中学数学中的分形几何.
分形几何
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.。
初中数学分形课件
混沌一开， 乾坤乃定。 历经无数分叉路， 柳暗花明见新村。 教育立国， 科技兴邦， 两个强劲吸引子， 交织出一幅美丽分形。 万众协同， 应变持恒。 依凭超循环作用， 借助蝴蝶效应， 向着同宿点， 奋起马蹄奔前程。
(付新楚(1961- )《混沌寄情》)
现科学之美， 探复杂之谜， 映射突变， 分形遇与混沌帝。 马蹄迭代驱寂寞， 落霞覆涟漪， 斑图指进临境， 连络廿一世纪。 (刘华杰）
谢 谢 欣 赏 ！
分形的应用领域
数学中的动力系统等;
物理中的布朗运动,流体力学中的湍流等; 化学中酶的构造等;
生物中细胞的生长等;
地质学中的地质构造等;
天文学中土星光环的模拟等;
其它:计算机,经济学,社会学,艺术等
—连接在一起的三段Koch曲线构成一个雪花曲线
随机Koch曲线 ——对海岸线的模拟
分形树叶
分形树叶(续1)分形树Fra bibliotek(续2)分形树叶(续3)
花草树木(L 系统）的一个例子
一些分形图片:
（
Z n1 Z c
2 n
（
z 和 c 都是复数）
蝴蝶函数： 花函数：
洛伦兹吸引子
函数图形(天鹅)是帮加莱截面映射
图形(稻草)是描述植物生长的PL规则图案
/
与分形有关的诗
幻境风云起，人间纷扰多。 醉弄光影躯，轻舞自婀娜。 (宋爽)
分念成形窥色相，共灵显迹化虚无。 出有入无成妙道，分形露体共真源。 (摘自《慧命经· 化身图释词》)
第一步
Sierpinsk垫片的生成过程 —第2步
Sierpinsk垫片的生成过程 —第3步
Sierpinsk垫片的生成过程 —第4步
Koch曲线
数学中的分形几何学研究
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
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。
分形几何中的分形维数和分形几何的应用
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
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
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。
第八章 分形几何
Peano-Hilbert曲线的出现，曾令数学界大吃一惊： （1）它是一条曲线，但又是一个平面； （2）Peano-Hilbert曲线的方程只有一个参数，但它却 能确定了一个平面；而在欧几里德几何学中，确定一条 曲线需要一个参数，确定一个平面需要两个参数。
“病态”原因：一维曲线却能充满二维平面。 分形维数：D=ln4/ln2=2.0。
对于典型的分形曲线，例如Koch曲线，构成方法 如下：取一段直线，将其三等分，保留两端的两段， 将中间一段拉起构造等边三角形的两条边。N=4，S=3， 分维D=ln4/ln3=1.26186。可以看出Koch曲线点点连 续，但点点不可导，属于病态曲线；Koch曲线局部与 整体相似，具有自相似性。因此可以使用Koch曲线来 模拟海岸线。根据Mandelbrot的计算，英国海岸线的 分维为D=1.25。
L0 ( P1 .x P0 .x) 2 ( P1 . y P0 . y ) 2
设递归n次后的最小线元长度为d，则
d L0 /(2(1 + cos ))
n
（8-4）
Koch 雪花
void CTestView::Koch(int n)//Koch函数 { if(0==n) { P1.x=P0.x+d*cos(Alpha); P1.y=P0.y+d*sin(Alpha); pDC->MoveTo(ROUND(P0.x),ROUND(P0.y)); pDC->LineTo(ROUND(P1.x),ROUND(P1.y)); P0=P1; return; } Koch(n-1); Alpha+=Theta; Koch(n-1); Alpha-=2*Theta; Koch(n-1); Alpha+=Theta; Koch(n-1); }
《分形几何学》课件
分形风险管理：评 估和管理金融市场 的风险
分形投资策略：基 于分形理论的投资 策略，如分形交易 策略、分形投资组 合管理等
