在《幾何畫板》中利用圖形迭代可生成一些分形圖。下面列舉幾種有名的分形圖的前幾個階段生成的圖形供讀者欣賞。
(1)康托爾三分集
1883年,德國著名數(shù)學家康托爾(G.Cantor)構(gòu)造了一個奇異的集合:取一條長度為1的直線段,將它三等分,去掉中間一段,將剩下的兩段各再三等分,各去掉中間一段,剩下更短的四段各再三等分,這樣一直繼續(xù)操作下去,直至無窮,便可得到一個離散的點集F,稱為康托爾三分集(圖7—1—8)。
圖7—1—8康托爾集的前4級
圖7—1—2科赫雪花曲線
(2)科赫曲線
這是1904年,由瑞典數(shù)學家H.科赫構(gòu)造出的被稱為“數(shù)學怪物”的著名曲線(圖7—1—2)。它被用作晶瑩剔透的雪花模型。
(3)謝爾賓斯基三角形“墊片”
1915~1916年,波蘭數(shù)學家W.謝爾賓斯基(Sierpinski)構(gòu)造了這樣一種圖形:將邊長為1的等邊三角形均分成四個小等邊三角形,去掉中間的一個小等邊三角形,再對其余3個小等邊三角形進行相同操作,這樣操作繼續(xù)下去直至無窮,所得圖形稱為謝爾賓斯基三角形“墊片”(圖7—1—9)。它被用作超導現(xiàn)象和非晶態(tài)物質(zhì)的模型。
圖7一l一9謝爾賓斯基三角形墊片
(4)謝爾賓斯基“地毯”
將類似的操作,施以正方形區(qū)域(這里是將正方形分成9等分)。所得的圖形稱為謝爾賓斯基“地毯”(圖7—1—10)。
圖7—1—10謝爾賓斯基地毯
(5)門杰海綿與謝爾賓斯基金字塔
奧地利數(shù)學家K.門杰(K.Menger)從三維的單位立方體出發(fā),用與構(gòu)造謝爾賓斯基地毯類似的方法,構(gòu)造了門杰“海綿”(1999年以前,大部分分形著作中,均誤稱之為謝爾賓斯基海綿);用與構(gòu)造謝爾賓斯基三角形墊片類似的方法,構(gòu)造了謝爾賓斯基金字塔(圖7—1—11)。這是兩座宏偉的集合大廈,里面有無數(shù)的通道,連接著無數(shù)的門窗。這種“百孔千窗”、“有皮沒有肉”的結(jié)構(gòu)的表面積是無窮大,它們是由反復挖去一撥比一撥小的立體所生成,是化學反應(yīng)中催化劑或阻化劑最理想的結(jié)構(gòu)模型。
圖7 1_11 門杰海綿與謝爾賓斯基金字塔
(6)皮亞諾曲線(I)
1890年,意大利數(shù)學家皮G.皮亞諾(G.Peano)構(gòu)造了著名的皮亞諾曲線(圖7—1—12)。將一條線段三等分,以中間一段為邊向線段兩旁各作一正方形,如此繼續(xù)作下去,以至無窮,便是皮亞諾曲線,這條曲線最終能填滿整個正方形區(qū)域。
圖7—1—12皮亞諾曲線(工)
(7)皮亞諾曲線(Ⅱ)
取一個正方形并把它分成4個相等的小正方形,然后從左上角的正方形開始至左下角的正方形結(jié)束,依次將小正方形的中心連接起來,再把每個小正方形又分成4個相等的正方形,則有 個正方形,同樣把它們連接起來……如此繼續(xù)不斷作下去,以至無窮,也便形成了一條皮亞諾曲線(圖7—1—13)。同樣,這條皮亞諾曲線,也會填滿“整個起始的正方形區(qū)域”。
圖7—1—13皮亞諾曲線(Ⅱ)
(8)其他分形圖形
用《幾何畫板》還可制作出許多的分形圖形,下面列出幾幅供讀者欣賞(圖7—1—14、圖7—1—15)。
圖7—1—14春風楊柳
圖7—1—15嫩芽初放
分形幾何還可被帶人中學課堂,用《幾何畫板》生成分形圖形,可以看到:①動態(tài)的生成過程;②作圖速度快,且圖形準確;③可以將各級圖形加以比較。讓學生體會到:科學家研究問題的方法并不神秘,只是他站得更高,看得更遠。