나뭇잎 교과서

카오스 게임과 프랙털

주사위에 맡겨 점을 찍는데도 매번 같은 무늬가 나타납니다. 닮음 변환의 눈으로 그 까닭을 찾고, 1과 2 사이의 차원이 무슨 뜻인지 알아봅니다.

먼저 알면 좋은 것 선분의 중점닮음비로그
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카오스 게임과 프랙털

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종이에 커다란 삼각형을 그리고 꼭짓점에 A, B, C라고 쓴다. 삼각형 안 아무 곳에나 점을 하나 찍고, 주사위를 던져 1이나 2가 나오면 A, 3이나 4가 나오면 B, 5나 6이 나오면 C를 고른다. 지금 점과 고른 꼭짓점의 한가운데에 새 점을 찍고, 다시 주사위를 던진다. 점을 찍는 위치는 순전히 주사위에 달려 있으니 점들이 삼각형 안을 고르게 덮을 것 같다. 그런데 수천 번을 하고 나면 삼각형 안에 구멍이 숭숭 뚫린 정교한 무늬가 나타나고, 몇 번을 다시 해도 같은 무늬가 나온다. 왜 그럴까?

ABCP0P1P2P3P4주사위로 꼭짓점을 고른다.B, C, A, C 순서로 나왔다.지금 점과 고른 꼭짓점의한가운데에 새 점을 찍는다.이것을 수천 번 되풀이한다.
그림 1. 카오스 게임의 처음 네 번. P0에서 시작해 주사위가 고른 꼭짓점 쪽으로 매번 남은 거리의 절반만큼 옮긴다.
먼저 알아야 할 것선분의 중점, 닮음과 닮음비, 로그.

1.13.1무늬는 스스로를 닮았다

답부터 말하면 점들이 그리는 무늬는 시에르핀스키 삼각형이다. 정삼각형에서 세 변의 중점을 이은 가운데 삼각형을 오려 내면 절반 크기의 삼각형 세 개가 남는다. 남은 세 삼각형에서도 각각 가운데를 오려 내고, 이것을 끝없이 되풀이하면 시에르핀스키 삼각형이 된다. 그림 2처럼 이 도형은 절반 크기의 자기 자신 세 개로 이루어져 있고, 그 세 조각 하나하나도 다시 절반 크기의 세 조각으로 이루어져 있다. 이렇게 부분이 전체를 닮은 도형을 프랙털이라 한다.

ABC전체는 절반 크기의 자기 자신세 개로 이루어져 있다.A 쪽 복사본B 쪽 복사본C 쪽 복사본각 복사본도 다시 세 조각이다.
그림 2. 시에르핀스키 삼각형은 A, B, C 쪽에 놓인 절반 크기의 복사본 세 개로 이루어져 있다.

이제 카오스 게임의 한 걸음을 다시 보자. 꼭짓점 A로 반만큼 가는 것은 A를 중심으로 모든 것을 절반으로 줄이는 닮음 변환이다. 이 변환을 시에르핀스키 삼각형 전체에 적용하면 그림 2의 A 쪽 복사본이 된다. B와 C로 가는 변환도 마찬가지로 전체를 B 쪽, C 쪽 복사본으로 보낸다. 그러니 지금 점이 시에르핀스키 삼각형 위에 있다면 주사위가 무엇을 고르든 다음 점도 그 위에 있다. 세 복사본을 합치면 다시 전체가 되므로, 점들은 이 도형을 벗어나지도 않고 어느 한쪽에 갇히지도 않는다.

정리 1.13.1 카오스 게임이 그리는 도형

꼭짓점 쪽으로 남은 거리의 \(t\)배만큼 옮기는 것은 그 꼭짓점을 중심으로 \(1 - t\)배 줄이는 닮음 변환이다. 이런 변환 몇 개를 무작위로 되풀이하면 점은 각 변환으로 줄인 복사본들을 합쳤을 때 자기 자신이 되는 단 하나의 도형으로 다가간다. 삼각형에서 \(t = \dfrac12\)이면 그 도형은 시에르핀스키 삼각형이다.

