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分形理论简介以及其哲学意义!

2014-04-10 17:22阅读:
摘要
分形是一门正处于迅速发展中的新学科其影响范围和应用领域也在日益扩大。分形思想给人们的思维传统习惯带来了巨大冲击,本文简要介绍了分形的基本概念,然后粗略探讨了分形思想和古代哲学思想之间的相互关系,然后扼要地介绍了分形理论的分类以及它所具有的现实意义!


1. 分形的定义

曼德尔勃罗特曾经为分形下过两个定义:

1.1. 定义一

满足条件 Dim(A)>dim(A) 的集合A,称为分形集。其中,Dim(A)为集合AHausdoff维数(或分维数),dim(A)为其拓扑维数。一般说来,Dim(A)
不是整数,而是分数。
这个定义是由曼德尔勃罗特在1982年提出的。四年后他又提出了一个实用的定义

1.2. 定义二

部分与整体以某种形式相似的形,称为分形。
上述定义还不是严密、精确的定义。经过理论和应用的检验,人们发现这两个定义很难包括分形丰富的内容。实际上,对于什么是分形,到目前为止还不能给出一个确切的定义。正如生物学中对生命也没有严格明确的定义一样,人们通常是列出生命体的一系列特性来加以说明。对分形的定义也可同样的处理。
i)分形集都具有任意小尺度下的比例细节,或者说它具有精细的结构。
ii)分形集不能用传统的几何语言来描述,它既不是满足某些条件的点的轨迹,也不是某些简单方程的解集。
iii)分形集具有某种自相似形式,可能是近似的自相似或者统计的自相似。
iv)一般,分形集的分形维数,严格大于它相应的拓扑维数。
v)在大多数令人感兴趣的情形下,分形集由非常简单的方法定义,可以变换的迭代产生。
上述定义还不是严密、精确的定义。经过理论和应用的检验,人们发现这两个定义很难包括分形丰富的内容。实际上,对于什么是分形,到目前为止还不能给出一个确切的定义。
人类很难定义一个事物,或者更为普遍得说人类永远无法完完全全定义一个事物。因为人类对一件新事物的认知往往是建立在已有事物的认知基础之上的。然而人类对已有事物的认识往往是片面的,不完全的。举个例子,牛顿定义的质量是“物体含有物质的多少叫质量”!这要是按照初中的理解,那当然是浅显易懂并快乐着!但是如果要深究,我们必须要明确什么是“物体”,“物质”和“多少”的概念。就拿“物质”的概念,在科学上似乎也还没有明确的定义,它在哲学中的定义那就更是各大流派,众说纷纭!各种概念的相互交织,最终形成了我们对客观世界的理解!
正如生物学中对“生命”也没有严格明确的定义一样,人们通常是列出生命体的一系列特性来加以说明。对分形的定义也可同样的处理。人们描述出分形的基本特征,这些特征能够帮助人们很好得理解分形并且产生实际的意义,然后人们在不断的探索中补充完善最终得到对于分形的较为全面并客观的多方面认识。
从分形的定义和对分形的描述可知分形几何学的基本思想是:
客观事物具有自相似的层次结构,局部与整体在形态、功能、信息、时间、空间等方面具有统计意义上的相似性,成为自相似形。例如,一块磁铁中的每一部分都像整体一样具有南北两极,不断分割下去,每一部分都具有和整体磁铁相同的磁场。这种自相似的层次结构,适当的放大或缩小几何尺寸,整个结构不变。因此,概括地讲,分形是这样一种对象,将其细微部分放大后,其结构看起来仍与原先的一样。

