gototop
Понедельник, 30 Сентябрь 2013 16:08

Парадокс береговой линии

Автор 
Оцените материал
(2 голосов)

Парадокс береговой линии заключается в том нелогичном наблюдении, что береговая линия суши не имеет четко определенной длины. Это связано с фракталоподобным свойством береговой линии. Первое зарегистрированное наблюдение этого явления было сделано  Льюисом Фрай Ричардсоном. Более конкретно, длина береговой линии зависит от метода, используемого для измерения.

С суши имеет особенности на всех уровнях, от сотни километров в размере до крошечных долей миллиметра и ниже, нет никаких очевидных ограничений на размер наименьших особенностей, и, следовательно, ни один четко определенный периметр суши не зафиксирован. Различные аппроксимации существуют при определенных допущениях  минимального размера.

Примером парадокса служит всем известное побережье Великобритании. Если береговая линия Великобритании измеряется с использованием фрактальной единиц в 100 км (62 мили) в длину, то длина береговой линии составляет около 2800 км (1700 миль). С единицей в 50 км (31 миль), общая протяженность составляет около 3400 км (2100 миль), примерно на 600 км (370 миль) длиннее.

Математические аспекты

Основная концепция длины происходит от Евклидова расстояния. В знакомой евклидовой геометрии, прямая линия представляет кратчайшее расстояние между двумя точками; эта линия имеет только одну конечную длину. Геодезическая длина на поверхности сферы, называемая большой длиной круга, измеряется по поверхности кривой, которая существует в плоскости, в содержащей конечные точки  пути и центр сферы. Длина основной кривой является более сложной, но также может быть рассчитана. Измеряя с помощью линейки, человек может аппроксимировать длины кривой добавлением суммы прямых линий, соединяющих точки:

Используя несколько прямых приближенных к  длине кривой будет произведена низкая оценка. Использование все более и более коротких линий будет производить сумму длин, которая приближается  к истинной длине кривой. Точное значение этой длины можно установить с помощью исчисления, -  раздела математики, позволяющим рассчитывать бесконечно малые расстояниях. Следующая анимация иллюстрирует данный пример:

Однако, не все кривые могут быть измерены таким образом. Фрактальной по определению считается кривая, со сложными изменениями шкалы измерения. Принимая во внимание приближение гладкой кривой ближе и ближе к одному значению по мере увеличения точности измерений, измеренное значение фракталов может существенно измениться.

Длина "истинного фрактала" всегда стремится к бесконечности.  Однако , эта цифра основана на идее, что пространство может быть подразделено до неопределенности, т.е. быть неограниченным. Это фантастика, которая лежит в основе евклидовой геометрии и служит в качестве полезной модели в повседневных измерениях,  почти наверняка не отражает изменяющиеся реалии «пространства» и «расстояния» на атомном уровне. Береговые линии отличаются от математических фракталов,  они образуются из многочисленных мелких деталей, которые создают модели только статистически.

Из практических соображений, можно использовать  измерение при соответствующем выборе минимального размера порядковой единицы. Если береговая линия измеряется в километрах, то небольшие вариации намного меньше, чем в одном километре и их легко игнорировать. Для измерения береговой линии в сантиметрах, малюсенькие изменения размера должны быть рассмотрены. Использование различных методик измерения для различных единиц также разрушает обычную уверенность, что блоки могут быть преобразованы с помощью простого умножения. Крайние случаи береговой линии включают парадокс фьордов тяжелых побережья Норвегии, Чили и Тихоокеанского побережья Северной Америки.  

