中学数学中的分形几何VIP免费

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NlnNd个原来的对象，这三者的关系为,两边取自然对数，得维数。在LN,d,lnLlnln8N本例的正方体中，如果是L=2,则必有N=8,于是就有，即立方d,,,3lnln2L它可以是分数，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，D我们就把这样推广定义的维数称为分维(fractal)，用字母""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,,,ε，测量长度次数,随ε减小而增ln()N,大，记为,(ε)，这时分维定义为:。上式定义的分维称为,,D(0),1ln,D容量维，又称为柯尔莫哥洛夫(,.,.Kolmogorov)容量维。可以证明，拓扑DD维d和分维满足如下关系: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。图示，考虑一闭合线段[0,1]，将其分成三等分，舍弃中段，剩下的两段如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。D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。1nn当ε,1/3，N=2;当ε,1/9，N=4;...亦即当时，N=。于是可得康托2,,()3nln()ln2ln2N,集合的容量维为,,,,由此可见康托集合满足关系D0.63111ln3nlnln()1,3d?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n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(n3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ln()N,述公式从测度的角度把规则图形的维度D确定为。这里的,...