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分形几何作者：来源：《初中生世界·九年级》2014年第08期分形几何学是一门以不规则几何形态为研究对象的几何学. 相对于传统几何学的研究对象为整数维数，如零维的点、一维的线、二维的面、三维的立体乃至四维的时空，分形几何学的研究对象为分数维数，如0.63、1.58、2.72. 因为它的研究对象普遍存在于自然界中，比如云彩、闪电、山脉、树枝、蕨叶以及生物细胞等，因此分形几何学又被称为“大自然的几何学”.康托尔三分集1883年，德国著名数学家康托尔构造了一个奇异的集合：取一条长度为1的直线段，将它三等分，去掉中间一段，将剩下的两段各再三等分，各去掉中间一段，剩下更短的四段各再三等分，这样一直继续操作下去，直至无穷，便可得到康托尔三分集.皮亚诺曲线取一个正方形并把它分成4个相等的小正方形，然后从左上角的正方形开始至左下角的正方形结束，依次将小正方形的中心连接起来；下一步把每个小正方形再分成4个相等的正方形，然后按上述方式把其中心连接起来……如此继续不断作下去，以至无穷，也便形成了一条皮亚诺曲线.一般来说，一维的直线是不可能填满二维的平面的，但是皮亚诺曲线恰恰给出了反例.谢尔宾斯基三角形垫片1915～1916年，波兰数学家谢尔宾斯基构造了这样一种图形：将边长为1的等边三角形均分成四个小等边三角形，去掉中间的一个小等边三角形，再对其余3个小等边三角形进行相同操作，这样操作继续下去直至无穷，所得图形称为谢尔宾斯基三角形垫片. 我们可以发现，剩下的三角形面积在不断操作下趋近于零，但它的周长却趋近于无限大.谢尔宾斯基地毯谢尔宾斯基地毯的构造与谢尔宾斯基三角形相似，区别仅在于谢尔宾斯基地毯是以正方形而非等边三角形为基础的. 将一个实心正方形划分为3×3的9个小正方形，去掉中间的小正方形，再对余下的小正方形重复这一操作便能得到谢尔宾斯基地毯.门杰海绵与谢尔宾斯基金字塔奥地利数学家门杰从三维的单位立方体出发，用与构造谢尔宾斯基地毯类似的方法，构造了门杰海绵（1999年以前，大部分分形著作中，均误称之为谢尔宾斯基海绵）；谢尔宾斯基用与构造谢尔宾斯基三角形垫片类似的方法，构造了谢尔宾斯基金字塔. 这是两座宏伟的集合大厦，里面有无数的通道，连接着无数的门窗. 这种“百孔千窗”、“有皮没有肉”的结构的表面积是无穷大，它们是由反复挖去一拨比一拨小的立体所生成，是化学反应中催化剂或阻化剂最理想的结构模型.海岸线有多长1967年，数学家曼德尔布罗在著名的《科学》杂志上发表了一篇奇怪的文章《英国的海岸线有多长》，使人们大吃一惊. 原来海岸线长度不是一个固定不变的数值. 海岸线的长短取决于人们所用的尺. 如果用1千米的尺子测量，小于1千米的弯弯曲曲的海岸线便会被忽略；如果用1米的尺子测量，便会增加许多弯曲的部分，海岸线必然大大增大；如果让蜗牛来测量，海岸线必然大得惊人.曼德尔布罗波兰裔法国数学家曼德尔布罗是分形几何的创始人. 他的科学兴趣极其广泛，具有极强的创造能力和形象思维能力，利用计算机开创了一门崭新的分形几何学.。
数学中的分形几何学研究数学是一门广泛而深奥的学科，其中一个引人注目的领域是分形几何学。
分形几何学研究的是那些具有自相似性质的几何对象。
这些对象通常具有复杂的形态，不同于我们熟悉的欧几里得几何中的简单形状。
本文将介绍分形几何学的基本概念、发展历程以及其在科学和艺术领域中的应用。
一、分形几何学的基本概念在数学中，分形是指具有自相似性质的几何对象。
简单来说，自相似性是指一个对象的局部部分与整体具有相似的结构。