2. 关于分形理论的哲学思考

来自科学哲学的情报表明,一些富于探索精神的哲学家们,正在试图把分形的概念和思想抽象为一种方法论,它是一种辨证的思维方法和认识方法。部分与整体的关系是一对古老的哲学范畴,也是分形理论的研究对象。把复杂事物分解为要素来研究是一条方法论原则——简单性原则。哲学史上,人们很早就认识到,整体由部分组成,可通过认识部分来映象整体。系统中每一个元素都反映和含有整个系统的性质和信息,即元素映现系统,这可能是分形论的哲学基础之一。
对于分形中的思想,其是否真实地反应我们宇宙的存在形态还有待时间来检验。我们不妨回过头来拜访古之圣贤,在他们对于宇宙人生的理解中寻找分形思想的蛛丝马迹。
被誉为群经之首,大道之源的《易经》的主题思想就是和分形有关!
“易有太极,是生两仪,两仪生四象,四象生八卦”(《系辞上》)!短短的四个短语就概括出了易经的主题思想。易经分析事物都从阴阳两个对立面出发,以二元法看待世界(有点计算机中01的味道)。万事万物的属性都可以归结到阴与阳两个对立方面。阴与阳相互对立但绝不分离,任何物体都是矛盾统一的叠加,阴中有阳,阳中有阴。这好比对任何事物所处的状态可以做傅立叶展开,展开为无限个不同“周期”的的阴与阳的叠加。
《易经》中讲究卦象,从现代逻辑看,六十四卦就是可以概述万事万物所处状态的形式系统。易经卜卦不是迷信,它是古人在同大自然不断抗争中总结出来的宝贵经验。《易经》中每一卦代表的是一种状态,它是把复杂事物分解为要素来研究的具体成果。人们通过卜卦是将自己现在所处的状态与卦象对应,从长远和短期的角度等诸多方面更清楚地认识到自己,从而结合卦意自己做出统筹兼顾的决策!
在《易经》中,太极生两仪,“两仪”就分别是阳和阴。在分形中,我们称其为分形元,由它们的不同排列组成八卦,由八卦相重组成六十四卦。从认识论来看,阴阳是卦系统的最深层次,且有“一阴一阳谓之道”!就集合论来说,所谓层次就是由母集形成一系列的子集。如阴阳为母集,八卦为子集,六十四卦为子子集。若精度要求足够高,卦象还有可以继续细分下去的可能。这些集合之间存在自相似性,与分形思想一致!
分形论的产生,也是古代哲学思想在近代自然科学中的重现和历代思想家们智慧火花的积累。
古老的宗教典籍《华严经》中心主题是所有事物和事件的统一及相互关系。她是大乘佛教的核心,也包括着朴素神秘的分形思想。这在因陀罗网的隐喻中表现很充分。用查尔斯·埃利奥特爵士的话说:“说在因陀罗的天堂里有一张宝石的网,你可以从其中的一个看到反映出来的其他所有宝石。世界上每一个物体也是一样。它不仅是自身,而且包含着其他所有物体,实际也就是其他物体。“在每一粒灰尘中都显现出无数的佛。”
世界是一个统一的整体,听起来真是一件令人兴奋的事情。老子说“无名天地之始这也就是现代科学所说的,有多少物质就应该有多少的反物质。这也就是物质守恒,电荷守恒的说法。其实宇宙的守恒定律可能远远超出我们现在认识到的,比如上例《华严经》中提到的就是一个信息守恒的问题。这好比一个球,我们只要得到任何包含外表面的部分,我们就可以算出曲率半径复原整个球并得到剩下部分的情况。当然宇宙整体与部分的真实相互作用要比这个复杂很多很多。真实的相互作用好比解一个无穷多个方程组成的方程组,我们只要知道任意部分的边界条件,就可以解出剩下部分的特解。这样的无穷维方程组,人类无法解,但是大胆地想象整个宇宙就是个生命体,那么我坚信他有办法对付无限的。

3. 分形理论的广义概念

对于分形,在理论方面有助于人类更清楚地认识到我们生活的世界,给了我们道道思维的冲击波。在自然分形,社会分形,思维分形,时间分形等方面的研究更是为人类物质文明提供了新的开垦工具,具有重大的现实意义。

