170.门格海绵
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※170.门格海绵
门格(Karl Menger,1902—1985)
1926年
小朋友在充满无数凹洞的门格海绵中嬉戏。这是一张由醉心于分形研究的钱德勒(Gayla Chandler)与伯克(Paul Bourke)联手完成的作品,用伯克的计算机画出海绵后,再用合成的方式贴上小朋友的图案。
帕斯卡尔三角形(1654年),鲁珀特王子的谜题(1816年),郝斯多夫维度(1918年),安多的项链(1920年),福特圈(1938年)及分形(1975年)
门格海绵是一个充满无数凹洞的分形物体,是一个会让牙医噩梦连连却又束手无策的物体,由奥地利数学家门格在1926年首次提出。如要建构这块海绵,首先以一块“立方母体”(mother cube)为出发点,并将之分割成27个大小相同的较小立方体,接着把位于立方母体正中心的那块小立方体,以及与之六面相连的其他小立方体一并移除,留下其余20个小立方体;然后再不断无止境地重复相同的步骤即可。相对于最原始的立方母体而言,每经过n次递归步骤后会增加20个小立方体,所以,执行第二次建构步骤后会得到400个小小立方体,执行六次建构步骤后,总共会得到64000000个更小的立方体。
门格海绵的每一面又称作“谢尔宾斯基地毯”,以后者分形结构为基础所打造的天线,有时会用来当成电磁讯号的强力接收器,而这两者都具备迷人的几何特质,譬如门格海绵拥有无限大表面积的同时,在三维空间内所涵盖的体积却是0。
根据“图形研究与展示中心”的说法,谢尔宾斯基地毯每经过一次建构的步骤,其表面“如同泡沫分解消失一样,最终覆盖不了任何一块区域,可是却同时拥有无限长的边界;就好像皮肉不存的动物骨骸一样,最终就连残余的骨骸也都会消失无踪—谢尔宾斯基地毯可以占据整个平面区域,但最后却在平面上找不到立锥之地”。说到底,谢尔宾斯基地毯这块坑坑洞洞破布的本质介于线与面之间,尽管线与面分别属于一维与二维空间的概念。谢尔宾斯基地毯的“分形”维度是1.89,而介于平面与立体之间的门格海绵,其分形维度(专业的说法叫作郝斯多夫维度)则大约是2.73,并用以辅助想象某些像是泡沫一般的时空模型。莫斯利(Jeannine Mosely)博士还曾经用超过65000张名片堆出一个门格海绵的模型,总重大约是70千克左右。 数学之书:数学史上250个里程碑式的发现