这种自我重复的特点使得分形对象在不同的尺度上都呈现出相似的形状，无论是放大还是缩小都能看到相似的结构。
分形几何学的概念由波兰数学家Mandelbrot于20世纪70年代提出。
他提出了分形维度的概念，用来描述分形对象的复杂程度。
与传统的欧几里得几何中的整数维度不同，分形维度可以是小数或甚至是复数。
这种非整数维度反映了分形对象的复杂性和内在的奇特性。
二、分形几何学的发展历程分形几何学的发展历程可以追溯到20世纪初。
法国数学家Julia和Fatou在复变函数论中研究了分形形态的变化规律。
在20世纪60年代，英国数学家Mandelbrot通过计算机模拟实验研究了分形对象的特性，并提出了“分形”这一概念。
在之后的几十年里，分形几何学得到了广泛的关注和研究。
人们发现分形几何学的理论可以应用于自然科学、社会科学、经济学以及艺术领域中。
世界各地的研究者都对分形几何学的应用进行了深入的探索和研究。
三、分形几何学在科学领域的应用分形几何学在科学领域中有着广泛的应用，特别是在自然科学中。
例如，分形结构在物理学中的应用包括描述分形雪花的形态、研究分形线圈的导电性以及模拟分形粗糙表面的特性。
在地质学中，分形几何学被用于研究岩石的纹理和断层的分布规律。
生物学中，分形理论被应用于研究动脉树和神经网络的分形结构。
分形几何学也在计算机科学领域中得到了广泛的应用。
例如，分形算法可以用于图像压缩和图像合成，同时也在计算机图形学中被用于生成逼真的自然景观和人物造型。
分形几何的特征及其维数
分形几何，这一诞生于二十世纪的数学领域瑰宝，以其独特的美学与科学魅力在2024年的今天依然引人入胜。
它的核心特征可以概括为以下几点：
1. 自相似性：这是分形最直观也最具代表性的特点，即不论是在整体还是局部，乃至无限次放大的微小部分，都能发现与整体形态相似或等比例缩小的结构。
比如著名的科赫雪花和谢尔宾斯基三角形。
2. 不规则性和复杂性：传统几何形状如圆形、方形等具有明显的边界和规则性，而分形则呈现出无规律、不规则的复杂结构，难以用传统的欧几里得几何来描述。
3. 维数的非整数性：分形维数是衡量分形结构复杂程度的一个重要概念，它突破了经典欧氏空间中一维、二维、三维等整数维的界限。
例如，科赫曲线虽然看似占据了一维空间，但实际上其分形维数大于1但小于2，这体现了它在有限空间内展现出了超越常理解的空间复杂度。
分形维数的计算通常采用盒计数法，通过将分形划分为多个大小相等的小区域（盒子），统计不同尺度下被分形所覆盖的盒子数量随尺度改变的关系，从而得到描述分形复杂度的维数值。
总之，在我们所处的2024年，分形几何已经广泛应用于艺术、自然科学、社会科学等多个领域，并以其深邃的内涵和无穷的变化，持续启发着人们对自然界及宇宙奥秘的认识探索。
数学的分形几何分形几何是一门独特而迷人的数学领域，它研究的是自相似的结构和形态。
分形几何的概念由波蒂亚·曼德博（Benoit Mandelbrot）在1975年首次提出，之后得到了广泛应用和发展。
本文将介绍分形几何的基本概念和应用领域，旨在帮助读者更好地了解这一令人着迷的学科。
一、分形几何的基本概念分形（fractal）是一种非几何形状，具有自相似的特点。
简单来说，分形就是在各个尺度上都具有相似性的图形。
与传统的几何图形相比，分形图形更加复杂、细致，其形状常常无法用传统的几何方法进行描述。
分形几何的基本概念包括分形维度、分形特征和分形生成等。
1. 分形维度分形维度是分形几何中的重要概念之一。
传统的几何图形维度一般为整数，如直线的维度为1，平面的维度为2，而分形图形的维度可以是非整数。
