单词 | 为什么科赫雪花曲线不能求出其长度 |
释义 | 为什么科赫雪花曲线不能求出其长度 科赫曲线看上去有头有尾,除了弯弯曲曲外似乎没有什么特别的,但它却有无限的长度,真是非常奇特。 科赫曲线还有其他奇特之处,比如,三条科赫曲线首尾相接可以围成一个雪花形的图形,称为科赫雪花曲线,它围成的面积是有限的,但它的周长却是无限的。科赫曲线处处不光滑,其上任何一点处都没有切线。科赫曲线上任取一小段,都可以无限拉长,但无法拉成一条直线,怎么拉都是弯曲的。 圆周 科赫雪花曲线 那么为什么圆周可以求出其长度,而同样围成有限面积的科赫雪花曲线却不可求长呢?比较一下圆周和科赫雪花曲线,立即可以发现它们本质上的区别:圆周是光滑的,而科赫曲线处处不光滑!何为光滑呢?在数学上就是说它处处有切线,在切点附近,曲线和直线(切线)非常接近。为此,我们将通过光滑曲线的局部放大来观察曲线的局部形状。 如果把圆周上一点进行局部放大,从中可以明显地看出圆周上一点附近很小的局部和直线非常接近。 这样,在测量时,用小而直的尺代替这一小段曲线几乎没有什么损失,测量得到的误差微乎其微,并且随着尺长的缩短,总的测量误差会越来越小,最后达到曲线的实际长度。 圆周局部放大图,圆周上的一小段和直线段相差无几 科赫雪花曲线任何一小段都和原曲线同样复杂 反观科赫雪花曲线,任何一小段经过放大,可以发现其与整条曲线是相似的,包含了原来整条曲线的复制品。这样,任一小段都和原曲线同样复杂,永远不会变得和直线近似。因此,科赫曲线上再小的一段都不能用直尺来近似地替代,自然不能用直尺来测量出科赫曲线的长度。科赫曲线这种任意小局部都和整体相似,且和整体一样复杂的性质,称为自相似性。具有自相似性质的几何对象现在有一个新名字——分形。第一条具有这种点点不光滑、处处没有切线、不可求长等性质的曲线,是由德国大数学家魏尔斯特拉斯构造的,称为魏尔斯特拉斯曲线。在魏尔斯特拉斯构造出他的曲线之前,大多数人认为一条曲线除少数点外,其他地方都应该是光滑的、有切线的,曲线段都是有确定长度的。而魏尔斯特拉斯曲线的出现打破了人们的固有观念,堪称一大创举。不过魏尔斯特拉斯曲线比较复杂,而科赫曲线的构造比较有规律,容易被大家接受,是介绍不可求长曲线的好例子。 魏尔斯特拉斯曲线 皮亚诺曲线 事实上还有更奇特的曲线存在,比如,意大利数学家皮亚诺构造了一条曲线,称为皮亚诺曲线,这条曲线居然可以充满整个正方形!当然,这条曲线也绝对是不可求长的。(邱维元) 【微问题】想一想,海岸线长度能精确测量吗? 【关键词】曲线长度 不可求长曲线 |
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