Python 分形算法
一枚大果壳 人气:01. 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，是分形几何数学与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：
任意取平面上三点 A,B,C，组成一个三角形。
在三角形 ABC 内任意取一点 P，并画出该点。
找出 P 和三角形其中一个顶点的中点，并画出来。
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。
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。
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