1. 前言

分形几何是几何数学中的一个分支,也称大自然几何学,由著名数学家本华曼德勃罗( 法语:BenoitB.Mandelbrot)在 1975 年构思和发展出来的一种新的几何学。

分形几何是对大自然中微观与宏观和谐统一之美的发现,分形几何最大的特点:

  • 整体与局部的相似性: 一个完整的图形是由诸多相似的微图形组成,而整体图形又是微图形的放大。

    局部是整体的缩影,整体是局部的放大。

  • 具有自我叠加性: 整体图形是由微图形不断重复叠加构成,且具有无限叠加能力。

什么是分形算法?

所谓分形算法就是使用计算机程序模拟出大自然界的分形几何图案,是分形几何数学计算机科学相融合的艺术。

由于分形图形相似性的特点,分形算法多采用递归实现。

2. 分形算法

2.1 科赫雪花

科赫雪花是由瑞典数学家科赫在 1904 年提出的一种不规则几何图形,也称为雪花曲线。

分形图形的特点是整体几何图形是由一个微图形结构自我复制、反复叠加形成,且最终形成的整体图案和微图形结构一样。在编写分形算法时,需要先理解微图案的生成过程。

科赫雪花的微图案生成过程:

  • 先画一条直线。科赫雪花本质就由一条直线演化而成。
  • 三等分画好的直线。
  • 取中间线段,然后用夹角为 60° 的两条等长线段替代。
  • 可在每一条线段上都采用如上方式进行迭代操作,便会构造出多层次的科赫雪花。

科赫微图形算法实现:

使用 Python 自带小海龟模块绘制,科赫雪花递归算法的出口的是画直线。

import turtle
'''
size:直线的长度
level: 科赫雪花的层次
'''
def koch(size, level):
if n == 1:
turtle.fd(size)
else:
for i in [0, 60, -120, 60]:
turtle.left(i)
# 旋转后,再绘制
koch(size // 3, level - 1)

参数说明:

  • size: 要绘制的直线长度。
  • level: 科赫雪花的层次。

0 阶和 1 阶 科赫雪花递归流程:

import turtle
turtle.speed(100)
def ke_line(line_, n):
if n == 0:
turtle.fd(line_)
else:
line_len = line_ // 3
for i in [0, 60, -120, 60]:
turtle.left(i)
ke_line(line_len, n - 1)
# 原始直线长度
line = 300
# 移动小海龟到画布左下角
turtle.penup()
turtle.goto(-150, -150)
turtle.pendown()
# 1 阶科赫雪花
di_gui_deep = 1
ke_line(line, di_gui_deep)
turtle.done()

2 阶科赫雪花:

可以多画几个科赫雪花,布满整个圆周。

import turtle
turtle.speed(100)
def ke_line(line_, n):
if n == 0:
turtle.fd(line_)
else:
line_len = line_ // 3
for i in [0, 60, -120, 60]:
turtle.left(i)
ke_line(line_len, n - 1)
# 原始线长度
line = 300
# 移动小海龟画布左下角
turtle.penup()
turtle.goto(-150, -150)
turtle.pendown()
# 几阶科赫雪花
di_gui_deep = int(input("请输入科赫雪花的阶数:"))
while True:
# 当多少科赫雪花围绕成一个圆周时,就构成一个完整的雪花造型
count = int(input("需要几个科赫雪花:"))
if 360 % count != 0:
print("请输入 360 的倍数")
else:
break
for i in range(count):
ke_line(line, di_gui_deep)
turtle.left(360 // count)
turtle.done()

4 个 3 阶科赫雪花: 每画完一个后旋转 90 度,然后再绘制另一个。

6 个 3 阶科赫雪花: 每画完一个后,旋转 60 度再画另一个。

科赫雪花的绘制并不难,本质就是画直线、旋转、再画直线……

2.2 康托三分集

由德国数学家格奥尔格·康托尔在1883年引入,是位于一条线段上的一些点的集合。最常见的构造是康托尔三分点集,由去掉一条线段的中间三分之一得出。

构造过程:

  • 绘制一条给定长度的直线段,将它三等分,去掉中间一段,留下两段。
  • 再将剩下的两段再分别三等分,同样各去掉中间一段,剩下更短的四段……
  • 将这样的操作一直继续下去,直至无穷,由于在不断分割舍弃过程中,所形成的线段数目越来越多,长度越来越小,在极限的情况下,得到一个离散的点集,称为康托尔点集。

编码实现: 使用递归实现。

import turtle
''''
(sx,sy)线段的开始位置
(ex,ey)线段的结束位置
'''
turtle.speed(100)
turtle.pensize(2)
def draw_kt(sx, sy, ex, ey):
turtle.penup()
# 小海龟移动开始位置
turtle.goto(sx, sy)
turtle.pendown()
# # 小海龟移动结束位置
turtle.goto(ex, ey)
# 起始点与结束点之间的距离
length = ex - sx
# 如果直线长线大于 5 则继续画下去
if length > 5:
# 左边线段的开始 x 坐标
left_sx = sx
# y 坐标向下移动 30
left_sy = sy - 50
# 左边线段的结束坐标
left_ex = sx + length / 3
left_ey = left_sy
# 右边线段的开始坐标
right_sx = ex - length / 3
right_sy = ey - 50
# 右边线段的结束坐标
right_ex = ex
right_ey = right_sy
draw_kt(left_sx, left_sy, left_ex, left_ey)
draw_kt(right_sx, right_sy, right_ex, right_ey)
draw_kt(-300, 200, 300, 200)
turtle.done()

康托三分集的递归算法很直观。

2.3 谢尔宾斯基三角形

谢尔宾斯基三角形(英语:Sierpinski triangle)由波兰数学家谢尔宾斯基在1915年提出。

构造过程:

  • 取一个实心的三角形(最好是等边三角形)。
  • 沿三边中点的连线,将它分成四个小三角形。
  • 去掉中间的那一个小三角形。
  • 对其余三个小三角形重复上述过程直到条件不成立。

编码实现: 谢尔宾斯基三角形就是不停的画三角形,在编码之前约定三角形点之间的关系以及绘制方向如下图所示。

import turtle
import math turtle.speed(100)
'''
通过连接 3 个点的方式绘制三角形
pos是元组的元组((x1,y1),(x2,y2),(x3,y3))
'''
def draw_triangle(pos):
turtle.penup()
# 移到第一个点
turtle.goto(pos[0])
turtle.pendown()
# 连接 3 个点
for i in [1, 2, 0]:
turtle.goto(pos[i]) # 计算三角形任意两边的中点坐标
def get_mid(p1, p2):
return (p1[0] + p2[0]) / 2, (p1[1] + p2[1]) / 2 '''
绘制 谢尔宾斯基三角形
'''
def sierpinski_triangle(*pos):
# 用给定的点绘制三角形
draw_triangle(pos)
p1, p2, p3 = pos
# 计算三角形的边长
side = math.fabs((p3[0] - p1[0]) / 2)
# 如果边长满足条件,继续绘制其它三角形
if side > 10:
# p1和p2线段 的中心点
p1_p2_center_x, p1_p2_center_y = get_mid(p1, p2)
# p2和p3线段 的中心点
p2_p3_center_x, p2_p3_center_y = get_mid(p2, p3)
# p1和p3线段 的中心点
p1_p3_center_x, p1_p3_center_y = get_mid(p1, p3)
# 绘制左下角三角形
sierpinski_triangle(p1, (p1_p2_center_x, p1_p2_center_y), (p1_p3_center_x, p1_p3_center_y))
# 绘制上边三角形
sierpinski_triangle((p1_p2_center_x, p1_p2_center_y), p2, (p2_p3_center_x, p2_p3_center_y))
# 绘制右下角三角形
sierpinski_triangle((p1_p3_center_x, p1_p3_center_y), (p2_p3_center_x, p2_p3_center_y), p3) # 第一个点指左边点,第二点指上面的点,第三个指右边的点。
sierpinski_triangle((-200, -100), (0, 200), (200, -100))
turtle.done()

代码执行之后的结果:

用随机的方法(Chaos Game),绘制谢尔宾斯基三角形:

构造过程:

  1. 任意取平面上三点 A,B,C,组成一个三角形。

  1. 在三角形 ABC 内任意取一点 P,并画出该点。

  1. 找出 P 和三角形其中一个顶点的中点,并画出来。

  1. 把刚才找出来的中心点和三角形的任一顶点相连接,同样取其中点,并画出来。

  1. 重复上述流程,不停的获取中心点。

注意,是画点,上面的线段是为了直观理解中心点位置。

编码实现:

import turtle
import random
turtle.speed(100)
turtle.bgcolor('black')
colors = ['red', 'green', 'blue', 'orange', 'yellow']
# 画等边三角形
def draw_triangle(pos):
turtle.penup()
turtle.goto(pos[0])
turtle.pendown()
for i in [1, 2, 0]:
turtle.goto(pos[i]) def sierpinski_triangle(*pos):
# 画三角形
draw_triangle(pos)
p1, p2, p3 = pos
# 在三角形中任取一点
ran_x, ran_y = (p1[0] + p3[0]) / 2, (p2[1] + p3[1]) / 2
for i in range(10000):
# 画点
turtle.penup()
turtle.goto(ran_x, ran_y)
turtle.pendown()
turtle.dot(3, colors[i % 5])
# 随机选择 3 个顶点的一个顶点
ran_i = random.randint(0, 2)
ding_p = pos[ran_i]
# 计算任意点和顶点的中心点
ran_x, ran_y = (ran_x + ding_p[0]) / 2, (ran_y + ding_p[1]) / 2
sierpinski_triangle((-200, -100), (0, 200), (200, -100))
turtle.done()

随机法是一个神奇的存在,当点数量很少时,看不出到底在画什么。当点的数量增加后,如成千上万后,会看到谢尔宾斯基三角形跃然于画布上,不得不佩服数学家们天才般的大脑。

下图是点数量为 10000 时的谢尔宾斯基三角形,是不是很震撼。

2.4 分形树

绘制分形树对于递归调用过程的理解有很大的帮助,其实前面所聊到的递归算法都是树形递进。分形树能很形象的描述树形递归的过程。

分形树的算法实现:

import turtle
def draw_tree(size):
if size >= 20:
turtle.forward(size) # 1
# 画右边树
turtle.right(20)
draw_tree(size - 40) # 2
# 画左边树
turtle.left(40)
draw_tree(size - 40)
# 后退
turtle.right(20)
turtle.backward(size)
turtle.left(90)
draw_tree(80)
turtle.done()

为了理解分形树的递归过程,如上代码可以先仅画一个树干两个树丫。

下面以图示方式显示左右两边的树丫绘制过程。

3. 总结

分形几何是大自然对数学的馈赠,当然这离不开数学家们的发现与研究,通过计算机科学对分形几何的模拟,可以以可视化的方式更直观地研究分形几何学。这也是计算机科学对于各学科的巨大贡献。

Python 分形算法__代码里开出来的艺术之花的更多相关文章

  1. python冒泡算法联系代码

    root@(none):~/python# python maopao.py[6, 11, 13, 22, 99]root@(none):~/python# cat maopao.py #!/usr/ ...

  2. Python实现各种排序算法的代码示例总结

    Python实现各种排序算法的代码示例总结 作者:Donald Knuth 字体:[增加 减小] 类型:转载 时间:2015-12-11我要评论 这篇文章主要介绍了Python实现各种排序算法的代码示 ...

  3. 简学Python第二章__巧学数据结构文件操作

    #cnblogs_post_body h2 { background: linear-gradient(to bottom, #18c0ff 0%,#0c7eff 100%); color: #fff ...

  4. 简学Python第一章__进入PY的世界

    #cnblogs_post_body h2 { background: linear-gradient(to bottom, #18c0ff 0%,#0c7eff 100%); color: #fff ...