分形在物理学中的应用
分形几何学的未来 展望
分形几何学的发展趋势
应用领域：分形几何学在计算机图形学、图像处理、生物医学等领域的应用将越来越广泛
理论研究：分形几何学的理论研究将更加深入，包括分形维数的计算、分形几何的拓扑性质等
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特点：具有自相似性，即无论放大 或缩小，其形状保持不变
性质：具有无限长度，但面积却为 零，是一种典型的分形图形
分形几何学的应用 实例
分形在图像压缩中的应用
分形压缩算法：基于分形几何学的图像压缩算法 压缩效果：提高压缩比，降低图像质量损失 应用场景：适用于图像传输、存储和显示等领域 技术挑战：如何平衡压缩比和图像质量损失，提高压缩算法的效率和稳定性
发展：1977年，数学家哈肯提出分形几何学的基本理论
应用：分形几何学在物理学、生物学、经济学等领域得到广泛应用 现状：分形几何学已成为现代数学的一个重要分支，对科学研究和实际应 用具有重要意义
分形几何学的应用领域
分形几何学的基本 概念
自相似性
定义：在任意 尺度下，具有 相同或相似的
结构或模式
特点：自相似 性是分形几何 学的核心概念
科赫曲线的生成过程： 将一条线段分为三等份， 去掉中间一段，然后将 剩下的两段分别替换为 两个新的科赫曲线
科赫曲线的应用：在计 算机图形学、动画制作 等领域有广泛应用
科赫曲线的性质：具有 自相似性、无限长度和 面积、分形维数等性质
皮亚诺曲线
定义：由意大利数学家皮亚诺提出 的一种分形图形
分形几何的典型范例
分形几何有许多典型的范例，以下是其中一些：
1. 谢尔宾斯基三角形：这是一种自相似的分形图形，通过不断将三角形划分为更小的三角形，最终得到具有无限复杂性的图形。
2. 谢尔宾斯基垫片：这是由谢尔宾斯基三角形进一步演化而来的一种分形图形，由三角形内部的三角形构成，整体呈现出一个自相似的模式。
3. 科赫曲线：又称为科赫雪花或科赫蛇，是一种分形曲线。
通过不断将一段线段分割成等长的两段，然后将每一段线段的中间部分弯曲成等边三角形，最终得到具有无限复杂性的图形。
4. 曼德布罗集：这是由数学家本华·曼德布罗提出的分形图形，通过不断将单位正方形进行切割和填充，最终得到的图形是一个具有无限复杂性的集合。
5. 皮亚诺曲线：这是一种由意大利数学家皮亚诺提出的分形图形，它是一种在平面上的连续曲线，通过不断将线段进行延长和弯曲，最终得到的图形具有无限复杂性和自相似性。
这些只是分形几何中的一些典型范例，实际上还有许多其他的分形图形和结构，如朱利亚集、费根堡姆曲线等。
这些分形图形的特点是具有无限的复杂性和自相似性，并且在许多领域中得到了应用。
分形几何课件
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分形几何
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分形几何
❖ 分形的获取 1. 关于复数
由于承认“负数也能开平方”将会带来很多幽雅 和便利的结论，因此我们发明了虚数，用 i 来表 示 -1 的平方根（即虚数单位），并把实数扩展为 复数（即一切形如 a + b i 的数）。
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分形几何
❖ 正如实数可以用数轴上的点来表示一样，复数可 以用平面直角坐标系上的点来表示。令 x 轴表示 复数的实数部分，令 y 轴表示复数的虚数部分， 则 a + b i 就对应了平面上的点 (a, b) 。我们把这 个平面直角坐标系叫做“复平面”。
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❖ f(z) = |z2|
分形几何
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分形几何 ❖可以看到，这一操作让模的变化更剧烈了，
等高线变得更加密集了。外面浩瀚的蓝色空 间，就对应着那些模已经相当大了的复数。
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分形几何
❖如果对上图中的每个点再加上某个数，比如 0.3 ， 那么整个图会怎样变化呢？
