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〖趣味数学〗分形是什么

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分形是什么
数千年以来,我们涉及的和研究的主要是欧氏几何。欧氏几何主要是基于中小尺度上,点线、面之间的关系,这种观念与特定时期人类的实践认识水平是相适应的,有什么样的认识水平就有什么样的几何学。当人们全神贯注于机械运动时,头脑中的图象多是一些圆锥曲线、线段组合,受认识主客体的限制,欧氏几何具有很强的“人为”特征。这样说并非要否定欧氏几何的辉煌历史,只是我们应当认识到欧氏几何是人们认识、把握客观世界的一种工具、但不是唯一的工具。 

进入20世纪以后,科学的发展极为迅速。特别是二战以后,大量的新理论、新技术以及新的研究领域不断涌现,同以往相比,人们对物质世界以及人类社会的看法有了很大的不同。其结果是,有些研究对象已经很难用欧氏几何来描述了,如对植物形态的描述,对晶体裂痕的研究,等等。

美国数学家B, Mandelbrot曾出这样一个著名的问题:英格兰的海岸线到底有多长?这个问题在数学上可以理解为:用折线段拟合任意不规则的连续曲线是否一定有效?这个问题的提出实际上是对以欧氏几何为核心的传统几何的挑战。





实际上,数学家们很早就认识到,有的曲线不能用欧式几何与微积分研究其长度。但那时解决办法是讨论具备什么条件的曲线有长度。而没有长度的曲线就没有深入研究。

此外,在湍流的研究。自然画面的描述等方面,人们发现传统几何依然是无能为力的。因此就产生一种新的能够更好地描述自然图形的几何学,就是分形几何。 




1楼2006-08-08 15:13回复
    下面是Kohn(克赫)曲线


    2楼2006-08-08 15:14
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      .


      3楼2006-08-08 15:16
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        谢宾斯奇 (W.Sierpinski,1882-1969)构造了谢氏曲线、地毯、海绵


        4楼2006-08-08 15:17
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          皮亚诺(peano)曲


          5楼2006-08-08 15:17
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            关于分形 
             
             分形诞生在以多种概念和方法相互冲击和融合为特征的当代。分形混沌之旋风,横扫数学、理化、生物、大气、海洋以至社会学科,在音乐、美术间也产生了一定的影响 
             
            分形所呈现的无穷玄机和美感引发人们去探索。即使您不懂得其中深奥的数学哲理,也会为之感动 
             
            分形使人们觉悟到科学与艺术的融合,数学与艺术审美上的统一,使昨日枯燥的数学不再仅仅是抽象的哲理,而是具体的感受;不再仅仅是揭示一类存在,而是一种艺术创作,分形搭起了科学与艺术的桥梁 
             
            “分形艺术”与普通“电脑绘画”不同。普通的“电脑绘画”概念是用电脑为工具从事美术创作,创作者要有很深的美术功底。而“分形艺术”是纯数学产物,创作者要有很深的数学功底,此外还要有熟练的编程技能 
             
             
             我认为这些分形图像有如下用途 
             
             1、工业图案素材
            2、制作成各种尺寸的精美装饰画(最好用卡纸装裱),用高科技艺术点缀人们的现代生活环境
            3、分形时装肯定新奇
            4、应用于印染行业,大有作为
            5、用作包装材料图案,效果新颖,能卖个好价钱
            6、可以制作成各种尺寸的分形挂历、台历、贺卡、书签
            7、装点科技馆、少年宫、旅游景点等,美化公众环境 
             
             我们的愿望 
             
             希望人们喜欢我们的分形艺术
            希望人们接受现代的科技、艺术相融合这一现实
            希望人们对这个奇妙的世界有所了解
            谢谢


            7楼2006-08-08 16:27
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              很有趣啊
              有时间一定学


              8楼2006-10-08 22:26
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                分形,更加令人神往的天地
                任景业

                我们知道,点是0维的,线是1维的,面是2维的,体是3维的 。这里的0,1,2,3都是自然数。自然数是无穷的,还有4,5,6,…。数,除了自然数外,还有分数,无理数,…那么,相应的,更高维(4,5,6,…)的数学空间是什么样子?维数是分数时,是无理数时,又会是什么样子呢?数学总是在寻找隐藏在事物背后的联系和模式,这些维数之间又是靠什么为纽带联系在一起的呢?
                诸多疑问的触发,是在我知道分形几何之后。
                一、 分形的提出
                1967年芒德勃罗(B.B.Mandelbort)在美国的《科学》杂志上发表了两页多一点的报告《英国海岸线有多长?统计自相似与分数维》,文章首次提出分数维和分形的概念,指出:蜿蜒曲折的一段海岸线,无论您怎样放大它的局部,它总是曲折而不光滑,每一个大湾中都有小湾和小岬,那些小湾和小岬中又有更小的湾和岬;把这些湾和岬放大后会与原来的海岸线仍然相似。正由于海岸线使一个无穷嵌套的自相似结构,当你用一米的尺子沿海岸测量,可以得出一个近似的长度,但此时,你已经把小于一米的曲曲弯弯部分忽略掉了;如果改用一厘米的尺去量,一些小的曲折将被计入,得到的海岸线将会增长。随着测度标尺的变小,海岸线的长度会不断加长,永远不会收敛于一个极限数值;海岸线这个曲线得维数不是我们习惯的整数,从而提出了分数维的概念。

