Definition of fractal topography to essential understanding of scale-invariance

缺陷 分形 尺度不变性 网络的分形维数 分形维数 分形景观 缩放比例 分形导数 分形分析 数学 多重分形系统 Minkowski–Boul尺寸 赫斯特指数 不变(物理) 比例(比率) 统计物理学 数学分析 几何学 物理 统计 数学物理 量子力学
作者
Yi Jin,Ying Wu,Hui Li,Mengyu Zhao,Jienan Pan
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:7 (1): 46672-46672 被引量:66
标识
DOI:10.1038/srep46672
摘要

Abstract Fractal behavior is scale-invariant and widely characterized by fractal dimension. However, the cor-respondence between them is that fractal behavior uniquely determines a fractal dimension while a fractal dimension can be related to many possible fractal behaviors. Therefore, fractal behavior is independent of the fractal generator and its geometries, spatial pattern, and statistical properties in addition to scale. To mathematically describe fractal behavior, we propose a novel concept of fractal topography defined by two scale-invariant parameters, scaling lacunarity ( P ) and scaling coverage ( F ). The scaling lacunarity is defined as the scale ratio between two successive fractal generators, whereas the scaling coverage is defined as the number ratio between them. Consequently, a strictly scale-invariant definition for self-similar fractals can be derived as D = log F /log P . To reflect the direction-dependence of fractal behaviors, we introduce another parameter H xy , a general Hurst exponent, which is analytically expressed by H xy = log P x /log P y where P x and P y are the scaling lacunarities in the x and y directions, respectively. Thus, a unified definition of fractal dimension is proposed for arbitrary self-similar and self-affine fractals by averaging the fractal dimensions of all directions in a d -dimensional space, which "Equation missing" . Our definitions provide a theoretical, mechanistic basis for understanding the essentials of the scale-invariant property that reduces the complexity of modeling fractals.
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