Золотое сечение [Математический язык красоты] (Мир математики. т.1.)

Глава 5 Золотое сечение в природе

Представьте себе очень простую форму вроде прямоугольника. Как можно увеличить его размеры, не теряя соотношения сторон? Здравый смысл подсказывает нам, что прямоугольник должен расти равномерно, то есть в одинаковой пропорции во всех направлениях, как если бы его стороны были эластичными и понемногу бы растягивались. Логично предположить, что естественный рост прямоугольника означает, что все стороны удлиняются с одинаковой скоростью. Но тогда соотношение сторон будет меняться, и растущий прямоугольник изменит пропорции.

Растущие формы

Во второй главе мы видели, что при добавлении квадрата к «золотому» прямоугольнику, если сторона квадрата равна длинной стороне прямоугольника, получается другой «золотой» прямоугольник. Размер «золотого» прямоугольника увеличился, но его форма сохранилась, так как во всех «золотых» прямоугольниках соотношение сторон одно и то же (Ф). То же самое происходит, когда мы отсекаем квадрат от «золотого» прямоугольника. Поэтому мы говорили, что гномоном «золотого» прямоугольника является квадрат. Это свойство характерно для «золотых» прямоугольников и эквивалентно определению Ф. Поэтому чтобы изменить размер фигуры, не изменяя ее формы, мы можем использовать золотую пропорцию. В этом можно убедиться, наблюдая за ростом живых существ, например, растений.

Чтобы понять, что именно подразумевается под «сохранением формы», рассмотрим пример человека. Изменяются ли наши пропорции по мере нашего роста? Действительно, следует заметить, что развитие человеческого тела представляет собой постоянное изменение пропорций. Как бы мы к этому ни относились, но, к счастью, по мере взросления мы изменяемся. Если бы мы сохранили пропорции, данные нам при рождении, нам было бы трудно удержать голову в вертикальном положении.

В той же главе мы рассказывали о «золотой» спирали, которая отличается от других спиралей тем, как именно она расширяется с каждым витком. Шотландский биолог Д’Арси Томпсон (1860–1948), известный как «первый биоматематик»,

Плод человека Плод человека Плод человека Ребенок Ребенок Ребенок Человек в 2 месяца в 7 месяцев в 9 месяцев в 2 года в 6 лет в 12 лет в 18 лет заметил, что способ увеличения в размерах некоторых живых существ без изменения формы характерен только для логарифмической спирали в отличие от других математических кривых: «Любая плоская кривая с фиксированным полюсом, такая, что полярная область сектора всегда является гномоном предыдущей области, есть логарифмическая спираль».

Насекомые летят по «золотой» спирали, когда приближаются к источнику света. Если, пытаясь приблизиться к неподвижной точке, мы хотим сохранять при этом угол поворота, такая спираль является для нас единственной возможной траекторией. Хищные птицы следуют такой траектории, когда нападают на добычу. Это единственный способ держать голову в одном и том же положении, чтобы не выпускать цель из поля зрения при максимальной скорости.

Сравнение пропорций головы и тела человека на различных этапах развития.

Золотое сечение у живых существ

«Витрувианский человек» Леонардо да Винчи строился на предположении, что Ф присутствует в животном мире. Начиная с того времени, в науке и искусстве продолжаются исследования связей различных частей человеческого тела с золотым сечением. Однако уже в средние века меры частей человеческого тела использовались в качестве стандартов. При постройке французских соборов использовался измерительный прибор, состоящий из пяти стержней, представляющих длины ладони, большой и малой пяди (расстояния от конца мизинца до конца большого и указательного пальцев соответственно), ступни и локтя.

Все эти длины были кратны меньшей единицы длины, называемой линией, равной 1/12 дюйма, то есть немногим меньше 2,5 мм (точнее, 2,247 мм). В следующей таблице показаны эти меры длины в метрических единицах. Мы видим, что количества линий являются числами из последовательности Фибоначчи, так как отношение каждого к предыдущему равно Ф, что еще более удивительно, ведь эти единицы измерений соответствуют произвольным частям человеческого тела.

