一片樹葉的周長和我們的地球直徑哪個更長?這看似是一個簡單尋常而又顯而易見的問題,但是它的答案卻不尋常,因為這個問題本身包含了一個偉大的數學原理——分形幾何。
一.分形幾何
我們通常在學校裡學習的都是經典幾何學,以規則且光滑的幾何圖形,如球面、雙曲面、立體圖形表面等幾何圖形為研究對象。但自然界中大量存在的事物或數學模型卻是極不規則、極不光滑的,如山巒、海岸、雲朵及土地龜裂的裂紋、玻璃窗上的冰花或者落葉等,這些圖形使傳統的幾何學顯得有些束手無策。對于這些不規則,但又很常見的圖形,雖不會引起常人的重視,但這些問題在當代數學家芒德勃羅的眼中卻有着不同的意義。他根據長期觀察分析、收集與總結,創立了分形幾何。
二.科赫雪花
分形幾何學是一門以不規則幾何形态為研究對象的幾何學,是研究無限複雜具備自相似結構的幾何學。但其實,芒德勃羅并不是最早研究分形幾何的數學家。比他早100年的數學家康托爾就已經研究過類似的“康托爾集合”。在這一百年中,數學家們提出過各種各樣的分形幾何圖形,其中最為著名的是數學家科赫提出的“科赫雪花。”
三.叠代
1904年,瑞典數學家科赫提出了一種圖形:将一個正三角形的每條邊平分為三份,再以每條邊中間的一份為邊,向外做正三角形,這個過程稱為一次叠代。經過一次叠代,正三角形變為了12條邊。我們再将每條邊平分成三份,向外做更小的正三角形,稱為二次叠代。然後不停地重複這個過程,直到無限次叠代,就形成了科赫雪花。那麼科赫雪花的周長有多大呢?設最開始的三角形邊長為1,經過一次叠代,每條邊的邊長都變為了原來的4/3,所以周長會變為原來的4/3,經過N次叠代,因為叠代次數無窮多,所以雪花的周長就變為無窮大——這是因為它的邊非常的崎岖,相比來講,地球的表面積要比雪花的面積大很多,但是它的直徑卻是一個有限值——大約是12800km,所以雪花的周長比地球直徑還要大。
所以,在我們了解了分形幾何、科赫雪花以及叠代之後,相信大家對于“一片樹葉的周長和我們的地球直徑哪個更長”這樣的問題就能夠不像之前那樣簡單的回答地球的直徑更大一些了,而是會利用分形幾何來回答。因為樹葉的表面也是崎岖不平的,所以它的周長也可以通過叠代無限放大,這樣看來,樹葉的周長的确是比地球的直徑還要長。最後還是想問問對于這個問題,大家是怎樣認為的呢?
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