数学欣赏市公开课获奖课件

1、埃舍尔埃舍尔de数学艺术欣赏第1页第1页 介 绍 埃舍尔把自己称为一个图形艺术家，他专门从事于木版画和平版画。1898年他出生在荷兰 Leeuwarden，全名叫 Maurits Cornelis Escher。他家庭设想他未来能跟随他父亲从事建筑事业，但是他在学校里那可怜成绩以及对于绘画和设计偏爱最后使得他从事图形艺术职业。他工作结果直到五十年代才被注意，1956年他举办了他第一次主要画展, 这个画展得到了时代杂志好评, 并且取得了世界范围名望。在他最热情赞美者之中不乏许多数学家, 他们认为在他作品中数学原则和思想得到了非同寻常形象化。由于这个荷兰艺术家没有受过中学以外正式数学训练，因而这一

2、点尤其令人赞叹。伴随他创作发展，他从他读到数学思想中取得了巨大灵感，他工作中经常直接用平面几何和射影几何结构，这使他作品深刻地反应了非欧几里德几何学精髓，下面我们将看到这一点。他也被悖论和不也许图形结构所迷住，并且使用了罗杰彭罗斯一个想法发展了许多吸引人艺术结果。这样, 对于学数学学生，埃舍尔工作围绕了两个辽阔区域：空间几何学和我们或许能够叫做空间逻辑学。第2页第2页 镶嵌图形 规则平面分割叫做镶嵌，镶嵌图形是完全没有重叠并且没有空隙封闭图形排列。普通来说, 构成一个镶嵌图形基本单元是多边形或类似常规形状, 比如经常在地板上使用方瓦。然而, 埃舍尔被每种镶嵌图形迷住了，无论是常规还是不规则;

3、并且对一个他称为metamorphoses（变形）形状尤其感兴趣，这其中图形互相改变影响，并且有时突破平面自由。他兴趣是从1936年开始，那年他旅行到了西班牙并且在Alhambra看到了当地使用瓦图案。他花了好几天勾画这些瓦面，过后宣称这些 是我所碰到最丰富灵感资源，1957年他写了一篇关于镶嵌图形文章，其中评论道：在数学领域，规则平面分割已从理论上研究过了. . . ，莫非这意味着它只是一个严格数学问题吗？按照我意见, 它不是。数学家们打开了通向一个辽阔领域大门，但是他们自己却从未进入该领域。从他们天性来看他们更感兴趣是打开这扇门方式，而不是门后面花园。 无论这对数学家是否公平, 有一点是真

4、实-他们指出了在所有常规多边形中，仅仅三角形，正方形，和正六边形能被用于镶嵌。但许多其它不规则多边形平铺后也能形成镶嵌，比如有许多镶嵌就使用了不规则五角星形状。埃舍尔在他镶嵌图形中利用了这些基本图案，他用几何学中反射、平滑反射、变换和旋转来取得更多改变图案。他也精心地使这些基本图案扭曲变形为动物、鸟和其它形状。这些改变不得不通过三次、四次甚至六次对称以便得到镶嵌图形。这样做效果既是惊人，又是美丽。 在 蜥蜴里，镶嵌而成蜥蜴嬉笑地逃离二维平面束缚到桌面放风, 然后又重新陷入本来图案。埃舍尔在许多六边形镶嵌图形中使用了这个图案模式。在 逐步展开1 中，能够追溯到这个方形镶嵌图形从边沿到中间不断扭曲

5、转化。 第3页第3页 在 蜥蜴里，镶嵌而成蜥蜴嬉笑地逃离二维平面束缚到桌面放风, 然后又重新陷入本来图案。埃舍尔在许多六边形镶嵌图形中使用了这个图案模式。第4页第4页在 逐步展开1 中，能够追溯到这个方形镶嵌图形从边沿到中间不断扭曲转化。 第5页第5页 豪华装饰草图第6页第6页循环 第7页第7页鸟分割平面 第8页第8页四个规则几何体（42k）规则几何体, 比如多面体，对埃舍尔而言含有特殊魅力。他把它们作为许多作品主题，并且在许多作品中作为第二主要元素出现。仅仅只有五种多面体被称为抱负多面体。四周体有四个三角形表面；正方体有六个正方形表面；八面体有八个三角形表面；十二面体有十二个五边形表面；而二

