第108夜 比例和分形 二(第2/4页)
河流岸边侵蚀按比例缩小的版本,甚至像大峡谷的迷你版本,并为此而感到惊讶时,你并非沉溺于幻想之中,它事实上的确就是如此。
利用不同精度测量英国海岸线的长度这实在令人惊叹。我们再一次发现,当用粗粒度比例滤镜观察时,在自然界令人畏惧的复杂性的背后,潜藏着惊人的简单性、规律性和一致性。
尽管理查森在研究边界线和海岸线时发现了这一奇特的、革命性的非直观行为,并理解它们的来源,但他并没有完全意识到其非凡的普遍性和深远的影响力。
这一更深刻的洞见落在了曼德尔布罗的身上。理查森的发现几乎为整个科学界所忽视。
这并不太令人感到惊讶,因为它是在一本相对晦涩的期刊上发表的,而且掩藏在了他对于战争起因的实证研究之中。
他发表于1961年的论文也采用了非常晦涩的题目:“关于接近的问题:致命争吵统计数据附录”。
即便在行家看来,这个题目也未能透露出文章的内容是什么。谁又能知道这即将宣告具有重大意义的范式转换呢?
1967年,曼德尔布罗在著名的期刊《科学》上发表了一篇论文,题目清晰易懂:“英国海岸线有多长?数据自相似性和分形维数”。
通过发展理查森的发现,并概括其观点,理查森的工作得见天日。后来被称为“分形”的褶皱是由理查森的对数表中的直线的斜率决定的,斜率越大,曲线的褶皱越多(自然界中同一事物基本存在这样的规律,不只是每个国家的边境曲折程度,还有冰晶、雪花、河流、山脉、生物等,除非是人为制造的东西会不遵循这个规律)。
这些斜率是长度与精度相关的幂指数,类似代谢率与生物体体重相关的指数3/4。
对像圆这样十分平坦的传统曲线而言,斜率或指数为零,因为它的长度不会随着精度的提高而改变,而是会汇聚到一个固定的数值,正如起居室的例子一样。
然而,对崎岖不平、有褶皱的海岸线而言,斜率并不为零。
例如,对英国西海岸线而言,斜率为0.25;对挪威那样有着峡湾和多层次海湾的褶皱更多的海岸线而言,斜率为极大的0.52。
另外,理查森发现,南非海岸线与其他任何海岸线都不相同,斜率只有0.02,十分接坦的曲线。至于西班牙和葡萄牙之间的边界线,之前出入很大的数据曾激发了理查森的兴趣,他发现其斜率为0.18,海岸线和边界线的分形利用不同精度测量海岸线的长度(例子中的英国)。
随着精度的变化,长度按照图中的幂律系统性增长。斜线给出了海岸线的分形维数,弯曲越多,斜线越陡峭。
为了理解这些数字的含义,想象一下,将测量的精度提高至原来的两倍,英国西海岸线的测量长度将会增加约25%,挪威海岸线的测量长度将会增加约50%。这是一个很大的差别,此前则完全被忽略,直至理查森于70年前偶然发现。
因此,若想要让测量的过程有意义,就必须知道精度很重要,它是整个过程中必不可少的一部分。要点很明确。
通常而言,如果不阐明用于测量的尺子的精度,引用测量数值就是毫无意义的。
从原则上来说,如果不给出测量的单位,只是说长度为543、27或1.289176,是毫无意义的。正如我们要知
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