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海岸线长度问题

《数学文化》课程组

经典的欧氏几何学研究的对象是那些光滑和规则的空间形

体,它们一般都具有整数的维数.比如,零维的点、一维的线

(直线与曲线)、二维的面(平面和曲面)、三维的立体(多

面体和球体等)、四维的时空等.然而,自然界是很复杂的,

还普遍存在不光滑和不规则的空间构形.如弯弯曲曲的海岸线

起伏不平的山脉,粗糙不堪的断面,变幻无常的浮云,九曲回

肠的河流,纵横交错的血管,令人眼花撩乱的满天繁星等

等.所有这些对象很难、也不可能用欧氏几何来描述,因为它

们的维数不一定是整数,而是存在一个分数维数.正因为如此

这些形体一直被视为“病态”的“数学怪物”,而被排除在传

统数学之外.近几十年,随着科学技术的迅猛发展以及人们对

物质世界和人类社会看法的改变,数学家们开始了对这个“数

学怪物”的探索,产生了几何学的新兴分支一一分形几何学

问题的产生

OTLANI

英国的海岸线有多长?

问题的产生

英国的海岸线有多长?

英国数学家理查森(Richardson,1881~1953)查了欧洲

许多版本的百科全书,发现其中对英国海岸线的长度说法不

出入最多达到20%.显然,通常的测量是不可能产生这么大的

误差的,那这20%的差距是如何产生的呢?

对这一问题进行深入研究的是美籍法国数学家、计算机专

家蒙德尔布罗(Mandelbrot,1924~2019).他于1967年在国

际权威的美国《科学》杂志上发表了一篇奇怪却具有划时代意

义的论文一—《英国的海岸线有多长?统计自相似性与分数

维》.文中蒙德尔布罗对英国海岸线长度的问题作出了回答,

不过他的回答却让人大吃一惊:他认为无论测量的多么仔细认

真,都不可能得到英国海岸线的准确长度,因为根本就不会有

准确的答案.英国的海岸线长度是不确定的!

问题的产生

1英国的海岸线有多长?

当你用一把固定长度的直尺(没有刻度)来测量时

对海岸线上两点间的小于尺子尺寸的曲线,只能用直

线来近似。因此,测得的长度是不精确的。

如果你用更小的尺子来刻画这些细小之处,就会

发现,这些细小之处同样也是无数的曲线近似而成的。

随着你不停地缩短你的尺子,你发现的细小曲线就越

多,你测得的曲线长度也就越大

如果尺子小到无限,测得的长度也是无限

刘徽一一割圆术

2.柯克曲线

1904年,瑞典数学家柯克(Koch,1870~1924

构造了一种雪花形状的曲线,我们习惯上称为柯克雪

花曲线.这一曲线巧妙地解释了蒙德尔布罗的分形几

何思想,其构造方法如下:

(1)取一个边长为1的正三角形,在每个边上以中间的1/3为

边,向外侧凸出作一个正三角形

(2)将原来边上中间的1/3部分擦掉,就构成了一个很像雪

花形状的有12条边的六角星

(3)再以上图中每边上中间的1/3为一边,向外凸出作一个

正三角形,然后把原来边上中间的1/3部分擦掉,就构成了

个更像雪花的六角星,这个六角星有48条边

(4)重复以上步骤,不断做下去,得到的图形就是柯克雪花

曲线

1*3=3(1/3)*12=4(19)*48=16/3

3×(

“自相似”的特点

柯克曲线自身的任何一个局部,放大后都与整体非

常相似。

柯克曲线是通过无限的步骤创造的。这无限步骤中

的每一步,都是在上一部图形的每个边上,以中间的

1/3为一边,向外侧突出作一个正三角形,再把原来边

上中间的1/3部分擦掉。这样,柯克曲线自身的任何

个局部,如此不断地做下去,与整体是非常相似的。

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