分形及其应用(2010选修课)1(免费阅读).ppt

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课程简介 分形理论是一门新的非线性科学,它是处理自然界零碎和复杂现象的有力工具。本课程在简要讲授分形基本知识和分形图像生成方法的基础上,着重介绍分形在自然科学、工程技术、社会科学和文化艺术等方面的应用。 1.1 什么是分形? 分形是近年来在非线性科学中发展起来 的一种理论——分形几何( fractal geometry ),或分形理论( fractal theory ) 。 分形是近20多年来科学前沿领域提出的一个非常重要的概念,具有极强的概括力和解释力。 分形理论是一种非常深刻、有价值、让人着迷的理论。 分形理论(fractal theory)诞生于70年代中期,创始人是美国IBM的研究员芒德勃罗特 (B.B.Mandelbrot, 1924- ),他于1982年出版的《大自然的分形几何学》 (The Fractal Geometry of Nature)是这一学科经典之作。 分形指具有多重自相似的对象,它可以是自然存在的,也可以是人造的。花椰菜、树木、山川、云朵、脑电图、材料断口等都是典型的分形。 分形理论是一门交叉性的横断学科,从振动力学到流体力学、天文学和计算机图形学,从分子生物学到生理学、生物形态学,从材料科学到地球科学、地理科学,从经济学到语言学、 社会学等等,无不闪现着分形的身影。分形理论已经对方法论和自然观产生强烈影响,从分形的观点看世界,我们发现,这个世界是以分形的方式存在和演化着的世界。 1.3 分形几何的定义 对照Falconer对分形所作的几点描述,科赫曲线F具有很好的分形特征: (1)它具有精细的结构。它包含有任意小(1/3的n次方)比例的细节。 (2)它非常的不规则。虽然它是一条曲线,但其大小不适合用传统欧氏几何的长度来度量。简单计算表明,Ki的长度为(4/3)i,当i→∞时,意味着Koch曲线的长度为无穷大,而它在一维欧氏空间里占据的长度却是有限的。此外,它处处连续但又处处不可微分。 (3)它具有自相似性。很明显,在区间[0,1/3]内的局部曲线与其整体曲线是几何相似的,相似比为1/3,并且在其中包含有许多不同比例的与自身相似的样本。 (4)它的分形维数大于它的拓扑维数。Koch曲线的分形维数为1.2618,而它的拓扑维数是1 。 (5)它是由一个迭代过程得到的。其结构是由反复地把每条线段的中间三分之一段用去掉底边的等边三角形替代得到的。 (6)它具有“自然”的外貌。它看上去像一条弯弯曲曲的海岸线。 1.4 分形几何的基本性质 有的分形对象具有:标度不变性 ——无论放大还是缩小多少倍,它的形状,复杂程度以及不规则性等特性都不会发生变化,如前面介绍的Koch曲线。 而有的分形对象的上述特性却只存在于某一个范围之内,超出这个范围,它的分形特征也就不复存在了。 1.4.1 自相似性 (2)近似自相似 ——自然界存在的分形现象多数都是近似自相似,也就是说,用不同尺度观察一个物体,所看到的结构是可辨认的相似形状,而不是精确的相似形状。如下图所示的树叶在三次放大时,每次观察的结构都有相似之处,但是它们却不是完全相同的图案,因此它属于近似自相似分形。 (3)统计自相似 ——然而,一个图案的自相似性有时并不是一幕了然地可以通过视觉判别,但其中却隐含着数值或统计上的无标度性。下图是1/f噪声,虽然图形上看不出相同之处,但它们的统计参数却有一致性,分形维数随着曲线放大而保持常数,这是统计自相似性。 (4)自然界中的自相似 ——自相似性普遍存在于自然界,如海岸线轮廓、地球的形貌、河流水系分布、云层的边界、星系与星团的分布、动物的花纹、植物的叶子等等。在科学实验中也会遇到这种自相似性,如粗糙表面轮廓、磨损磨粒边界、高分子胶凝、信号传输噪声、材料断口形貌、岩石破碎颗粒等等。 -——自然界中存在的分形现象多是近似自相似或者统计自相似,它们的自相似性仅存在一定的尺度范围内,当对其进行缩小到能看到整体或放大到微观尺度时,其自相似性就不复存在。 1.4.2 无标度性 无标度性与自相似性有相同之处,具有标度不变性的对象,必定满足自相似性质。也可以认为,这类研究对象没有特征尺度,即无法用空间中长度、面积、体积和时间中的秒、分、时等来描述。自相似性仅存在于具有标度不变性的一段区间范围内,如果超出这个区间,那么就没有自相似性,分形也就不复存在了。 前面介绍的十种利用数学方法生成的具有严格自相似性的分形几何图形,它们是完全没有特征尺度的,因此无标度区间是无限的。 欧氏几何中的对象用整数维来描述,而描述分形的参数则是分形维数。大家知道,欧氏几何中的点、直线、平面对象的描述都具有整数维数,称之为拓扑维数,用DT表示。例如,点的维数为0,线的维数为1,

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