趣味数学 · WonderLab

趣味数学:随机跳跃长出谢尔宾斯基三角形,科赫雪花的无限周长,随风摇摆的分形树,三维莫比乌斯带上的蚂蚁、涂色与剪开,黄金分割小游戏与无限放大的螺旋,向日葵的黄金角。

学科:数学 · 适用学段:初中、高中 · 知识点:分形、莫比乌斯带、黄金分割、叶序

章节内容

谢尔宾斯基三角形

玩一个游戏:在三角形里随便取一点,然后不断重复——随机选一个顶点,向它跳一半的距离,打一个点。

每一步都是随机的,可几万个点打下来,出现的却是一个精致而规整的图形:谢尔宾斯基三角形。它的每一小块都和整体一模一样,这叫自相似,是分形的标志。

科赫雪花

从一个正三角形开始,把每条边三等分,在中间一段上向外长出一个小正三角形。对新的每条边重复这一步。

雪花的边越来越曲折:周长没有上限,面积却永远不会超过一个固定的值。

分形树

树干顶端长出两根短一些的枝条,每根枝条的顶端又长出两根……只用一条规则,就能长出一整棵树。

大自然里的树、河流、血管、闪电,都有这种“一分为二、层层缩小”的分形结构。

莫比乌斯带

把一张长纸条的一端扭转半圈,再和另一端粘起来,就得到莫比乌斯带(德国数学家莫比乌斯,1858)。

它只有一个面、一条边。拖动可以旋转观察,再让蚂蚁走一走、给它涂涂色、沿中线剪开看看会发生什么。

黄金分割

把线段 AB 分成两段,使 AG : AB = GB : AG,这个比值约为 0.618,叫黄金比;它的倒数 φ = (1 + √5)/2 ≈ 1.618。

先凭眼力找找黄金分割点,再看看它和黄金螺旋、斐波那契数列的关系。

向日葵的种子

向日葵花盘上,每长出一粒新种子,就比上一粒转过一个固定的角度。

这个角度取多少,种子才能排得最密?拖动滑块试试——只差零点几度,图案就完全不同。

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