分形维度能够描述分形的复杂程度和空间占据情况，是衡量分形图形特性的重要指标。
2. 分形特征分形几何的分形特征是指分形图形所具有的一些独特性质。
其中最著名的就是自相似性，即分形图形在不同尺度上具有相似的形态和结构。
此外，分形图形还具有无限的细节，无论放大多少倍都能够找到相似的结构。
3. 分形生成分形图形的生成是分形几何中的关键问题之一。
分形图形可以通过递归、迭代等方式进行生成，比如著名的分形集合——曼德博集合就是通过迭代运算得到的。
分形生成的过程常常需要计算机的辅助，对于不同的分形形状，生成算法也有所不同。
二、分形几何的应用领域分形几何的独特性质使其在许多领域中得到广泛应用。
以下列举了几个典型的应用领域。
1. 自然科学分形几何在自然科学中有着广泛的应用。
例如，分形理论可以用来研究自然界中的地形、云雾形态等。
通过分形几何的方法，我们能够更好地理解和描述自然界的复杂性，揭示出隐藏在表面之下的规律。
2. 经济金融分形几何在经济金融领域也有着重要的应用。
金融市场的价格走势往往具有分形特征，通过分形几何的方法可以更好地预测未来的市场走势和波动。
分形几何是一种研究具有自相似性质的几何形状的数学分支，而分形维数是用来描述这些分形形状的维度的概念。
分形几何的应用涵盖很多领域，比如自然科学、工程技术、金融等。
在这篇文章中，我们将探讨分形维数以及分形几何的应用。
首先，我们来了解一下分形维数的概念。
在传统的几何学中，维度是用来描述几何图形的尺寸的性质。
比如，平面图形的维度是2，立体图形的维度是3。
但是分形几何中的图形具有自相似性质，即图形的一部分与整体具有相似的形状，因此无法用传统的整数维度来描述。
为了解决这个问题，引入了分形维数的概念。
分形维数是一种用来描述具有自相似性质的图形的尺寸的数学工具。
具体来说，分形维数分为Hausdorff维数和盒维数两种。
Hausdorff维数是一种用来描述图形的粗糙度的维度，而盒维数是一种用来描述图形的分形特性的维度。
通过计算分形维数，我们可以量化和比较不同的分形形状，进而深入研究它们的数学性质和物理特性。
分形几何的应用非常广泛。
在自然科学领域，分形几何可以用来描述和研究自然界中的复杂结构，比如云雾、河流、树木等。
通过分析和计算它们的分形维数，我们可以揭示它们的自相似性质和分形特征，进而深入理解自然界的复杂性。
在工程技术领域，分形几何可以应用于图像处理、信号处理、网络设计等方面。
例如，分形压缩算法可以利用图像的自相似性压缩图像数据，从而实现图像的高效传输和存储。
此外，分形天线设计可以通过利用分形几何的自相似性，实现较宽带、较小体积的天线性能。
在金融领域，分形几何可以应用于股票价格的预测和分析。
通过分析股票价格的分形结构和分形维数，可以揭示市场的复杂性和非线性特性，进而辅助制定投资策略和风险管理。
除此之外，分形几何还可以应用于人工智能、生物学、城市规划等领域。
例如，分形模型可以用来生成逼真的自然景观和虚拟世界。
另外，分形几何的概念也可以用来研究生物系统的形态和发育过程。
在城市规划中，分形几何可以用来研究城市的空间分布和交通网络的优化。
数学中的分形几何学概念分形几何学是数学中的一个重要分支，它研究的是自相似和自适应的结构以及其数学性质。
分形在描述自然界中的很多现象和物体时具有很高的适用性，如云朵、山脉、河流、植物的分型等。
这些物体在不同的尺度上都具有相似的结构，即使放大或者缩小，仍然可以看到相似的形状和图案。
分形几何学为我们提供了一种全新的视角来理解和研究这些复杂的自然现象。