6、十面体有二十个三角形表面。在木版画四个常规几何体中，埃舍尔把抱负多面体中四个匀称地交叉了，并且使它们呈半透明状以便每个都能够透过其它得以辨认，请看漏了哪个？ 多面体 第9页第9页有许多有趣几何体能够通过抱负几何体交叉和星形化来取得，即几何体每一面都由表面为三角形金字塔形来替换，通过这种变换，多面体转变成了一个锋利, 三维星形几何体。在埃舍尔作品有序和无序中我们能够发觉.一个美丽星形十二面体，星形轮廓隐现在一个水晶球中，严谨结构美丽与在桌子上混乱摆放其它杂物形成了鲜明对比。注意一下还能够猜想到光起源，球面上反射出左上方有一个明亮窗口。 第10页第10页交叉几何体也经常出现在埃舍尔作品中, 其中最

7、有趣是一幅木版画星。这是一个由八面体、四周体、立方体和其它东西交叉构成几何体，我们不妨这样认为，假如埃舍尔简朴地画一些数学形状并且把它们放在一起，我们也许永远不也许听说他或他作品。相反, 通过将变色龙放置在多面体内并向我们嘲笑和恐吓构思，埃舍尔给了我们一个奇异视觉刺激，使我们对他画刮目相看。显然，数学家们对埃舍尔作品颇为赞赏另外原因就是所有伟大数学发觉背后都含有与此相同感性和创意。 第11页第11页空间形状 在埃舍尔用数学观点完毕所有主要作品中，最主要是处理空间性质那些。他木版画三个方向交叉平面是评论这些作品好例子, 由于它显示了艺术家对空间维度关怀，以及用二维方式表现三维能力。第12页第12

8、页受一位名叫H.S.M Coxeter数学家在一本书中绘画启发, 埃舍尔创造了许多美丽双曲线空间作品，比如木版画圆形限制III。这是非欧几里德几何学二种空间之一，在埃舍尔作品中它原型事实上源自法国数学家Poincar。要得到这个空间感觉，必须想象你事实上是在图像内部。当你从它中心走向图像边沿，你会象图像里鱼同样缩小, 从而到达你移动后实际位置，这似乎是无程度，而事实上你仍然在这个双曲线空间内部，你必须走无 限距离才干到达欧几里德空间边沿，这一点确实不是显而易见。然而, 假如你能仔细观测 话，你还能够注意到一些其它事情, 比如所有类似三角形都同样大小，以及你能画没有直边却有四个直角图形，这就是说

9、，这个空间没有任何正方形或矩形。这确实是一个奇怪地方！ 第13页第13页更不日常是木版画蛇所表现空间，在缠绕和缩小环表现下，空间既向边界也向中心延伸并且无穷无尽。假如你在这一空间里，你将是什么模样？第14页第14页除了欧几里德几何学和非欧几里德几何学，埃舍尔对拓扑学视觉效果也很感兴趣, 拓扑学是在他艺术创作鼎盛期发展起来一个数学分支。拓扑学关注空间那些扭曲后仍然不变性质，这种扭曲能够是拉长或弯曲，但不是撕裂或折断。拓扑学家们忙于向世界展示那些奇怪物体，莫比乌斯带也许是最主要例子，埃舍尔利用它创作了许多作品。它有一个令人感兴趣性质-它只有一条边和一个面。这样, 假如你在 莫比乌斯带II上跟踪蚂蚁

10、路径, 你将发觉它们不是在相反面上走，而是都走在一个面上。制作一个莫比乌斯带很容易; 只要用剪刀把纸剪成条状，将它扭曲180度, 然后用胶水或胶带粘住两头就能够了。假如你试图把这条东西纵向剪成两半，请你预想一下会发生什么情况？ 第15页第15页 另外一幅很著名平版画, 叫做艺术画廊，它摸索了空间逻辑与拓扑性质。一个年轻人在一个艺术画廊正看着海边小镇一角，在船坞边有一家小店，在店里面是一个艺术画廊及一个年轻人-他正朝着海边小镇一角望去. . . 但是等一下！发生了什么？埃舍尔所有作品都值得细细欣赏，但是这一次尤其尤其。某种程度上, 埃舍尔把空间由二维变成了三维, 使人感觉到那个年轻人同时既在画像

