小学几何/分形
我们之前考虑的所有构造有一个共同点。这些构造在有限步数之后就结束了。当人们回忆起数学家实际上使用尺子和圆规来执行这些构造时,这个要求似乎是合理的。然而,当我们去除这个要求时,我们可以构造出新的有趣的几何形状。在本章中,我们将介绍其中的两个。注意,这些形状不属于欧几里得几何,而是在其发展多年后才被考虑。
要全面了解康托尔集,请参阅维基百科上的文章,本节内容以此为基础。康托尔集是由德国数学家格奥尔格·康托尔引入的。
康托尔集的定义是反复从线段中去除中间三分之一。从单位区间[0, 1]中去除中间三分之一开始,剩下[0, 1/3] ∪ [2/3, 1]。接下来,从所有剩余区间中去除“中间三分之一”。这个过程无限地进行下去。康托尔集包含区间[0, 1]中所有在该无限过程中任何步骤中都没有被去除的点。
由于康托尔集被定义为未被排除的点的集合,因此可以通过去除的总长度来找到单位区间中剩余的比例。这个总数是几何级数
因此,剩余的比例为1 – 1 = 0。或者,可以观察到每一步都保留了前一阶段长度的2/3,因此剩余的量为2/3 × 2/3 × 2/3 × ...,这是一个无限乘积,在极限情况下等于0。
从计算结果来看,似乎令人惊讶的是会剩下什么——毕竟,去除的区间的长度之和等于原始区间的长度。然而,仔细观察这个过程就会发现,一定会有东西留下,因为从每个区间中去除“中间三分之一”涉及到去除开集(不包含端点的集合)。因此,从原始区间[0, 1]中去除线段(1/3, 2/3)会留下点1/3和2/3。随后的步骤不会去除这些(或其他)端点,因为去除的区间始终位于剩余区间的内部。因此,我们确信康托尔集不是空的。
康托尔集是分形的原型。它是自相似的,因为它等于它自身的两个副本,如果每个副本缩小1/3倍并平移。
要全面了解科赫曲线,请参阅维基百科上的文章,本节内容以此为基础。
科赫曲线是最早被描述的分形曲线之一。它是在1904年由瑞典数学家海尔格·冯·科赫发表的。更著名的科赫雪花(或科赫星)与该曲线相同,只是它从等边三角形而不是线段开始。
可以想象,它是从一条线段开始,然后递归地改变每条线段,方法如下
- 将线段分成三段等长的线段。
- 画一个等边三角形,使其底边为第一步中中间的线段。
- 去除作为第二步中三角形底边的线段。
科赫曲线的长度是无限的,因为每当在图形的每条线段上执行上述步骤时,其长度就会增加三分之一。因此,第n步的长度将为(4/3)n。
科赫雪花的面积是初始三角形的8/5倍,因此无限的周长围成了有限的面积。