赤道是最短的经线吗,赤道是南北纬的什么线

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-02-24 06:29:42

那么,测得的海岸线长度在不断增长,最后会不会趋于某个固定值呢?不幸的是,美国数学家曼德勃罗却证明,当把所用的测量尺子变小时,海岸线长度根本不会趋于某个固定值,而是会无限地上升,当尺子变得无穷小时,海岸线就变得无限长了。

其实这个结论我们也可以在科赫曲线中找到。假设等边三角形原先的边长是1米,那么我们用1米的尺子去测量科赫曲线,其周长是3米,中间我们忽略了所有的细节;当我们用1/3米的尺子去测量,稍增加了一点细节,其周长是4米;当用1/9米的尺子去测量,其周长是16/3米;当用米的尺子去测量,其周长是米;当n趋于无穷,尺子变得无穷小,包含的细节越来越多,结果其周长也趋于无穷大了。

海岸线与科赫曲线的相似之处在于,经过海水长年的侵蚀,在海岸线上,凹凹凸凸的地方特别多。随着测量越来越精细,海岸线长度就会成千上万倍地增加,而不仅仅只是在小数点后面修正几个数字的问题。

所以你看到了吧,泛泛地说海岸线多长是没有意义的,海岸线的长度依赖于测量时所用的尺子。

维度也可以是分数

分形几何还改变了我们对维度的认识。

众所周知,传统的观点认为,维度都是整数:点0维、直线1维、平面或者球面2维、我们所生活的空间3维,在相对论里,时间和空间被统一成了一个整体,所以时空是4维的……在超弦理论里,甚至还有10维的高维空间。但不管怎么说,维度都是整数。

赤道是最短的经线吗,赤道是南北纬的什么线(9)

分形几何学认为,不仅一些量的值(比如海岸线长度)与测量关系密切,连维数也与测量有关。譬如,当我们画一根直线,如果用0维的点来量它,其结果为无穷大,因为直线中包含无穷多个点;如果用一块平面来量它,其结果是0,因为直线中不包含平面。只有用与其同维数的小线段来量它才会得到有限值,这里,直线的维数为1(介于0维和2维之间)。

对于上面提到的科赫曲线,其整体是一条无限长的线折叠而成,显然,用小直线段度量,其结果是无穷大,而用平面量,其结果是0,那么可见其维数介于1和2之间。在分形几何学里,有严格的维数计算办法。譬如,根据计算,科赫曲线的维数是一个分数,其值是大约是1.26。维度可以是分数,这是分形几何带给我们的一个全新的观念。

我们还可以这样去理解分数维度。曼德勃罗曾描述过一个毛线球的维数变化:从很远的距离观察,比如坐飞机从高空看,这个毛线球可看作一个0维的点;从较近的距离观察,它是3维的一个球;再近一些,比如你化作一只蚂蚁,沿着毛线爬,那它又变成1维的一根绳子了;如果你变得再小呢,这根绳子对你来说太粗,又变成了3维的柱子……总之,维度随着你观察的远近和自身大小在不停变化。那么,介于这些观察点之间的中间状态又如何呢?

显然,毛线团并没有从3维变成1维的确切界限,在过渡的状态中,它的维度就变成了分数。

在大自然中,不仅海岸线,云朵、山脉的轮廓线、闪电、雪花,甚至花椰菜都具有分数的维度。因为用分形几何来描述这些自然物更加准确,所以分形几何被喻为“大自然自身的几何学”。

前面谈到的这些怪异的几何,几乎都可以在现实世界里找到事物来对应。其实并不是几何很怪异,而是我们“没见过世面”,按传统平面几何的思维逻辑来理解世界,遇到反映现实世界的几何,反而觉得怪了。

恰恰相反,欧氏平面几何才是最特殊、最理想状态的“怪异”几何,因为现实宇宙中几乎没有真正的平面。可有趣的是,我们不仅在2000多年的时间中只使用平面几何,而且现在还少不了它,原因是平面几何相对简单,有时候我们也不求精确,只要能近似简单化处理问题就行了。

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