构造分形

康托尔集

康托尔集始于一条线段,并从每条剩余线段中反复去除中间那三分之一的开放部分。最终保留的部分看似稀疏,但其数学内涵却极为丰富。

康托尔集的七个构造阶段
康托尔构造的七次迭代:在每一步中,从每个剩余区间中移除中间的开放三分之一部分。图片: Wikimedia contributors · Wikimedia Commons · Public Domain (simple geometry)

一种通过去除进行的构造

经过一步后,剩余两个闭合的三分之一;经过两步后,剩余四个九分之一;经过 n 步后,剩余 2ⁿ 个长度为 3⁻ⁿ 的线段。康托尔集是所有阶段的交集,其中包含永远不会被移除的点。

在第一步之后,剩下两个长度为三分之一的时间间隔;在第二步之后,有四个长度为九分之一的时间间隔;而在第 n 步之后,有 2ⁿ 个长度为 3⁻ⁿ 的时间间隔。尽管没有任何显示设备能够绘制出极限集,但该规则是完整的。 一个点恰好属于该集合,当且仅当它从未落入被移除的中间三分之一区间内。这种观点将该构造转化为一种精确的选择过程,而不仅仅是一系列线条逐渐变细的过程。

长度为零,点数不可数

被移除的长度之和为一,因此剩余集合的总长度为零。尽管如此,它仍是不可数集。这种对比有助于打破“点数多的集合必然占据相应大长度”这一直觉。

经过 n 个阶段后剩余的总长度为 (2/3)ⁿ,且趋于零。尽管如此,极限集仍包含不可数多的点:每一个由左右选择组成的无限序列都会选中一个点。 因此,零长度并不意味着“几乎没有点”;它意味着在勒贝格测度下不存在一维延伸。基数与测度之间的区别,正是该集合在历史上具有启示意义的原因之一。

数字揭示了自相似性

在三进制下,仅使用数字 0 和 2 即可表示康托尔集的点,同时需像往常一样注意双重展开。每一步都会出现两个等分的选择,从而产生相似维数 log 2 / log 3。

在三进制表示法中,所选数字正是那些无需使用数字 1 即可书写的数字:0 选择左分支,2 选择右分支。几何图形由此转化为符号序列。前 n 位数字确定第 n 阶段的区间,其余数字则用于细化该区间内的具体位置。 自相似性不仅体现在图像中,还表现为作用于无限序列上的平移。

来源与延伸阅读

本文以原文措辞总结了以下专业资料来源。访问并经编辑审核于 12 年 2026 月。

  1. Cantor SetWolfram MathWorld
  2. Fractal Geometry: Mathematical Foundations and ApplicationsWiley