The Nature of Code閱讀心得與Python實作:8.1 What Is a Fractal?

更新於 發佈於 閱讀時間約 3 分鐘

「fractal」這個字,有人翻譯成「碎形」,也有人翻譯成「分形」,是Benoit Mandelbrot在1975年,根據拉丁文中含有「零碎」、「破裂」意思的「fractus」這個字所造出來的。

碎形有個奇妙的特性叫做「自我相似性」(self-similarity),也就是不管是近看、遠看、縮小來看、放大來看、切一部份來看,它看起來都是一個樣兒。例如下面這張碎形樹的圖案,從任何一根樹枝剪下去,剪下來的部分會長得跟原來的大樹一模一樣

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不過,別誤會了,「自我相似性」是指「看起來」一樣,可不是像碎形樹一樣,非得要完全一模一樣不可。就拿海岸線來說吧,把海岸線切一小段下來看,它不會長得和原來的海岸線一模一樣,但看起來就是海岸線的樣子。事實上,如果不標示出比例尺,我們根本看不出來那是多大的一段海岸線。這也就是說,不同尺度下的海岸線,怎麼看都長得差不多;海岸線的自我相似性,是統計性質上的自我相似。

像碎形樹這類的碎形結構被稱為決定性碎形(deterministic fractal),因為它是由精確、可預測的規則所創造出來的;就因為如此,所以任何一小部分,都長得和原來的整體一模一樣。至於海岸線這類的碎形結構,則被稱為隨機碎形(stochastic fractal),因為這類碎形是由帶有隨機特性的方式所生成的,而這隨機性,也就賦予了這類碎形在統計性質上的自我相似。產生這兩種碎形樣式的相關技術,在本章後續的內容中,將會一一來探究。

碎形的圖案非常多,這當中最出名的,應該是Mandelbrot集合,只要是談論碎形的書籍或文章,少有不提到它的。Mandelbrot集合長這樣:

raw-image

如果把左邊那部分放大,會長這樣:

raw-image

從這張圖中可以很清楚地看到,最左邊有個長得跟原來圖案一樣的圖案。事實上,如果把中間那幾個小小的黑點放大來看,也是跟原來圖案長得一樣的圖案;這就是碎形的自我相似性。

雖然說自我相似性是碎形的關鍵特徵,但這並不代表具有自我相似性的就是碎形。碎形在小尺度下會有細緻的結構,而這些結構是無法用歐幾里得幾何來描述的。就拿直線來說吧,直線在任何尺度下看起來都是一模一樣的直線,所以直線具有自我相似性。直線具有自我相似性,但是用歐幾里得幾何就可以把直線描述得很好;所以,直線不是碎形。

碎形在自然界中俯拾即是,海岸線、雲、樹木的枝葉、閃電、雪花、血管、海浪等等,這些我們習以為常的事物,都有碎形結構存在其中。而在人類的文明中,碎形的應用也早就已滲透到各個領域當中了。內行看門道,外行看熱鬧,即便不懂碎形背後複雜的數學理論也沒關係,光是欣賞那令人目眩神迷的碎形圖案,就夠讓人陶醉不已了;當然啦,如果能自己寫程式創作一些碎形圖案,那就更讓人心滿意足了。


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