矩阵、随机化与分形图形

    Stetson大学的一个非常可爱的MM(以后本Blog将简称她为Stetson MM)和我分享了一个很神奇的东西。她们正在做一个线性代数的课题研究,题目的大致意思是“用矩阵来构造分形图形”。Stetson MM叫我试着做下面这个实验:对于一个坐标点(x,y),定义下面4个矩阵变换:
    
    然后,初始时令(x,y)等于(0,0),按照 T1 – 85%, T2 – 6%, T3 – 8%, T4 – 1% 的概率,随机选择一个变换对该点进行操作,生成的点就是新的(x,y);把它画在图上后,再重复刚才的操作,并一直这样做下去。我心里觉得奇怪,这为什么会得到分形图形呢?于是我写了一个简单的Mathematica程序:
list = {{0, 0}};
last = {{0}, {0}};
For[i = 0, i < 50000, i++, r = Random[];    If[r < 0.85, last = {{0.83, 0.03}, {-0.03, 0.86}}.last + {{0}, {1.5}},      If[r < 0.91, last = {{0.2, -0.25}, {0.21, 0.23}}.last + {{0}, {1.5}},        If[r < 0.99, last = {{-0.15, 0.27}, {0.25, 0.26}}.last + {{0}, {0.45}},          last = {{0, 0}, {0, 0.17}}.last + {{0}, {0}}        ]      ]    ];    list = Append[list, First[Transpose[last]]]; ] ListPlot[list, PlotStyle -> PointSize[0.002]]

    程序运行的结果真的是令我大吃一惊:竟然真的是一个分形图形!!我不禁再次对数学产生了一种崇敬和畏惧感!!

   

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神奇的锈规作图:单用一个只能画单位圆的圆规如何作等边三角形

    从古至今,尺规作图一直是数学中备受关注的一个问题。到现在,数学家们已经比较完美的解决了尺规作图的问题,指出哪些图形可以用尺规作图完成,哪些问题不能用尺规作图解决。Mohr-Mascheroni定理告诉了我们一个非常令人吃惊的事实:所有用直尺和圆规可以解决的作图问题,只用圆规也能完成。当然,只用圆规是画不出直线的;但我们可以认为,一条直线已经由两点确定,并不需要画在图上。数学家们向我们展示了:给定四个点,如何用单规找出它们所确定的两条直线的交点;给定一段圆弧和两个点,如何找出两点确定的直线与圆弧的交点。注意到这是直尺仅有的功用,用单规全部解决了后直尺也就不需要了。数学家们还研究过单尺作图:只拿一块直尺到处作直线交过来交过去的又能完成哪些作图问题。显然,只用直尺是不能开平方的,解析几何告诉我们直线与直线的交点只可能是各系数的一个有理表达,这决定了单尺作图不能替代尺规作图。Poncelet-Steiner定理告诉我们,假如事先给定了一个圆和它的圆心,以后只用直尺足以完成任何尺规作图能够解决的问题。这些将在我今后的《什么是数学》笔记中提到。
    昨天,网友浅海里的鱼跟我提到了锈规作图问题,这是我第一次听到这个神奇的东西。现在,假设我们没有直尺,只有一把生锈的圆规。圆规已经被卡住了,只能画出单位半径的圆。在这样的条件下,哪些作图问题仍然能够被解决?锈规作图相当的困难,但并不是没有可能。1983年,D. Pedoe教授惊奇地发现,给定两个点A和B,如果它们的距离小于2,我们可以非常简单地作出点C,使得AC = BC = AB(即△ABC为等边三角形)。

    
    先以A、B为圆心分别作圆。由于它们之间的距离小于2,因此两圆必然相交。以其中一个交点P为圆心作圆,分别交圆A、圆B于点M、N。最后,圆M和圆N的交点即为所求点C。由对称性,△CAB一定是一个等腰三角形。另外,由对称性可知∠ACB=2∠BCP,而圆周角∠BCP的角度又是圆心角∠BNP的一半。由于△BNP是等边三角形,我们可以立即得到∠ACB=∠BNP=60°,△ABC是一个等边三角形。
    D. Pedoe受到启发,提出了以下问题:任给A、B两点,只用锈规是否都能作出C使得AC = BC = AB?若干年后,侯晓荣等人巧妙地解决了这个问题,并以此为基础,借用复数运算等理论,得到了一个出人意料的结论:从给定两点出发,任何尺规作图能够完成的构造,只用锈规也能完成。只用锈规作等边三角形的方法相当精彩,我在这里详细地说一下。觉得牛B的话就在下面叫个“好”。
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几道经典的几何作图趣题

    这段时间的古代汉语课和现代文学史课的时间利用得很好,我已经看完了Mathematics and Plausible Reasoning Vol.II和How to Solve It,并且已经读完了What is Mathematics的第一章。前面两本书主要是对数学思维方法的系统研究,有趣的新鲜东西并不太多。书里拿了几道比较经典的几何作图问题当作例题,比较有意思,在这里与大家分享一下。

1. 顺次给出四条边a, b, c, d以及对边a与c的夹角α,作一个四边形;
2. 给你一个三角形,作出一个内接于此三角形的正方形(正方形的四个顶点都落在三角形的边上);
3. 已知三角形的一个角α,这个角所对的边的高h,以及这个三角形的周长p。求作这个三角形。

  
1. 顺次给出四条边a, b, c, d以及对边a与c的夹角α,作一个四边形:先作出△ABC,其中AC=a,AB=c,两边夹角为α。然后分别以b和d为半径,在B点和C点画弧相交于D。平移AB和BD补成一个平行四边形ABDE。四边形AEDC即为所求。

  
2. 给你一个三角形,作出一个内接于此三角形的正方形:不妨先尝试满足部分条件,只让三个点落在三角形的边上。可以证明第四个点的轨迹是一条直线,问题迎刃而解。

  
3. 已知三角形的一个角α,这个角所对的边的高h,以及这个三角形的周长p。求作这个三角形。这题有点难。你需要集中精力思考,那个周长应该怎么放才合适。于是想到用作等腰三角形的方法把三条边拼接到一条直线上去。这样问题转化为作一个底边为p,对角为α/2+90°,高为h的三角形。此三角形的顶点A由一条平行于DE的直线与一段圆弧的交点所确定。这段圆弧可以这样作:先随便作一个满足∠DA'E=α/2+90°的△A'DE,显然△A'DE的外接圆上与A'同侧的所有点对DE的张角均为α/2+90°,而这个外接圆的圆心就是A'D和A'E的垂直平分线的交点。找到△ADE后,AD和AE的垂直平分线与DE的交点即为点B和点C。

趣味小程序Jenn3D:带你进入神奇的超球面空间

  

官方网站:http://www.math.cmu.edu/~fho/jenn/
Windows版下载:http://www.math.cmu.edu/~fho/jenn/jenn3d_win_2008_01_15.zip

   想知道各种几何模型在超球面(四维球的球面)上的样子吗?这个程序可以把各种几何体映射到超球面上,然后用三维的方式展示出来。你会发现几何体的棱和面都是弯的,这是因为这些几何体是在四维球面中的。就像三维球表面上的赤道和两根经线组成的“三角形”一样,每条边都是弯的。

    当然,最神奇的还是在这样的空间里下围棋!
    Windows版超球面围棋程序下载:http://www.math.cmu.edu/~fho/jenn/jenngo_win.zip
    双击左键下黑子,双击右键下白子;左键拖动旋转,右键拖动遍历第四维。
    你会发现,这个空间在边界处与自身相交。