分形之美-复杂背后的简单规则

好久不见,今天来聊聊自然之美

人类不断创造和改变着世界,

观察下我们的周围,我们生活的城市中,身边的建筑和各种随处可见的物品。

他们大多数由三角形,圆形,直线这些完美的基本几何图形构成。

人类的创造无处不凸现着“秩序之美”,这些美是那么的平滑,那么的整齐。


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基本几何图形组成的城市


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基本几何图形组成的机械结构

但是当回过头看看大自然中国年的美。

其中呈现了更多的“无序和混乱”,

显得那么无法预测。


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盘旋的山峦


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汹涌的海浪


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翻滚的云

在惊叹于大自然的鬼斧神工后,人类也在不断思考着:

大自然复杂的背后是否有规可循?

分形,就是答案。


什么是分形

分形的定义

一个粗糙或零碎的几何形状,可以分成数个部分,且每一部分都(至少近似地)是整体缩小后的形状

结合这个定义,我们一起看一个经典的分形图案。

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无论我们取得这个图形边界的每一个图形,然后不断的放大后。

我们无法分辨当前到底处于整个图形的哪个位置。

也就是说:当你放大和缩小,事物看起来都是一样的。

这参差不齐,不断重复的形态被成为分形。

分形的整体看上去恰恰像他的一个部分,而这一部分又和更小的一部分相似,这种相似的模式始终保持着。

这种每一部分都相似的模式,我们称其为自相似性。


自相似性是指:分形对象的局部经过放大后与整体相似,或者整体经过缩小后可以和局部重合的一种性质。


自然界中的分形

人们最熟悉的例子就是树,我们看到的树是下面的样子

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按照图形化表示后类似于下面的样子

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放大上面的图形到局部,我们会发现和整棵树看起来非常的像

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整体的西兰花
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局部放大的西兰花

分形的结构也遍布着人的身体,我们的整个血管系统,就是分形结构。

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人体血管中的分形


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大脑神经元的分形


利用分形模拟一切

虽然分形一直在我们的身边,在我们的体内随处可见。

但是直到1970年,才由数学家曼德勃罗(Mandelbrot)发现并提出这个概念。

分形的发现意味着我们可以利用计算机来模拟复杂的大自然


科学中的分形

在计算机图形领域,在此之前,我们无法会绘制出带有丰富细节图像。

因为大自然的一切都看起来是那么的复杂,但是当我们发现了大自然遵循的分形模式之后,我们可以将其用数学工时表现出来。

就像下图一样,我们先分割大的三角形,然后在每一个三角形内不断分化小的三角形,不断重复。

最终我们就能够得到非常逼真的大自然。

从基本图形不断重复,得到复杂的地表

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分形模拟大自然


从基本图形出发得到复杂的雪花

以及现在发在的电影工业中,处处都有分形的身影。


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科幻大片的离不开分形的算法

以上的举例只是很小的一部分,分形还被应用在生物学,物理学等等各种基础学科之中。


艺术中的分形

抽象表现主义画家 杰克逊·波洛克(1912-1956)的作品中有很多的分形表达,比如下面这副世界上售价最高的作品。

《第五号,1948》1.4亿美元的世界最高拍卖价

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《第五号,1948》

在波洛克死后,分形的概念才被发现,数学家发现波洛克的作品中页符合分形的规则。

左边森林照片和波洛克绘画的剪影结构。

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波洛克画的其实就是大自然,是分枝错桠的树,是片片雪花,也是层层波浪。同时人眼睛的运动轨迹也是无规律的,遵循着分形的规则。

这也是为什么像《第五号》这样的抽象作品能给我们带来美感的科学解释。


白叔说

希望今天关于分形的介绍能让你在:

爬上山川叹山峦壮阔时;

走在海边看浪恬波静时;

望向天空看云卷云舒时;

或者其他任何场景感叹大自然美好的时候,

看到复杂背后的另一层简单的美。

这里安利一下:

    1. PBS纪录片《寻找隐藏的维度》https://www.bilibili.com/video/av13766486?from=search&seid=12079093804951016896

    2. 波洛克的传记片(上面画的作者)波洛克 (豆瓣)

公众号:《白叔的世界》

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