Πειραματικά Μαθηματικά και Fractals
(απόσπασμα του άρθρου Μοντελοποιήσεις fractals σε περιβάλλον δυναμικού χειρισμού μαθηματικών αντικειμένων: κατανόηση των εννοιών ακολουθία και όριο
που περιέχεται στη μονογραφία μου ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΚΑΙ ΔΙΔΑΣΚΑΛΙΑ ΤΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ: ΑΠΟ ΤΗ ΘΕΩΡΙΑ ΣΤΗΝ ΠΡΑΞΗ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΩΝ)
“Γκρίζα αγαπητέ μου φίλε είναι κάθε θεωρία, και πράσινο της ζωής το χρυσό δέντρο” («Grau, teuer Freund, ist alle Theorie und grün des Lebens goldner Baum») «Faust»,Goethe (1749-1832)
Ερωτήματα που αφορούν το ρόλο των εικόνων στην οπτικοποίηση των φαινομένων, αλλά και την κατανόηση των πειραματικών διαδικασιών έχουν διερευνηθεί από πολλούς ερευνητές, εξετάζοντας τα από διαφορετική οπτική γωνία: ψυχολογική, κοινωνικοπολιτισμική, σε σχέση με θεωρίες μάθησης κ.λπ. Ο Mandelbrot (1991) στην εισαγωγή του άρθρου του «Fractals and the Rebirth of Experimental Mathematics», αναφέρεται στη «δύναμη» που έχουν οι εικόνες για την ανάπτυξη αφαιρετικών διαδικασιών σκέψης:
«Θα ξεκινήσουμε με την παρατήρηση ότι τα πειραματικά μαθηματικά δεν συνεπάγονται την κατάργηση των εφαρμοσμένων μαθηματικών. Τα εφαρμοσμένα μαθηματικά έχουν ήδη διαχωριστεί από τις επιστήμες και ως εκ τούτου από το πείραμα. […] τα πειραματικά μαθηματικά τοποθετούν το πείραμα στον πυρήνα των μαθηματικών […] Πολλοί εξαιρετικοί μαθηματικοί επιμένουν να ξεκινούν με την απόδειξη. […] Κάτι που απεύχομαι είναι η αντικατάσταση της απόδειξης με απλές εικόνες. […] Αυτές οι εικόνες, ήδη έχουν καταδείξει εκπληκτική δύναμη να βοηθήσουν τα πρωταρχικά στάδια τόσο της μαθηματικής απόδειξης, όσο και της φυσικής επιστήμης. […] οι πειραματικοί και θεωρητικοί φυσικοί, σπανίως ζουν σε τέλεια αρμονία, αλλά γνωρίζουν ότι συνυπάρχουν, μόνον όταν ο ένας ακούει τον άλλον ή με άλλα λόγια όταν αλληλεπιδρούν. Στα μαθηματικά η κατάσταση είναι πολύ διαφορετική: πειραματικά και αυστηρά μαθηματικά βιώνουν μία μακροχρόνια ιστορία σύγκρουσης, όπως όμορφα εκφράζεται στις ακόλουθες γραμμές από τον ποιητή: “Γκρίζα αγαπητέ μου φίλε είναι κάθε θεωρία, και πράσινο της ζωής το χρυσό δέντρο” («Grau, teuer Freund, ist alle Theorie und grün des Lebens goldner Baum»)
Με αυτά τα λόγια, ο Μεφιστοφελής, φορώντας την τήβεννο του καθηγητή Faust [«Faust»,Goethe (1749-1832)], περιγράφει τα διάφορα ακαδημαϊκά προγράμματα, σε διερχόμενο φοιτητή [απόσπασμα από την εισαγωγή του άρθρου «Fractals and the Rebirth of Experimental Mathematics» (Mandelbrot, 1991)].
