分形理论讲稿

分形理论——非线性科学三大理论前沿之一前言一、非线性复杂系统（一）什么是分形（FRACTAL）（二）自相似性（三）标度不变性二、非欧氏几何学（分形几何学）三、分形理论的应用结束语分形理论——非线性科学三大理论前沿之一前言自然界大部分不是有序的、平衡的、稳定的和确定性的，而是处于无序的、不稳定的、非平衡的和随机的状态之中，它存在着无数的非线性过程，如流体中的湍流就是其中一个例子。在生命科学和社会科学中，生命现象和社会现象都是一种复杂现象，非线性关系更是常见。客观世界是复杂的，所以科学家们认为“世界在本质上是非线性的”。但以往人们对复杂事物的认识总是通过还原论方法把它加以简化，即把非线性问题简化为线性问题。这种认识方法虽然在科学研究中发挥过巨大作用，但是随着科学技术和社会的发展，已经暴露出它的局限性，从而要求人们直接研究复杂事物，以便更准确、更充分地反映其本来面目。因此，一门研究复杂现象的非线性科学应运而生。在非线性世界里，随机性和复杂性是其主要特征，但同时，在这些极其复杂的现象背后，存在着某种规律性。分形理论使人们能以新的观念、新的手段来处理这些难题，透过扑朔迷离的无序的混乱现象和不规则的形态，揭示隐藏在复杂现象背后的规律、局部和整体之间的本质联系。目前国内外定期召开有关分形的学术会议，出版会议论文集和关于分形的专著，在重要期刊上经常发表涉及分形理论和应用的论文。世界上1257种学术刊物在80年代后期发表的论文中,与分形有关的占据37.5%。从发表论文来看，所涉及的领域包括哲学、物理、化学、材料化学、电子技术、表面科学、计算机科学、生物学、医学、农学、天文学、气象学、地质学、地理学、城市规划学、地震学、经济学、历史学、人口学、情报学、商品学、电影美学、思维、音乐、艺术等。分形是一门新的学科，它的历史很短，目前正处在发展之中，它涉及面广但还不够成熟，然而分形理论具有强大的生命力。研究对象有一类问题却比较特别，Mandelbrot就提出了这样一个问题：英国的海岸线有多长？英国的海岸线地图研究对象（续）当你用一把固定长度的直尺(没有刻度)来测量时，对海岸线上两点间的小于尺子尺寸的曲线，只能用直线来近似。因此，测得的长度是不精确的。如果你用更小的尺子来刻画这些细小之处，就会发现，这些细小之处同样也是无数的曲线近似而成的。随着你不停地缩短你的尺子，你发现的细小曲线就越多，你测得的曲线长度也就越大。如果尺子小到无限，测得的长度也是无限。研究对象（续）得到的结论是：海岸线的长度是多少：决定与尺子的长短。海岸线的长度是无限的！而显然海岸线的面积为零；而我们确实看到了海岸线的存在，而且海岸线应该是有界的。海岸线什么有界？（长度、面积、体积显然无界）。Koch曲线Koch曲线（续）Koch曲线曾经在数学界成为一个魔鬼。同样的道理：长度无限、面积为零、而曲线还有“界”。另外，有一个特点：当取其中的一部分展开，与整体有完全的自相似性，似乎是一个什么东西的无数次的自我复制。自然界中的其他事物取下一片蕨类植物叶子似乎与整体有某种相似性。England的海岸线从视觉上也感觉有某种自相似性一、非线性复杂系统（一）什么是分形（fractal）“分形”这个名词是由美国IBM公司研究中心物理部研究员暨哈佛大学数学教授曼德勃罗特（BenoitB.Mondelbrot）在1975年首次提出（创造）的，其原义是“不规则的，分数的，支离破碎的”物体，这个名词是参照了拉丁文fractus(弄碎的)后造出来的。它含有英文中frature(分裂)fraction（分数）的双重意义。而我国在山西五台山南山寺的影壁墙上的碑文中，早在清朝时代就有了“日月光明，分形变化”的语句。人类在认识世界和改造世界的活动中离不开几何学。在历史上，科学技术的发展与几何学的进步始终是密切相关的。在生产实践和科学研究中，人们用以描述客观世界的几何学是欧几里德几何学，以及解析几何、射影几何、微分几何等，它们能有效地描述三维世界的许多现象，如各种工业产品的现状，建筑的外形和结构等。