維度為什麼可以不是整數

維度,又稱維數,是數學中獨立參數的數目。在物理學和哲學的領域內,指獨立的時空座標的數目。0維是點,沒有長度。1維是線,只有長度。2維是一個平面,是由長度和寬度(或曲線)形成面積。3維是2維加上高度形成體積。

人們對整數維度習以為常,幾乎可以不加思索地判斷出物的維度。想要認識非整數的維度,就先得重新思考一下整數的維度:為什麼點是0維,線是1維,面是2維而體是3維?

為了方便起見,下面討論的幾何圖形都是直線構成的圖形。

先看0維的點。

數學上的點,是無限小的,沒有體積、長度等大小概念。不論你對這個點放大縮小多少倍,它都還和原來一樣。換成數字描述,將一個點放縮x倍,”點“始終等於其自身,是自身的1倍(x^0=1)。

再看1維的線段。

對一條有限長度的線段,將其線度放大x倍,相應地,線段本身就等於原來的x倍。比如放大2倍,需要2條原來的線段來填滿新的線段,放大5倍,就需要5條原來的線段來填滿新的線段(x^1)。

再看2維的平面圖形。

對一個正方形,將其線度放大x倍,也就是各條邊放大x倍,相應地,放大以後的圖形是原來的x^2倍大小。比如每條邊放大2倍,得到的新的圖形就需要4個原來的正方形來填滿,放大3倍,就需要9個原來的正方形來填滿(x^2)。

維度為什麼可以不是整數

最後看3維圖形。

相信機智如你,已經總結出規律,不需要再多說了吧。

有上面的認識,維度D的計算公式就可以用通俗的語言總結如下,對一個圖形,將其線度上放大x倍後,需要y個原來的圖形來填滿,則其維度D

維度為什麼可以不是整數

上面的公式相當樸素與原始,如果深究,還有許多值得商榷之處。關於維度的嚴謹定義,感興趣可以取了解一下豪斯道夫維度,閔可夫斯基上界維數,閔可夫斯基下界維數等。過於專業,此處不予討論。

接下來看兩個具有非整數維度的分形(fractal)的例子:

1.謝爾賓斯基Sierpinski地毯

這是一個平面圖形,構造方法比較簡單。首先取一個三角形,取各邊中點,連線,劃分成四個完全一樣的三角形。將中間的三角形去掉(如下圖中的A)。對剩下的三個小三角形,重複以上操作,就得到下圖中的B。這樣無限迭代下去,就得到了Sierpinski三角形。

維度為什麼可以不是整數

如果將這個圖形各邊放大為原來的2倍,則只需要3個原來的圖形,就能填滿新的圖形,於是它的維度

維度為什麼可以不是整數

類似地,對下面這樣的Sierpinski正方形,取各邊的三等分點,構造過程與上面類似。

維度為什麼可以不是整數

將這個圖形各邊放大3倍,則只需要8個原來的圖形,就能填滿新圖形,於是它的維度

維度為什麼可以不是整數

該如何理解這種大於1又小於2的非整數維度呢?

可以通過“度量”來把握。假設一開始的圖形面積為單位1,每經過一步操作,圖形面積都減小到原來的r倍(r<1,對Sierpinski三角形,r=3/4,對Sierpinski正方形,r=8/9)。於是經過無窮次迭代後,其面積變為0。即Sierpinski地毯的面積為0。也就是說,該地毯處處都是漏洞。我們知道只有二維圖形才有面積,而Sierpinski地毯的維度小於2,故面積為0。另外,其維度又大於1,所以也不能通過有限長的直線將其覆蓋。這樣一想,是不是可以幫助理解這個介於1維到2維之間的奇怪圖形?

注意:Sierpinski地毯是無限迭代的結果。經過任意有限次的操作後,圖形的面積都存在且大於0,其維度始終是2維,這個2維圖形不是“Sierpinski地毯”。

2.科赫Koch雪花

圖形的作法是,從一個正三角形開始,把每條邊分成三等份,然後以各邊的中間長度為底邊,分別向外作正三角形,再把“底邊”線段抹掉。經過無窮次這樣的操作,就會得到一個“雪花”樣子的曲線:

維度為什麼可以不是整數

如果我們看科赫雪花的內部,其面積有限,是一個標準的二維圖形。但這裡需要澄清的是,與Sierpinski地毯不同,科赫雪花指的是它的邊。容易知道,如果將其放大3倍,需要4個原來的圖形才能填滿。於是其維度

維度為什麼可以不是整數

通過計算可知,科赫雪花的長度為無窮,這與其維度大於1相符合。而科赫雪花本質上還是“線”,不論經過多少次迭代,這條“線”都不具有面積,面積為0。故維度小於2。

注意:Koch雪花是無限迭代的結果。經過任意有限次的操作後,圖形的長度都是有限值,其維度始終是1維,都不是“Koch雪花”。

最後欣賞一下來自複數的Mandelbrot集合:

維度為什麼可以不是整數

這是一個非常複雜的分形,具有無窮自相似的結構。不一樣的距離,可以產生循環往復的美。設想它是一個島嶼,被熱帶海洋環繞著,你可以看到它在海面下的底部。現在,你從九霄雲外出發,朝著他不斷墜落,拉近,乃至沉入,就能感受到“一沙一世界,一葉一天堂”的禪意。

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