第五百七十三章 Mandelbrot分形世界(分形)_數學心_思兔 
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第五百七十三章 Mandelbrot分形世界(分形)(1 / 1)

歐式幾何一直是人類認識自然物體形狀的有力工具,還是各種學科理論的基礎。

1883年,康托爾引入了如今廣為人知的康托爾集,也稱為三分集。雖然康托爾集很容易構造,還是個測度為0的集,也就是它的函數圖像麵積為0,但它具備很多最典型的分形特征,因此康托爾始終無法解決。

目前分形幾何的特征有在任意小的尺度上都能有精細的結構;太不規則;(至少是大略或任意地)自相似,豪斯多夫維數會大於拓撲維數(但在空間填充曲線如希爾伯特曲線中為例外);有著簡單的遞歸定義。

1895年,在大部分數學家認為除了少數特殊的點以外,連續的函數曲線在每一點上總會有斜率的情況下,魏爾斯特拉斯提出了第一個分形函數“魏爾斯特拉斯函數”,並憑借函數曲線特點“處處連續,處處不可微”證明了所謂的“病態”函數的存在性。

1906年,科赫在論文《關於一條連續而無切線,可由初等幾何構作的曲線》中提到了一種像雪花的幾何曲線,而這個雪花曲線就是derha曲線的特例科赫曲線。

1914年,波蘭數學家謝爾賓斯基利用等邊三角形進行分形構造,提出了謝爾賓斯基三角形;兩年後,利用正方形進行分形構造提出了謝爾賓斯基地毯。

之後的59年間,陸續有人研究出相關的分形情況,但始終都沒有人能夠消滅這些數學怪物,直到“分形學之父”benoitandel

ot(本華·曼德博,又譯為芒德布羅)誤打誤撞發現了一隻臭蟲,誕生了真正屬於自然界的幾何學——分形幾何,才徹底解決。

1961年,在ib擔任研究員的andel

ot收到了解決阻止信號傳輸的白噪聲的任務。雖然任務相當簡單,但是andel

ot被要求新的解決方案,因此他隻好借助自身擅長可視化思考問題的優勢來探索解決方法。

於是在從形狀上觀察白噪聲的時候,andel

ot發現白噪聲轉換而成的擾動圖形揭示了一種奇怪的特征無論圖形的比例是多大,無論數據代表的時長是多少,擾動模式基本一致。

這很奇怪,誰能告訴我為什麼

這個奇怪的特征讓andel

ot甚是苦惱,不過他有個好叔叔。因為他的叔叔佐列姆·芒德勃羅伊(szoleastonjulia)建立的迭代理論和公式zz2+c。

公式采用變量z和參數c,映射了複平麵上的數值。其中x軸測量複數的實數部分,而y軸測量複數的虛數部分。

而正是因為這個建議,在借助ib家的高性能計算機的情況下,andel

ot通過迭代對數字進行了成千上萬次的運算和處理,最終成功繪製輸出值的圖形—一個形似臭蟲的圖形。

迭代是重複反饋過程的活動,其目的通常是為了逼近所需目標或結果。每一次對過程的重複稱為一次“迭代”,而每一次迭代得到的結果會作為下一次迭代的初始值。

沒錯,這就是那隻臭蟲

圖形的成功繪製並沒有讓andel

ot過於興奮,因為他在細心觀察後發現這隻臭蟲的小觸角跟大觸角的形狀是一樣的,但是結構並不完全一樣,每一個小觸角比前一個觸角更為複雜。也就是說全部觸角的形狀都很相似,但是細節存在不同之處。

andel

ot對此甚感興趣,進行深入研究後得出細節的特異性僅限於計算等式所用的機器的能力,而形狀的相似可以永遠持續下去—無限地揭示越來越多的細節。隨後,andel

ot就覺察出自己無意中有了能夠震驚數學界的發現—一種新的幾何學。

對於這類重複的或者自身相似的數學圖形,andel

ot在1975年提出了“分形”,緊接著在1967年,他發表了題為《英國的海岸線有多長》的劃時代論文,萌生出分形思想。

直到1982年出版的《大自然的分形幾何》(第二版)才讓分形幾何徹底走進公眾的視野,而通過描述樹,andel

ot指出了分形幾何適用於自然物質。

進入了主流數學研究範疇,幫助數學家們徹底解決了困擾著大家n年的數學怪物,還對非負實數維數進行研究,形成分形理論,並應用於多個領域。

分形幾何無處不在,離我們最近的要數身體中的生理過程了。

在過去很長時間裡,科學家們一直認為人類的心臟是以規則的線性形式跳動,然而真正健康的心臟的心率是以特殊的不規則形式跳動的。同樣,體內的血液也是以不規則方式在人體內分布。

借助分形幾何,醫生無需借助更清晰的醫學圖像或者更強大的機器就可看到人體器官癌變前的結構,並能通過分形學生成的數學模型更早的檢測出癌變細胞,而非顯微鏡。

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生物和醫療隻是分形幾何的其中兩個最新應用領域,而更加為人所知的應該就是分形藝術了。

最開始將藝術和數學聯係在一起還是andel

ot,他向世界展示了這兩個領域並非互相排斥的,之後分形藝術便一發不可收拾。

分形藝術不同於普通的“電腦繪畫”,它主要利用分形幾何學原理,借助計算機強大的運算能力,將數學公式反複迭代運算,再結合創作者的審美及美術功底,就將創作出一幅幅精美的藝術畫作。

芒德布羅在想“分形的本質就是一個無窮的反饋過程,大自然界的分形,就是大自然自我反饋的過程,這種自我反饋就是今天的信息來源於昨天的基礎,昨天不是消失了,而變化成了新的模樣。”

“書和花的形狀與分形如此的類似,那是因為植物的生成就是一個自我不斷反饋的過程,而反饋的發生正是因為細胞的分裂,細胞分裂就是一個反反複複的過程。”

“世間沒有不自我反饋的形狀,抽象的圓形、正方形和三角形不存在。萬事萬物都是無限的自我反饋而生成,所以都有自己的分形。”

“隨機似乎不那麼容易天然自然而成,更像是無限自我反饋的過程中,不小心出現了雜誌一般的自我混亂的過程。所以隨機不是自我的反饋,而是一個雜質的乾擾而已,在無窮強大的分形和自我反饋中,隨機數有時候表現的像個蟲子。”

“自然之母,來之無窮的相同反饋。”

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