谁创立了分形几何学.docx

谁创立了分形几何学？ 1973年，曼德勃罗（B.B.Mandelbrot）在法兰西学院讲课时，首次提出了分维和分形几何的设想。分形（Fractal）一词，是曼德勃罗创造出来的，其原意具有不规则、支离破碎等意义，分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学。由于不规则现象在自然界是普遍存在的，因此分形几何又称为描述大自然的几何学。分形几何建立以后，很快就引起了许多学科的关注，这是由于它不仅在理论上，而且在实用上都具有重要价值。分形几何与传统几何相比有什么特点： 从整体上看，分形几何图形是处处不规则的。例如，海岸线和山川形状，从远距离观察，其形状是极不规则的。 在不同尺度上，图形的规则性又是相同的。上述的海岸线和山川形状，从近距离观察，其局部形状又和整体形态相似，它们从整体到局部，都是自相似的。当然，也有一些分形几何图形，它们并不完全是自相似的。其中一些是用来描述一般随即现象的，还有一些是用来描述混沌和非线性系统的。什么是分维？ 在欧氏空间中，人们习惯把空间看成三维的，平面或球面看成二维，而把直线或曲线看成一维。也可以梢加推广，认为点是零维的，还可以引入高维空间，但通常人们习惯于整数的维数。分形理论把维数视为分数，这类维数是物理学家在研究混沌吸引子等理论时需要引入的重要概念。为了定量地描述客观事物的“非规则”程度，1919年，数学家从测度的角度引入了维数概念，将维数从整数扩大到分数，从而突破了一般拓扑集维数为整数的界限。 分维的概念我们可以从两方面建立起来：一方面，我们首先画一个线段、正方形和立方体，它们的边长都是1。将它们的边长二等分，此时，原图的线度缩小为原来的1/2，而将原图等分为若干个相似的图形。其线段、正方形、立方体分别被等分为21、22和23个相似的子图形，其中的指数1、2、3，正好等于与图形相应的经验维数。一般说来，如果某图形是由把原图缩小为1/a的相似的b个图形所组成，有： aD=b, D=logb/loga的关系成立，则指数D称为相似性维数，D可以是整数，也可以是分数。另一方面，当我们画一根直线，如果我们用0维的点来量它，其结果为无穷大，因为直线中包含无穷多个点；如果我们用一块平面来量它，其结果是0，因为直线中不包含平面。那么，用怎样的尺度来量它才会得到有限值哪？看来只有用与其同维数的小线段来量它才会得到有限值，而这里直线的维数为1（大于0、小于2）。与此类似，如果我们画一个Koch曲线，其整体是一条无限长的线折叠而成，显然，用小直线段量，其结果是无穷大，而用平面量，其结果是0（此曲线中不包含平面），那么只有找一个与Koch曲线维数相同的尺子量它才会得到有限值，而这个维数显然大于1、小于2，那么只能是小数（即分数）了，所以存在分维。其实，Koch曲线的维数是1.2618。Fractal（分形）一词的由来 据曼德勃罗教授自己说，fractal一词是1975年夏天的一个寂静夜晚，他在冥思苦想之余偶翻他儿子的拉丁文字典时，突然想到的。此词源于拉丁文形容词fractus，对应的拉丁文动词是frangere（“破碎”、“产生无规碎片”）。此外与英文的fraction（“碎片”、“分数”）及fragment（“碎片”）具有相同的词根。在70年代中期以前，曼德勃罗一直使用英文fractional一词来表示他的分形思想。因此，取拉丁词之头，撷英文之尾的fractal，本意是不规则的、破碎的、分数的。曼德勃罗是想用此词来描述自然界中传统欧几里德几何学所不能描述的一大类复杂无规的几何对象。例如，弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉，粗糙不堪的断面，变幻无常的浮云，九曲回肠的河流，纵横交错的血管，令人眼花僚乱的满天繁星等。它们的特点是，极不规则或极不光滑。直观而粗略地说，这些对象都是分形。分形的定义 曼德勃罗曾经为分形下过两个定义： （1）满足下式条件 Dim(A)dim(A) 的集合A，称为分形集。其中，Dim(A)为集合A的Hausdoff维数（或分维数），dim(A)为其拓扑维数。一般说来，Dim(A)不是整数，而是分数。 （2）部分与整体以某种形式相似的形，称为分形。 然而，经过理论和应用的检验，人们发现这两个定义很难包括分形如此丰富的内容。实际上，对于什么是分形，到目前为止还不能给出一个确切的定义，正如生物学中对“生命”也没有严格明确的定义一样，人们通常是列出生命体的一系列特性来加以说明。对分形的定义也可同样的处理。 （i）分形集都具有任意小尺度下的比例细节，或者说它具有精细的结构。 （ii）分形集不能用传统的几何语言来描述，它既不是满足某些条件的点的轨迹，也不是某些简单方程的解集。 （iii）分形集具有某种自相似形式，可能是近似的自相似或者统计的自相似。 （iv）一般，分形集的“分形维数”，严格大于它相应的拓扑维数。 （v）在大多数令人感兴趣的情形下，分形集由非常简单的方法定义，可能以变换的迭代产生。 为什么要研究分形？ 首先，分形形态是自然界普遍存在的，研究分形，是探讨自然界的复杂事物的客观规律及其内在联系的需要，分形提供了新的概念和方法。 其次，分形具有广阔的应用前景，在分形的发展过程中，许多传统的科学难题，由于分形的引入而取得显著进展。 分形作为一种新的概念和方法，正在许多领域开展应用探索。80年代初国外开始的“分形热”经久不息。美国著名物理学家惠勒说过：今后谁不熟悉分形，谁就不能被称为科学上的文化人。分形几何是现代数学的一个崭新分支，目前“以其全新姿态和广泛的应用性，以及它带给人们思维的广阔的探索空间成为当今最富有吸引力的科学研究领域之一”，另外，分形内容具备了新世纪课程设计理念所要求的“具有现实性、趣味性、富有挑战性”。因此新课程标准与时俱进地将其列为渗透“数学文化”的极好素材。而怎样把分形几何带进中学课堂，以及如何实现与数学课程内容的整合成为当务之急。文1与文2已经作了有益的探索和尝试，不过文1 提供的让学生去“做”分形几何的方法，操作起来有点困难，“过程”不直观，而文2利用几何画板却收到了相当理想的效果。几何画板是一款优秀的数理软件，被称为“二十一世纪的动态几何”，其最大特色是动态性，并能在变动状态下保持不变的几何关系。借助这个操作平台，师生可以在动态过程中，十分直观地看到这个系统中存在的几何现象，发现、探索、研究数学规律，深化数学研究性学习。本文介绍笔者在课堂上利用几何画板研究分形几何的教学实践(本文适用于几何画板4.x版本)。 1 作分形树 1.1 构造原理： 画树干，再画两个数枝，注意与树干的角度是120，并且其长度是树干的12，继续在数枝上画小树枝，要求同上，不断重复上述步骤就可得所谓的分形树。 1.2 课件作法： 利用画线段工具(同时按Shift键)画一条水平方向的线段AC，在上面取点B，分别度量线段AC、AB的长度，然后计算|AC|AB|及trunc(|AC|AB|)(其作用是控制迭带深度的参数)； 用画线段工具画一条竖直线段DE(同时按Shift键)，双击点E标记为旋转中心。将点D旋转120得点F，再将点F旋转120得点G。分别将点F、G缩放12得到点F、G，连结线段EF、EG，隐藏点F、G； 选择点D、E和trunc(|AC|AB|)同时按下Shift键，选择菜单“变换”“带参数的迭代”，在弹出的迭代对话框中依次选择点G、E，按下“Ctrl+A”, 再依次选择点F、E，点击“迭代”即可； 这时只要轻轻拖动点B，就会惊奇地发现“长出” 树枝的动态过程, 参数值越大，分形树愈加“枝繁茂盛”。 分形树的示意图如下： 1.3 问题探究：(设分形级数为n，初始树高为1)新的树枝的数量(2n)；全部树枝的数量(2n+1-1)；新的树枝的长度(12n)；全部树枝的长度(n+1)；分形树的结构特征(自相似性和不依赖标度性)。 2 作雪花曲线(Kock曲线) 2.1 构造原理： 作一个等边三角形，三等分每一边，然后在此等边三角形的每一边上向外部作新的等边三角形，使得新的等边三角形的两个顶点正好落在原等边三角形的三等分点上，此时形成一个六角星，再在所得六角星的12条边上分别重复上述步骤，如此下去所得曲线称为雪花曲线。 2.2 课件作法： 任取两点A、B，双击点A标记为缩放中心，将点B分别以13和23为比例缩放得到点C和D； 双击点C标记为旋转中心，将点D旋转60得到点E. 然后依次选择点C、D、E，选择菜单“构造”“三角形内部”命令，构造三角形内部，并设置其颜色为蓝色； 新建一个参数以控制迭带深度，命名为迭带深度，取参数初始值为2； 选择点A、B和迭带深度，同时按住Shift键不放，然后选择菜单“变换”“带参数的迭代”命令，在弹出的迭代对话框中依次选择点D、B，按下“Ctrl+A”，再依次选择点E、D，重复上述步骤，再依次选择点A、C，建立新的映射，按“迭代”键退出； 选择所有对象，然后按工具箱中的“创建新工具”按钮，在弹出的对话框中将“工具名称”改为“雪花曲线的一边”(定义为其它名称也可)，按“确定”退出； 双击点B标记为旋转中心，将点A旋转60得到点F，选择工具箱中的“自定义工具”“雪花曲线的一边”工具，用鼠标选择点E、A和迭带深度；再用鼠标选择点E、A和迭带深度，单击工具箱中的“选择工具” 按钮。