岩石矿物研究方法岩石矿物研究法.docVIP

中国地质大学（北京） 课程期末考试 论文（读书报告） 课程名称：岩石矿物研究方法 任课教师：刘翠 许虹 张招崇 学 时：34学时 开课院系：地球科学与资源学院 学 号：1001111306 姓 名：李江涛 开课时间：2014.04-2014.06 分形维数计算方法的研究 研究现状 在经典的欧几里德几何中, 可以用直线、圆、球等这一类规则的形状去描述诸如墙、车轮、卫星等人造物体, 因为这些物体本来就是根据欧氏几何的规则图形生成的。然而自然界中, 却存在着许许多多极其复杂的形状, 如: 山不是锥体, 云不是球体, 闪电不是折线, 雪花边缘也不是圆等等, 再如宇宙中点点繁星所构成的集合更非经典几何所能描述的, 它们不再具有人们早已熟知的数学分析中的连续、光滑(可导)这一基本性质了, 而是非线性的。 为了描述这些问题, 哈佛大学数学系教授(BenoitB.Mandelbort)曼德布罗特在1975年首次提出分形(Fractal)概念。1982 年 Mandelbrot 著作《The FractalGeometry of Nature》的出版, 标志着分形理论的产生。分形理论的建立为研究无序结构和探索复杂事物提供了一极有力的工具。分形理论与耗散结构理论、协同学、混沌理论都是同一时期在非线性科学研究中取得的重要成果。所谓分形就是事物组成部分以某种方式与整体相似的形, 其整体具有自相似性。分形研究的对象是具有自相似性的无序系统, 其维数的变化是连续的, 而非欧氏几何中的整数维, 如空间的欧氏维数是3。(琚正挺,2006） 从Mandelbrot在《英国的海岸线有多长》一文中提出分数维概念以后,分形几何学逐渐发展成为专门研究复杂、非规则现象的新理论,并已被证实在研究过去常被认为的无规律体,如地质体的内在规律方面行之有效,分形能够对自然世界和表面的复杂性作出更精确的表达。 研究内容 分形具有自相似性和无标度性。 自相似性：一个分形的某种结构或过程从不同的空间或时间尺度来看都是自相似的。事实上,在标度区内具有对称性,即表征自相似系统或结构的定量性质,如分维数,并不会因为放大或缩小等而变化,所改变的只是系统的外部形式,即系统的部分和整体之间存在自相似性。虽然这种定义不完备,但抓住了分形的本质特征——自相似性。 通常所说的自相似可以分为两类:一类是完全相似,由数学模型生成,如图1所示科赫曲线的构造:设E0为一单位线段,将其三等分,中间的1/3用边长为1/3的等边三角形向上指的另两条边代替,得到的集记为E1,它包含四条线段。对E1的每条线段重复这一过程得到E2。归纳得到Ek和Ek+1。当k充分大时,Ek+1与Ek只在精细的细节上不同。当时,极限曲线称为科契曲线,被人们用来做典型的海岸线模型,它可以刻画出真实海岸线的复杂性和粗糙程度。又如谢尔宾斯基垫的构造,数学过程简单描述为:在每步构造中都将前次的正三角形等分成4个小正三角形并去掉中间的一个,这一构造过程的极限图形是一曲线,称为谢尔宾斯基垫,如图2所示。另外一类就是自然界中的分形,如蜿蜒曲折的海岸线、云彩的形状等,其相似性并不是严格的,只是在一定的标度内才具有自相似性,它们具有统计意义下的自相似性,通常称为随机分形或无规则分形。因这种随机分形有比较复杂的表现形式,所以将其局部放大一定倍数不一定会简单地和整体完全重合。 图1 Koch曲线 （李伯奎等,2004） 图2 谢尔宾斯基垫片（李伯奎等,2004） 无标度性：在具有分形性质的物体上任选一局部区域,由于其自身具有自相似性,对它进行放大后,得到的放大图形会显示出原图的形态特性,即它的形态、内在的复杂程度、不规则形等各种特性,与原图相比均不会发生变化,如上面讨论的科契曲线的性质,这种特性称为无标度性,又称为伸缩对称性。(李伯奎等,2004) 分形维作为分形的标准量度，必然有它作为标准的经典模型维数——自相似维数(Sel-f similar Dimension),豪斯道夫维数(Hausdorff Dimension)，盒计数维数(Box-counting Dimension)，功率谱维数(Power spectrum Dimension)，结构函数法维数(Structure function Dimen-sion)。 1）自相似维数(Sel-f similar Dimension) 自相似维数的引入受到规则形体如线段、正方形、立方体的启发。如果把线段、正方形和立方体的边分成两等份,这时线段是原来一半长度的两个线段,正方形被分成四个全等的小正方形,立方体则被分成八个全等的小立方体。也就是说,线段、正方形和立方体可被看成是由2、4、8个与整体相似的图形组成。2、4、8个这些数字可以