  5. c#代码 天气接口 一分钟搞懂你的博客为什么没人看 看完python这段爬虫代码,java流泪了c#沉默了 图片二进制转换与存入数据库相关 C#7.0--引用返回值和引用局部变量 JS直接调用C#后台方法(ajax调用) Linq To Json SqlServer 递归查询

    天气预报的程序.程序并不难. 看到这个需求第一个想法就是只要找到合适天气预报接口一切都是小意思,说干就干,立马跟学生沟通价格. ​ ​不过谈报价的过程中,差点没让我一口老血喷键盘上,话说我们程序猿的人 ...

  6. 浅谈Android保护技术__代码混淆

    浅谈Android保护技术__代码混淆   代码混淆 代码混淆(Obfuscated code)亦称花指令,是将计算机程序的代码,转换成一种功能上等价,但是难于阅读和理解的形式的行为.将代码中的各种元 ...

  7. python 排序算法总结及实例详解

    python 排序算法总结及实例详解 这篇文章主要介绍了python排序算法总结及实例详解的相关资料,需要的朋友可以参考下 总结了一下常见集中排序的算法 排序算法总结及实例详解"> 归 ...

  8. 带你掌握4种Python 排序算法

    摘要:在编程里,排序是一个重要算法,它可以帮助我们更快.更容易地定位数据.在这篇文章中,我们将使用排序算法分类器对我们的数组进行排序,了解它们是如何工作的. 本文分享自华为云社区<Python ...

  9. python _、__和__xx__的区别

    python _.__和__xx__的区别 本文为译文,版权属于原作者,在此翻译为中文分享给大家.英文原文地址:Difference between _, __ and __xx__ in Pytho ...

随机推荐

  1. MYSQL数据表损坏的原因分析和修复方法小结

    MYSQL数据表损坏的原因分析和修复方法小结 1.表损坏的原因分析 以下原因是导致mysql 表毁坏的常见原因: 1. 服务器突然断电导致数据文件损坏. 2. 强制关机,没有先关闭mysql 服务. ...

  2. 树莓派安装docker并使用docker图形化工具portainer

    配置环境 系统:Raspbian 11(64位) 设备:树莓派4B 一.安装docker 1.安装 curl -fsSL https://get.docker.com -o get-docker.sh ...

  3. Spring MVC 是什么? 核心总结

    SpringMVC是一个基于Java的实现了MVC设计模式的请求驱动类型的轻量级Web框架,通过把Model,View,Controller分离,将web层进行职责解耦,把复杂的web应用分成逻辑清晰 ...

  4. 认识并学会使用spring boot

    1,什么是SpringBoot SpringBoot是Spring项目中的一个子工程,与我们所熟知的Spring-framework 同属于spring的产品,用一些固定的方式来构建生产级别的spri ...

  5. HTTP攻击与防范-PHP客户端脚本攻击

    实验目的 了解客户端脚本植入攻击的方式 掌握防范攻击的方法 实验原理 了解客户端脚本植入攻击的方式 掌握防范攻击的方法 实验内容 了解客户端脚本植入攻击的方式 掌握防范攻击的方法 实验环境描述 1. ...

  6. C#方法重载(overload)、重写(覆盖)(override)、隐藏(new)

    重载 同一个作用域内发生(比如一个类里面),定义一系列同名方法,但是方法的参数列表不同.这样才能通过传递不同的参数来决定到底调用哪一个.而返回值类型不同是不能构成重载的. 作用:  重载必须发生在一个 ...

  7. 【C# 线程】数据槽 LocalDataStoreSlot简称DataSlot

    背景 为了确保在线程中声明特定类型的变量,在每个线程中的值都是唯一的,不受到其他线程对该变量读写的影响.也就是俗称的线程本地存储 (TLS),可用于存储对线程和应用程序域唯一的数据. 例如:主线程中声 ...

  8. Linux Shell脚本_关闭防火墙

    转至:https://blog.csdn.net/weixin_40816738/article/details/105244851 ① 脚本编写创建脚本 vim closeFirewall.sh 添 ...

  9. Chrome:开发者模式下选取网页元素对应的代码

    CTRL+SHIFT+C 或者 左上角的类鼠标图标

  10. struct.error: unpack requires a buffer of 26 bytes

    with open('Test.bmp', 'rb') as f: s = f.read(30) #利用struct提取信息 struct.unpack('<ccIIIIIHH',s) #报错 ...