1.何谓分形?

顾名思义,分形是对几何图形的局部细分,而这种细分可以无限进行。自然界的许多景物呈现出这种特点。例如椰菜花(图1)、肺组织(图2)。

分形几何学含义(分形几何探讨)(1)

图1. 椰菜花

分形几何学含义(分形几何探讨)(2)

图2. 肺组织

对于日常生活中的直观图形,随着分形的不断深入,图形的总周长和面积将呈现何种趋势?现以正三角形的分形为例进行探讨。

分形几何学含义(分形几何探讨)(3)

图3. 正三角形的分形图

对正三角形的各边三等分,以中间一份的长度为边长作新的正三角形。依次进行下去,对新增的正三角形各边三等分,再以中间一份的长度为边长向外“增生”新的正三角形。下面推导经过 n 次“增生”后,整个图形的周长(实线部分)和面积。

设初始正三角形的边长为a_0,周长和面积分别为p_0和A_0。显然,经过第 k 轮“增生”后,周长有增有减,且增加的部分大于减少的部分,而面积只增不减。设周长的(净)增加值为Δp_k,面积的增加值为ΔA_k(k=1,2,......,n)。

分形几何学含义(分形几何探讨)(4)

第一轮“增生”

分形几何学含义(分形几何探讨)(5)

第二轮“增生”

分形几何学含义(分形几何探讨)(6)

第 n 轮“增生”

分形几何学含义(分形几何探讨)(7)

总周长为

分形几何学含义(分形几何探讨)(8)

总面积为

分形几何学含义(分形几何探讨)(9)

随着分形的无限深入,

分形几何学含义(分形几何探讨)(10)

可见,对于这种分形方式的无限进行,总周长和总面积均趋于有限值。

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