当你身边的朋友和你聊天时,突然提起一个叫“分形几何”的图形,部分人可能会毫不犹豫地说:“噢,我早有耳闻,就是有自相似性的图形,就像自然界中的雪花,它每一个分支都可以看作和原来的雪花一模一样的图形,这样无限细分下去。”
好吧,我承认这确实是分形,但……怎么说呢,把它抽象成自相似形有点本末倒置了。分形几何在确立之初是用来描述几何图形的粗糙程度的,这有点像对微积分的反抗。因为微积分在确立之初,其核心概念之一就是“光滑性”,即把不论多么粗糙的物体放大无限倍后也会变得光滑。但分形不一样,它认为粗糙的物体就是粗糙的,而不应把它理想化成光滑的。但分形并不要求自相似,它本身追求的就是真实的状况,拒绝理想化。所以才说把它理想化成自相似的图形有些本末倒置了。
那么,分形究竟是什么呢?专业一点来说,分形是豪斯多夫维数大于拓扑维数的图形。但我们不谈这个。我们可以这么认为:分形意味着非整数维度。为了方便你们理解,我们接下来要从维度聊起。
零维是一个奇点,它没有任何的特征。这里你们可以把特征理解成描述质量的方式,比方说,一维就是一条线,它所谓的特征就是其长度。二维是一个面,其特征便是面积。三维是一个体,其特征就是体积。我们就此打住,暂时不聊更高维。那么维度理解了,什么又是非整数维变呢?
首先我们想办法拓展维数的定义。我们利用一,二,三维中较为基础的图形来考虑。首先,我们考虑一条线段,其边长(即长度)为L,质量(也是长度)为M。现在我们让这个L变为原来的1/2,再考虑M如何变化。这显然是废话,M当然也是1/2。
如果这是在二维呢?考虑一个正方形,边长为L,质量(即面积)为M。当L变为原来的1/2时,M又如何变化呢?很明显是1/4。
再让我们考虑一个正方体,要边长为L,质量(即体积)为M。当L乘1/2后,M是何变化的?你会发现M变为了原来的1/8。
设L的变化量为s,在一维的情况下,有sL=7sM,二维则是sL=>s2M,三维呢?sL=>s3M。
如果我们设维度为D,就有一个普通的规律:sL=>sDM,其实这就是维度的真正定义。这样我们就能很好地理解非整数维度了。如开头说的雪花(科赫雪花)其维度约为1.262。
那么,分形有什么用呢?其实,分形能体现自然事物的粗糙程度。如英国海岸线,其维度约为1.21,而挪威海岸线约为1.52维。这就说明了挪威海岸线远比英国海岸线粗糙。
同样,风浪滔天的海平面维度比风平浪静的海平面要高,这便是分形几何之美。