Η θεωρία των μαθηματικών και οι φορμαλιστικές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται για την επίλυση μαθηματικών προβλημάτων, καθώς και οι αφαιρετικές διαδικασίες σκέψης που απαιτούνται για τη διερεύνηση σύνθετων αποδεικτικών διαδικασιών έχουν αναλυθεί από πολλούς ερευνητές. Ερευνητές ακόμα, έχουν προσπαθήσει να απαντήσουν σε κύρια ερωτήματα που τίθενται και τα οποία απασχολούν κάθε έναν που εμπλέκεται στη μαθησιακή και διδακτική διαδικασία: (α) κατά πόσο οι μαθητές ανταποκρίνονται στην εισαγωγή μαθηματικών εννοιών, μέσω φορμαλιστικών διαδικασιών και (β) αν η διαπίστωση της ύπαρξης διδακτικών εμποδίων στη χρήση μοντέλων παραδοσιακής διδασκαλίας, μας οδηγεί στην ανεύρεση μεθόδων με σκοπό την αναίρεση τους. Αν θεωρήσουμε δεδομένο, ότι η μελλοντική πρακτική του σχολείου θα περιλαμβάνει πειραματικές εφαρμογές των μαθηματικών σε υπολογιστές, γίνεται όλο και περισσότερο αναγκαίο να προσδιορίσουμε, πώς και κατά πόσο αυτές οι εφαρμογές πρόκειται να επηρεάσουν την εκπαίδευση και τη διδασκαλία των μαθηματικών του μέλλοντος. Ποιες μεθόδους επομένως, μπορούμε να εφαρμόσουμε που θα οδηγήσουν τα παιδιά να ανακαλύψουν τα μαθηματικά, να τα επανεφεύρουν, να τα «ζωντανέψουν»;
Η εξέλιξη των τεχνολογιών έχει υποκινήσει μία πληθώρα ερευνητικών μελετών που προσπάθησαν να δώσουν απαντήσεις σε ερωτήσεις σχετικές με την αλληλεπίδραση του χρήστη με τον υπολογιστή, τις συνέπειες αυτής της αλληλεπίδρασης, πώς διαμορφώνεται η γνωστική ανάπτυξη η σχετική με τη μαθηματική εκπαίδευση, πώς λειτουργούν γνωστικά τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά γνωρίσματα του περιβάλλοντος των υπολογιστών και πώς συσχετίζονται με τη σχολική πρακτική. Είναι απαραίτητο να απαντηθούν αυτές οι ερωτήσεις, προκειμένου να διαμορφώσουμε τα κατάλληλα μαθησιακά περιβάλλοντα και τις καταστάσεις που «εκμεταλλεύονται» αυτά τα περιβάλλοντα (Kaput, 1991, p. 55). Σύμφωνα με τον Goldenberg (1999), κάθε δραστηριότητα θα πρέπει να βασίζεται στη γεωμετρία. Έχοντας επιλέξει τη γεωμετρία ως «βατήρα» για το πρόγραμμα σπουδών μας, και ως στόχο, τη σύνδεσής της με τα υπόλοιπα πεδία των μαθηματικών, είναι φυσικό να αναζητήσουμε και να επιλέξουμε «συντάκτες ιδεών» που να υποστηρίξουν αυτές τις συνδέσεις. Εργαλεία, όπως το Geometer’s Sketchpad (Jackiw, 2001) ή το Cabri (Laborde, Baulac, & Bellemain, 1988) […], αποτελούν μια εξαιρετική γέφυρα, μεταξύ της γεωμετρίας και της ανάλυσης.
Γεωμετρία των Fractals
Η Γεωμετρία ασχολείται με τη μελέτη των σχημάτων στο επίπεδο και το χώρο. Τα γεωμετρικά σχήματα κατασκευάζονται με γραμμές –ευθείες και καμπύλες– και ως εκ τούτου δεν έχουν γεωμετρικό νόημα φυσικά φαινόμενα ή διαμορφώσεις, όπως οι διακλαδώσεις του κεραυνού ή των ακτογραμμών. Χαρακτηριστικά, γράφει ο Benoît Mandelbrot (1983) “τα σύννεφα δεν είναι σφαίρες, τα βουνά δεν είναι κώνοι, οι ακτές δεν είναι κύκλοι, και ο φλοιός του δέντρου δεν είναι ομαλός, ούτε η αστραπή ταξιδεύει σε μια ευθεία γραμμή”. Αν θέλουμε να μελετήσουμε τον περιβάλλοντα χώρο θα πρέπει να βρούμε διαδικασίες να προσεγγίσουμε όλα αυτά τα φυσικά φαινόμενα.
