lix分享 http://blog.sciencenet.cn/u/lix

博文

分形几何并非对欧氏几何的一场革命 精选

已有 10862 次阅读 2014-2-3 11:25 |个人分类:课件科普|系统分类:教学心得

去年(几天前)提到大家不太接受曼德博“步规长趋于无穷小,测量长度则趋于无穷大”的幂律,有些困惑。反而是周玮接受得比较快。是不是我们欧几里得几何在脑海里太根深蒂固,反而不利于接受新的概念呢?好像也不能这么说。比如说吧,XY平面上有一对点,坐标给定,就是用一根线段连接这两点的直线段的长度,那么用步数表示的两点间距离很容易就可以算出。不论你测量用的什么步长的步规,M=(步数)N乘以r(步长)……(1)

这是欧氏几何的规定,也是大家在实践中普遍接受的。曼德博提出,自然界中的线性地物,如海岸线等等,往往不满足欧几里德关于直线的抽象,而是处处存在微结构。(步数)N本身就是(步长)r的函数,满足幂律:N(r)=M*(1/r)**D……(2)

这里D是自然线段的分维数。注意曼德博没有指明这里M的几何意义,只强调了M是一个常数。这实际上埋下了后来所谓“分形几何是对欧氏几何的一场革命”这种误会的种子。

 

应该说,公式(2)在解释不同步长测得的海岸线长度差异,及用不同分维数描述不同海岸线的特征,等等方面,取得了巨大的成功。上述公式2所反映的幂律,大家也广泛认可。虽然式(2)也有当r趋于无穷小,测量步数则趋于无穷大的问题,但是因为这个问题在欧氏几何中同样存在,大家也比较习惯。但是,当(2)等式两边同乘以r的时候,变成:

L(r)=M*r*(1/r)**D=M*r**(1-D)……(3)式的时候,反弹就比较强烈了,因为(3)式明确表示,不单是步数,而且测得的总长度趋于无穷大。隐含意思是两点间自然线段根本没有所谓的真实长度。这两点是曼德博极端粉丝最欣赏,但也是最违背人们的直觉与常识的。

 

这个问题其实不是曼德博本人的问题。他讲得很清楚,所谓分维数保持不变,只是在一定步长取值范围之内。如果把海岸线测量的步长取到原子尺度,那离现实 比欧几里德的抽象 更远,只能用来吵架,很难用来讲理。

 

在博文 独孤求败…. 中,曾提到,“如果令r1L(1)=M,是否就是“真实”长度?”显然不是,因为连r究竟是多大都还没有提到呢。如前所述,r是步长,用一个有理数乘以单位长度来表示,如25哩、50哩、(曼德博);10km20km、等等(朱晓华)。为了简化问题,我们假定“单位长度”为实际所用的最小步规的步长。

 

为了说明分形几何并与欧氏几何之间的关系,我们假定用步规来测量一个半径R的(欧氏)园的周长。我们先选择步规的长度r=R,这样测得的圆周,即达“径一周三”的水平,误差约低估0.1416/3.1416。这个误差,显然是由于用折线代替弧线造成的。我们继续减小r,比如说,到一个小角2a 对应的弦长2R sin(a)。此时真实的弧线长为2R a。这时的系统低估为sin(a)/a。此时若逐步加大单位步长,则相对误差也随着增大,直到步长为R。这完全可以从欧氏几何得到精确的解释,也为大家所熟知。所以,虽然分形几何也能解释这种现象,但除非是春节假期实在找不到事干,才会去找那麻烦,去回归求出园弧的分维数。

 

分形几何出现的理由,是自然界很少有上述那中理想的园形边界:或者不那么园,或者圆周不那么光滑,有凹凸等微结构。所以分形几何是理想化的欧氏几何的补充,而不是要取代欧氏几何。

 



https://blog.sciencenet.cn/blog-2984-764203.html

上一篇:马年祝愿欧蔓双飞
下一篇:一条小路曲曲弯弯细又长
收藏 IP: 183.221.12.*| 热度|

27 陈楷翰 陈安 王春艳 白图格吉扎布 庄世宇 苏德辰 王峻晔 吕喆 杨森 韦玉程 徐传胜 张云 肖振亚 强涛 余昕 孙学军 李宇斌 赵凤光 陈绥阳 夏少波 赵斌 苏力宏 蔡庆华 吴吉良 彭真明 rosejump ybtr3929

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (13 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-11-16 05:14

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部