维度探索之二:天辰手机app分形之美


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令人目眩的万花筒,螺旋纹路的西兰花,天辰手机app它们之间存在什么相似之处?

我们说“一花一世界,一树一菩提”,说的是以小见大,从细微之处洞察宏观的哲学思考,而“一即是全,全即是一”,是我能想到的对分形最传神的表达。无数自然景物中都存在这样一个特点,你越是仔细去看,放大观察,就能发现越多的细节,放大镜下的世界,不仅没有变得单调乏味,反而显现出和正常尺度下相似的复杂性。想一想,如果有这么一样东西,不管你怎么放大它,看到的都是相似图案的循环,在放大10000倍的一个角落里,居然出现了和整个物体相同的花纹,这是多么美妙的图案!实际上,这就是完美分形的概念。

分形(Fractal)和物体的自相似性有很大联系。生活里面,我们发现许多自然生成的东西往往有极其复杂的细节,而且组成它们的微小部分就好像是整体的缩小版,它们在各个尺度上的复杂程度都很相似。蜿蜒的海岸线,发散的树枝,海螺的断面,这些都是自然生成的自相似图形,它们可能还不那么完美,但是一旦我们进入到理想世界,就可以构造出各种各样的完美分形。

数学里的分形可以说是从康托尔集(Cantor Set)开始的。取一个线段,把它中间的1/3去掉得到两个分开的线段,再对剩下的两段进行相同的操作,得到4个线段,这样重复进行下去直到无穷,最后得到的图形集合就是康托尔集。

这样我们就用一个看似简单的步骤得到了一个无限复杂的图形,天辰手机版下载而且它的每一个细节放大之后都和整体看起来一样,这不是很神奇很有趣的一件事吗!

类似地,我们来看看科克曲线(Koch snowflake)的构造过程。从一个正三角形开始,在它的每个边上增加一个1/3大小的小三角,它就变成了一个六角星,接着在每个小三角的边上继续增加它的1/3大小的小三角,然后一直重复这个过程。

如果说康托尔集只是最平淡的分形作品,那么科克曲线终于让我们领略到了分形之美,总体看来它是一个雪花的形状,放大之后,你会发现它的细节就是本身形状的无数次复制,没有穷尽。聪明的你一定也发现了,这样一个图案会有非常奇怪的特性:它的周长是无限大,面积却不可能超过六角星的外接圆,它是一个无限复杂的封闭曲线,但绝不会和自己相交。

基于这些特性,著名数学家Mandelbrot联想到了一个困扰了人们很多年的问题:英国的海岸线究竟有多长?以此为题,他在科学杂志上发表了对这一问题的深入探讨,我们之所以测不准海岸线的长度,是因为海岸线就是一个天然的分形,你测量的尺子越精细,得到的长度就会越长,随着放大倍数的增大,海岸线呈现出来的细节也就越多。

最后我们来看一看这个以他的名字命名的Mandelbrot集合,这个集合在平面上绘制出来就是一个奇异的分型图案,它集非常简单的产生公式和无限复杂的图像为一体,是的,它就是这样的一个怪物,所以曾被人们誉为“上帝的指纹”。
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