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海岸线的维度(维度系列2)

海岸线的维度是多少?
海岸线的维度(维度系列2)
19 人挑战成功
趣味数学挑战

完成本期挑战需要达到:

本科数学水平

题目

C国的人们正在努力测量海岸线的长度. 不幸的是,无论放大多少倍,他们的海岸都是参差不齐且不平坦的. 他们发现,由于使用了较短的标尺,海岸线的长度似乎从320增加到了400甚至到了500公里.

以下是他们尝试测量海岸线时发生的事情:

沿着海岸线,80公里的标尺测量需要4次.

40公里的标尺需要10次.

20公里的标尺需要25次.

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我们知道,如果将海岸线看成是一维物体,每当将标尺的大小减半时,测量海岸线的次数就要增加一倍.

但海岸线似乎不是一维物体,那么它的维度是 __________.

选项

海岸线有多长?这个问题的答案会因提问的人以及他们的测量方式得到不同的答案. 甚至一个“无限”的长度也是一个合理的答案!这就是所谓的“海岸线悖论”.

正如本系列的前一个挑战中介绍的那样,对维度的理解可以对海岸线悖论有所了解. 下面我们先来看看如何测量曲线及其与尺寸的关系.

我们可以通过一个简单的过程来估算平滑曲线的长度:拿一把尺子,用直线段来估算. 随着你使用越来越短的标尺,答案会越来越准确. 这个方法有效的原因是,如果你观察曲线的一部分,它实际上是很直的.

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但锯齿状的海岸线不是这样的. 即使我们放大它的一小部分,它也不是那么直. 当我们仔细观察时,会发现更多粗糙的边缘. 因此,即使我们使用越来越小的尺子,海岸的长度也不会收敛到一个固定的值,它只会越来越大.

所以海岸线的长度是无限的吗?如果不管我们多么仔细地观察海岸都是锯齿状的,那么根据上面的推理,是的,它是无限的. 但在实践中,当你达到非常非常小的长度时,在现实世界中的事物往往会变得平滑. 然而,由于我们通常不使用电子显微镜测量海岸线,因此这个悖论是真实存在的,对我们如何谈论粗糙边缘的测量产生了真正的影响.

在处理这样的锯齿状表面时,我们如何量化它的锯齿状?这就是维度概念的由来.

平滑直线是一维的 (D=1). 那是因为如果你用比它短一倍的尺子测量它(S=2),需要测量两次 (C=2). 我们可以在这张图片中看到这种缩放在起作用.

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这满足我们在本系列的前一个挑战中找到的关于维度的方程:

那么锯齿状的海岸线是多少维度呢?