但是，自然界大多数的图形都是十分复杂而且不规则的。例如：海岸线、山形、河川、岩石、树木、森林、云团、闪电、海浪等等，例如图1.1、图1.2和图1.3所示。用欧几里德几何学是无能为力的。图1.1布达拉宫中藏族壁画中的云的形状图1.2日本传统绘画中对海浪的描述图1.3山脉的复杂形态另外，在科学研究中，对许多非规则性对象建模分析，如星系分布、渗流、金融市场的价格浮动等复杂对象，都需要一种新的几何学来描述。所以,一般地可把“分形”看作大小碎片聚集的状态，是没有特征长度的图形和构造以及现象的总称。描述分形的几何，称为分形几何，又称为描述大自然的几何。下面给出“分形”的两个定义，在物理上易于理解，但不够精确，也不够数学化。定义1（Mandelbrot,1986）:部分以某种形式与整体相似的形状叫分形。定义2（Edgar,1990）:分形集合是这样一种集合，它比传统几何学研究的所有集合还更加不规则（irregular）,无论是放大还是缩小，甚至进一步缩小，这种集合的不规则性仍然是明显的。分形的概念分形是具有如下所列性质的集合F：F具有精细结构，即在任意小的比例尺度内包含整体。F是不规则的，以致于不能用传统的几何语言来描述。F通常具有某种自相似性，或许是近似的或许是统计意义下的。F在某种方式下定义的“分维数”通常大于F的扑维数。F的定义常常是非常简单的，或许是递归的。JuliaSetJuliaSet:Zn+1=Zn2+C令复数C为一定值，将Z平面上任意一点代入，则Z平面上部分区域收敛，部分区域发散，而发散与收敛间的边界，即为JuliaSet的图形。根据C、Z0的不同会生成不同的Julia集合MandelbrotSet在复平面中，M集是通过下述迭代式产生的：Zn+1=Zn^2+C。其中，Z和c都是复数，由各自的实部和虚部组成Xn+1+iYn+1=(Xn+iYn)2+Cx+iCy展开得：Xn+1=Xn2-Yn2+Cx（实部）Yn+1=2*XnYn+Cy（虚部）对上述迭代式反复进行迭代，得到的数集，称为Mandelbrot集，简称M集。在迭代过程中，Z的初值定为0，而C选择一个不为0的数,使C在复平面的某个区域内有规律地变化，对于二次函数fc(Z)=Z^2+C的迭代，定义M集为：M={c∈C:fck(0)/→∞(k→∞)}。用不同的C值反复进行迭代，由此产生的Zk序列有两种情况：（1）Zk序列自由地朝着无穷大的方向扩散，即发散；（2）Zk序列被限制在复平面的某一区域内，即收敛。建立判断收敛与发散的判断准则，对于那些收敛的Zk序列的点，设置某种颜色的色调，就可以显示M集的计算机图象。对于那些发散的Zk序列的点，根据发散速度的不同，按照给定的规则着上不同颜色的色调，就能显示M集周围的图象。自然界中的分形山星云星云天空中的云朵植物的叶子视网膜中央动脉颞上支阻塞视乳头旁毛细血管瘤毛细血管分布河流分布图自然界中的分形股票价格曲线岩石裂缝金属损伤裂缝道路分布神经末梢的分布…………局部结论从分析上述现象可以看到，Julia、Mandelbrot集合所显现出来的图形是极端复杂的，而且存在着自相似性（即局部等于全体），而这么复杂的图形是由一个非常简单的方程通过初值的选择反复迭代得到的结果。反推回来，一个具有分形特征的自然现象是否可以认为是有一个非常简单的方程通过初值的选择反复迭代得到的结果？如果是，只要找到方程和初值，就可以随意地生成我们所希望的图形？如何来研究分形？Mandelbrot提出了一个分形维数的概念。在Euchlid几何学中我们知道维数的概念点---0维；线---1维；面---2维；体---3维。（二）自相似性分形具有“粗糙和自相似”的直观特点。一个系统的自相似性是指某种结构或过程的特征从不同的空间尺度或时间尺度来看都是相似的，或者某系统或结构的局域性质或局域结构与整体类似。另外，在整体与整体之间或部分与部分之间，也会存在自相似性。