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分形几何学的诞生:海岸线的周长是无穷大的 但面积却是有限的

时间:2012-08-13

它们是什么呢?它们都是简单而又复杂的分形分形的提出是为了更好地去解释真实的大自然

提示:本文共有 598 个字,阅读大概需要 2 分钟。

科学家曼德布洛特(Mandelbrot )1975年出版的《大自然的分形几何学》一书中,有一段话:云不只是球体,山不只是圆锥,海岸线不是圆形,树皮不是那么光滑,闪电传播的路径更不是直线。它们是什么呢?它们都是简单而又复杂的‘分形’分形的提出是为了更好地去解释真实的大自然。也正因为此,曼德布洛特被称为“分形学之父”

其中最著名的分形问题是海岸线到底有多长,海岸线作为曲线,其特征是极不规则、极不光滑的,呈现极其蜿蜒复杂的变化,曼德布洛特给出的答案是:海岸线的长度是不确定的!海岸线的长度取决于测量时的尺度,我们想象一个人沿着海岸线行走,规定每步不超过n,这样测得的海岸线长度为L.

用一只老鼠代替人测量;

用苍蝇代替老鼠测量;

测量结果:随着步长n越来越短,我们测量出来的海岸线长度越来越长。曼德布洛特发现当测量单位变小时,所得到的长度是无限增大的,如下:

从一个边长为L的正三角形开始构造:

步骤 1: 将其每边三等分

步骤 2: 以中间的L/3为边向外作正三角形

步骤 3: 将第二步中的L/3边长去掉,得到一个新的多边形,然后把这个过程无限继续下去.。

接下来,计算一下无限次后的图形周长和面积。

第n次分形后的周长是:

同理可得,第 n 次分形后的面积:

当n趋于无穷大时的周长和面积:

最终我们得到无限次后图形的周长是无穷大的,但是面积却是有限的。我们把这类图形叫做"科赫雪花线"。

你会发现像这样的图形还有很多。

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