首先，让我们来了解一下分形这个词是如何产生的。
分形一词最早由数学家Benoit Mandelbrot在1975年引入。
他将拉丁语中的“fractus”（意为“碎片”或“破裂”）与希腊语中的“fraktos”（意为“不规则”）相结合，形成了“fractal”一词。
分形表达了物体的不规则性、复杂性和多重性，与传统几何学中的简单和规则的形状相区别。
分形几何学的一个重要概念是自相似性。
自相似是指一个物体的一部分与整体相似，即无论放大还是缩小，都能够看到相同的结构和形状。
自相似性是分形的基本特征，它使得分形能够在不同尺度上呈现出相似的图案和形态。
例如，科赫曲线是一个经典的分形图形，它由一个边上减去中间三分之一的小边形成。
无论是整个科赫曲线还是它的一部分，都可以看到相似的形态，这就是自相似的体现。
自适应性是分形几何学的另一个重要概念。
自适应性是指物体的结构和形状可以根据环境和条件的改变而发生变化。
分形物体能够根据自身的规则和指导，适应不同的环境和条件，从而形成不同的形态和结构。
例如，植物的分型是分形的一种具体表现，不同的植物在生长过程中会适应不同的光照、水分和风向等因素，从而形成不同的分型。
这种自适应性使得植物具有更好的适应能力和生存能力。
除了自相似性和自适应性，分形几何学还有其他一些重要的概念和特性，如分形维度和分形参数。
分形维度是描述分形物体复杂程度的一个指标，它比传统几何学中的整数维度更加精确和准确。
传统的几何图形如点、线和面的维度分别为0、1和2维，而分形几何图形的维度可以是分数或者是介于整数维度之间的数值。
高一数学中的分形几何初步是什么在高一数学的学习中，我们会接触到一个新奇而有趣的概念——分形几何。
这一概念仿佛为我们打开了一扇通往奇妙数学世界的大门，让我们能够以全新的视角去理解和探索周围的事物。
那么，究竟什么是分形几何呢？简单来说，分形几何是研究具有自相似性的不规则图形和结构的数学分支。
想象一下，你在大自然中看到一棵大树。
如果仔细观察它的树枝，你会发现树枝的形状和结构与整棵树有一定的相似性。
大的树枝上分出小的树枝，小的树枝再分出更小的树枝，这种相似性不断重复，就是一种自相似的特征。
再比如，一片雪花的形状，它的每一个分支也都和整体有着相似的结构。
分形几何的特点之一就是其复杂性和不规则性。
传统的几何图形，如圆形、三角形、正方形等，都具有简单、规则的形状和明确的数学定义。
但分形几何所研究的对象往往没有平滑的线条和整齐的形状，而是充满了曲折和细节。
这种不规则性使得分形几何在描述和理解自然界中的许多现象时具有独特的优势。
比如，山脉的轮廓、河流的走向、云朵的形状等等，这些自然现象都很难用传统的几何图形来准确描绘，但分形几何却能够很好地捕捉到它们的特征。
分形几何中的一个重要概念是“分形维数”。
在我们熟悉的欧几里得几何中，维度是整数，比如点是零维，线是一维，面是二维，体是三维。
但在分形几何中，维度可以是分数。
举个例子，科赫雪花就是一个典型的分形图形。
我们从一个等边三角形开始，然后在每条边的中间三分之一处向外凸出一个等边三角形，不断重复这个过程。
通过计算可以发现，它的维数约为 126 维。
这个分数维数反映了分形图形的复杂程度和填充空间的能力。
分形几何的应用非常广泛。
在计算机图形学中，分形可以用来生成逼真的自然景观，如山脉、树木等。
在物理学中，分形有助于研究混沌现象和复杂的物理系统。
在生物学中，分形可以帮助我们理解生物结构的形成和发展。
对于高一的同学来说，学习分形几何初步不仅仅是为了掌握一个新的数学概念，更重要的是培养一种新的思维方式。
