乾言炫酷动图你一定没见过这么美

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咦?!!

一根直杆为什么能从弯曲的洞中穿过?

想想这其实不奇怪。这根杆是斜着的,杆中间的点离旋转轴最近,因此对应的洞上的点离旋转轴也最近;杆的两边离旋转轴较远,因此对应的洞上的点离旋转轴也远。所以,这个洞不会是直线,只会是一条曲线。

那这是什么曲线?感兴趣的读者可以自己动手算一算。答案是双曲线。把这个曲线绕旋转轴旋转一周,形成一个曲面,叫做单叶双曲面。看看上图你就会发现,这根杆所在直线是这个曲面的一部分对于一个曲面,如果经过曲面上的每一点都有一根直线在曲面上,我们就称之为直纹曲面。圆柱面、圆锥面都是直纹曲面的例子,单叶双曲面也是如此,只不过它上面的直线看起来不是那么显而易见。单叶双曲面还有一个神奇的地方:通过它上面的每一个点,都有两条直线在曲面上。这样的特点使得单叶双曲面在建筑当中也有特殊的应用,比如说俗称“小蛮腰“的广州新电视塔。无限雪花

“分形”这个词大家可能已经见过很多次了。它的特点是自相似。比如说,上图中的科赫曲线,它的局部放大之后和整体长得一模一样。

那这样的曲线是怎样画出来的呢?

我们先画一条线段,然后把它三等分,将中间的那一段换成两段同样长的线段。这样,我们就有了四条线段。对这四条线段也重复这一过程。每重复一次,称为一次迭代。无限地迭代下去之后,我们就得到了科赫曲线。当然,实际画图的时候,不可能真的无限迭代下去,常常只需要迭代有限多次,直到看不出区别了为止。此图为科赫曲线的绘制过程朱利亚集这是另外一种分形——朱利亚集。怎么画出来呢?先选取一些点,然后对它们不断地进行该变换的“逆变换”——准确的说法是取它们在这个变换下的原像,而一个点的原像往往不止一个。对变换z→z2+C来说,它的原像就是先减去常数C——在图上看来就是平移;然后开平方根——一个数的平方根有两个,在图上看来是先扭一扭,再复制一个到下半平面。每一步都一个变两个,因此出来的点会越来越多。这些点的极限便是朱利亚集。布朗树

这又是另外一种类型的分形——布朗树,生成这种分形的过程,则叫做扩散限制聚集。

这过程说起来也很简单:我们有很多粒子和一枚“种子”,粒子在空间中随机游走,但只要碰到种子就会在聚集它上面。种子上聚集的粒子越来越多,就会长成一棵有着错综复杂的结构的“大树”。

科赫曲线和朱利亚集都很漂亮,但在日常生活中不太容易看到。布朗树就不一样了,我们可以在很多地方看到自然形成的布朗树构造,比如说,在皮蛋上看了这么多有关数学的动图,是不是感叹:“唉呀妈呀,数学这么美,我以前咋没发现呢?”其实,数学不只美在图形上,还美在“安全”上,不信,你看下面这幅图

看完这些图,有没有爱上数学呢?

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