11、内又在画像外面。第16页第16页 达到这样效果秘密在艺术家创作这幅平版画格子草图中有所显现注意格子边框连续地按顺时针方向排列这一规律，并且尤其注意这个技巧关键：在中间一个洞。一个数学家将这叫做奇异点，一个空间结构不再保持完整地方，要将整个空间编织成一个无洞整体是非常困难，埃舍尔也宁可保持这种现实状况，并且把他商标initials放在了奇异点中心。 第17页第17页空间逻辑 这里所说空间逻辑是指物理中物体之间那些空间必要关系,在产生违反视觉悖论时，被叫做视错觉。所有艺术家都关怀空间逻辑，并且许多艺术家进一步地摸索了它规律，比如毕加索。埃舍尔知道：立体几何学决定了空间逻辑，同样地，空间逻辑也经常决

12、定其本身立体几何学。他经常使用空间逻辑特性之一是展示在凹面和凸面物体上光和阴影。在平版画有带子立方体中，带子上凹凸是我们觉察它们如何与立方体缠绕在一起视觉线索。然而, 假如我们相信我们眼睛，那么我们不能相信这带子！ 第18页第18页埃舍尔关怀另一个主要方面是透视。在任何透视画中，趋向消失点被选择用来代表无穷远。正是由于Alberti、Desargues以及其它一些人在文艺复兴时期对透视和趋向无限点研究直接造成了当代射影几何学出现。 通过一些不日常地消失点引导并迫使一幅作品基本元素去服从于它们，埃舍尔能够使作品上和下、高和低表现场景取决于观众观测它目光如何。在他名为高和低透视作品中，艺术家总共设

13、置了五个消失点：上方左边和右边，底部左方和右边，以及中心。其结果是：在作品下半部观众是在往上看, 但是在作品上半部，观众是在朝下看。为了强调他所取得成功，埃舍尔把上半部和下半部合成了一幅完整作品。 第19页第19页第20页第20页这种另类不也许绘画用二维图形表示并结构一个三维物体，它们主要依托人大脑通过视觉暗示来理解，埃舍尔创作了许多这种表现反常规图形作品。其中最吸引人一个创意源于一个叫罗杰彭罗斯数学家所提出不也许三角形。 第21页第21页在这幅名叫瀑布平版画中，两个彭罗斯三角形被结合成一个不也许形状。一个人假如明白空间逻辑对如此一个结构就必定会觉得不可思议：瀑布是一个封闭系统, 但它却能使作

14、坊车轮象一台永动机同样连续地转动，这就违反了能量守衡定律。（请注意一下在塔上交叉立方体和八面体。） 第22页第22页自我复制和信息科学 我们对埃舍尔艺术所作最终研究包含了其艺术与信息科学、人工智能关系，这在先前研究中被忽略了，不过这一点主要性被道格拉斯R霍夫施塔特细心发觉了，并写在他赢得1980普利策奖Gdel，Escher，Bach ：一条永恒金带一书中。埃舍尔表现一个关键概念是自我复制-这被许多人认为已经迫近了大脑知觉这个难题关键，而且至今计算机还不具备成功地模仿人类大脑处理信息能力。平版画 互绘双手和木版画鱼和规模用不同方法表现了这个思想。前者自我复制是直接，概念化。双手互绘对方，互绘方式就是意识思考和构建自己方式，神奇是，在这里自我和自我复制是连结在一起，也是相互同等。 第23页第23页另一方面, 在鱼和规模这幅画中，自我复制具有更大功能; 人们也许宁愿称之为自我相似。这样木板画描述就不仅是鱼，而是所有有机体。由于，尽管从物理角度来说，我们不是由微小自我复制建造起来, 但是，从信息理论角度说，我们确是以这样一种方式建立起来，由于我们身体上每一个细胞都以DNA形式携带了我们个体完整信息。 第24页第24页 在更深层次水平上，自我复制是一个我们认知世界互相反应和互相交错结果。我们每一个人都像一本书里正在读他（或她）自己故事