中学数学中的分形几何
广西桂林市恭城瑶族自治县栗木中学数学组何桂荣（542502）
桂林市第十八中学数学组蒋雪祥（541004）
内容提要：本文论述了规则图形的容量维，对容量维的计算作了说明，同时还对4个较为著名的与中学有关的，或是可以用于启发学生思维的分形问题进行了分析。
关键字：容量维 Sierpinski三角毯 Koch曲线
Koch岛 Sierpinski-Menger海绵
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。
数千年来，几何学的发展从来没有二十世纪诞生的分形几何那样对物理学和数学发展产生如此巨大的影响。
分形几何对我们大多数人来说是陌生的，因为它看起来离我们太远。
其实分形就在我们身边，在近年的竞赛与高考中，分形的影子已经出现。
中学数学中的分形与数学研究中的分形所看的角度与研究目标都不同，可以说是羊头狗肉之分吧。
笔者试对此进行一点探讨，以抛砖引玉尔。
一、规则图形的容量维
为了描述混沌学中奇怪吸引子的这种奇特结构，曼德尔布罗特(Mandelbrot)最早（1975年）引进了分形（既其维数是非整数的对象）的概念。
维数是描述客体的重要几何参量。
也可以说，维数是为了确定几何对象中一个点的位置所需的独立坐标数目。
已经知道：点是零维，线是一维，平面是二维，而立方体是三维的。
这种维数称为拓扑维，用字母"d"表示。
维数也可以这样来考虑：比如，取一线段，将该线段的长度乘2，就得到另一个线段，长度为n=2个原线段长度。
一正方形，每边长×2，得到一个大的正方形，它等于4个原来大小的正方形。
一立方体，每边长×2，得到一个大的立方体，它等于8个原来大小的立方体。
由此可以推得，一个d维的几何对象，它的每一个独立方向都增长L倍，结果得到N
个原来的对象，这三者的关系为d L N
=,两边取自然对数，得维数
ln
ln
N
d
L
=。
在
本例的正方体中，如果是L=2,则必有N=8,于是就有
ln ln8
3
ln ln2
N
d
L
===，即立方
体是三维的。
将上式的定义加以推广，就得到d不必一定是整数，它可以是分数，我们就把这样推广定义的维数称为分维（fractal），用字母"D" 表示。
对于规则的几何对象，可以使用统一的长度变换倍数L。
而对于不规整的复杂体，如海岸线的长度，总长度与测量单位有关，为了得到精确的测量，不是把尺寸放大L 倍，而是测量单位缩小为原来的ε倍，L＝１／ε，测量长度次数Ｎ随ε减小而增
大，记为Ｎ（ε），这时分维定义为：
ln()
(0)
1
ln
N
D
ε
ε
ε
=→。
上式定义的分维称为
容量维D，又称为柯尔莫哥洛夫（Ａ.Ｎ.Kolmogorov）容量维。
可以证明，拓扑维d和分维D满足如下关系：d≤D式中取等号是对普通规则几何对象而言的。
容量维为非整数的典型的例子是康托集合。
如图示，考虑一闭合线段[0,1]，将其分成三等分，舍弃中段，剩下的两段
再分别三等分和舍弃中段，如此继续下去，最后剩下的点的总体就是康托集合。
它是一种处处稀疏的对象（自相似结构），其拓扑维d=0，现在来求它的分维D。
当ε＝1/3，N=2；当ε＝1/9，N=4；...亦即当
1
()
3
n
ε=时，N=2n。
于是可得康托
集合的容量维为
ln()ln2ln2
0.631
11ln3
ln ln()
1
3
n
n
N
D
ε
ε
====由此可见康托集合满足关系
d≤D。
