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二十余年教研积淀的前沿入门专著,清华大学胡家信教授《分形分析引论(第二版)》出版

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"分形"(fractal)一词由Benoît Mandelbrot于1975年提出,来源于拉丁文"fractus",意为"破碎"或"不规则",但分形的数学思想可以追溯到17世纪数学家Gottfried Leibniz提出的"回归自相似"概念。1872年,数学家Karl Weierstrass构造了连续但处处不可微的函数,该函数的图像现在被普遍认为是一个分形。1904年,数学家Helge von Koch不满Weierstrass抽象分析的定义,利用甚至连小朋友都能掌握的简单画图(几何)方法,构造一个类似函数的图像,现在被称为von Koch曲线,该曲线也是连续但处处不可微的。波兰数学家Wacław Sierpiński分别于1915年和1916年,构造现在称为Sierpiński垫片和Sierpiński地毯的图形,它们是两个典型分形,但性质截然不同:前者属于"有限分枝",即不同的小块相交为有限集合;而后者属于"无限分枝",即不同的小块相交为无限集合。随后,在19世纪末和20世纪初,利用自相似性,数学家们构造出更多的分形,如Cantor集(1883年)、Fatou集(1917年)、Julia集(1918年)、Lévy曲线(1938年)等,但直到20世纪60年代计算机的出现,人们才看清许多原来发现的分形所呈现的漂亮图形

最初,人们关心的主要是分形集的几何(静态)结构,如Hausdorff维数、Hausdorff测度、多重分形等,或者分形图像处理,以及与分形密切相关的动力系统(如Julia集和Mandelbrot集)和涉及生物学领域的L-系统等。20世纪80年代,物理学家和数学家开始关心分形集的分析(动态)结构,研究分形区域上的布朗运动。1988年,数学家M. Barlow和E. Perkins利用随机过程理论,构造性地证明了Sierpiński垫片上布朗运动的存在性,并得到转移密度(或热核)的上下界优美估计。1990年,T. Lindstrøm在更为广泛的一类分形集,即嵌套分形(nested fractal)上构造布朗运动。随后,M. Barlow和R. Bass在20世纪80年代末和90年代初,构造出平面Sierpiński地毯上的布朗运动,并同时得到热核上下界估计;1999年,他们将此结果推广到高维空间中的Sierpiński地毯(海绵)。以上工作,都借助于复杂的随机过程理论


L-系统产生的Sierpiński 垫片

一个自然的问题是:是否可以用较简单的分析方法得到类似结果,并推广到其他分形区域?日本数学家J. Kigami(1989年)和M. Fukushima(1992年)等首先进行这方面的研究,构造了Sierpiński垫片上的局部、正则、保守、自相似的狄氏型,该狄氏型正好对应Barlow和Perkins等所构造的布朗运动。随后,J. Kigami对更一般的分形集进行研究,在1993年提出后临界有限(post-critically finite)自相似集的概念(这类分形集都是有限分枝)。利用分析的方法,J. Kigami和R. Strichartz等数学家,较系统地研究了后临界有限自相似集这类分形区域上的狄氏型、Laplace算子和谱分析等。进一步,Kenneth J. Falconer(1999年)等利用山路引理,研究基本分形集上的某些非线性偏微分方程,从而,形成与概率学派相媲美的分析学派,使得这一方向的研究变得生机勃勃,方兴未艾。

分形集上的热核估计是这一方向研究的重要焦点。热核本身是诸多物理现象的根源,在数学物理、几何学、概率论和随机过程理论、图论、函数空间理论,包括分形几何等诸多数学领域起着极其重要的作用,属数学领域的交叉研究课题。如著名的Atiyah-Singer指标定理的证明和七大"世纪数学猜想"之一的Poincaré猜想的解决,都离不开热核及其估计。近年来,本书作者与Alexander Grigor'yan、Ka-Sing Lau等合作,尝试利用纯分析技巧,研究分形维度空间的热核估计及其相关问题,包括从不同角度找出热核估计各种各样等价条件。但这一方向的研究还远未成熟,特别是分形集上热核的研究,仍是未来研究的焦点之一。






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分形分析引论(第二版)购买

胡家信 著

北京: 科学出版社, 2026.6

ISBN 978-7-03-084503-0

从2006年起,作者为清华大学高年级本科生和研究生开设了分形几何课程,尝试介绍上述方面的基本理论。《分形分析引论》是根据作者的讲义稿编写的,目的是为初学者简单介绍这一方向的基础知识。《分形分析引论(第二版)》是在2013年第一版的基础上修改而成,系统介绍分形上的分析

内容分为两部分:前半部分 (第1~6 章)介绍分形几何的基本知识, 涵盖自相似集、随机分形、Julia 集、Mandelbrot集、L-系统等内容, 并讲解如何利用 MATLAB 软件绘制分形图形,可以供非数学专业的科研人员参考; 后半部分 (第7~12 章) 介绍分形集上的分析, 首先介绍 Hausdorff 测度、Hausdorff 维数、热半群、狄氏型等基础知识, 然后以 Sierpiński 垫片为模型, 深入讨论狄氏型的构造、定义域刻画及热核估计等内容,涉及的数学知识较多,特别是狄氏型和热核部分,主要供数学系的研究生或数学专业科研人员参考。具体修改如下:

  • 增加了MATLAB基本知识(见3.1节),修改并简化了第一版中的MATLAB程序,以便在R2023a版本上运行,本书新添加了16个MATLAB程序(第1~6章),包含44个MATLAB程序代码。

  • 添加了自相似测度,满足加倍性质(见7.4节)。

  • 修正了第一版的某些错误。

  • 在第一版前言的文献处和正文中,更新并添加了一些参考文献。

  • 添加了数学家Pierre-Simon Laplace(1749~1827)的简介(见第9章扩展阅读)。

数学家的简介,是经过作者精心挑选和加工的,资料均采自权威性网站,主要参考英国圣安德鲁斯大学数学与统计学院的网站:https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/。本书中的练习题放在每章末,以方便读者练习。

本书的LaTeX源文件,是使用软件Scientific Workplace 5.5输入而成的,所有MATLAB程序均可在2023a版本上运行。

本书的出版得到国家出版基金的资助,本书的修订得到国家自然科学基金的资助,在此表示感谢。

本文摘编自《分形分析引论(第二版)》(胡家信著. 北京: 科学出版社, 2026.6)一书"前言"及"第一版前言",有删减修改,标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-084503-0

责任编辑:李 欣 李月婷 李 萍

本书前半部分适合非数学专业人员,特别是工程技术人员阅读参考;后半部分可供数学专业人员参考。

(本文编辑:刘四旦)

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