构造分形

门格海绵

门格海绵(Menger sponge)以一个立方体为起点,将其分割为 27 个较小的立方体,并移除中心立方体以及每个面的中心。随后,该规则在 20 个剩余立方体上重复进行。

三阶门格海绵的等距渲染图
在每个阶段,中央的子立方体都会被移除,最终形成一个表面积不断增大的穿孔实体。图片: Björn Kindler / MandelKit · MandelKit Wissensgrafik · Eigene Darstellung · Own work

二十份,按三分之一比例缩放

经过 n 步演算后,剩余 20ⁿ 个边长为 3⁻ⁿ 的立方体。相似维度为 log 20 / log 3,表示曲面与立体之间的相似度。

将立方体划分为 27 个子立方体,保留 20 个,并移除中心及六个面心立方体。在每个保留的子立方体内重复该操作,可得到 20ⁿ 个边长为 3⁻ⁿ 的立方体。 因此,相似维数为 log 20/log 3,约等于 2.727。从几何角度看,尽管每个有限阶段都是由普通的三维立方体构成的,但该“海绵”结构介于曲面与体积之间。

体积消失

每个阶段都会保留前一阶段体积的 20/27,因此极限体积为零。与此同时,每一步都会出现新的通道和曲面,此时简单的表面积直观理解已不再适用于传统实体的情况。

在每个阶段,体积都会乘以 20/27,并趋近于零。表面积则会增加,因为每次去除都会露出新的内部面。物理模型受限于材料厚度和制造分辨率;而数学极限则会持续下去。因此,打印出的门格海绵并非极限海绵本身,而是一个经过精心选择的有限阶段,其支撑杆足够厚,能够保持结构完整。

一条具有雕塑般生命力的普适曲线

理想的门格海绵具有深奥的拓扑特性,而打印出的模型只是有限的近似。建筑与设计借鉴了其视觉上的多孔性,但结构上的实用性必须通过工程分析来评估,而非从数学极限中推断出来。

门格海绵在拓扑结构上非常丰富:它包含了广泛类别的一维曲线的副本,并被视为一种“普适曲线”。这是一种嵌入性陈述,并非指每条曲线在其表面上都会以一条显而易见的直线形式出现。该雕塑有助于揭示相互交错的孔洞,而普适性则需要从连通性和维度的角度进行更抽象的理解。

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. Menger SpongeWolfram MathWorld
  2. Fractal Geometry: Mathematical Foundations and ApplicationsWiley