❖对于模相同的复数来说，给实数部分加上 0.3 ， 这对实数部分本来就较大的数影响会更大一些。 因此，上图将会变得更扁，整个图形会在水平方 向上拉伸。这也就是 f(z) = |z2 + 0.3| 的等高线地 形图。见下图（为便于观察，对图像进行了旋 转）。
❖ 可以看到，此时得到的点集已经非常接近之前给出的 z → z2 - 1 的 Julia 集了。
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分形几何
❖ 右图则是反推 12 次后的 结果，它基本上可以看作 是 z → z2 - 1 的 Julia 集了。
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分形几何
❖ 我们再来看一个无法构 成连通区域的 Julia 集的 例子。取 c = - 1 - 0.9 i ， 让我们来看看逆推的过 程。还是先画出半径为 2 的圆盘。
数学科学中的分形几何学
数学科学中的分形几何学分形几何学是一种可视化的、有关于形态相似度的研究。
在1975年前后，它引起了人们的越来越多的关注，研究者不断地寻找着新的分形体现，并且对其进行了广泛的研究。
分形几何学以1960年代末兴起的分形理论为基础，是一种重要的新分支，不仅在纯数学中产生出多种应用，而且还带有很多涉及与物理、天文、地质、气象等领域的实际问题。
分形几何学的发展历程分形几何学的历史可以追溯到19世纪的德国，当时考古学家路德维希•谷巴尔（Ludwig Schläfli）从数学角度研究了20种多面体，把多面体的外形、大小、形态的相似性进行了比较。
后来的数学家们在此基础上，又从各自的角度进行了探索与研究。
比如，俄国的莫斯科数学家亚历山大·叶赛尼亚去研究特殊的比例题，发现了分形概念的重要性。
瑞典的奥托·察克拉芙特等也作出了较为重要的贡献。
但是，分形几何学真正的开端是在1960年代，当时马赛克模型的出现，给了分形几何学一个坚实的基础，也就是分形的数学形式和公式。
然后，分形几何学从理论研究到了实验研究，在科学研究、文化艺术、自然美学等方面发挥出了巨大的作用。
分形几何学与自然美学分形几何学在科学研究领域的应用相对来说比较多，尤其是在物理、天文、地质等领域。
但是，近年来，人们越来越意识到，分形几何学在文化艺术和自然美学领域的应用也是非常广泛的。
分形几何学强调递归和自相似性，在繁杂的自然现象中找到了类似的滋生和变化规律，阐述了丰富的美学和人类价值。
自然美学是一种研究自然和人与自然关系的美学，强调生命之动的自然性、多元性、无常性。
分形的数学模型不仅为自然美学提供了丰富的表现形式，而且还帮助人们更好的理解生态学、生物医学等方向。
分形几何学的应用实例分形几何学在自然界中的表现是广泛的，比如，在地理学中，分形几何可以用来研究地衣的分布，而在气象学中，分形几何可用来计算降雨的分布规律和湍流的能量分布情况，对于理解飓风、龙卷风和干旱等自然灾害方面也具有指导意义。
分形几何学
分形几何学简介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非负实数维数，如0.63、1.58、2.72、log2/log3（参见康托尔集）。
因为它的研究对象普遍存在于自然界中，因此分形几何学又被称为“大自然的几何学”。
一个数学意义上分形的分解成就是基于一个不断运算的方程式，即为一种基于递回的反馈系统。
分形存有几种类型，可以分别依据整体表现出来的准确自相似性、半自相似性和统计数据自相似性去定义。
虽然分形就是一个数学结构，它们同样可以在自然界中被找出，这使它们被划归艺术作品的范畴。
分形在医学、土力学、地震学和技术分析中都存有应用领域。
由来客观自然界中许多事物，具备自相近的“层次”结构，在理想情况下，甚分形几何学分形几何学至具有无穷层次。
适当的放大或缩小事物的几何尺寸，整个结构并不改变。
不少复杂的物理现象，背后就是反映着这类层次结构的分形几何学。
客观事物都存有它自己的特征尺度，必须用恰当的尺度回去测量。
用尺子去测量万里长城，疑太短，而用以测量大肠杆菌，又疑太长。
除了的事物没特征尺度，就必须同时考量从小到大的许许多多尺度（或者叫做标度），这就是“并无标度性”的问题。
湍流是自然界中普遍现象，小至静室中缭绕的轻烟，巨至木星大气中的涡流，都是十分紊乱的流体运动。
流体宏观运动的能量，经过大、中、小、微等许多多度尺度上的漩涡，最后转化成分子尺度上的热运动，同时涉及大量不同尺度上的运动状态。
