分形是一个很复杂的几何结构,连它的维数都可以不是整数。但奇怪的是,这么复杂的几何结构,在自然界中几乎无处不在。
1.罗马花椰菜:拥有黄金螺旋
罗马花椰菜
这种花椰菜的变种是最重要的分形蔬菜。它的图案是斐波纳契数列,或称黄金螺旋型(一种对数螺旋,小花以花球中心为对称轴,螺旋排列)的天然代表。
2. 世界最大盐沼——天空之镜
盐沼
坚硬的盐层上呈现非常一致的不规则图案
过去一个世纪,上图里的旧金山海湾盐沼一直被用来进行工业盐生产。下图显示的是位于玻利维亚南部的世界最大盐沼——天空之镜(Salar de Uyuni)。坚硬的盐层上呈现非常一致的不规则图案,这是典型的分形。
3.菊石缝线
菊石缝线
大约6500万年前灭绝的菊石
在大约6500万年前灭绝的菊石,是制作分成许多间隔的螺旋形外壳的海洋头足纲动物。这些间隔之间的壳壁被称作缝线,它是分形复曲线。美国著名古生物学家史蒂芬·杰伊·古尔德依据不同时期的菊石缝线的复杂性得出结论说,进化并没驱使它们变得更加复杂,我们人类显然是“一个例外”,是宇宙里独一无二的。菊石的外壳还生长成一个对数螺旋型,很显然,自然界经常会出现这种图案,例如罗马花椰菜。
4.山脉
山脉
山脉是构造作用力和侵蚀作用的共同产物,构造作用力促使地壳隆起,侵蚀作用导致一些地壳下陷。这些因素共同作用的产物,是一个分形。上图显示的是喜马拉雅山脉,它是世界很多最高峰的所在地。印度板块和欧亚板块在大约7000万年前相撞在一起,导致喜马拉雅山脉隆起,现在这座山脉的高度仍在不断增加。
5.蕨类植物
蕨类植物是一种常见的自相似图案,这意味着它们的图案能以任何放大率或缩小率生成和复制。描述蕨类植物的数学公式是根据迈克尔·巴恩斯利的名字命名的,它是第一个显示这种混沌状态是不可预知的,而且一般是遵循确定性法则(以非线性循环方程组为基础)。也就是说,利用巴恩斯利的蕨类植物公式反复生成的任意数字,最终生成一个独一无二的蕨类植物形状的物体。
6.云团
云团
这可能是迄今为止拍到的这种形式的最长云团
上图中的海上层状云团是“阿卡”卫星在非洲西海岸附近的南太平洋上空拍到的。分形云团图案,被一系列斜纹状云团分开。据美国宇航局“地球观测台”说,在这种连续云团中看到这么明显的分界线,实属罕见,至今科学家还无法解释清楚它是如何形成的。
据美国宇航局说,下图里长达200英里(321.87公里)的一系列云旋,它可能是迄今为止拍到的这种形式的最长云团。这些云旋又被称作冯·卡门云街(von Kármán cloud streets),是根据已故流体动力学家西奥多·冯·卡门的名字命名的。当低空云团被岛屿等物体中断时,就会形成云街。机翼下方的风有时也会形成这种图案。
7.叶子
叶子
很多植物的分枝和叶片形状都遵循着简单的递推公式。具有讽刺意味的是,沿主干道、二级和三级路线进行的森林砍伐模式,也形成了类似图案,例如下图中显示的巴西西部朗多尼亚州的森里砍伐图,这是亚马逊流域森林砍伐最严重的一个地区。
8. 峡谷
峡谷
亚利桑那州柴利峡谷国家古迹的伪彩色图
上面这张美国大峡谷的伪彩色图,展示的是由科罗拉多河在长达数百万年间创造的一个分形图案。图片上的红色代表植被区。下图显示的是亚利桑那州柴利峡谷国家古迹的伪彩色图。美国国家公园管理局称,它是北美洲最长的连续性有人居住峡谷地形。
9.闪电
闪电
闪电在向地面移动时,它的路径是逐步形成的,闪电把空气转变成等离子体。
10.孔雀毛
11.雪花
12.瀑布
瀑布
瀑布跟峡谷类似,水流从陡峭的岩脊一侧流过时,不规则的岩石组合和重力导致重复图案产生。
13.河流三角洲
育空河在汇入阿拉斯加州近海的白令海以前,分支成数千条支流。该河从图上的左侧流过,白令海位于图片的左侧较远处。
数学上最有名的分形应该是Mandelbrot(曼德尔布罗特)集合。下面的视频带你进入一个震撼的分形世界。这里你可以感受到不同尺度下的Mandelbrot集合,以及其内涵的尺度不变性和结构的丰富性。尺度不变性和结构的丰富性是分形的最大特征。
视频来源于youtube
参考文献
https://en.m.wikipedia.org/wiki/List_of_fractals_by_Hausdorff_dimension
资料来源:超级数学建模、最强大脑、返朴等网络,版权归原作者所有。
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