Незадолго до 1951 года, Льюис Фрай Ричардсон, в исследовании возможного влиянии длины границы на вероятность войны, заметил, что португальцы представили свои измеренные границе с Испанией,  длину в 987 км, но Испания сообщила ее как 1214 км. Это было началом проблемы береговой линии, которую математически сложно измерить ввиду нерегулярности самой линии. Преобладающим методом оценки длины границы (или береговой линии) было наложение N  количества равных отрезков с длиной ℓ с разделителями на карте или аэрофотоснимков. Каждый конец сегмента должен быть на границе. Исследовав расхождения в оценке границ, Ричардсон обнаружил то, что сейчас называется эффектом Ричардсона: сумма сегментов обратно пропорциональна общей длине сегментов. По сути, тем короче линейка, тем больше измеренной границы; испанскими и португальскими географами граница была просто измерена с помощью разной длины линеек. В результате поразило Ричардсона  то, что, при определенных обстоятельствах, когда длина линейки ℓ стремится к нулю, длина береговой линии также стремится к бесконечности. Ричардсон считает, что на основании геометрии Евклида, береговая линия будет подходить к фиксированной длине, как делать подобные оценки правильных геометрических фигур. Например, периметр правильного многоугольника, вписанного в окружность,  приближается к окружности с увеличением числа сторон (и уменьшение длины одной стороны). В геометрической теории меры такая гладкая кривая, как круг, к которому могут быть приближены небольшие прямые сегменты с определенным пределом,  называется спрямляемой кривой.

Более десяти лет после того, как Ричардсон завершил свою работу, Бенуа Мандельброт разработал новую область математики, - фрактальную геометрию для описания именно таких неспрямляемых комплексов в природе в виде бесконечной береговой линии. Собственное определение новой фигуры, выступающей в качестве основания для его исследования: Я придумал фрактал от латинского прилагательного «фрагментированный» чтобы создать нерегулярные фрагменты. Поэтому целесообразно ... что, в дополнение к "фрагментированным" ... разорванные должно также означать "нерегулярные".

Ключевым свойством фрактала есть самоподобие, то есть, в любом масштабе проявляется та же общая конфигурация. Береговая линия воспринимается как заливы,  чередующиеся с мысами. В гипотетической ситуации, данное побережье обладает этим свойством самоподобия, независимо от того, как сильно любой небольшого участка побережья проявляется в увеличенном виде, аналогичная картина меньших заливов и мысов накладывается на большие заливы и мысы, вплоть до песчинки. При этом масштабы береговой линии  мгновенно меняется в потенциально бесконечно длинную нить со случайным расположением бухт и мысов формируемых из небольших объектов. В таких условиях (в отличие от гладких кривых) Мандельброт утверждает, "длина береговой линии оказывается неуловимым понятием, которая скользит между пальцами тех, кто хочет понять его. "Существуют различные виды фракталов. Береговая линия с указанными параметрами находится в "первой категории фракталов, а именно кривые с фрактальной размерностью больше 1." Это последнее утверждение представляет собой расширение Мандельбротом  мысли Ричардсона.

Заявление Мандельброта Эффекта Ричардсона:

где L, длина береговой линии, функция единицы измерения, ε, аппроксимируется выражением.  F является постоянной и D это параметр Ричардсона. Он не дал теоретическое объяснение, но Мандельброт определил D с нецелой  формой размерности Хаусдорфа, позже - фрактальной размерности. Перегруппировав правую сторону выражения получаем:

где Fε-D должно быть количеством единиц ε, необходимых для получения L. Фрактальная размерность - число размеров фрактала используемых для аппроксимации фрактала: 0 для точки, 1 для линии, 2 для площади. D в выражении находится между 1 и 2, для побережья обычно меньше, чем 1,5. Ломаное измерение побережья не распространяется в одном направлении и не представляют собой область, но является промежуточным. Это можно интерпретировать как толстые линии или полосы шириной 2ε. Более ломаные береговые линии имеют большую D и, следовательно, L больше, за тот же ε. Мандельброт показал, что D не зависит от ε.

 

Источник: http://en.wikipedia.org/wiki/Coast#Coastline_problem

http://en.wikipedia.org/wiki/Coastline_paradox

Перевод: Дмитрий Шахов

 

Прочитано 10817 раз Последнее изменение Понедельник, 20 Июнь 2016 16:20
Другие материалы в этой категории: « Т-квадрат Vicsek - фрактал »

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены