD - ln NPOLD2 ) / ( ln (screen-size-x / ladoOLD) - ln (screen-size-x / ladoOLD2) ) set const ( ln NPOLD - dec * ln (screen-size-x / ladoOLD) ) ppu plotxy 0 const ppd plotxy (10 * ln (screen-size-x / ladoOLD)) (10 * (ln (screen-size-x / ladoOLD)) * dec + const) auto-plot-on show "Dimensão fractal: " + (dec) end to parar set porta false end to importarmundo locals [nomeficheiro ax ay sx sy tx ty] file-open user-choose-file set sx file-read set sy file-read show "sx: "+ sx +" sy: "+ sy set ay (- screen-edge-y) repeat sy [ set ax (- screen-edge-x) repeat sx [ if file-at-end? [ user-message "erro na leitura, ficheiro pequeno demais" ] ask patch ax ay [ set pcolor file-read ] set ax ax + 1 ] set ay ay + 1 ] file-close end ; Versão ICES Copyright 2004, Centro de Física Teórica e Computacional @#$#@#$#@ GRAPHICS-WINDOW 432 10 955 554 256 256 1.0 1 10 1 1 1 CC-WINDOW 14 476 383 589 Command Center BUTTON 194 98 343 131 Apagar apagar NIL 1 T OBSERVER T BUTTON 432 559 530 592 Desenhar desenhar T 1 T OBSERVER T MONITOR 13 419 188 468 Células Ocupadas NP 3 1 PLOT 13 139 383 411 Dimensao Ln(1/L) Ln(N) 0.0 7.0 0.0 11.0 true true PENS "dimensao 1" 1.0 0 -16776961 true "dimensao 2" 1.0 0 -65281 true "pontos" 1.0 2 -16777216 true "tangente" 1.0 0 -8716033 true SLIDER 538 559 710 592 raio raio 0 20 16 1 1 NIL BUTTON 194 57 343 90 Parar Cálculo parar NIL 1 T OBSERVER T MONITOR 211 419 383 468 Tempo de Cálculo (min) tempo / 60 3 1 BUTTON 194 14 343 47 Calcula Dimensão calculadimensao NIL 1 T OBSERVER T SWITCH 36 14 184 47 ver-particao ver-particao 1 1 -1000 BUTTON 37 97 185 130 Importar Mundo importarmundo NIL 1 T OBSERVER T @#$#@#$#@ INTRODUÇÃO ---------- Nem comprimento nem área servem para medir o tamanho dos objectos fractais. Por exemplo, todos os fractais geométricos que construímos com o primeiro programa deste módulo têm comprimento infinito e área zero. São "mais" do que linhas, e "menos" do que superfícies. O conceito de dimensão fractal dá uma resposta ao problema de medir o tamanho destes objectos. Para os objectos geométricos ‘clássicos’ existe uma relação simples entre a dimensão, o número de blocos necessário para os recobrir, e o tamanho dos blocos. No caso de segmentos de recta, quadrados, ou cubos, conforme estejamos em dimensão um, dois ou três, essa relação é Nn = (1/ Ln)^d, onde Nn é o número de quadrados de lado Ln do recobrimento e d a dimensão. È fácil comprovar este resultado. Por exemplo, um quadrado de lado 1 é recoberto por 4 quadrados de lado 1/2, 16 quadrados de lado 1/4, ... A equação anterior pode ser rescrita na forma d = log Nn /log (1/Ln) que põe em evidência a simplicidade desta lei. É uma lei de potência, portanto a dependência do logaritmo do número de blocos no logaritmo do inverso do tamanho destes é linear. Num gráfico log-log, esta relação traduz-se por uma recta, e o declive dessa recta é a dimensão, d. Para objectos de formas mais complicadas, a equação anterior pode não se verificar. No entanto, a relação de proporcionalidade d ~ log Nn /log (1/Ln) (1) é recuperada assimptoticamente à medida que o recobrimento se toma mais fino. Isto motiva tomar a relação (1), no limite Ln->0, como uma definição alternativa de dimensão, chamada dimensão de contagem de blocos, por razões óbvias. A dimensão definida desta maneira coincidirá com a dimensão habitual para os objectos da geometria tradicional, e é em geral não inteira para os objectos fractais. É uma das definições posíveis de dimensão fractal, e é nela que se baseia o cálculo que este programa executa. O cálculo da dimensão de contagem de blocos para a ilha de Koch dá d = log 4/ log 3 ~ 1.26 . A curva de Koch tem dimensão fractal não inteira, maior que a de uma linha, e menor que a de uma superfície. O mesmo cálculo para a árvore de Sierpinski dá d = log 3/ log 2 ~ 1.58, e para o quadrado de Sierpinsky d = log 8/ log 3 ~ 1.89. Não é