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分形几何并非对欧氏几何的一场革命 精选

已有 10898 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。

 



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