要描述湍流现象就需要借助流体的的“无标度性”，而湍流中高漩涡区域，就需要用到分形几何学。
分形几何学.ppt
一、什么是分形几何学
通俗一点说就是研究无限复杂但具有一定意义下的 自相似图形和结构的几何学。 分形几何学的基本思想是：客观事物具有自相似的层 次结构，局部与整体在形态、功能、信息、时间、空间等方 面具有统计意义上的相似性，称为自相似性。例如，一块磁 铁中的每一部分都像整体一样具有南北两极，不断分割下去， 每一部分都具有和整体磁铁相同的磁场。这种自相似的层次 结构，适当的放大或缩小几何尺寸，整个结构不变。 又如一棵苍天大树与它自身上的树枝及树枝上的枝杈，在形状上 没什么大的区别，大树与树枝这种关系在几何形状上称之为自相 似关系；一片树叶，仔细观察一下叶脉，它们也具备这种性质； 动物也不例外，一头牛身体中的一个细胞中的基因记录着这头牛 的全部生长信息；还有高山的表面，无论怎样放大其局部，它都 如此粗糙不平等等。这些例子在我们的身边到处可见。分形几何 揭示了世界的本质，分形几何是真正描述大自然的几何学。
随机康托尔集都是随机分形，著名的随机分形还有布朗 （R.Brown）粒子运动的轨迹
（2）Sierpinski地毯： 三分康托尔集等数学怪物的出现，使相当一部分传统数学 家感到“直觉的危机”的同时，也引起了一些数学家的兴 趣.1915~1916年，波兰数学家谢尔宾斯基(W.Sierpinski)将三 分康托尔集的构造思想推广到二维平面，构造出谢尔宾斯基 “垫片”：设E0是边长为1的等边三角形区域，将它均分成四个 小等边三角形，去掉中间一个得E1，对E1的每个小等边三角形 进行相同的操作得E2，……，这样的操作不断继续下去直到无 穷，所得图形F称为谢尔宾斯基“垫片”（图）.它被用作超导 现象和非晶态物质的模型
⑴ 康托尔三分集 1883年，德国数学家康托尔(G.Cantor)构造了一个奇异集合： 取一条长度为1的直线段E0，将它三等分，去掉中间一段，剩下 两段记为E1，将剩下的两段再分别三等分，各去掉中间一段， 剩下更短的四段记为E2，……，将这样的操作一直继续下去， 直至无穷，得到一个离散的点集F（图），称为康托尔三分集. 在康托尔三分集的构造过程中，如果每一步都用掷骰子的方法 来决定去掉被分成的三段中的哪一段，或来选择子区间的长度， 就会得到很不规则的随机康托尔集（如图），它被当时在美国 IBM公司任职的曼德尔布罗特用作描述通讯线路中噪声分布的 数学模型，如今在现代非线性动力学的理论研究中有重要地位.
分形几何学(课堂PPT)
.
10
分形几何图形
自然界中有许多分形的例子，如雪花、植物的枝条分叉、海岸线 等。在数学中，历史上也构造了许多分形模型，如Koch曲线、 weierstrass函数等。它们共同的特点是①处处连续但处处不可 微，即曲线处处是不光滑的，总有无穷的细节在里面；②具有自 相似性或统计自相似性，即在不同的标度下，它们的形状是相似 的，不可区分的；③刻划它们的维数不是整数，而是分数。这是 因为，这类曲线都有无穷的细节，所以用1维的直线来测量它， 其值为无穷大，然而它们又没有填满一个有限的平面，所以其维 数又不能等于2，因此，要想得到一个有限的长度，它的测量维 数必定在1和2之间。
斯（K.Weierstrass）1872年构造的以他的名字
命名的函数是这类集合的第一例. 它的图象处处连
续但处处无切线（如图）, 引起当时数学界的震惊.
孰不料在此后的半个世纪里，数学家们接二连三
地构造出一批这样的集合，它们的形状与性质和
传统的几何对象大相径庭.被人们称为“反直觉
的”，“病态”的“数学怪物”. 令人惊奇的是，
1973年，曼德尔勃罗特（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。 Mandelbrot研究中最精彩的部分是1980年他发现的并以他的名 字命名的集合，他发现整个宇宙以一种出人意料的方式构成自相 似的结构（见图1）。
基于传统欧几里得几何学的各门自然科学总是把 研究对象想象成一个个规则的形体，而我们生活的 世界竟如此不规则和支离破碎，与欧几里得几何图 形相比，拥有完全不同层次的复杂性。分形几何则 提供了一种描述这种不规则复杂现象中的秩序和结 构的新方法。
分形几何
度量Koch曲线（续）
现在，长度为１／3的无刻度的尺子来度量 Koch曲线。 此时Koch曲线的近似长度为 L1 = 4/3. 于是 Koch 的长度大于 4/3.