依次选择点A、B、F，然后选择菜单“构造” “三角形内部”命令，画出ABC的内部； 隐藏不必要的内容，改变迭带深度中的值可控制“生长”的次数(迭带深度=生长次数-1)，同时可直观地看到雪花 “加密”的“慢镜”，也能实现“慢镜回放”的效果。 雪花曲线的示意图如下： 我们可以用一个正方形将柯赫雪花完全围住，尽管雪花曲线的周长趋向于无穷大，但雪花曲线永远不会超出这个正方形)。 雪花曲线的结构特点(从图中可以看出：“雪花曲线”有许许多多的折点，到处都是尖端，用数学语言来讲，曲线虽然连续，但处处不可微，即没有切线，这是说明“连续并不一定可微”的经典例子)。 3 作谢尔品斯基(Sierpinski)地毯 3.1 构造原理： 将一个正方形九等分，然后挖去其中间的一个(称为一级正方形)；再将剩下的八个小正方形各自九等分后分别挖去其中间的一个小正方形(称为二级正方形)；重复上面的步骤，由此得到的图形(集合)称为谢尔品斯基地毯。 3.2 课件作法： 任意做一正方形ABCD，将各边及对角线三等分； 顺次连结对角线各三等分点，选择菜单“构造”“四边形 内部”命令，选定其颜色为黑色，然后度量其面积，以面积作为控制该正方形内部颜色变换的参数； 新建一个参数以控制迭带深度，命名为迭带深度，取参数初始值为3(不要太大)； 选择点A、B及迭带深度，同时按住Shift键不放，分别将点A、B映射到8个小正方形的相应顶点(注：每作完一次深度迭代后就按“Ctrl+A”键以增加新的映射)； 隐藏不必要的内容，改变迭带深度中的值可控制变换的次数，若拖动点B，则会发现五彩斑斓的谢尔品斯基地毯在变换。 谢尔品斯基地毯的示意图如下： 3.3 问题探究：(设分形级数为n，初始边长为1) 新的正方形的边长(13n)； 一个正方形的面积(19n)； 新正方形的个数(8n-1)； 被去掉的正方形的面积(18(89)n)； 被保留下的面积(89)n)； 当n+时，将如何变化(图形面积趋向于零，而曲线的长度趋于无穷大)； 图形的哪些部分将永远不会去掉(任何正方形的边将永远不会去掉)。 笔者的教学实践表明，利用几何画板研究分形几何“不仅拓宽了数学视野，接触到了数学发展的新领域，更主要的是体验和懂得了研究的过程，获得了研究的意识，形成了研究的思维，提高了创新能力”。事实上，大量的分形图都是由计算机运用迭代和递归方法获得的，我们不仅为分形几何在课程内容中找到了生长点，也为学生体会递归思想、掌握迭代方法提供了更广阔的空间。另外，课件设计中利用了“字符串替换算法”知识，“从内容上把算法融入到数学课程中，实现了信息技术与数学课程的有机整合”。因此，我们在感叹美伦绝幻的分形图形的同时，也体会到了分形理论和几何画板技术结合的威力。 参考文献： 1 史炳星.把分形几何带进中学生的课堂J. 数学通报2000,3 2 陈荣. 雪花曲线的初步研究J.中学数学教学参考 2002,5 3 吴振奎. 数学的创造M. 上海教育出版社 “本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文” 学习一下，分形欣赏（图片打开较慢哟）2007-11-11 11:13分形(Fractal)是它的创始人,美国数学家曼德勃罗教授(Professor Benoit Mandelbrot)于1975年夏天一个寂静的夜晚,在冥思苦想之余翻看儿子的拉丁文字典时想到的,其拉丁文的原意是产生无规则的碎片.分形几何的一个性质叫做自相似性.请看如下的几个图形,他叫做科赫雪花曲线,从它的任何一个局部经过放大,都可以得到一个和整体全等的图形. 另一种较复杂的分形图形称为朱利亚集,它是按照一定的数学原理在平面上构造的点集.朱利亚集具有异常美丽的形状,并且利用他可以模拟出山峰,云彩,湖泊等等自然景观,以下四个图形都是朱利亚集的图形.最千奇百怪的是曼德勃罗集,它的原始图形如下,从它出发,每一个细部都可以演绎出美丽无比的梦幻般的仙境似的图形.曼德勃罗集是人类有史以来做出的最奇异,最瑰丽的几何图形.这个点集均出自公式:Zn+1=Z2n+C,这是一个迭代公式,式中的变量都是复数.这是一个大千世界,从他出发可以产生无穷无尽美丽图案,他是曼德勃罗教授在二十世纪七十年代发现的.你看上图中,有的地方象日冕,有的地方象燃烧的火焰,只要你计算的点足够多,不管你把图案放大多少倍,都能显示出更加复杂的局部.这些局部既与整体不同,又有某种相似的地