「分形」 - 一種新的世界觀之一

一切可以始于一個問題:英國的海岸線有多長?

英國的海岸線有多長,你應(yīng)該能想到的一個辦法是找一張地圖,測量出英國的海岸線的長度,然后按照比例尺計算出英國海岸線的長度。你會得到一個答案。

但是問題出現(xiàn)了,我再給你了一張地圖,這張地圖可能是比剛剛那張縮小比例要小一些的,意思是這張圖中的英國要大很多。你再次計算,發(fā)現(xiàn)你兩次計算結(jié)果相差的不是一點點。

看圖:




問題就在這里:當我們用不同的測量尺度來測量的時候,海岸線的樣子是不一樣的。再看看下面這張圖:



可以看出來,當我們采用不同的尺度來測量英國的海岸線,相差很多,我們完全可以想像得到,當比例尺繼續(xù)縮小,海岸線的長度對于我們來說則是測量的越來越精細,但倘若我們想得到最精確的答案的話,可能只能只能自己去繞著英國的海岸線走一圈了。

因為我們可以發(fā)現(xiàn),如果我們繼續(xù)減小測量海岸線的尺的時候,海岸線將暴露給我們的細節(jié)越來越多,無數(shù)的子海灣、子海角將會出現(xiàn)在我們面前。

據(jù)說比利時與荷蘭之間共同邊界的長度,在各自的百科全書中報道的數(shù)值相差20%.所

以某種程度上來說,海岸線是不可測量的,或者甚至可以說是無窮的(當我們的標尺趨近于零時候)。

如果海岸線的長度是不可測量不可知無窮的話,那么我們大陸邊界的長度也是不可知的,大海圍著陸地。

(關(guān)于地理上測算,地圖上的數(shù)字當然也是有具體的數(shù)學方法。)


先暫時離開海岸線,構(gòu)造以下的曲線:

三等分一條線段,將中間那一段替換為等邊三角形,去除底邊,然后繼續(xù)這樣的操作,將線段繼續(xù)三等分,被等分出來的中間那條線段我們把它替換為兩條夾角為60度的線段……

可以看到當我們構(gòu)造到第四次的時候這個曲線就已經(jīng)看起來就很復(fù)雜了,這個曲線稱為科氏曲線(Koch Curve):


拿起筆可以來計算一下:

第一條線段的長度為:1

第二條: 4/3

第三條:1/3*1/3*4*4,也就是 (4/3)^2

第四條:(4/3)^3

所以我們可以看出,當我們將這條曲線構(gòu)造到第n次的時候,這條曲線的長度是(4/3)^n

這條曲線很有趣,海岸線其實也是與這條曲線類似的,使用不同的比例尺,我們看到的彎折細節(jié)就是不一樣的,我們計算出來的海岸線長度就是不一樣的。

當然海岸線也不完全與這條曲線類似,因為這個曲線是純數(shù)學的,非常嚴整規(guī)范的,但是海岸線的放大細節(jié)會雖整體類似,但細節(jié)各有不同。

這個曲線,即可指出很重要的一點,那就是:自相似性。

自相似的意思就是:其實倘若我們隨便從這個曲線中取出一小段,它的形狀其實是與它整個曲線形狀是非常類似的。

假設(shè)我們從這個構(gòu)造了許多次的曲線中取出一小段,其實我們并沒有辦法分辨這一段到底是大還是小,因為這一段,或者大,或者小,它的表現(xiàn)形式都是一樣的。


而海岸線,它也有著這樣的特點,自相似性。

自相似對我們來說并不陌生,我們平時看到的東西:



一顆非常美麗的花椰菜,放大一些來看,非常明顯的自相似性。


還有許多別的,比如云朵,雪花,閃電,江河,樹…………

可供欣賞的網(wǎng)址:

fractals in nature

上面網(wǎng)址中的圖片,有一些自相似性是一眼可見,有一些需要稍微的辨別。

海岸線、科氏曲線與花椰菜,自相似性,終于可以說出那個詞-分形。

wikipedia一下:

分形(英語:Fractal),又稱碎形,通常被定義為“一個粗糙或零碎的幾何形狀,可以分成數(shù)個部分,且每一部分都(至少近似地)是整體縮小后的形狀“。

實際上,分形之所以美和有趣,美在其自相似性。

還美在于我們已經(jīng)見了它無數(shù)次,但從未揭開過它的面紗。

分形一般有以下特質(zhì):

在任意小的尺度上都能有精細的結(jié)構(gòu);

太不規(guī)則,以至無論是其整體或局部都難以用傳統(tǒng)歐氏幾何的語言來描述;

具有(至少是近似的或統(tǒng)計的)自相似形式;

一般地,其“分形維數(shù)”(通常為豪斯多夫維數(shù))會大于拓撲維數(shù)(但在空間填充曲線如希爾伯特曲線中為例外);

在多數(shù)情況下有著簡單的遞歸定義。

自然科學其實是非常有魅力的,分形才是大自然的語言。

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以上內(nèi)容摘抄,總結(jié),拼湊于wikipedia以及各種分形初等讀物。

其實世之奇?zhèn)?、瑰怪、非常之觀,不一定在于險遠,有時只需重新刷新雙眼。

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