分形與連分?jǐn)?shù)

閆月靜，李 核，劉 豐

（吉林師范大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000）

分形與連分?jǐn)?shù)

閆月靜，李 核，劉 豐

（吉林師范大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院，吉林 四平 136000）

分形幾何學(xué)以非規(guī)則幾何形態(tài)為研究對象，在數(shù)論中有著重要的應(yīng)用.連分?jǐn)?shù)的展式具有分形集結(jié)構(gòu)的自相似性，可以估算其部分商滿足一定條件下的Hausdorff維數(shù).

分形;連分?jǐn)?shù)；Hausdorff測度；Hausdorff維數(shù)

1 分形理論

1.1 分形的定義

在20世紀(jì)70年代，Mandelbrot為了表征復(fù)雜圖形和復(fù)雜過程引入了“分形”(fractal)一詞，它的原意是指不規(guī)則的、支離破碎的物體，隨后又將其引入到自然學(xué)科領(lǐng)域，逐步形成了以非規(guī)則幾何形態(tài)為研究對象的分形幾何學(xué).

在1982年，Mandelbrot將分形定義為拓?fù)渚S數(shù)大于Hausdorff維數(shù)的集合.之后，Mandelbrot又給出了分形更廣泛的定義，即局部和整體以某種方式自相似的圖形，強調(diào)了圖形中的局部與整體間的自相似性.迄今為止，分形還沒有嚴(yán)格的定義.

一般地，具有如下典型性質(zhì)的集F稱為分形：(ⅰ)集F在任意小的尺度下都有精細(xì)的結(jié)構(gòu)；

(ⅱ)集F是極不規(guī)則的，它不能用傳統(tǒng)的歐幾里德空間的集合語言進(jìn)行描述，即它既不是某些方程的解集又不是滿足某些條件的點的軌跡；

(ⅲ)集F具有結(jié)構(gòu)上的自相似性；

(ⅳ)集F的分形維數(shù)大于其拓?fù)渚S數(shù)；

在大多數(shù)的情況下，分形集F的定義很簡單，并且可以通過變換相應(yīng)的迭代關(guān)系而產(chǎn)生.

2 Hausdorff測度

在Rn中，?U?Rn,U≠?，U的直徑為|U|=sup{|x-y|:x,y∈ U}，即U內(nèi)任何兩點距離的最大值.若且對?i都有，則稱{Ui}為F的一個δ-覆蓋.設(shè)?F?Rn，s≥0，?δ>0，定義

對?F?Rn此極限都存在，我們稱Hs(F)為F的s-維Hausdorff測度.

3 Hausdorff維數(shù)

2 連分?jǐn)?shù)

分形在經(jīng)典數(shù)論中的例子就是連分?jǐn)?shù)，可以利用連分?jǐn)?shù)的展開式來定義數(shù)集.

2.1 連分?jǐn)?shù)的定義

任意一個不是整數(shù)的數(shù)x都可以寫成x=a0+1/x1，這里a0是一個整數(shù)，并且x1>1.類似地，如果xi不是整數(shù)，那么x1=a1+1/x2，這里x2>1，所以x=a0+1/(a1+1/x2)，以這種方法進(jìn)行下去，對每個k，x=a0+1/(a1+1(…1/(ak-1+1/xk))).

假設(shè)在每一步xk都不是整數(shù)則稱整數(shù)序列a0,a1,a2,…（可以是有限項也可以是無限項）是x的部分商，并記

為x的連分?jǐn)?shù)的展式，或記為[a0,a1,a2,a3,…]的形式.

連分?jǐn)?shù)的展式在結(jié)構(gòu)上很好的體現(xiàn)了分形集的精細(xì)結(jié)構(gòu)，以及其在比例上的自相似性.

2.2 連分?jǐn)?shù)的基本性質(zhì)及應(yīng)用

性質(zhì)1 有理數(shù)可以展開成有限項連分?jǐn)?shù)，無理數(shù)可以展開成無限項連分?jǐn)?shù).

性質(zhì)2 具有整系數(shù)的二次方程的根都有周期性的部分商（即二次根式）[6].

例2 x2+4x-2=0的根

性質(zhì)3 已知周期性的部分商，可以求出無理數(shù).

3 連分?jǐn)?shù)分形集的Huasdorff維數(shù)

利用分形的自相似性，也可以定義分形集.設(shè)D?R，且D為閉集，映射S:D→D，如果?x,y∈D,?c,0

在連分?jǐn)?shù)的部分商上加一些條件，定義出來的數(shù)集經(jīng)常是分形；改變加在部分商上的條件可以得到作為某些變換的不變集的其他分形，并且可以估計其Hausdorff維數(shù).

例5 設(shè)F是正實數(shù)組成的數(shù)集，x∈F，且x具有無窮的部分分式展開式，且它們的部分商都等于1或2.那么F是分形，且0.44

〔1〕劉碩.分形圖形的代數(shù)語言系統(tǒng)研究[D].蘭州大學(xué),2011.〔2〕Mandelbrot B B.The Fractal Geometry of Nature[M]. San Francisco:Freeman.1983,41-45.

〔3〕宛瑩.多重分形理論及其在中國股票市場中的應(yīng)用研究[D].東北大學(xué),2007.

〔4〕丁偉業(yè).連分?jǐn)?shù)部分商的分形維數(shù)[D].華中科技大學(xué), 2011.

〔5〕何雅.連分?jǐn)?shù)及其基本性質(zhì)[J].長江職業(yè)技術(shù)工程學(xué)院學(xué)報，2004,3(21).

〔6〕袁明豪,嚴(yán)培勝,張清芳.有限簡單連分?jǐn)?shù)的幾個應(yīng)用[J].黃岡師范學(xué)院學(xué)報，2004,6(23).

〔7〕秦靜,張光明.分形自相似的一些應(yīng)用[J].山東師大學(xué)(自然科學(xué)版),1998,12(13).

〔8〕趙義超,秦永華.循環(huán)簡單連分?jǐn)?shù)的定理證明[J].九江學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2005（3）.

O29；O156

A

1673-260X（2014）04-0001-02