大自然的几何 分形

来源:互联网 发布:民国期刊数据库子库 编辑:程序博客网 时间:2024/04/29 17:47

分形的英文是fractal,又美籍法国数学家曼德勃罗创造出来.

想想蜿蜒曲折的海岸线,起伏不定的山脉,粗糙不堪的断面.他们的特点是极不规则或者极不光滑,但是这些对象都可以用分形来模拟着描述.

  分形具有很明显的自相似性,比如cantor三分集

 

取一条长度为L的直线段,将它三等分,将中间的一段去掉.然后依次在生成的两个直线段上

执行类似操作.

这是个无穷递归的方式,直到无穷,这样就会生成无穷多个点.这些点的数目无穷多,但是长度为0,这种矛盾使19世纪数学家感到困惑.但它就是存在!这便是自相似的一个最简单的典型.

 

 

 

 

 

  分形还具有自仿射性.

  相对与自相似性的等比例自身变换来说,自仿射性就是不等比例的自身变换.

    (相似变换) 仿射变换

    

  原始图片         仿射变换              相似变换

分形还有一个很重要的特性.精细结构.

 

 

 

 

 

分形的测量.

  在了解分形的测量前要先了解分维.

  正方形是2维的,正方体是3维的而直线又是1维的,好象这就是我们了解的所有维数了,但实际上远不止这几种.

   如果测量用覆盖来操作,就是把一个实体覆盖标度的量来作为测量结果.例如,对一条直线段,我们如果用一个点去覆盖它,那么得到的结果是无穷大(因为这条直线段把标度的所有点都覆盖了).如果用一条直线去覆盖它可以得到一个有限的值,如果用一个平面去覆盖它可以得到0(因为一个直线段里面不含有任何平面).

点是0维的,线是1维的,面是2维的.因为直线段是1维的,所以我们用维数小于1的标度去覆盖它会得到无穷大,用维数大于1的标度测量他会得到0.只有用同维数的标度才可以得到有意义的结果.

那分数维数存在吗?

前面有一个cantor三分集的例子.为什么这个集合的长度是0,因为它的维数小于1,所以数学家不了解分形的话会觉得无限个点组成的图形长度不可能是0.但在1维情况下去度量它,它就是0.

那怎么样确定cantor三分集的维数呢?

先看看比较熟悉的正方形和正方体.

对于一个正方形,如果把边长变为原来的1/2那么原来正方形被分为四个.

对于一个正方体,如果把边长变为原来的1/2,那么原来正方体被分为八个.

 原来边长为现在K, 缩小边长后被分为N个原来的相似体,D为维数那么有

          N =  KD

 

 

 

 

 

  那么对于cantor三分集有

 

 

 

 

 

  D = log(K)N

 

 

 

 

 

  D = 0.6309( N = 2, K = 3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

原创粉丝点击