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布朗运动的分形特征

已有 3696 次阅读 2022-3-2 14:38 |个人分类:随机过程|系统分类:科研笔记

一般地说,分形信号x(t)的重要特征是在时间尺度上具有局部自相似性,其功率谱密度可表示为


式中ω为角频率,N0为正实常数,γ=2H+1为分形指数,HHusrt指数。

上述l/|ω|γ形式的功率谱密度的信号通常被称为1/f分形信号。

1/f分形信号是分形信号中非常重要的一类,1/f分形信号广泛地存在于各种自然现象和社会现象中,如陀螺随机游走误差、股票价格随机变化、心率及脑波的波动等。

1/f分形信号具有非平稳、自相似和长程相关性等重要特性

布朗运动的功率谱密度


式中ω为角频率,N0为正实常数。

因此,布朗运动位移x(t)是分形指数γ= 2Husrt指数H=0.51/f分形信号

1为一维布朗运动位移x(t)曲线,它与自然界的山脉轮廓比较相像,可以用来模拟山脉轮廓等自然界的分形对象。

Wiener_process_set_of_zeros.gif


1 布朗运动曲线模拟山脉轮廓

在计算机图形学领域,通常使用二维布朗运动曲面来模拟自然界的立体分形地貌图,图2为二维布朗运动曲面模拟出的三维分形地貌图。

FBM 0.5.gif

2 布朗运动曲面模拟出的立体分形地貌

3是基于布朗运动曲面绘制的一幅分形地貌和分形行星,作为Mandelbrot名著《大自然的分形几何学(The Fractal Geometry of Nature)》的封底彩图广为流传。

VossPlanetRise.gif

3 分形地貌和分形行星

Mandelbrot的分形地貌和分形行星看似一张在月球上拍摄的地球照片,但仔细观察可以发现,那颗星球上的大陆并不是我们熟知的五大洲,事实上,它是用布朗运动曲面模拟出来的。前方地貌也不是真实月球上的地貌,也是用布朗运动曲面模拟出来的。此图的发表让人们开始相信,地形地貌确实是一种分形。




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