Филлотаксис и золотое сечение

Филлотаксис — слово греческого происхождения, состоящее из phyllon — «лист» — и taxis — «расположение в порядке». Слово относится к разделу ботаники, изучающему расположение листьев на стебле растения. А это, как мы увидим, регулируется геометрическими и числовыми законами. Изучение филлотаксиса привело к открытию некоторых удивительных закономерностей роста природных систем, которые описываются точным математическим языком.

* * *

Первое, что мы видим: листья растений не растут ровно друг над другом. Если бы такое происходило, то одни листья скрывали бы другие от необходимых им солнечных лучей. Поэтому листья должны расти в определенном порядке, и тщательные исследования позволили дать математическое описание таких расположений.

Леонардо да Винчи был первым, кто сформулировал основные принципы. Великий гений определил, что листья расположены на стебле по спирали, группами по пять, что говорит о том, что количество листьев за несколько витков кратно пяти. Некоторое время спустя Кеплер заметил, что пятиугольник часто встречается в цветах с пятью лепестками и во фруктах, где семена расположены в форме звезды, например, в яблоках.

* * *

Филлотаксис и математика стали единой теорией в XIX веке благодаря немецкому естествоиспытателю Карлу Шимперу (1803–1867) и французскому кристаллографу Огюсту Браве (1811–1863). Они оба обнаружили в сосновых шишках числа из последовательности Фибоначчи. Их исследования показали, что модели филлотаксиса могут быть выражены отношениями чисел Фибоначчи.

С тех пор последовательность Фибоначчи и ботаника связаны друг с другом. В 1968 г. американский математик Альфред Броссо изучил 4290 шишек десяти различных видов калифорнийской сосны и доказал, что с незначительным исключением (74 шишки) в остальных проявляется последовательность Фибоначчи. То есть 98,3 % выборки. Как это часто бывает, спустя некоторое время научное сообщество в качестве проверки повторило эксперимент. В 1992 г. канадский ботаник Роджер Жан провел исследование 12750 экземпляров 650 различных видов. На этот раз последовательность Фибоначчи появилась в 92 % случаев.

Листья большинства растений с высоким стеблем расположены по спирали и, как правило, следуют определенному закону, который выполняется для всех видов растений. Закон гласит, что угол, образуемый двумя последовательными листьями, является постоянным и называется углом расхождения. Этот угол может быть выражен в градусах или в виде дроби, где в числителе стоит число оборотов вокруг стебля, начиная с одного листа до такого же выше по стеблю, а в знаменателе стоит число листьев, расположенных на спирали между этими двумя листьями.

Количества спиралей на сосновой шишке в каждом направлении (8,13) являются числами из последовательности Фибоначчи.

Последовательность Шимпера — Брауна, состоящая из отношений чисел из последовательности Фибоначчи соответственно к числам, следующим через позицию, ajа_п+2, позволяет классифицировать многие виды по углу расхождения. Так как отношение между двумя последовательными числами а_n+1/а_n стремится к Ф, отношения из последовательности Шимпера — Брауна стремятся к 1/Ф². Математическое доказательство выглядит следующим образом:

По-настоящему сложный вопрос заключается в том, откуда растения «знают», что их листья должны быть расположены в соответствии с последовательностью Фибоначчи? Дело в том, что стебель растения имеет коническую форму. Листья на стебле растут радиально, если смотреть на растение сверху. Браве заметил, что каждый следующий лист повернут примерно на 137,5° от предыдущего. Посчитаем

360°∙1/Ф² = 360°/Ф²

(где 360° соответствует полному обороту) и получим угол в 137,5°, который иногда называют «золотым» углом.

Идя в противоположном направлении, от математики к ботанике, группа ученых во главе с Ривьером доказала в 1984 г., что, используя математический алгоритм и угол роста, равный «золотому» углу, можно получить конфигурации, подобные тем, которые встречаются у реального подсолнечника. Это заключение было интересно тем, что именно однородные и сопоставимые структуры в живых организмах резко ограничивают их возможные формы. В свою очередь, это объясняло частое появление чисел Фибоначчи и золотого сечения в филлотаксисе. Другие эксперименты, например, с магнитными полями, также приводят к конфигурациям с «золотой» спиралью.