一般情况下自相似性有比较复杂的表现形式，而不是局域放大一定倍数以后简单地和整体完全重合。人们在观察和研究自然界的过程中，认识到自相似性可以存在于物理、化学、天文学、生物学、材料科学、经济学，以及社会科学等众多的科学之中，可以存在于物质系统的多个层次上，它是物质运动、发展的一种普遍的表现形式，即是自然界普遍的规律之一。下面举几个例子来说明自相似性。太阳系的构造与原子的结构作一对比，就会发现这两个系统在某些方面具有惊人的相似。虽然这两个系统在自然界中尺度相差如此悬殊，但它们物质系统之间存在着自相似的性质。物质系统之间的自相似性在生物界也广泛地存在着。以人为例，人是由类人猿进化到一定程度的产物，解剖学研究表明，人体中的大脑、神经系统、血管、呼吸系统、消化系统等在结构上都具有高度的自相似性。图1.4是人体小肠的结构，由图可以看到，当以不同的放大倍数观察小肠结构时，即从a到e较大的形态与较小的形态之间的相似表明小肠结构具有自相似性。图1.4人体小肠的自相似结构一棵大树由许多树枝和树叶组成，若把一根树枝与该棵大树相比，在构成形式上完全相似。又会发现该树枝上分叉长出来的更小的细枝条，仍具有大树构成的特点。当然，这只能是在一定尺度上呈现相似性，不会无限扩展下去。另外，树枝与树枝之间，树叶与树叶之间，也呈现出明显的自相似性。再仔细观察树叶的叶脉，也可以发现类似的自相似结构。由上面我们可以看到，自然界的分形，其自相似性并不是严格的，而是，在统计意义下的自相似性，海岸线也是其中一个例子。凡是满足统计自相似性的分形称之为无规分形。另外，还有所谓有规分形,这类分形,由于它是按一定的数学法则呈现，因此具有严格的自相似性。所谓koch曲线，就是属于有规分形,如图1.5所示。图1.5三次koch曲线它的生成方法是把一条直线等分成三段，将中间一段用夹角为600的二条等长（1/3）的折线来代替，形成一个生成单元，如图1.5(b).然后再把每一条直线段用生成单元进行代替，经过无穷多次迭代后就呈现一条无穷多弯曲的koch曲线。用它来模拟自然界中的海岸线是相当理想的。koch曲线是分形的，因为它是自相似的。自相似性就是跨尺度的对称。它意味着递归，在一个图形内部还有图形。从图1.5（e）中可以清楚看到这一点。自相似性指的是，把要考虑的图形的一部分放大，其形状与整体相同。设想把图1.5（e）中的koch曲线区间[0,1/3]中的图形放大3倍，放大后的图形与原来的曲线形状完全相同。把区间[2/3,1]放大3倍，也会得到同样的结果。虽然区间[1/3,1/2]，[1/2,2/3]的图形是倾斜的，但是把它放大，也会得到同样的结果。若把区间[0,1/9]的图形放大9倍，同样也可以产生与原来相同的图形。对更小的部分进行放大也是如此，不论多小部分，若把它放大到适当大小，应该能得出与原来相同的图形。（三）标度不变性所谓标度不变性，是指在分形上任选一局部区域，对它进行放大，这时得到的放大图形又会显示出原图的形态特性。因此,对于分形，不论将其放大或缩小，它的形态、复杂程度、不规则性等各种特点均不会变化。所以标度不变性又称为伸缩对称性。通俗一点说，如果用放大镜来观察一个分形，不管放大倍数如何变化，看到的情形是一样的，从观察到的图象，无法判断所用放大镜的倍数。所以具有自相似特性的物体（系统），必定满足标度不变性，或者说这类物体设有特性长度。上面介绍的koch曲线是具有严格的自相似性的有规分形，无论将它放大与缩小多少倍，它的基本几何特性都保持不变，很显然，它具有标度不变性。因此,可以看到,自相似性与标度不变性是密切相关的。自相似性和标度不变性是分形的两个重要特性。对于“特征长度”这一名词，作一简单的说明，自然界存在的所有物体的形状和人类迄今所考虑的一切图形，大致可分为如下两种：具有特征长度的图形和不具有特征长度的图形。对于特征长度，并没有严格的定义，一般认为能代表物体的几何特征的长度，就称之为该物体的特征长度。如一个球