度量Koch曲线（续）
进一步，在每两个相邻的节点间加入三个 节点，这样用由16条长度为1/9的线段组成 的折线逼近Koch曲线。同样发现Koch曲线 的长度大于折线长度 L2 = 16/9 = (4/3)2.
分形几何的提出
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。
分形几何的提出
当你用一把固定长度的直尺(没有 刻度)来测量海岸线的长度时，对 海岸线上两点间的小于尺子尺寸的 曲线，只能用直线来近似。因此， 测得的长度是不精确的。
Ａ
则称子集类
i 1 为Ａ的一个
Ｕ
i
｛U i｝
―覆盖。
豪斯道夫(Hausdorff)维数
Hausdorff测度 d ) 设Ａ是度量空间 ( R , 的任一有界子集 ｓ≥0，对于任意的 >0，定义：
H ( A) inf{ | U i | : {U i } A的－覆盖}
分形的定义（续） 分形看作具有下列性质的集合F：
１）F具有精细结构，即在任意小 的比例尺度内着复杂的结构。 ２）F是不规则的，以致于不能用 传统的几何语言来描述。
分形的定义（续）
3）F通常具有某种自相似性，或许是 近似的或许是统计意义下的。 4）F在某种方式下定义的“分维数” 通常大于F的扑维数。 5）F的定义常常是非常简单的，或许 是递归的。
Mandelbrot集(4)
分形几何学的原理及应用
分形几何学的原理及应用分形几何学是一种不断重复自己的几何形状，被广泛应用于自然科学、工程、计算机科学等领域。
它不仅仅是数学学科，更是对事物的抽象和描述，可以解释自然界中那些看似无序的形状和现象。
本文将主要介绍分形几何学的原理和应用。
一、分形几何学的原理分形几何学最重要的原理是不断重复。
我们知道，自然界里的一些事物，比如云彩、海岸线、树枝等都呈现出相似模式不断重复的形状，这样的形状可以用分形几何学来描述。
在数学上，分形被定义为那些能通过改变尺度来自我复制的形状。
这种形状的特殊之处在于，无论怎样放大或缩小，它们都会保持相似性，这就是所谓的“自相似性”。
此外，分形几何学还有一个重要的原理是分形维数。
一般来说，维数是我们用来描述空间的一个概念，例如，在传统几何学中，一个点的维度为0，一条线段的维度为1，一个平面的维度为2。
但是在分形几何学中，物体的维度既可以是非整数，也可以是分数，这种维度被称为分形维数。
分形维数的计算方法不同于传统的几何形状，需要更加灵活和创新的思想方式。
二、分形几何学的应用1. 自然科学分形几何学在自然科学中的应用是非常广泛的。
例如，地理学界的海岸线研究常常使用分形维数来描述。
因为海岸线具有自我相似性，以前使用传统的测量方法可以得出各种不同的结果。
但是使用分形维数能够得到更加准确和稳定的结果。
另外，在生物学中，分形几何学也得到了很好的应用。
例如，人体内部的支气管和血管系统都具有分形结构。
分形几何学可以帮助研究这种结构的特点，这在很多医学问题中都是非常重要的。
2. 工程学分形几何学在工程学中的应用也非常广泛。
例如，结构工程中的分野纹理研究就需要使用分形维数，来帮助设计出更加可靠和安全的结构。
再比如，在城市规划方面，使用分形几何学来研究交通网络的结构和城市的空间分布规律。
这样可以优化城市的规划和设计，更好地满足人们的需求。
3. 计算机科学分形几何学在计算机科学领域也有着广泛的应用。
比如，计算机图形学中，分形几何学可以被用来生成虚拟现实世界中的山川湖海等自然景观，让人们可以更真实地感受到虚拟世界的美妙。
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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。