Wielkie odkrycie 1915 — Sierpiński

Trójkąt Sierpińskiego

Rozszerzenie tematu ciągów geometrycznych i samopodobieństwa. Usuwając środkowy trójkąt w każdym kroku, otrzymujemy fraktal, w którym pole mnoży się przez 3/4 co iterację — dąży więc do zera, a struktura jest samopodobna. Trójkąt opisał polski matematyk Wacław Sierpiński w 1915 r. Ciekawostka: pokrywa się on z nieparzystymi wyrazami trójkąta Pascala.

Trójkąt Sierpińskiego
Matematyka · Fraktale i chaos · Trójkąt Sierpińskiego (1915)
Liczba iteracji kk2
Pole trójkąta Sierpińskiego po nieskończenie wielu krokach:
iteracje k
2
trójkąciki N
9
pole P
0.563·P₀
wymiar d
≈ 1,585
🎯 Wyzwanie: policz trójkąciki
seria: 0

Dam Ci liczbę iteracji k — policz, ile zapełnionych trójkącików zostaje. Z każdego trójkąta zostają 3.

Co się właśnie stało?

Zacząłeś od pełnego trójkąta równobocznego. W każdej iteracji każdy zapełniony trójkąt dzielisz na 4 mniejsze (łącząc środki boków) i usuwasz środkowy — zostają 3 rogowe. Po wielu krokach z pełnej figury robi się coraz bardziej „dziurawa" koronka (przerywany trójkąt to figura startowa, z której znikają środki).

Pole maleje geometrycznie do zera:

Pk=P0(34)k→0P_k = P_0\left(\tfrac{3}{4}\right)^k \to 0

Skoro z 4 równych trójkącików zostają 3, to pole mnoży się przez 34\tfrac{3}{4} co iterację. Iloraz 34<1\tfrac{3}{4} < 1, więc ciąg PkP_k jest zbieżny do zera — po nieskończenie wielu krokach zapełnione pole znika, choć liczba trójkącików rośnie jak 3k3^k.

Samopodobieństwo i wymiar fraktalny:

d=log⁡3log⁡2≈1,585d = \dfrac{\log 3}{\log 2} \approx 1{,}585

Każdy z 3 rogów to miniaturowa kopia całości — figura jest samopodobna. Jej wymiar fraktalny wynosi log⁡3/log⁡2≈1,585\log 3/\log 2 \approx 1{,}585 — leży między linią (1) a płaszczyzną (2): struktura jest „bardziej niż linią, mniej niż płaszczyzną".

Kto to odkrył?

Polski matematyk Wacław Sierpiński (1882–1969) opisał ten fraktal w 1915 r. Był jednym z twórców nowoczesnej teorii mnogości i topologii, autorem ponad 700 prac. Zaskakujący jest związek jego trójkąta z trójkątem Pascala: zaznaczając w nim liczby nieparzyste, otrzymujemy dokładnie wzór trójkąta Sierpińskiego. Ten sam kształt pojawia się też w chaotycznej „grze w chaos" (losowe skoki ku wierzchołkom) i w antenach fraktalnych.

Po co Ci to na maturze:

To modelowy przykład ciągu geometrycznego zbieżnego do zera (Pk=P0qkP_k = P_0 q^k, q=34<1q = \tfrac{3}{4} < 1) obok ciągu rozbieżnego (Nk=3k→∞N_k = 3^k \to \infty). Łączy granice ciągów, potęgi i geometrię fraktalną. Wacław Sierpiński to jeden z dwóch polskich akcentów tej kolekcji (obok Banacha i Tarskiego).

Zapamiętaj: pole trójkąta Sierpińskiego maleje ×3/4 co iterację i dąży do zera (P0(3/4)k→0P_0(3/4)^k \to 0), a liczba trójkącików rośnie ×3 (3k3^k). Znikające pole, nieskończenie bogata struktura.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Konstrukcja

W trójkącie usuwamy środkowy z czterech mniejszych trójkątów; powtarzamy w każdym pozostałym.

Pole dąży do zera

Co krok zostaje 34\tfrac34 pola: Pk=P0(34)k →k→∞ 0P_k=P_0\left(\frac34\right)^{k}\ \xrightarrow[k\to\infty]{}\ 0

Wymiar fraktalny

33 kopie w skali 12\tfrac12 dają wymiar: d=ln⁡3ln⁡2≈1,585d=\frac{\ln 3}{\ln 2}\approx 1{,}585 Zaznaczając nieparzyste wyrazy trójkąta Pascala, otrzymujemy ten sam wzór.

Oznaczenia: P0P_0 pole początkowe, PkP_k po kk krokach, dd wymiar fraktalny.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Co dzieje się z polem trójkąta Sierpińskiego po wielu krokach?

Dąży do zera — w każdym kroku pole mnoży się przez 3/4.

›

Jak powstaje trójkąt Sierpińskiego?

Przez iteracyjne usuwanie środkowego z czterech trójkącików w każdym zapełnionym trójkącie.

›

Jaki jest związek z trójkątem Pascala?

Zaznaczając nieparzyste liczby w trójkącie Pascala, otrzymujemy wzór trójkąta Sierpińskiego.