文档介绍：分形理论及其发展历程
李后强汪富泉
一
被誉为大自然的几何学的分形(Fractal)理论,是现代数学的一个新分支,但其本质却是一种新的世界观和方法论。它与动力系统的混沌理论交叉结合,相辅相成。它承认世界的局部可能在一定条件下。过程中,在某一方面(形态,结构,信息,功能,时间,能量等)表现出与整体的相似性,它承认空间维数的变化既可以是离散的也可以是连续的,因而拓展了视野。
分形几何的概念是美籍法国数学家曼德尔布罗特()1975年首先提出的,但最早的工作可追朔到1875年,德国数学家维尔斯特拉斯()构造了处处连续但处处不可微的函数,集合论创始人康托(,德国数学家)构造了有许多奇异性质的三分康托集。1890年,意大利数学家皮亚诺()构造了填充空间的曲线。1904年,瑞典数学家科赫( Koch)设计出类似雪花和岛屿边缘的一类曲线。1915年,波兰数学家谢尔宾斯基()设计了象地毯和海绵一样的几何图形。这些都是为解决分析与拓朴学中的问题而提出的反例,但它们正是分形几何思想的源泉。1910年,德国数学家豪斯道夫()开始了奇异集合性质与量的研究,提出分数维概念。1928年布利干()将闵可夫斯基容度应用于非整数维,由此能将螺线作很好的分类。1932年庞特里亚金()等引入盒维数。1934年,贝塞考维奇()更深刻地提示了豪斯道夫测度的性质和奇异集的分数维,他在豪斯道夫测度及其几何的研究领域中作出了主要贡献,从而产生了豪斯道夫-贝塞考维奇维数概念。以后,这一领域的研究工作没有引起更多人的注意,先驱们的工作只是作为分析与拓扑学教科书中的反例而流传开来。
二
1960年,曼德尔布罗特在研究棉价变化的长期性态时,发现了价格在大小尺度间的对称性。同年在研究信号的传输误差时,发现误差传输与无误差传输在时间上按康托集排列。在对尼罗河水位和英国海岸线的数学分析中,发现类似规律。他总结自然界中很多现象从标度变换角度表现出的对称性。他将这类集合称作自相似集,其严格定义可由相似映射给出。他认为,欧氏测度不能刻划这类集的本质,转向维数的研究,发现维数是尺度变换下的不变量,主张用维数来刻划这类集合。1975年,曼德尔布罗特用法文出版了分形几何第一部著作《分开:形状、机遇和维数》。1977年该书再次用英文出版。它集中了1975年以前曼德尔布罗特关于分形几何的主要思想,它将分形定义为豪斯道夫维数严格大于其拓朴维数的集合,总结了根据自相似性计算实验维数的方法,由于相似维数只对严格自相似这一小类集有意义,豪斯道夫维数虽然广泛,但在很多情形下难以用计算方法求得,因此分形几何的应用受到局限。1982年,曼德尔布罗特的新著《自然界的分形几何》出版,将分形定义为局部以某种方式与整体相似的集,重新讨论盒维数,它比豪斯道夫维数容易计算,但是稠密可列集盒维数与集所在空间维数相等。为避免这一缺陷,1982年特里科特()引入填充维数,1983年格拉斯伯格()和普罗克西娅()提出根据观测记录的时间数据列直接计算动力系统吸引子维数的算法。1985年