自然界的众多形状都是如此的不规则和支离破碎。对这些形状的认识,欧几里得并未能给后人留下更多的启示,传统的欧氏几何在它们面前显得那样的苍白无力、对大自然的这种挑战,二千年来,激励着一代又一代的数学家上下求索,探寻从欧氏几何体系中解放出来的道路。终于在1975年,芒德勃罗发表了被视为分形几何创立标志的专著《分形:形、机遇和维数》。从此,一门崭新的数学分支——分形几何学跻身于现代数学之林。
经过近二、三十年的开拓和发展,分形研究现已深入到各个科学技术领域,在哲学、数学、物理学、材料科学、计算机科学、地学、医学等众多领域,甚至在电影、美术和书法等艺术领域都得到了广泛的应用,对现代科学产生了至为深远的影响,所以美国著名物理学家惠勒说:“可以相信,明天谁不熟悉分形,谁就不能被认为是科学上的文化人!”
一般是分数(也可以是整数)。显见,分形几何给学生带来的是一种全新的几何观念.让他们学习分形几何初步知识,帮助他们实现从欧氏几何领域向分形几何领域的认知的初步跨越。由于分形是一类无特征尺度的几何形体,所以无法用通常的度量:长度或重量或体积等参数去刻划其特征,而只能用分数维作为其复杂程度的定量表征,这是和学生已形成的传统维数观念相悖的:在欧氏几何里,点是0维的,线段是1维的,正方形是2维的,正方体是3维的;而分形的维数却一般是分数:三分康托尔集、三元科赫曲线、门杰海绵的维数分别是0.6309、1.2618、2.7268.这种维数是新颖的,将对学生固有的维数观念产生强劲的冲击。分形几何学可以用于表述大自然创造的复杂的真实物体,例如下面的例子。
(1)一些经典分形图:康托尔三分集、科赫雪花曲线、谢尔宾斯基垫片、“有皮没有肉”的门杰海绵、恶魔的阶梯等;
(2)科赫雪花曲线的字符串替换算法作图;
(3)特征长度,分形的自相似性的认识;
(4)海岸线的测量问题,海岸线与科赫曲线的本质联系;
(5)皮亚诺曲线与分数维的初步知识;
(6)“病态”怪物画廊。
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