처음 점이 무늬 밖에 있어도 걱정할 것이 없다. 한 번 옮길 때마다 점과 무늬 사이의 거리도 절반으로 줄기 때문이다. 처음에 삼각형 크기만큼 떨어져 있었더라도 10번만 옮기면 그 거리는 \(1/1024\)이 되어 눈으로는 구별할 수 없다. 그래서 처음 몇 개의 점만 버리면 나머지 점은 모두 무늬 위에 찍힌다.

1.13.2넓이는 0, 길이는 무한

시에르핀스키 삼각형은 넓이가 얼마일까? 가운데를 한 번 오려 낼 때마다 넓이는 \(\dfrac34\)배가 되므로 \(k\)번 오려 낸 뒤에는 \(\left(\dfrac34\right)^k\)배가 남고, 이 값은 \(k\)가 커지면 0에 가까워진다. 반대로 오려 낸 구멍들의 둘레를 모두 더하면 한 번 오려 낼 때마다 \(\dfrac32\)배가 되어 한없이 길어진다. 넓이로 재기에는 너무 성기고 길이로 재기에는 너무 빽빽한 셈이다.

이런 도형의 크기는 차원이라는 수로 잰다. 선분을 절반으로 줄이면 2개, 정사각형을 절반으로 줄이면 4개, 정육면체를 절반으로 줄이면 8개가 있어야 원래 도형을 채운다. 2, 4, 8은 \(2^1, 2^2, 2^3\)이고 그 지수가 차원이다. 시에르핀스키 삼각형은 절반으로 줄인 것 3개로 채워지니 \(2^d = 3\)에서 \(d = \log_2 3 \approx 1.585\)이다. 선보다는 크고 면보다는 작은, 1과 2 사이의 차원이다.1

1.13.3예제 풀이

예제 1.13.2

좌표평면에 \(\mathrm{A}(0, 0)\), \(\mathrm{B}(8, 0)\), \(\mathrm{C}(0, 8)\)이 있다. 점 \((3, 1)\)에서 시작해 주사위가 B, C, A 순서로 나왔을 때 찍히는 세 점을 구하여라. 또 정사각형의 네 꼭짓점으로 같은 게임을 하면 무늬가 생기는지 설명하여라.

B로 가면 \((3, 1)\)과 \((8, 0)\)의 중점 \((5.5, 0.5)\)가 찍힌다. 다음으로 C로 가면 \((5.5, 0.5)\)와 \((0, 8)\)의 중점 \((2.75, 4.25)\), A로 가면 \((1.375, 2.125)\)가 찍힌다. 세 번째 점은 직각삼각형 ABC의 A 쪽 절반 크기 복사본 안에서도, 다시 그 안의 C 쪽 4분의 1 크기 복사본 안에 들어 있다. 마지막에 고른 꼭짓점이 가장 큰 조각을, 그 앞에 고른 꼭짓점이 그 안의 조각을 정하는 식이다.

정사각형에서 네 꼭짓점 쪽으로 절반씩 가면 절반 크기의 정사각형 네 개가 원래 정사각형을 빈틈없이 채운다. 그래서 자기 자신이 되는 도형은 정사각형 전체이고, 점들은 정사각형을 고르게 덮을 뿐 무늬가 생기지 않는다. 같은 꼭짓점을 두 번 연달아 고르지 못하게 하거나, 절반 대신 3분의 2만큼 옮기는 식으로 규칙을 조금 바꾸면 다시 복사본들 사이에 틈이 생겨 프랙털이 나타난다. 즉 카오스 게임은 우연에 맡겨 점을 찍지만, 각 걸음이 전체를 줄인 복사본으로 보내는 닮음 변환이기 때문에 그 복사본들로 이루어진 단 하나의 도형 위로 점이 모여든다.

