小學幾何/分形
我們之前考慮的所有構造有一個共同點。這些構造在有限步數之後就結束了。當人們回憶起數學家實際上使用尺子和圓規來執行這些構造時,這個要求似乎是合理的。然而,當我們去除這個要求時,我們可以構造出新的有趣的幾何形狀。在本章中,我們將介紹其中的兩個。注意,這些形狀不屬於歐幾里得幾何,而是在其發展多年後才被考慮。
要全面瞭解康托爾集,請參閱維基百科上的文章,本節內容以此為基礎。康托爾集是由德國數學家格奧爾格·康托爾引入的。
康托爾集的定義是反覆從線段中去除中間三分之一。從單位區間[0, 1]中去除中間三分之一開始,剩下[0, 1/3] ∪ [2/3, 1]。接下來,從所有剩餘區間中去除“中間三分之一”。這個過程無限地進行下去。康托爾集包含區間[0, 1]中所有在該無限過程中任何步驟中都沒有被去除的點。
由於康托爾集被定義為未被排除的點的集合,因此可以透過去除的總長度來找到單位區間中剩餘的比例。這個總數是幾何級數
因此,剩餘的比例為1 – 1 = 0。或者,可以觀察到每一步都保留了前一階段長度的2/3,因此剩餘的量為2/3 × 2/3 × 2/3 × ...,這是一個無限乘積,在極限情況下等於0。
從計算結果來看,似乎令人驚訝的是會剩下什麼——畢竟,去除的區間的長度之和等於原始區間的長度。然而,仔細觀察這個過程就會發現,一定會有東西留下,因為從每個區間中去除“中間三分之一”涉及到去除開集(不包含端點的集合)。因此,從原始區間[0, 1]中去除線段(1/3, 2/3)會留下點1/3和2/3。隨後的步驟不會去除這些(或其他)端點,因為去除的區間始終位於剩餘區間的內部。因此,我們確信康托爾集不是空的。
康托爾集是分形的原型。它是自相似的,因為它等於它自身的兩個副本,如果每個副本縮小1/3倍並平移。
要全面瞭解科赫曲線,請參閱維基百科上的文章,本節內容以此為基礎。
科赫曲線是最早被描述的分形曲線之一。它是在1904年由瑞典數學家海爾格·馮·科赫發表的。更著名的科赫雪花(或科赫星)與該曲線相同,只是它從等邊三角形而不是線段開始。![]()
可以想象,它是從一條線段開始,然後遞迴地改變每條線段,方法如下
- 將線段分成三段等長的線段。
- 畫一個等邊三角形,使其底邊為第一步中中間的線段。
- 去除作為第二步中三角形底邊的線段。
科赫曲線的長度是無限的,因為每當在圖形的每條線段上執行上述步驟時,其長度就會增加三分之一。因此,第n步的長度將為(4/3)n。
科赫雪花的面積是初始三角形的8/5倍,因此無限的周長圍成了有限的面積。