Λέξη κλειδί για την κατανόηση των φαινομένων που παρατηρούνται στον κόσμο που μας περιβάλλει (ή που υπάρχει στο εσωτερικό κάθε έμβιου όντος, π.χ. του πνεύμονα, ή των αιμοφόρων αγγείων), είναι το «άπειρο». Η συνειδητοποίηση της μεγάλης σημασίας της γεωμετρίας των fractals και των εφαρμογών της ανήκει στον B. Mandelbrot (1924-2010). Ο B. Mandelbrot με τη συγγραφή των βιβλίων του Fractals: Forms, Chance and Dimension (Φράκταλ: Μορφές, τυχαιότητα, και διάσταση) το 1975 και Fractal Geometry of Nature (Η fractal γεωμετρία της φύσης) το 1983, αποκάλυψε την ομορφιά και χρησιμότητα των fractals, ξεκινώντας μια επανάσταση στο χώρο όλων των επιστημών που συνεχίζεται μέχρι σήμερα. Ο Mandelbrot εισήγαγε τη λέξη Fractal το 1975. Η ετυμολογία της λέξης fractal προέρχεται από την λατινική λέξη frangere ή το λατινικό fractus (που σημαίνει σπάζω, θρυμματίζω, δημιουργώ ακανόνιστα κομμάτια) και όχι από τη λέξη κλασματική (fractional), όπως θεωρείται συνήθως. Ο όρος «μορφοκλασματική καμπύλη» είναι η απόδοση του όρου fractal στην ελληνική γλώσσα από τους Καθηγητές Στ. Πνευματικό και Ι. Νίκολη, ενώ ο Ακαδημαϊκός Νικόλαος Αρτεμιάδης, προτείνει τον όρο “Θρύμμα”. Ο όρος αυτός εκφράζει την «πολυπλοκότητα» και το «αυτοόμοιο» των αντικειμένων της φύσης. Με την έννοια της πολυπλοκότητας εννοούμε «Όλα αυτά που χαρακτηρίζουν ένα σύστημα το οποίο αν και συχνά περιγράφεται από απλούς κανόνες, έχει χωρική δομή που δεν εξαντλείται από συνεχείς μεγεθύνσεις και χρονική εξέλιξη που μπορεί να διαλέξει ανάμεσα σε πολλές διαδρομές, πρακτικά απρόβλεπτη!» (Μπούντης, 2004, σελ. 10). Η έννοια της αυτοομοιότητας περιγράφει ένα αντικείμενο, όταν καθένα από τα μέρη που το συνιστούν είναι και σμίκρυνσή ή μεγέθυνσή του, δηλαδή αντίγραφο του. Πώς ορίζονται όμως τα fractals; Ένα fractal, όπως εστιάζουμε στο εσωτερικό του αποκαλύπτει όλο και μεγαλύτερη πολυπλοκότητα. Κατά συνέπεια τα fractals μας δίνουν τη δυνατότητα να οπτικοποίησουμε την έννοια “των κόσμων μέσα στους κόσμους“. Ένα fractal μοντελοποιημένο στο επίπεδο θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι αναπαριστά ένα γεωμετρικό σχήμα που μπορεί να υποδιαιρεθεί σε μικρότερα άπειρα αυτοόμοια σχήματα, κάθε ένα από τα οποία είναι μια σμίκρυνση του όλου, ανεξάρτητα από την κλίμακα. Βασικές ιδιότητες των fractals είναι (Μπούντης, 2004, σελ.65):
- δομή μέσα στην δομή (δηλαδή, νέες λεπτομέρειες σε κάθε κλίμακα μεγέθυνσης)
- επιμέρους τμήματα που είναι παρόμοια με άλλα τμήματα του συνόλου σε διαφορετική κλίμακα (αυτό-ομοιότητα υπό αλλαγή κλίμακας)
- κατασκευάζονται μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας που σε κάθε βήμα επαναλαμβάνει τους ίδιους μαθηματικούς μετασχηματισμούς (αλλαγή κλίμακας, μετάθεση και στροφή)
- H αυτοομοιότητα ενός Fractal δεν είναι απαραίτητα ακριβής και μπορεί να περιγράφεται από μια άπειρη ακολουθία κλιμάκων η δε αυτοομοιότητα του μπορεί να είναι και στατιστική ιδιότητα του συνόλου.
