分形不仅是数学的一个章节，它还让我们以不同的方式看同一个世界

分形几何不仅仅是数学的一个章节，它还帮助普通人以不同的方式看待同一个世界。-- 伯努瓦・曼德勃罗

什么是分形？

分形是一种"无限循环"的模式，在不同的尺度上不断重复自己。这种不断重复的性质叫作自相似。分形被认为是无限复杂的，也就是说如果你可以不断放大一张分形图片（下图），你总是可以看到相同的结构。

分形这个术语是由曼德勃罗在 1975 年创造的，它源于拉丁语"fractus"，意思是"破碎的"或"断裂的"。

由于分形具有"无限复杂性"，你可能认为分形很难制作，但这是一个非常简单的过程。要做一个分形，只需要一遍又一遍地重复同样的过程。用数学术语来说，数学分形是一个迭代（递归的一种形式）的方程。

数学中的分形

最著名的分形是曼德勃罗集合，它来自于复数集合 c。数学家 Adrien Douady 定义了下面的函数

以致敬曼德勃罗，并将其命名为曼德勃罗集合。当从 z=0 迭代时，不会向无穷大发散。

另一个著名的分形的例子是谢尔宾斯基三角形，以波兰数学家谢尔宾斯基的名字命名，由三个步骤组成：

从等边三角形开始，

将三角形分成四个等边小三角形，去掉中间的三角形，

对剩下的每个小三角形无限重复步骤 2。

这种分形是用牛顿法求解多项式方程的结果。上图是用牛顿法求出多项式 z^3-1=0 的三个根的结果，

自然中的分形

人类的肺和皮层神经元是分形器官的完美例子。

分形的应用

分形流体分布技术的应用包括色谱、离子交换、蒸馏和其他需要塞流特性以最大化性能的应用。

分形天线系统公司（FAS）创造了分形天线，分形超材料，分形电池，以分形电路设计，他们的分形技术创新是无止境的。FAS 制造的分形天线正在进入手机和其他设备。他们的分形天线在 4 个关键方面比竞争对手具有明显的技术优势：

固有的宽带 / 多波段意味着只需要一个天线，减少了整体天线的数量，因此降低了成本。

更小，更轻，需要较少的设备支持。

与传统天线相比，需要更少的组件就能达到相同的性能，

与非分形天线相比，增益更高。

分形几何已经应用于许多换热设备，包括散热器、燃料电池、微反应器、分配器、集热器、管壳式换热器、纺锤体和硅 / 锗纳米复合材料。由于分形结构具有温度均匀性的优势，基于此，工程师们对芯片散热片进行了大量的优化研究。

CT 图像的分形分析正被用于理解和解决各种肺部疾病。检测肺部异常的方法遵循基于二维和三维分形维数的简单算法。利用该算法对高分辨率 CT 图像进行扫描，并根据其整体分形维数对正常和异常肺进行分类。

基于分形模式的心率调节研究正在进行中。上图描述了类似于分形时间过程的心率调节，是如何在统计上自相似的不同时间尺度上产生波动的。

分形不仅具有艺术和数学价值，它们在计算机图形学、计算机文件压缩系统、互联网架构和医学方面也有巨大的应用。由于分形在数学中仍是一个相对较新的领域，仍有更多的应用未被发现。

本文来自微信公众号：老胡说科学 （ID：LaohuSci），作者：我才是老胡