아래 탐구 카드에서 다각형과 옮기는 비율을 바꾸어 가며 어떤 무늬가 나타나는지 살펴보자. 집에서는 종이에 삼각형을 그리고 주사위로 30번쯤 직접 점을 찍어 본 뒤, 점들이 가운데 빈 삼각형을 피해 가는지 확인해 보자.

  1. 이 삼각형은 1915년 폴란드의 수학자 시에르핀스키가 연구했다. 주사위로 그리는 방법에 카오스 게임이라는 이름을 붙인 것은 1988년 영국 출신의 수학자 반슬리로, 그는 몇 개의 닮음 변환만으로 고사리 잎처럼 복잡한 모양을 그려 내는 방법을 보였다.
마무리

카오스 게임에서 꼭짓점 쪽으로 반만큼 가는 것은 그 꼭짓점을 중심으로 전체를 절반으로 줄이는 닮음 변환이고, 이 변환들을 무작위로 되풀이하면 점은 세 복사본으로 자기 자신을 이루는 시에르핀스키 삼각형으로 모여든다. 이 도형은 넓이가 0이고 구멍의 둘레는 무한하며, 차원은 \(\log_2 3 \approx 1.585\)이다. 처음 질문에서 매번 같은 무늬가 나온 것은 주사위가 정하는 것이 점의 순서뿐이고, 점이 모이는 도형은 변환들이 정하기 때문이다.

탐구 1

꼭짓점과 옮기는 비율을 바꾸면 어떤 무늬가 나올까?

카오스 게임 · 점 찍기
찍은 점
—
복사본 수, 줄이는 비율
—
차원
—

점의 색은 그 점을 찍을 때 고른 꼭짓점의 색이다. 같은 색 점들이 모인 곳이 그 꼭짓점 쪽 복사본이다.

  1. 질문주사위가 꼭짓점을 아무렇게나 고르는데, 왜 점들은 판을 고르게 덮지 않고 늘 같은 무늬를 그릴까?
  2. 복원꼭짓점 쪽으로 남은 거리의 \(t\)배만큼 옮기는 것은 그 꼭짓점을 중심으로 \(1 - t\)배 줄이는 닮음 변환이다. 삼각형에서 \(t = \dfrac12\)이면 세 변환이 전체를 절반 크기 복사본 세 개로 보낸다.
  3. 설명처음 몇 번만 천천히를 눌러 보자. 처음 점은 무늬 밖에 있어도, 한 번 옮길 때마다 무늬와의 거리가 절반이 되어 금세 무늬 위로 올라탄다. 그 뒤로는 어떤 꼭짓점이 나와도 무늬 밖으로 나가지 못한다.
  4. 연결점의 색을 보면 같은 꼭짓점을 고른 점들이 그 꼭짓점 쪽 복사본에 모여 있다. 복사본 \(k\)개가 \(s\)배 크기이면 차원 \(d\)는 \(s^{-d} = k\)를 만족하므로, 삼각형에서는 \(d = \log_2 3 \approx 1.585\)이다.
  5. 적용정사각형을 누르면 절반 크기 복사본 네 개가 틈 없이 정사각형을 채워 점이 고르게 퍼진다. 같은 꼭짓점 금지를 누르거나 여덟 점에서 2/3씩 옮기면 다시 구멍이 생긴다. 여덟 점에서 생기는 무늬가 시에르핀스키 카펫이다.
  6. 판단비율을 0.5보다 작게 하면 복사본이 서로 겹친다. 이때 차원 공식 \(\log k / \log(1/s)\)이 2를 넘어도 실제 무늬의 차원은 2를 넘을 수 없다. 공식은 복사본이 겹치지 않을 때만 맞다.

확인조건이 달라지면

삼각형에서 꼭짓점 쪽으로 남은 거리의 2/3만큼 옮기도록 바꾸면 무늬는 어떻게 됩니까?

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