分形的分数维数是怎么回事儿?

作者: 文小刚

来源: 赛先生

发布日期: 2019-04-04 07:56:53

文章介绍了分形几何的概念及其在自然界中的普遍存在,特别是分形的非整数维数特性。通过Koch曲线和Mandelbrot集合的例子,详细解释了分形维数的计算方法,并强调了分形的尺度不变性和结构丰富性。

分形是一个很复杂的几何结构,连它的维数都可以不是整数。但奇怪的是,这么复杂的几何结构,在自然界中几乎无处不在,如下图的海岸形状。木星表面的云层结构,也是个分形结构。其他常见的分形结构,包括河流:树枝:在铁磁相变点的磁矩分布:最简单的分形也许就是数学构造的Koch(科赫)曲线:分形的一个最重要的数学性质,就是分形维数。

考虑一个长度为1的线段,如果我们也用一个长度为1的尺子来测量这个线段,那么这个线段只包括一个单位。如果我们把测量线段的尺度缩小到原来的三分之一,那么线段就包括三个单位。但是在二维,考虑一个大小为1的正方形,如果我们也用一个长度为1的尺子来测量这个正方形,那么这个正方形只包括一个单位。如果我们把测量正方形的尺度缩小到三分之一,那么正方形就包括九个单位。

我们发现,在一维,尺度每缩小到三分之一,单位数就增加到三倍。而在二维,尺度每缩小到三分之一,单位数就增加到九倍。

有了这种通过缩小尺度来测量维数的办法,我们问Koch曲线的维数是什么?这时候我们发现,尺度每缩小至原来的三分之一,单位数就增加到四倍。所以Koch曲线的维数是在1和2之间的一个数。这个数的数值为log(4)/log(3)=1.261859。这就是Koch曲线的分形维数。

数学上最有名的分形应该是Mandelbrot(曼德尔布罗特)集合。下面的视频带你进入一个震撼的分形世界。这里你可以感受到不同尺度下的Mandelbrot集合,以及其内涵的尺度不变性和结构的丰富性。尺度不变性和结构的丰富性是分形的最

大特征。视频来源于youtube。参考文献:https://en.m.wikipedia.org/wiki/List_of_fractals_by_Hausdorff_dimension。本文原载「赛先生」。

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