Η Fractal γεωμετρία, επομένως, χρησιμοποιείται για να περιγράψει την «πολυπλοκότητα» της φύσης ή ότι προσομοιάζει στη φύση. Αντικείμενα που σήμερα ονομάζουμε fractals, ήταν γνωστά σε μαθηματικούς, όμως δεν υπήρχαν τα μέσα για να τα παρατηρήσουν [ή τα μέσα για να τα μελετήσουν δεν ήταν κατάλληλα].
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΙΣΤΟΣΕΛΙΔΕΣ ΓΙΑ FRACTAL
Στις ιστοσελίδες
https://mathigon.org/course/fractals/introduction
https://polypad.amplify.com/lesson/fractals
https://think-maths.co.uk/resources/building-3d-fractals/
https://www.alaska.edu/k12task/docs/fractals-2-5-math.pdf
θα βρείτε πολλές δραστηριότητες για κατασκευές fractal αντικειμένων.
Επίσης, στην ακόλουθη ιστοσελίδα https://gauss.math.yale.edu/fractals/FracAndDim/SimDim/KochDims.html
του Πανεπιστημίου Yale παρουσιάζονται παραδείγματα για την διάσταση ομοιότητας της Καμπύλης Koch.
Ομοίως, στην ιστοσελίδα https://gauss.math.yale.edu/fractals/FracAndDim/SimDim/SimDimExerc.html
και εδώ https://gauss.math.yale.edu/fractals/FracAndDim/BoxDim/Prxs/BoxDimPrxs.html
Σχετικό άρθρο του κ. Φουναριωτάκη εδώ: https://users.sch.gr/thafounar/Fractal/Koch/kochFractal.html
και εδώ, για το τρίγωνο Sierpinski http://users.sch.gr/thafounar/Fractal/Sierpinski/sierpinskiFractal.php
Κατασκευές fractals με χρήση της Logo, αλλά και της version 3 του Geometer’s Sketchpad περιλαμβάνονται στον επόμενο
σύνδεσμο :http://users.uoa.gr/~ldalla/fractals/sff_part2.pdf
και εδώ http://users.uoa.gr/~ldalla/fractals/sff_part1.pdf
Ακόμα, ένα ενδιαφέρον άρθρο μπορείτε να βρείτε στο σύνδεσμο https://mag.e-diktyo.eu/wp-content/uploads/2016/10/2math_cult_deuter.pdf
Αλλά, και μια εξαιρετικά συνοπτική και περιεκτική παρουσίαση στο σύνδεσμο https://math.uoi.gr/images/pdf/lectures/Fractals.pdf
Για την έννοια της κλασματικής διάστασης θα σας πρότεινα να διαβάσετε το άρθρο στον ακόλουθο σύνδεσμο:
http://www.islab.demokritos.gr/gr/html/parousiaseis/fractals/index.html
Ερευνητική διαδικασία με μοντελοποιήσεις fractal στο επίπεδο περιέχονται στη διπλωματική μου εργασία http://me.math.uoa.gr/dipl/dipl_patsiomitou.pdf
Πολλές περιγραφές κατασκευών fractal σε διάφορα άρθρα μου, αλλά και στις μονογραφίες μου.