3.1. 绝对理想分形

分形图形拥有自相似性,无论对Koch曲线放大多少倍,总可以找到精细结构,该精细结构与整体相似。也就是说,分形图形中包涵着无限的意义。之所以其周长是无限的是因为无限重复着迭代工作。无限的操作必定对应于无限的时间!也就是说真正的分形图并不存在,分形只是存在的一种数学概念而已。任何没有无限时间作为大前提画出来的分形图形在本质上都还是一维或者二维图形或者三维图像。
绝对的分形图形中,大与小只是相对概念。因为无穷小下面仍然存在着与整体自相似的精细结构。《易经》中讲,“其小无内,其大无外”,可见分形中没有绝对的大与小,因为其本身就是在无限时间尺度上的迭代。
绝对的分形图形只是一种数学概念,在现实中并不存在!

3.2. 自然分形

凡是在自然界中客观存在的或经过抽象而得到的具有自相似性的几何形体(对象),都称为自然分形。它涉及的范围极为广泛,内容极其丰富。从自然科学基础理论到技术科学、应用技术的研究对象,都存在着自然分形。例如,海岸线、云彩、闪电、地震等众多现象中的部分毫无例外地与整体相似。由此,还可以从中再细分出几何分形、功能分形、信息分形、能量分形,等等。
研究自然分形最重要的就是它的实用意义,在它概念的严密性方面可以放松,自然分形里面,根据各种的现实意义不同,可简单分为一下几类:
在形态和结构上存在着自相似性的几何形体,就是几何分形。诸如线状分形(科契曲线)、表面分形(谢宾斯基地毯)、体积分形(谢宾斯基海绵),它们分别与一维、二维、三维相对应,其中包括有规分形和无规分形。
在功能上存在着自相似性的几何形体,就是功能分形。
在信息上存在着自相似性的几何形体,就是信息分形。一个胡萝卜的根细胞可以培养成一棵完整的胡萝卜植株,健康人的一个受精卵可以在母体中发育成一个人,这些都是人们熟知的事实。从信息上看,细胞就是一个分形体,它包含着整体的全部信息。从功能和信息上看,中医讲的穴位群,就是人体的缩影。所以,生物形体和人体病理,无不显示出分形现象,并由此产生了分形生物学的新学科,也为揭示传统医学的神秘色彩提供了新的解释。
在能量传播上存在着自相似性的体系,就是能量分形。这种分形主要表现在地震时地震波的传播,无线电通讯中电波的传播。
在自然分形中,谈论得较多的还有递归分形、多重分形、自仿射分形、自反演分形等新概念,它们表征了自然界中不规则形体的非线性特征,颇具生命力和应用价值。

3.3. 社会分形

凡是在人类社会活动和社会体系中客观存在及其表现出来的自相似性现象,称为社会分形。
商品作为社会一个很小的相对独立的部分,包含着整个社会的信息,可以说是典型的社会分形元。
我们的四大名著,都是当时封建社会的一个缩影,读者可以品味出当时社会的千姿百态。当然,在社会生活和社会现象中,一个城市、一个乡村、一个工厂、一个学校,乃至一个小小的家庭,在一定的标度区间都是一个社会分形元,成为社会整体的再现和缩影。

3.4. 思维分形

思维是人类特有的认识能力。思维分形是指人类在认识、意识活动的过程中或结果上所表现出来的自相似性特征。
这包括两方面的情况:其一,作为思维形式之一的概念,它是逻辑思维最基本的分形元,反映了人们对事物整体本质的认识。概念的形成和发展是科学认识的主要成果。然而,各个概念相互依存,彼此都有可以反应整体的潜力。其二,每个个人的思维都在某种程度上反映了人类整体的思维。可以说,人类的每一个健全个体的认识发生、发展过程,都是人类认识进化史的一个缩影,是其既简略而又迅速的重演。

3.5. 时间分形

凡是在时间轴上具有自相似性的现象或研究对象,称为时间分形。
例如,人的受精卵在母腹中变成新生婴儿的过程,在一定程度上近似于人类从水母、鱼类到猿猴、猿人,最后成为今天的现代人这整个进化过程的再现、重复。生物个体的出现是生物种系进化的缩影,他们在时间轴上具有自相似性。

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