奇怪吸引子的维数从一个侧面反映了说明此吸引子所必须的信息量，它是该系统中最重要和最主要的信息，对它的细致研究将有利于我们抓住问题的主要方面，更根本地分析和认识问题。
二、中学数学分形问题与分形几何学问题的例子
例1、将一个三角形的三边中点连结，挖去所得的小三角形；再将剩下的图形的各边的中点连结，各得一个三角形，挖去所得三角形；如此继续下去，第七次总共可得多少个三角形（例如第二次挖去后，总共有13个三角形）？
第一次（4个）第二次（13个）第三次（40个）这个问题就是分形几何学中所说的Sierpinski三角毯，在我们竞赛中是一个
数列问题，而在分形几何中，它是一个规则的分形。
其中白色的三角形共有3n（n 为第n次挖取）。
当然在分形几何中，所研究的不是三角形的个数，而是利用下述公式从测度的角度把规则图形的维度D确定为
ln()
(0)
1
ln
N
D
ε
ε
ε
=→。
这里的ε是测量单元的尺寸，()
Nε是测度得到的规则图形的测量单元数。
本例中()
Nε=3n，ε=
1
()
2
n于是得到此分形图的容量维为
ln3ln3
1.585
1ln2
ln
1
()
2
n
n
D===例2、如图，挖去线段中间的
1
3
后，加上等边三角形的二边，形成四段等长
线段组成的折线，如此无限地进行下去，形成处处连续、但处处不可微的Koch 曲线。
在数学竞赛中，本问题是要求折线的条数。
第
n次变换后有4n条。
但在分形几何中，用上述的公
式
ln()
(0)
1
ln
N
D
ε
ε
ε
=→可以计算此分形图的容量维
为
ln4ln4
1.262
1ln3
ln
1
()
3
n
n
D===
例3、如图，这是著名的n级三分Koch岛，在我们的问题中，一是可能问及的问题是，每次三分后，边长如何变化；二是当其
进行无限次等分后，其面积是多少。
前者是数列通
项问题，后者是数列与极限问题。
在分形几何中，
其容量维仍为
ln4ln4
1.262
1ln3
ln
1
()
3
n
n
D===。
例4、正方体27等分（沿三条棱三等分）成27个小正方体，挖去中心和6个面中心位置上总共6个小正方体，留下20个小正方体，如此无限进行，试求当进行到第n次时，有多少个小正方体。
其容量维为多大？
此为分形几何中著名的Sierpinski-Menger海绵，其中正方体有20n个，其容
量维为
ln20ln20
2.777
1ln3
ln
1
()
3
n
n
D===
上述几个例子说明了分形几何已经成为中学数学的一个问题源。
这只是分形几何中与中学学习中最能让我们理解的几个问题，还有许多问题需要我们许多同行去研究挖掘。
不难看出，这些问题还只是处于其最常见的变形为数列或几何问题，其基本数学思想还没有进入中学。
某些地区已经将分形几何作为中学生学习内容，可以预见，分形几何不仅在内容上走进中学，其根本的思想也将在不久的未来进入中学课堂。
学生经常问数列的一些问题是如何来的，一些立体几何问题为什么那么看起来无聊而又一再考试，这些都是应当看到和说明的。
教师应当了解一点分形几何，从而拓宽自己的数学问题源，让自己的知识更加丰富，通过这些有趣的知识调动学生的学习积极性、激发学生的求知欲，这无疑是一个很好的选择。
教师为学习分形几何可以参考的书有许多，笔者所阅读的书列于本文之后的参考资料。
参考资料：Thomas L.Pirnot 著Mathematics All Around 机械工业出版社，2003年1月第1版
孙霞等编著分形原理及其应用中国科技大学出版社，2003年10月第1版
[加拿大]B.H.Kaye 著徐新阳等译分形漫步东北大学出版社，1994年12月第1版。