Каждый следующий лист на стебле подсолнечника повернут примерно на 137,5° от предыдущего.

В этом распределении виртуальных семян, сгенерированном компьютером, можно ясно увидеть большое количество спиралей в разных направлениях. Количества спиралей похожей длины в обоих направлениях обычно соответствуют числам из последовательности Фибоначчи.

Классический эксперимент в этой области был проведен в 1907 г. немецким математиком Герритом ван Итерсоном. Он расположил последовательные точки по спирали с поворотом на 137,5° и показал, что человеческий глаз воспринимает их как семейство спиралей, закрученных по часовой и против часовой стрелки. Количество спиралей в этих двух семействах, как правило, соответствует числам Фибоначчи. Подсолнечник — один из самых ярких примеров этого явления. Его семена образуют спирали по часовой и против часовой стрелки. Количества таких спиралей являются числами из последовательности Фибоначчи. Наиболее часто встречаются пары 21 и 34, 34 и 55, 89 и 144.

Что это: внутренняя закономерность роста или просто удивительное совпадение?

Подсолнечник содержит 21 и 34 спирали в противоположных направлениях.

Ветви деревьев расположены так же, как и листья растений. Опять же, ветви растут не одна над другой, а по спирали. Размер дерева меняется по ходу его роста, но пропорции между высотой и длиной его ветвей сохраняются, как и общая форма. Благодаря этому опытный наблюдатель может отличить один вид от другого на расстоянии, не рассматривая листья или кору вблизи.

Тысячелистник птармика (Achillea ptarmica) — одно из многих растений, у которого ветки и листья расположены в соответствии с последовательностью Фибоначчи.

Цветы и лепестки

Число лепестков многих цветов также соответствует некоторым членам последовательности Фибоначчи, например, у сирени (3 лепестка), лютика (5), шпорника (8), календулы (13) и астры (21). Различные виды ромашки имеют разное количество лепестков, но это всегда числа Фибоначчи (21, 34, 55, 89).

Типичной сценой в любовных рассказах является гадание на ромашке: отрывая лепесток за лепестком, герои спрашивают «любит — не любит». Можно подумать, что у влюбленного математика будет преимущество при отрывании лепестков ромашки, но это не так. К счастью, природа и последовательность Фибоначчи оставляют место для случайности, и цветок всегда будет хранить тайну. Хотя количество лепестков ромашки является числом Фибоначчи, это число может быть как четным, так и нечетным, и мы не узнаем сколько лепестков имеет конкретная ромашка, пока не закончим их обрывать.

Может показаться, что, как и в архитектуре, золотая пропорция в растениях встречается неестественно часто и явно. Тем не менее, строгие эксперименты в этой области дают пищу не только для размышлений, но и для эстетического наслаждения.

Количество лепестков ромашки всегда является числом из последовательности Фибоначчи, в данном случае, 21.

Листья шершавого вяза (Ulmus glabra) и фигового дерева (Ficus carica) имеют форму в соответствии с золотой пропорцией.

Наутилус

Раковины моллюсков часто имеют форму «золотой» спирали. Самый характерный пример — это раковина наутилуса (Nautilus pompilius). Раковина увеличивается с добавлением внутренних камер, каждая из которых больше, чем предыдущая, но форма раковины остается прежней. Новая камера добавляется к предыдущей и имеет точно такую же форму, только большего размера.

Спиральная структура наутилуса напоминает по форме водовороты в джакузи или при спускании воды в ванне. Или, в более широком масштабе, спиральные рукава некоторых галактик.

В природе часто встречаются структуры в форме пятиконечной звезды, такие как морская звезда.

Фракталы и золотое сечение

В первой главе мы видели два выражения для Ф: в виде цепной дроби и в виде корня из других корней:

Если продолжить запись одного из этих выражений, то мы получим дробь от дроби, корень от корня и так до бесконечности. Однако посмотрим на последний член выражения, как будто бы в микроскоп. Какой бы член мы ни взяли, он будет в точности похож на исходное выражение. Это мысленное упражнение приводит нас в мир фракталов.

