分形Fractal是个几何图像学术语。我们知道,空间是用来研究物体位置形状的,时间是研究事物变化运动的,而分形则是研究事物形状的复杂程度的。
下面我们来用Goc绘制一些看似复杂实则规律简单的分形图像。
康托三分集Cantor
1883年,德国数学家康托(G.Cantor)提出了如今广为人知的三分康托集,或称康托尔集。实际看起来就是下面这个样子:
看上去很无聊,但是你发现规律了吗?
- 先把一条长线三等分,去掉中间一份;
- 再把剩下的两个1/3线段每条都三等分,去掉中间的;
- 再把剩下的每个小线段三等分,去掉中间的
- ...
不断的往复循环继续下去。
怎么用Goc实现呢?似乎不能用for循环,因为每次for循环都是一样的啊,而这个每次分段是看似相同,却每次的长度都不同。
要使用函数递归。
递归
递归就是函数自己运行自己。
比如下面这个样子的
看看就好,不要运行它,会死机的。因为a会被反复加1,无穷无尽,永不停止,计算机会傻傻的运算下去,然后呢就崩溃了。
我们改动一下,只有a小于1000才继续(在大于等于1000的时候就停止运算):
绘制康托三分线段
因为动作是循环的,所以最关键就是编写三分再去掉中间这个算法:
运行后就能得到三分的两条断开的线。
注意draw函数其实是竖向画的,在main里面p.rt(90);把它整个右转变为水平方向。
这里只是画一次三分线,两个线段,但是我们注意到如果我们每次fd之后, 再用a/3重复draw函数,那么就可以画下面一级;所以我们需要把两个画线的p.fd(a)想办法用一个可以递归下去的函数替换掉。
接下来我们来看下面神奇的代码:
运行这个代码就得到了康托三分线段图:
我们来仔细分析这个代码:
fdAndRun函数很奇怪,小括号带了一个a参数,后面还有一个int (*draw)(float),这也是个参数!它是一个函数参数,传递进来我们才能在下面draw(a/3);呼叫它。
要把函数作为一个参数传递,必须使用下面的格式
我们要传递的draw函数是int draw(float a){...},只有a一个参数,所以变为int (*draw)(float)传递进fdAndRun函数。
这样,我们就能在fdAndRun里面呼叫draw函数draw(a/3);然后注意draw里面,原来两个画线的p.fd被替换成了fdAndRun前进或递归运行。
这样我们就形成了递归循环!
draw呼叫fdAndRun,fdAndRun再呼叫draw,两个函数互相呼叫不停,直到a不大于3,fdAndRun就不再呼叫draw了,也就停下来了。
注意fdAndRun里面的代码,
- 先fd把当前线画出来
- if如果大于3,那么准备下一级
- 因为上面画线已经移动了,所以bk回来
- 然后下移10
- 用三分之一长度a/3呼叫draw
- 向上移动10复位!这很重要!
科赫曲线Koch
这条曲线是瑞典数学家海里格·冯·科赫(Niels Fabian Helge von Koch)在100多年前发现的。
我们把它的复杂度一层层降低
发现规律!每条线段不断递归成这个倒V字形就得到了最上面的复杂曲线!
看下面的代码,他可以生成最基础4条线的V造型:
然后我们来添加一个前进画线或者递归的fdOrRun函数,这次稍有不同,画线或者进入下一级(刚才三分线是画线并且进入下一级):
下面的雪花形状只是把它旋转并重复的结果:
需要调整部分的代码:
谢尔宾斯基三角形Sierpinski triangle
如果我们把它一步步简化下去就看到,其实是不断把三角形分为三个堆叠的内部三角形:
下面是它的代码:
分形树
看起来很复杂,但实际上只是一个Y字形分叉反复递归迭代而成的,圆点代表在这里生长下一级:
它的实现代码是:
在这里使用rand()方法获得随机的变化;
可以认为rand()是一个0到无穷大的数值,
rand%100表示它除以100的余数,就是0~100中的某个数字;
rand()%100/100.0就是一个1%~100%的小数,也就是0~1.0之间的小数,
rand()%100/100*10表示它再乘以10就是0~10.0之间的小数。
摇曳的树枝
它的基本单元如下,五个圆圈表示在这里进入下一级。
它的代码如下:
//画一个小枝直线,或者进入下一级
int doOrRun(float a,float j,int b,int (*fn)(float,float,int)){
if(a>30){
fn(a,j,b);
}else{
p.fd(a).bk(a);
}
}
//a竖直长度,jiao左右分开的度数,b左右摇摆的角度
int draw(float a,float jiao,int b){
float x=0.8;
float a2=a*0.4;
float j=jiao*0.7;
p.rt(b).fd(a*0.35);
p.rt(j).fd(a2);
doOrRun(a2,j,b,draw);//左下生长点
p.bk(a2).lt(j*2).fd(a2);
doOrRun(a2,j,b,draw);//右下生长点
p.bk(a2).rt(j);
p.fd(a*0.65);
doOrRun(a*0.8,j,b,draw);//中间顶部生长点,0.8使它更长
p.rt(j).fd(a2);
doOrRun(a2,j,b,draw);//左上生长点
p.bk(a2).lt(j*2).fd(a2);
doOrRun(a2,j,b,draw);//右上生长点
p.bk(a2).rt(j);
p.bk(a).lt(b);//复位
}
int main(){
int b=0;
for(int i=0;i<1000;i++){
p.cls();
p.move(0,-200);
draw(100,60,sin(i/6.00)*20);
wait(0.1);
}
}
注意main函数里面,使用了sin(i/6.00)*20
这个方法,它得到一个波浪起伏的循环数字,形状类似0,1,2,3,...18,19,20,19,18,17,...3,2,1,0,1,2,3... ...
你可以用下面的代码测试这个数字
int main()
{
for(int i=0;i<100;i++){
p.move(i*5,sin(i/6.0)*50);
p.o(2);
}
return 0;
}
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