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标题: 分形理论 [打印本页]

作者: 沙天马士 时间: 2010-10-9 21:54
标题: 分形理论
分形理论是当今世界十分风靡和活跃的新理论、新学科。分形的概念是美籍数学家曼德布罗特(B.B.Mandelbort)首先提出的。

定义
　　1967年他在美国权威的《科学》杂志上发表了题为《英国的海岸线有多长?》的著名论文。海岸线作为曲线,其特征是极不规则、极不光滑的,呈现极其蜿蜒复杂的变化。我们不能从形状和结构上区分这部分海岸与那部分海岸有什么本质的不同,这种几乎同样程度的不规则性和复杂性,说明海岸线在形貌上是自相似的,也就是局部形态和整体态的相似。在没有建筑物或其他东西作为参照物时,在空中拍摄的100公里长的海岸线与放大了的10公里长海岸线的两张照片,看上去会十分相似。事实上,具有自相似性的形态广泛存在于自然界中,如:连绵的山川、飘浮的云朵、岩石的断裂口、布朗粒子运动的轨迹、树冠、花菜、大脑皮层……曼德布罗特把这些部分与整体以某种方式相似的形体称为分形(fractal)。1975年,他创立了分形几何学(fractalgeometry)。在此基础上,形成了研究分形性质及其应用的科学,称为分形理论(fractaltheory)。

自相似原则
　　自相似原则和迭代生成原则是分形理论的重要原则。它表征分形在通常的几何变换下具有不变性,即标度无关性。由自相似性是从不同尺度的对称出发,也就意味着递归。分形形体中的自相似性可以是完全相同,也可以是统计意义上的相似。标准的自相似分形是数学上的抽象,迭代生成无限精细的结构,如科契(Koch)雪花曲线、谢尔宾斯基(Sierpinski)地毯曲线等。这种有规分形只是少数,绝大部分分形是统计意义上的无规分形。　　这里再进一步介绍分形的分类，根据自相似性的程度，分形可以分为有规分形和无规分形，有规分形是指具体有严格的自相似性，即可以通过简单的数学模型来描述其相似性的分形，比如三分康托集、Koch曲线等；无规分形是指具有统计学意义上的自相似性的分形，比如曲折连绵的海岸线，漂浮的云朵等。

几种典型的分形
三分康托集
　　1883年，德国数学家康托(G.Cantor)提出了如今广为人知的三分康托集。三分康托集是很容易构造的，然而，它却显示出许多最典型的分形特征。它是从单位区间出发，再由这个区间不断地去掉部分子区间的过程构造出来的(如右图)。其详细构造过程是：第一步，把闭区间[0，1]平均分为三段，去掉中间的 1/3 部分段，则只剩下两个闭区间[0，1/3]和[2/3，1]。第二步，再将剩下的两个闭区间各自平均分为三段，同样去掉中间的区间段，这时剩下四段闭区间：[0，1/9]，[2/9，1/3]，[2/3，7/9]和[8/9，1]。第三步，重复删除每个小区间中间的 1/3 段。如此不断的分割下去，最后剩下的各个小区间段就构成了三分康托集。三分康托集的 Hausdorff维数是0.6309。
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三分康托集的构造过程

Koch 曲线
　　1904年，瑞典数学家柯赫构造了 “Koch曲线”几何图形。Koch曲线大于一维，具有无限的长度，但是又小于二维，并且生成的图形的面积为零。它和三分康托集一样，是一个典型的分形。根据分形的次数不同，生成的Koch 曲线也有很多种，比如三次 Koch 曲线，四次 Koch 曲线等。下面以三次 Koch 曲线为例，介绍 Koch 曲线的构造方法，其它的可依此类推。三次Koch曲线的构造过程主要分为三大步骤：第一步，给定一个初始图形——一条线段；第二步，将这条线段中间的 1/3 处向外折起；第三步，按照第二步的方法不断的把各段线段中间的 1/3 处向外折起。这样无限的进行下去，最终即可构造出Koch曲线。其图例构造过程如右图所示(迭代了 6 次的图形)。
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Koch 曲线的生成过程

Julia 集
　　Julia 集是由法国数学家 Gaston Julia 和 Pierre Faton 在发展了复变函数迭代的基础理论后获得的。Julia 集也是一个典型的分形，只是在表达上相当复杂，难以用古典的数学方法描述。Julia 集由一个复变函数（如左图）　[attach]767[/attach]　尽管这个复变函数看起来很简单，然而它却能够生成很复杂的分形图形。　　右图为Julia集生成的图形，由于c可以是任意值，所以当c取不同的值时，生成的Julia集的图形也不相同。
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Julia 集