difícil verificar que, em geral, para fractais construídos recursivamente como nestes exemplos a partir de c cópias de si próprios rescaladas por um factor 1/f, se terá d = log c/ log f. Note que a dimensão de contagem de blocos é um limite, e que um fractal 'autêntico' tem estrutura não trivial em todas as escalas, enquanto que nos objectos com que trabalhamos aqui o detalhe está limitado pela resolução da figura. Pela mesma razão, não faz sentido construir recobrimentos mais finos do que o tamanho de um pixel. UTILIZAÇÃO ---------- Este programa usa o algoritmo da dimensão de contagem de blocos para obter valores aproximados para a dimensão fractal das figuras representadas na janela gráfica. Essas figuras podem ser desenhadas 'à mão' neste programa, premindo o botão "DESENHAR" e 'clickando' ou arrastando o rato na janela gráfica para aí criar uma imagem. Também podem ser importadas de outros programas, premindo o botão "IMPORTAR MUNDO" para carregar na janela gráfica ficheiros previamente criados. Como viu, a ideia para o cálculo da dimensão de contagem de blocos de uma imagem é muito simples. Basta dividir a janela gráfica em quadrados cada vez mais pequenos e ir contando quantos desses quadrados possuem pelo menos um patch que faça parte da imagem. O programa executa essa operação com o botão "CALCULA DIMENSÃO", e vai representando num gráfico log Nn em função de log (1/Ln). À medida que a partição se torna mais fina, esses pontos aproximam-se de uma recta cujo declive é um valor aproximado da dimensão fractal. Esse valor é apresentado na janela de comandos no fim do cálculo. A opção "VER-PARTIÇÃO" permite ao utilizador ver como é que a imagem está a ser coberta pelos quadrados da partição. Os quadrados que ficam a verde fazem parte da aproximação ao objecto, os outros quadrados da partição ficam azuis. O monitor "Células Ocupadas" dá a indicação do número de quadrados verdes em cada partição. OBSERVAÇÕES E QUESTÕES ---------------------- 1. Use o botão "DESENHAR" para criar imagens na janela gráfica e calcule a dimensão de contagem de blocos destas imagens. Procure desenhar áreas e linhas regulares, e conjuntos de pontos, e analise os resultados. Em particular, procure explicar o comportamento dos pontos que se obtêm à medida que a partição se torna mais fina. 2. Calcule a dimensão de contagem de blocos dos fractais gerados pelo programa Fractais Geométricos, e compare com os valores exactos. 3. Calcule a dimensão de alguns dos fractais gerados pelo programa Atractores Estranhos, incluindo o atractor de Hénon (d ~ 1.26). 4. Calcule a dimensão da fronteira da região percorrida por uma tartaruga no programa Marcha Aleatória (d ~ 4/3). 5. Repare que em todos os cálculos que efectuou, o programa ajusta a recta aos penúltimo e antepenúltimo pontos, em vez de aos dois últimos. Esta escolha altera de maneira sistemática a estimativa da dimensão ? Parece-lhe razoável desprezar o ponto que corresponde à partição mais fina ? 6. No módulo 1, no programa Infiltração de Óleos em Solos Porosos, para a porosidade correspondente à transição de percolação o solo contaminado forma um agregado fractal. Calcule a sua dimensão fractal (não se esqueça de alterar as cores convenientemente, assim como o tamanho e propriedades da janela gráfica, e use as funções "export world" e "import world" que o programa disponibiliza em 'file' ). VARIANTES E EXTENSÕES --------------------- Adapte o progrma de maneira permitir fazer o refinamento da partição de maneira aritmética, em vez de geométrica. Use esta variante para explorar com mais pontos a região das partições finas que serviu de base à estimativa da dimensão fractal nos exemplos que calculou antes. Adapte o programa por forma a permitir outro tipo de recobrimentos, por exemplo por discos em vez de quadrados, e compare os resultados obtidos. @#$#@#$#@ default true 0 