分形之美-复杂背后的简单规则

好久不见,今天来聊聊自然之美

人类不断创造和改变着世界,

观察下我们的周围,我们生活的城市中,身边的建筑和各种随处可见的物品。

他们大多数由三角形,圆形,直线这些完美的基本几何图形构成。

人类的创造无处不凸现着“秩序之美”,这些美是那么的平滑,那么的整齐。


基本几何图形组成的城市


基本几何图形组成的机械结构

但是当回过头看看大自然中国年的美。

其中呈现了更多的“无序和混乱”,

显得那么无法预测。


盘旋的山峦


汹涌的海浪


翻滚的云

在惊叹于大自然的鬼斧神工后,人类也在不断思考着:

大自然复杂的背后是否有规可循?

分形,就是答案。


什么是分形

分形的定义

一个粗糙或零碎的几何形状,可以分成数个部分,且每一部分都(至少近似地)是整体缩小后的形状

结合这个定义,我们一起看一个经典的分形图案。

无论我们取得这个图形边界的每一个图形,然后不断的放大后。

我们无法分辨当前到底处于整个图形的哪个位置。

也就是说:当你放大和缩小,事物看起来都是一样的。

这参差不齐,不断重复的形态被成为分形。

分形的整体看上去恰恰像他的一个部分,而这一部分又和更小的一部分相似,这种相似的模式始终保持着。

这种每一部分都相似的模式,我们称其为自相似性。


自相似性是指:分形对象的局部经过放大后与整体相似,或者整体经过缩小后可以和局部重合的一种性质。


自然界中的分形

人们最熟悉的例子就是树,我们看到的树是下面的样子

按照图形化表示后类似于下面的样子

放大上面的图形到局部,我们会发现和整棵树看起来非常的像

整体的西兰花
局部放大的西兰花

分形的结构也遍布着人的身体,我们的整个血管系统,就是分形结构。

人体血管中的分形


大脑神经元的分形


利用分形模拟一切

虽然分形一直在我们的身边,在我们的体内随处可见。

但是直到1970年,才由数学家曼德勃罗(Mandelbrot)发现并提出这个概念。

分形的发现意味着我们可以利用计算机来模拟复杂的大自然


科学中的分形

在计算机图形领域,在此之前,我们无法会绘制出带有丰富细节图像。

因为大自然的一切都看起来是那么的复杂,但是当我们发现了大自然遵循的分形模式之后,我们可以将其用数学工时表现出来。

就像下图一样,我们先分割大的三角形,然后在每一个三角形内不断分化小的三角形,不断重复。

最终我们就能够得到非常逼真的大自然。

从基本图形不断重复,得到复杂的地表

分形模拟大自然


从基本图形出发得到复杂的雪花

以及现在发在的电影工业中,处处都有分形的身影。


科幻大片的离不开分形的算法

以上的举例只是很小的一部分,分形还被应用在生物学,物理学等等各种基础学科之中。


艺术中的分形

抽象表现主义画家 杰克逊·波洛克(1912-1956)的作品中有很多的分形表达,比如下面这副世界上售价最高的作品。

《第五号,1948》1.4亿美元的世界最高拍卖价

《第五号,1948》

在波洛克死后,分形的概念才被发现,数学家发现波洛克的作品中页符合分形的规则。

左边森林照片和波洛克绘画的剪影结构。

波洛克画的其实就是大自然,是分枝错桠的树,是片片雪花,也是层层波浪。同时人眼睛的运动轨迹也是无规律的,遵循着分形的规则。

这也是为什么像《第五号》这样的抽象作品能给我们带来美感的科学解释。


白叔说

希望今天关于分形的介绍能让你在:

爬上山川叹山峦壮阔时;

走在海边看浪恬波静时;

望向天空看云卷云舒时;

或者其他任何场景感叹大自然美好的时候,

看到复杂背后的另一层简单的美。

这里安利一下:

    1. PBS纪录片《寻找隐藏的维度》https://www.bilibili.com/video/av13766486?from=search&seid=12079093804951016896

    2. 波洛克的传记片(上面画的作者)波洛克 (豆瓣)

公众号:《白叔的世界》

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 216,163评论 6 498
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 92,301评论 3 392
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 162,089评论 0 352
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 58,093评论 1 292
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 67,110评论 6 388
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 51,079评论 1 295
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 40,005评论 3 417
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 38,840评论 0 273
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 45,278评论 1 310
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 37,497评论 2 332
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 39,667评论 1 348
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 35,394评论 5 343
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 40,980评论 3 325
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 31,628评论 0 21
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 32,796评论 1 268
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 47,649评论 2 368
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 44,548评论 2 352

推荐阅读更多精彩内容