Теория фракталов появилась в 1975 г. с публикацией статьи «Фрактальные объекты: форма, случайность и размерность» академика Бенуа Мандельброта (1924–2010). В предисловии автор объясняет, что термин «фрактальный объект» и «фрактал» происходит от латинского прилагательного fractus, что значит «разбитый, дробленый», или, лучше сказать, «дробный». Два года спустя в книге «Фрактальная геометрия природы» Мандельброт представил новое определение: «множество, размерность Хаусдорфа-Безиковича которого строго больше его топологической размерности». Далее мы попытаемся пояснить эту идею.

Как мы помним, классические геометрические объекты имеют целочисленные размерности: точка имеет размерность ноль, прямая — 1, плоскость — 2, а пространство — 3. Фракталы, напротив, имеют дробную размерность. С нецелой размерностью фракталы не могут обладать «нормальным» объемом и площадью. В фрактальной вселенной такое вполне допустимо. Фрактал размерности более 1 и менее 2 — это поверхность, не ограниченная кривой, или группа прямых линий, не являющаяся двумерной плоскостью.

Бенуа Мандельброт, математик, создатель фрактальной геометрии

Такой является кривая Коха, получаемая в результате повторяющихся геометрических построений, как мы увидим ниже. Если фрактальная размерность находится между 0 и 1, как в так называемом множестве Кантора, то получается множество точек на линии, которые не образуют прямую линию, хотя таких точек бесконечное количество и они бесконечно близки друг к другу. В результате получается забавный геометрический парадокс.

Одной из характерных особенностей фракталов является самоподобие. Другими словами, они сохраняют одну и ту же форму при увеличении или уменьшении размера. Будем ли мы смотреть на них с близкого расстояния или издалека, в целом или на какую-то часть, мы всегда будем видеть одно и то же.

Фрактальные снежинки

Кривая Коха — это фрактал, также называемый «снежинкой Коха» из-за стилизации формы снежинки. Это один из первых фрактальных объектов, описанный в 1906 г. шведским математиком Хельге фон Кохом (1870–1924) задолго до того, как эти объекты получили сегодняшнее название. Давайте посмотрим, как строится кривая Коха и какими свойствами она обладает.

Возьмем равносторонний треугольник и разделим каждую сторону на три равных отрезка. Затем удалим центральную часть на каждой стороне и построим извне равносторонний треугольник со сторонами, равными центральному отрезку, который мы удалили.

Будем повторять этот процесс для каждого построенного маленького равностороннего треугольника. Вскоре станет слишком трудно делать построения с помощью карандаша и бумаги, но компьютер может продолжать процесс очень долго.

Мы можем посчитать периметр и площадь «снежинки Коха». При каждом шаге мы заменяем отрезок длины 3(3 части) на 4 отрезка общей длины 4.

Таким образом, при каждом шаге начальная длина умножается на 4/3. Если изначальный периметр равностороннего треугольника был равен L, после n шагов длина кривой будет

L_n = L∙(4/3)ⁿ.

Так как 4/3 больше 1, то значение этого выражения может быть сколь угодно большим! Или в математических терминах, длина кривой Коха, L_n, стремится к бесконечности. Мы можем удлинять ее неограниченно.

Давайте посмотрим, что происходит с площадью. Предположим, что исходный треугольник имеет площадь А = 1.

Разобьем его на треугольники, сторона которых в три раза меньше исходной, то есть получим девять маленьких треугольников. Еще три треугольника были добавлены после первого шага, их общая площадь составляет 1/3 от первоначальной площади. Таким образом, мы имеем:

A₁ = 1 + 1/3 = 4/3

Вокруг каждого маленького треугольника Т₂ мы добавляем четыре еще более маленьких треугольника при следующем шаге, Т₃, что составляет 4/9 площади трех треугольников Т₂, которая, как мы видели, равняется трети от общей площади А₁. Таким образом, при втором шаге мы добавили (4/9)∙(1/3).

