美國物理學大師
約翰·惠勒說過:今後誰不熟悉分形,誰就不能被稱為科學上的文化人。由此可見分形的重要性。
中國著名學者
周海中教授認為:分形幾何不僅展示了
數學之美,也揭示了世界的本質,還改變了人們理解自然奧秘的方式;可以說分形幾何是真正描述大自然的幾何學,對它的研究也極大地拓展了人類的認知疆域。
分形幾何學作為當今世界十分風靡和活躍的新理論、新學科,它的出現,使人們重新審視這個世界:世界是非線性的,分形無處不在。分形幾何學不僅讓人們感悟到
科學與藝術的融合,數學與藝術審美的統一,而且還有其深刻的科學方法論意義。
在傳統的幾何學中,人們研究一個幾何對象,總是習慣於在Euclid空間(Rn,Euclidean)對其研究和度量,其中字母n表示空間的維數,通常為整數,如n分別為1、2、3時,對應的空間為線性空間、平麵空間、立體空間,在相應的空間中,我們可以測得幾何對象的長度、麵積、體積等。但是大約在1個世紀前,在數學領域,相繼出現了一些被稱為數學怪物(mathematical monsters)的東西,在傳統的Euclid領域,人們無法用幾何語言去表述其整體或局部性質,其中,比較著名的
Von Koch曲線
數學怪物包括:
Von Koch曲線 此曲線在一維下測量任意段長度為無窮大(想象中,考慮到能測量原子的
維度);在二維下測量麵積為零
這些數學怪物困擾數學家許多年,直至20世紀,被
美國數學家Benoit B. Mandelbrot創立的
分形幾何學(fractal geometry)徹底解決。Mandelbrot提出:我們之所以無法用幾何語言去描述這些數學怪物,是因為我們是在維數為整數的空間中,用維數同樣是整數的“尺子”對其丈量、描述;而維數不應該僅僅是整數,可以是任何一個正實數;隻有在幾何對象對應的維數空間中,才能對該幾何體進行合理的整體或局部描述。以上圖的Koch曲線為例,其維數約為1.26,我們應用同樣為1.26維的尺子對其進行描述,比如取該曲線前1/4段作為單位為1的尺子去丈量這個幾何體,此幾何體長度為4。也正是因其維數介於1維與2維之間,所以此幾何體在1維下長度為無窮大,2維下麵積為零。
Fractal這個詞是由Mandelbrot於1975創造的,來源於拉丁文“Fractus”,其英文意思是broken,即為“不規則、支離破碎”的物體。