分维作用
　　分维,作为分形的定量表征和基本参数,是分形理论的又一重要原则。分维,又称分形维或分数维,通常用分数或带小数点的数表示。长期以来人们习惯于将点定义为零维,直线为一维,平面为二维,空间为三维,爱因斯坦在相对论中引入时间维,就形成四维时空。对某一问题给予多方面的考虑,可建立高维空间,但都是整数维。在数学上,把欧氏空间的几何对象连续地拉伸、压缩、扭曲,维数也不变,这就是拓扑维数。然而,这种传统的维数观受到了挑战。曼德布罗特曾描述过一个绳球的维数:从很远的距离观察这个绳球,可看作一点(零维);从较近的距离观察,它充满了一个球形空间(三维);再近一些,就看到了绳子(一维);再向微观深入,绳子又变成了三维的柱,三维的柱又可分解成一维的纤维。那么,介于这些观察点之间的中间状态又如何呢? 　　显然,并没有绳球从三维对象变成一维对象的确切界限。数学家豪斯道夫(Hausdoff)在1919年提出了连续空间的概念,也就是空间维数是可以连续变化的,它可以是整数也可以是分数,称为豪斯道夫维数。记作Df,一般的表达式为:K=LDf,也作K=(1/L)-Df,取对数并整理得Df=lnK/lnL,其中L为某客体沿其每个独立方向皆扩大的倍数,K为得到的新客体是原客体的倍数。显然,Df在一般情况下是一个分数。因此,曼德布罗特也把分形定义为豪斯道夫维数大于或等于拓扑维数的集合。英国的海岸线为什么测不准?因为欧氏一维测度与海岸线的维数不一致。根据曼德布罗特的计算,英国海岸线的维数为1.26。有了分维,海岸线的长度就确定了。

用例结语
　　分形理论既是非线性科学的前沿和重要分支,又是一门新兴的横断学科。作为一种方法论和认识论,其启示是多方面的:一是分形整体与局部形态的相似,启发人们通过认识部分来认识整体,从有限中认识无限;二是分形揭示了介于整体与部分、有序与无序、复杂与简单之间的新形态、新秩序;三是分形从一特定层面揭示了世界普遍联系和统一的图景。

作者: 沙天马士 时间: 2010-10-9 22:02
本帖最后由沙天马士于 2010-10-9 22:30 编辑

补充一个相当有趣的例子：
说有一个三角形顶点分别为1，2，3 任意在这个三角形内选一点4，开始掷骰子，如果掷出一点或两点，那就连接4和1 ，取中点当作新的4，如果掷出三点或四点，就连接2和4 取中点当作新的4 ，如果掷出五点或六点，就链接3和4，取中点当作新的4 ，以此循环下去，把所有的点4记录下来，会出现什么图形？

谢尔平斯基三角
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这是类似游戏做出的正四面体的图形
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作者: 沙天马士 时间: 2010-10-9 22:16
本帖最后由沙天马士于 2010-10-9 22:23 编辑

这个例子很有意思，让我联想到雪花片为什么那么有规律？
应该就是这个原因，都是通过随机过程产生，但是却相当有规律

我们在股票书籍里也常会见到分形这个概念，就是说K线整体与局部的相似性，并且也拿海岸线做例子说明

分形的研究打破了传统概率随机的范畴

这个研究目前是否有成果还不好说，为什么这么说呢，刚和一个同学聊天，他说，和瑞士银行签约的两个教授，用混沌理论和遗传算法，让他们的基金常年保持高收益率，这两个人都是学物理的，所以说，一个新的领域如果研究出了有大的潜在利益的成果，可能不会立刻公布

我想，混沌，分形这类理论成果也许有朝一日也会让扑克理论达到新的高度

作者: pokerbean 时间: 2010-10-9 23:28
有意思，谢谢分享。

作者: a1143144 时间: 2010-10-10 13:10
我来学习的

作者: quily 时间: 2010-10-21 16:06
没有研究，好像跟蝴蝶效应是一脉相承。

作者: fhtxn 时间: 2010-10-21 16:33
能应用到扑克中不能？

作者: quily 时间: 2010-10-25 15:05
十多年前好像热闹过，据分形画出来的图比较好看。

作者: sina555 时间: 2010-11-4 21:04
有意思，谢谢分享。

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