Рассуждая аналогичным образом, мы видим, что при каждом из следующих шагов мы добавляем 4/9 от площади, добавленной при предыдущем шаге, так что наша общая площадь выражается так:

A = 1 + 1/3 + (4/9)∙(1/3) + (4/9)²∙1/3 + (4/9)³∙1/3 +…

Упростим это выражение. Вынесем общий множитель за скобки, а к выражению в скобках применим формулу суммы бесконечной геометрической прогрессии:

A = 1 + (1/3)∙(1 + 4/9 + (4/9)² +(4/9)³ +…) = 1 + (1/3)∙(1/(1 — (4/9)) = 1 + (1/3)∙(9/5) = 8/5 = 1,6.

Таким образом, после бесконечного числа шагов у нас получится кривая бесконечной длины, однако эта кривая ограничивает площадь, которая всего лишь в 1,6 раза больше площади исходного треугольника.

Размерность «снежинки» больше 1 и меньше 2. Давайте вспомним наш первый шаг: мы перешли от отрезка длины 3 к отрезку длины 4. Если бы мы остались на прямой, ее размерность была бы равна 1, потому что 3¹ = 3. Если бы мы построили квадрат со стороной 3, он бы имел площадь 9, потому что 3² = 9, и размерность 2. При переходе к длине 4 размерность является числом d, таким, что 3^d = 4. Чтобы найти d, мы используем логарифмы.

d = log 4/log 3 = ~ 1,2619

Как мы видим, размерность является дробным числом. Вот почему Мандельброт использовал латинское слово fractus.

Существует другой вариант этой кривой, который нам очень знаком: антиснежинка Коха. Она строится аналогично снежинке, только при каждом шаге треугольники добавляются внутри исходного треугольника. Эта антиснежинка используется в качестве логотипа японской марки автомобилей.

Но фракталы представляют собой нечто большее, чем забавный математический парадокс: сама природа имеет фрактальную структуру. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на деревья: рост ветвей можно с поразительной точностью смоделировать с помощью фракталов. Существует много фрактальных моделей деревьев, где из каждого сучка под определенным углом растут ветви, длина которых равняется длине предыдущей ветки, умноженной на коэффициент f. В зависимости от значения этого множителя ветки могут пересекаться и даже расти друг на друге.

Эта проблема должна быть решена, если мы хотим иметь корректную модель реальности. Мы должны определить предельные значения множителя f. Исследования показывают, что он связан с Ф, потому что его значение равняется 1/Ф.

Если мы начнем строить дерево не с прямой линии, а с фигуры, например, с равностороннего треугольника, и в каждой вершине треугольника поместим другой равносторонний треугольник, длина стороны которого равна исходной, умноженной на коэффициент f (на нашем рисунке f = 1/2), так чтобы ветви не пересекались, а лишь касались, максимальное значение f также будет 1/Ф.

Романеско (один из культурных сортов капусты Brassica oleracea) является самым красивым примером фракталов в природе, потому что ее структура видна невооруженным глазом, без вычислений и математических формул. Если отрезать любой кусок, его форма всегда будет такой же, как и у целого кочана. Мы можем проверить связь с Ф, посчитав спирали в обоих направлениях. В результате мы получим два числа из последовательности Фибоначчи: 8 и 13 спиралей.

Количества спиралей в кочане цветной капусты романеско являются числами из последовательности Фибоначчи.

Конец путешествия

Мир фракталов глубок и сложен, мы лишь едва коснулись его. Роль Ф во фрактальных структурах вовсе не ограничивается тем, что мы видели. Но самое интересное заключается в том, что это древнее и прославленное число, появившееся в математике более 20 веков назад, до сих пор встречается в новых областях современной науки. Число Ф не является отслужившей свое игрушкой, оно и сегодня продолжает играть важную роль.

Здесь наше путешествие подошло к концу. Хочется надеяться, что сам путь был столь же интересным, как и пункт назначения. Мы делали много остановок в самых разных областях: живопись, архитектура, астрономия, дизайн и сама природа. Мы подошли к месту, откуда открываются широкие горизонты. Несомненно, нас ждут новые открытия.