Polygon -7566196 true true 150 5 40 250 150 205 260 250 ant true 0 Polygon -7566196 true true 136 61 129 46 144 30 119 45 124 60 114 82 97 37 132 10 93 36 111 84 127 105 172 105 189 84 208 35 171 11 202 35 204 37 186 82 177 60 180 44 159 32 170 44 165 60 Polygon -7566196 true true 150 95 135 103 139 117 125 149 137 180 135 196 150 204 166 195 161 180 174 150 158 116 164 102 Polygon -7566196 true true 149 186 128 197 114 232 134 270 149 282 166 270 185 232 171 195 149 186 149 186 Polygon -7566196 true true 225 66 230 107 159 122 161 127 234 111 236 106 Polygon -7566196 true true 78 58 99 116 139 123 137 128 95 119 Polygon -7566196 true true 48 103 90 147 129 147 130 151 86 151 Polygon -7566196 true true 65 224 92 171 134 160 135 164 95 175 Polygon -7566196 true true 235 222 210 170 163 162 161 166 208 174 Polygon -7566196 true true 249 107 211 147 168 147 168 150 213 150 arrow true 0 Polygon -7566196 true true 150 0 0 150 105 150 105 293 195 293 195 150 300 150 bee true 0 Polygon -256 true false 152 149 77 163 67 195 67 211 74 234 85 252 100 264 116 276 134 286 151 300 167 285 182 278 206 260 220 242 226 218 226 195 222 166 Polygon -16777216 true false 150 149 128 151 114 151 98 145 80 122 80 103 81 83 95 67 117 58 141 54 151 53 177 55 195 66 207 82 211 94 211 116 204 139 189 149 171 152 Polygon -7566196 true true 151 54 119 59 96 60 81 50 78 39 87 25 103 18 115 23 121 13 150 1 180 14 189 23 197 17 210 19 222 30 222 44 212 57 192 58 Polygon -16777216 true false 70 185 74 171 223 172 224 186 Polygon -16777216 true false 67 211 71 226 224 226 225 211 67 211 Polygon -16777216 true false 91 257 106 269 195 269 211 255 Line -1 false 144 100 70 87 Line -1 false 70 87 45 87 Line -1 false 45 86 26 97 Line -1 false 26 96 22 115 Line -1 false 22 115 25 130 Line -1 false 26 131 37 141 Line -1 false 37 141 55 144 Line -1 false 55 143 143 101 Line -1 false 141 100 227 138 Line -1 false 227 138 241 137 Line -1 false 241 137 249 129 Line -1 false 249 129 254 110 Line -1 false 253 108 248 97 Line -1 false 249 95 235 82 Line -1 false 235 82 144 100 bird1 false 0 Polygon -7566196 true true 2 6 2 39 270 298 297 298 299 271 187 160 279 75 276 22 100 67 31 0 bird2 false 0 Polygon -7566196 true true 2 4 33 4 298 270 298 298 272 298 155 184 117 289 61 295 61 105 0 43 boat1 false 0 Polygon -1 true false 63 162 90 207 223 207 290 162 Rectangle -6524078 true false 150 32 157 162 Polygon -16776961 true false 150 34 131 49 145 47 147 48 149 49 Polygon -7566196 true true 158 33 230 157 182 150 169 151 157 156 Polygon -7566196 true true 149 55 88 143 103 139 111 136 117 139 126 145 130 147 139 147 146 146 149 55 boat2 false 0 Polygon -1 true false 63 162 90 207 223 207 290 162 Rectangle -6524078 true false 150 32 157 162 Polygon -16776961 true false 150 34 131 49 145 47 147 48 149 49 Polygon -7566196 true true 157 54 175 79 174 96 185 102 178 112 194 124 196 131 190 139 192 146 211 151 216 154 157 154 Polygon -7566196 true true 150 74 146 91 139 99 143 114 141 123 137 126 131 129 132 139 142 136 126 142 119 147 148 147 boat3 false 0 Polygon -1 true false 63 162 90 207 223 207 290 162 Rectangle -6524078 true false 150 32 157 162 Polygon -16776961 true false 150 34 131 49 145 47 147 48 149 49 Polygon -7566196 true true 158 37 172 45 188 59 202 79 217 109 220 130 218 147 204 156 158 156 161 142 170 123 170 102 169 88 165 62 Polygon -7566196 true true 149 66 142 78 139 96 141 111 146 139 148 147 110 147 113 131 118 106 126 71 box true 0 Polygon -7566196 true true 45 255 255 255 255 45 45 45 butterfly1 true 0 Polygon -16777216 true false 151 76 138 91 138 284 150 296 162 286 162 91 Polygon -7566196 true true 164 106 184 79 205 61 236 48 259 53 279 86 287 119 289 158 278 177 256 182 164 181 Polygon -7566196 true true 136 110 119 82 110 71 85 61 59 48 36 56 17 88 6 115 2 147 15 178 134 178 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