「分形」 - 一种新的世界观之二

先来见识一下自然界中的分形,自然界中的分形实例有很多,之一前也提到了:蕨类植物、树、河道、闪电、肺、云朵、鹦鹉壳甚至到银河系等星系。

让我们先来考察一颗树:


我们来考察图中的树,其自相似性很明显,树枝都是一分为二的,呈现Y字形,我们可以想象当它越分越小,这个Y字也会越来越小,的确是具有自相似的。

抽象一下,python来画一下:


也许我们在实际中见到的树没有这么理想,有些是被人工修剪过的,有的重复的不是这么工整的Y字形,但是大体上来看,大部分都是具有分形的这个特征的。

你去看树的其中一个小枝,或许你发现它和整棵树的形状都是类似的,当然树(自然界的分形)都不像数学分形那样可以到无限。

上面第一张图是达芬奇所画的,达芬奇实际上发了一条与树木有关的规则,那就是“一棵树的全部分支在长大的每个阶段,当把它们放在一起时,等于树干(它们下部)的厚度”。

"All the branches of a tree at every stage of its height when put together are equal in thickness to the trunk [below them].”


这个还是蛮容易理解和想到的,就像河流一样,你把一股水分成两股(假设水流的速度一样),那么其实这两股水加起来还是和原来那股水一样大的。这里的一样大应当是指的,即使水的形状改变,比如想象一条江的支流,那么这些支流所流的水必定是与它的上一层级相等,必定等于主干道。

虽然达芬奇的这个法则被实验证明并不是百分之百完全正确,但是一个大致上正确并且有趣的看法。

证明: Leonardo Was Wise


树木之后,看一下肺:


这是一张肺部的照片,故意倒着放的,觉得和自然界中的树还是很类似的,当然,因为肺形状的限制,所以我们的整个“肺树”长的就是一个肺的形状。

树与肺的形状相似其实也不算全偶然,肺在我们的身体内是用来呼吸用的,交换空气,吸收氧气,排出二氧化碳之用。而树,当阳光照到它的叶子时候它有“光合作用”,和我们呼吸作用类似,但是是吸收二氧化碳,制造氧气,其实当然可以将树木的光合作用理解为它的呼吸作用。

这在生物学上叫做Structure-Function Relationship,意指类似的结构将起类似的作用。

其实大点来看,甚至连地球上的河流都和树类似,河流也像地球的呼吸系统。(romantic一下)


这是陕西省的河流,颜色代表高度,自相似性非常明显,和树也很像。


回到树与肺:

这样的结构给我们带来的好处就是:

先回忆之一里提到的科氏曲线,当我们做过几次变换之后,曲线的长度呈指数级的递增。

同理虽然肺虽然只有4-6升,但是有了这样分形的结构,我们肺的表面积竟然可以达到50-100平方米,约等于一个网球场的大小。(分形会使得肺能带给我们极大的一个表面积与体积比Surface Area : Volume Ratio)

假设倘若我们的肺并不含任何分形结构,它就是一个立方体,如果想要达到100平方米的表面积,那么至少需要边长十米,基本两三层楼房高。

感谢分形带来的便利,我们的身体里也有无数的分形结构,还有我们的毛细血管(→河流)....

也是因为这样的结构,让哺乳动物,比如我们人类能够保持一个较大的体型,没有巨型昆虫的原因之一就是因为它们呼吸系统不具分形结构。

Respiratory System of Insects


end掉此篇之前,再写几句:

树的分形特征不仅仅存在于树的树干、树枝之中,如果我们仔细观赏一片树叶,也会发现其中的分形特征:


正所谓:

一沙见世界,一花窥天堂,手心握无限,须臾纳永恒。

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以上内容摘抄,总结,拼凑于wikipedia以及各种分形初等读物。

其实世之奇伟、瑰怪、非常之观,不一定在于险远,有时只需重新刷新双眼。


欢迎指错。

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