                二、 自相似
                某些事物局部与整体在形态、功能、信息、时间、空间等方面具有自相似的层次结构,这是分形几何学的基本思想。相似与自相似,我们并不陌生,生活中我们也有这方面的经验。
                一棵树的树干分为两枝时,每一枝看上去都像一棵完整的树。这是形状上的相似。
                把一块磁铁断开,断开的小磁铁仍然像整体一样具有相同的磁场,继续不断地分割下去,每一小部分都具有和整体磁铁相同的南北两极。这是物理性质上的自相似。
                ……
                民间的歌谣和文学中的描述也不乏自相似的例子。
                J.斯韦夫特(J.Swift1667~1745)的《格列佛游记》中就有一首打油诗: 
                “博物学家看仔细,
                大蚤身上小蚤栖;
                更有微蚤叮小蚤,
                递相啮噬无尽期。”
                当然,这里的相似和自相似并不是数学中的严格概念,而是统计的或者说是近似的、并且只是在一定范围内的、广泛意义上的相似和自相似。
                在数学中,如果一个几何图形的组成部分与图形整体之间有某种相似性,就称为 “自相似”。这种自相似的层次结构,适当的放大或缩小几何尺寸,整个结构不变。见图1。
                 
                实际上,数学界对分形现象的关注,由来已久。
                1872年,康托(G.Cantor)曾构造了一个奇异的集合——康托集。如图2,将一线段三等分,取走中间的一段,保留两侧的两段;将留下的两段再三等分,并取走他们的中间一段,保留两侧的其余两段;照此继续。留下的线段会愈来愈多,而其长度则愈来愈短,最终就将线段分割成了长度为无限短的无穷多个点,这些点组成的集合就是三分康托点集。
                 
                1906年,数学家科赫(H.von Koch)提出了如何构造能够描述雪花的曲线,如图3。
                 
                1915年,波兰数学家希尔彬斯基(Sierpinski)构造了一批千疮百孔的平面与立体图形,人们分别称之为希尔彬斯基垫片、地毯及海绵等。
                希尔彬斯基的垫片的构造方法如图4所示。
                 
                希尔彬斯基地毯和希尔彬斯基海绵的构造方法,如图5所示。我们不难想象他们的构造过程。
                 
                显然,上面这些图形都具有自相似性。正是对这些现实中和数学上自相似图形的研究,1977年芒德勃罗出版了《分形对象:形、机遇与维数》,1982年出版了《自然界的形几何学》,完整地给出了“分形”和“分数维”的概念,同时提出了分数维数的定义和算法。——数学的一个新的分支诞生了。
                那么,什么是分数维数呢?

                三、 分数维
                我们先考虑几个最简单的几何图形。
                取一个长度为单位长的线段,把它加倍,则加倍后的长度2,也就是21。
                


                9楼2006-10-19 03:00
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                  • 219.136.223.*
                  分形几何有重大误解:将折线与曲线混为一谈
                  黄小宁(通讯:广州市华南师大南区9-303  邮编510631)
                      曲线(弧线)与折线是有根本区别的。若有人说正方形、☆及其它多边
                  (角)形闭折线(没有文献将这类图像称为闭曲线)是闭曲线,就一定会被
                  人们认为是缺乏起码数学常识而将曲线与折线混为一谈。弧上的任意两异点的连线(直线段)无论如何短都不能是弧的一部分,而折线就不具此性质。
                  [1][2]指出分形几何中的“柯赫雪花”是等边无穷多边(角)形,即是
                  闭折线而非闭曲线。不少编书者都有此清醒的认识,例如科普大师 约翰•葛
                  瑞本一眼看出:“...就会得到由无限小的V形棱角所构成的柯克曲线,[3]”
                  又例如“...,按上述方法生成的雪花呈多角形,... [4]”。
                  不少人(包括分形几何之父)不知道这一真相,反映其还未真正认识这
                  类图像的“庐山真面目”,对这类图像的认识有重大误解。
                  这就使人很自然地误以为“分形几何学上的V形棱角构成圆弧”
                  http://www.sciencenet.cn/bbs/showpost.aspx?id=49158)。其实V形棱
                  角是绝对不能构成弧线的。同理,数学史上的“存在连续但没有切线的曲线”
                  是有类似的重大误解。
                  关键是[1][2][5]证明了 {1/3n }有末项。
                  参考文献
                  [1]黄小宁,百年集论使人犯极荒唐常识错误:0-1010=0 ——再论形如
                  {1,2,3,…,n,…}一般都有末项 [J],科技信息,2009(1)。
                  [2]黄小宁,百年集论确是“疾病”之理由——试议著名数学家庞加莱百
                  年前的预见[J],科学中国人,2009(4)。
                  [3]约翰•葛瑞本著,张宪润译,深奥的简洁[M],湖南科技出版社,
                  2008.10:091。
                  [4]孙丽华、张魁元主编,工科数学基础(第2版)上册[M],高等教育
                  出版社,2004.12:56. 
                  [5]黄小宁,驱5千年迷雾现统治数学的集论百年病魔原形——破解2500
                  年芝诺著名运动世界难题[J],今日科苑,2009(16):267.
                  电联:13178840497,
                  E-mail:hxl268@163.com(hxl中的l是英文字母)


                  11楼2009-09-30 14:22
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