加百利之號角!!

500px-GabrielHorn

傳說中大天使加百利之號角 Gabriel’s Horn 一旦響起,就是審判日 Judgment Day 的到來。然而卻沒有任何人見過這個號角?這也許正是義大利數學家埃萬傑利斯塔‧托里拆利 Evangelista Torricelli 想像創造托里拆利小號之原因︰它是一個表面積無限大但卻體積有限的三維物體,或許該是用著第五元素乙太才能構成的吧!!

羊角螺旋

Cornu_Spiral.svg

龍捲風

比方說︰『事實就是發生過了的事』?如果曾經有一隻猴子真的敲打出了莎士比亞的哈姆雷特,那麽這是那隻猴子它自己能知道的事實嗎?假使連它自己都不能知道,人們會認為這是件發生過的事實嗎?又假使歷史上根本沒有莎士比亞的哈姆雷特,然而未來將會有□□的○○,到那時有隻猴子曾使這事成真的了,難道真的可以歸結說過去曾經有一隻猴子真的敲打出了□□的○○的嗎?

學習就像是個『羊角螺旋』的軌跡,一再的一次又一次覆裹著中心的主題,每次的回歸,總是帶著新的知識與舊的記憶。自古以來人類一直想方設法希望解開大自然的奧秘,也許終將能有一天,這個思想螺旋成了『龍捲風』,大到能含括天地萬物。

這樣的一個學習者將會如何建造自己知識之金字塔的呢?他會不會用『想像的實驗』去釐清『基本概念』之糾葛的呢?還是用『推導歸謬』的邏輯,去探測一個『自明假設』之深遠結論的呢?又或者會將在大自然中發現的方程式求解,然後『畫圖』與『演示』這個解之意義的呢?……

如果從人類的創造發明史來看,那樣的學習者終將使用當時之最好的『學習工具』,打造自己的『學習工具箱』,甚至會創新『既有之工具』。就現今來講,除了使用電腦的一般應用軟體之外 ── 比方說文書處理等等 ──,最重要的就是能掌握 『程式語言』與『數學語言』的工具。或許這正是樹莓派基金會一開始打造樹莓派時所想的重要原因,讓學習者能有學習的工具!!

375px-Mandel_zoom_00_mandelbrot_set

300px-WeierstrassFunction.svg

200px-Von_Koch_curve

300px-Fractal_weeds

200px-Animated_construction_of_Sierpinski_Triangle

220px-Sierpinski_square

220px-Lévy_C_curve_(3D-twist)

729px-Cantor_set_in_seven_iterations.svg

Julia_set_(indigo)

120px-Fractals-julia

十七世紀時,數學家萊布尼茨思考過遞迴的自相似,『分形』或說『碎形』fractal 的數學從那時起漸漸地成形。直到一八七二年,現代分析之父,德國的卡爾‧特奧多爾‧威廉‧魏爾斯特拉斯 Karl Theodor Wilhelm Weierstraß 給出一個處處連續但卻處處不可微分的這種非直覺性之函数︰

f(x)= \sum_{n=0} ^\infty a^n \cos(b^n \pi x),

其中 0<a<1, b 為正的奇數,使得:ab > 1+\frac{3}{2} \pi

一九零四年瑞典數學家尼爾斯‧法比安‧海里格‧馮‧科赫 Niels Fabian Helge von Koch 不用著魏爾施特拉斯那種抽象又解析之定義,給出了現今稱作『科赫雪花』的直觀幾何學構造,如果用荷蘭植物學家 Aristid Lindenmayer 植物生長過程的數學模型 L 系統表示為︰

字元︰F
常數︰ +,-
公理︰F++F++F
規則: F → F-F++F-F
F︰向前
-︰左轉 60°
+︰右轉 60°

一九一五年波蘭數學家瓦茨瓦夫‧弗朗西斯克‧謝爾賓斯基 Wacław Franciszek Sierpiński  造出了『謝爾賓斯基三角形』,隔年又造出了『謝爾賓斯基地毯』。一九三八年法國數學家保羅‧皮埃爾‧萊維 Paul Pierre Lévy  在一篇論文中將『自相似曲線』的概念推廣,給出了一個新的『萊維 C 』碎形曲線,以 L 系統記為:

變數︰ F
常數︰+-
公理︰ F
規則︰ F → +F-F+
F︰ 向前
-︰左轉 45°
+︰右轉 45°

其後集合論之父康托爾 Cantor 也給出一個具有不尋常性質的線段集合,康托爾的『三分點集』︰

一、將一個區間集合三分,去掉中間的一段,構成了一個新的區間集合。
二、將新構成的集合一再的重複著『一』之步驟。

一直要到一九世紀末,複數平面的迭代函數才逐漸的由,法國大數學家儒勒‧昂利‧龐加萊 Jules Henri Poincaré 、德國數學家菲利克斯‧克萊因 Felix Christian Klein 以及法國數學家加斯東‧朱利亞 Gaston Maurice Julia 等等研究開拓,方形成了今天的『分形理論』,然而還得等到有人用電腦繪出它們的圖形後,人們才驚訝的發現原來它們是如此的『優美』與『壯麗』的啊!!

一九六七年本華‧曼德博 Benoît B. Mandelbrot ,一位生於波蘭華沙幼年就隨全家移居法國巴黎的數學家,是分形幾何學的創立者。在一篇名為 《英國的海岸線有多長?統計自相似和分數維度》How Long Is the Coast of Britain? Statistical Self-Similarity and Fractional Dimension 的論文裡,曼德博探討了維度界於 1 和 2 之間的自相似曲線。雖然那時曼德博並沒有使用『分形』一詞,但是『分形』這詞據說也還是他所創造的,更不要講他致力於透過著作和演講向大眾介紹自己的理論,這也使得分形理論之研究成果廣為人知的了。

科赫雪花是一條無限長的曲折之線,但卻包圍著有限的面積,這難道是天堂裡才能有的『雪花』嗎?那想不想多了解一點,或者畫出也許算算這能是真的嗎?假使想,那你可以用,樹莓派基金會曾經多次癹文 post ,談著的一個稱作『Mathematica』之工具,它是一套專業的數學文章寫作、計算、畫圖、演示、…,又可以寫程式的應用軟體。這個 Mathematica 軟體的最初撰寫者,Wolfram 公司的創始人 Wolfram 先生將它免費提供給了樹莓派的使用者,真可謂是教育的有心人了!!更有興趣的讀者還可以到 Wolfram 之樹莓派網頁,多知道一些其他相關資源。下面列出幾個著名的『分形』之 Mathematica 網址,它的網頁上還有可以下載的 Mathematica 範例『筆記本』︰

Gabriel’s Horn
Koch Snowflake
Sierpiński Sieve
Peano Curve

 

── 教育的加百利之號角已然吹響,就讓自己與時俱進吧 ──