「分形」 - 一种新的世界观之三

先回到数学界,来检视数学家们是如何看待和认识分形的:


最早的分形应当是可以起源于康托尔集。

小时候读过有关数学的书籍,觉得康托尔本人对于无穷集合的研究非常有趣。


在此首先来构建一个康托尔集:

取一段线段,三等份,取走中间的那一段。

再把余下的线段三等份,继续取走中间的那一部分。

明显的,我们可以知道,取走第一段的时剩下2条线段。

第二次取走之后变为四条线段。

第三次取走之后变为八条线段。

……

第n此取走之后余下的部分就是2^n条。


下图是构建康托集的前六个步骤:

这个集合的自相似性体现在当我们放大其中的一小段的时候,会发现它和这个集合本身的模样是十分类似的。

当然,也可以在二维和三维中来构建康托集。




康托尔集有一个神奇之处在于如果我们尝试来计算其长度,那么其长度为0, 因为如果我们来计算取走部分的长度:



以上康托尔集合是通过取走的方式来构建分形。(记得康托尔?曾用这个集合来说明神的存在?)。

与康托尔集类似通过取走构建分形的结构还包括:


谢尔宾斯基三角形

1.取一个实心的三角形。(多数使用等边三角形)

2.沿三边中点的连线,将它分成四个小三角形。

3.去掉中间的那一个小三角形。

4.对其余三个小三角形重复1。


考察一下三角形的个数:

图0中仅有1个三角形。

图1有3个三角形。

图2中有9个三角形。

图3中有27个三角形。

我们知道,如果继续构建,那么我们的图n中将会有3^n个三角形。


再用同样的方法来构建一张谢尔宾斯基地毯:



如果考察剩下的小正方形的个数的话:

正方形的个数是呈一个指数增加的状况。

第n个图中正方形个数c为: c=8^n


三维化刚刚的三角形和地毯:



将一个四面体缩小到它一半的高度,然后再将四个同样大小的四面体角对角的放着,不断的重复这个过程。

我们可以看到当讲这个四面体做的越来越小,越来越多的时候,这个四面体的体积会趋近于0.

但是它的表面积呢?

虽然经过一次变换,四面体的边长将会变小,但是,四面体的个数也会增加。

通过稍许的计算可以得出它的表面积是不变的。经过无数次的变换之后,当体积趋近于0时,表面积依旧不变,很妙。


考察三维化的正方体,又称门格海绵,可以用以下方法形象化:

从一个正方体开始。(第一个图像)

把正方体的每一个面分成9个正方形。这将把正方体分成27个小正方体,像魔方一样。

把每一面的中间的正方体去掉,把最中心的正方体也去掉,留下20个正方体(第二个图像)。

把每一个留下的小正方体都重复第1-3个步骤。

把以上的步骤重复无穷多次以后,得到的图形就是门格海绵。



这个能够看出来,当这个正方体的体积趋近于0时,其表面积则变为无穷大(∞)。亦很妙。


其实这些数学分形的性质也跟之前的自然分形很多性质相呼应。

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以上内容摘抄,总结,拼凑于wikipedia以及各种分形初等读物。

这篇都是数学题啊。

关于康托尔的一点介绍wikipedia:

康托尔的后半生受到躁鬱症的严重影响工作,他不得不经常入院治疗。根据后来他发表的论文推测,他患的可能是躁郁症。他曾写了一篇验证1000以下的歌德巴赫猜想的论文,其实几十年前已经有人验证到了10000。他又发表了几篇文学方面的论文,试图证明弗蘭西斯·培根其实是莎士比亚作品的真正作者。以及神学方面的论文,企图证明绝对无穷的概念即是上帝。第一次世界大战期间,他陷于赤贫状态,最后死于哈雷大學的精神病院。

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