Кіріспе
Бұл жағалау сызықтарының фрактальді қисық сияқты қасиеттерінен туындайды; яғни жағалау сызығының әдетте фрактальді өлшемге ие екендігі. "Ұзындығының парадоксын" бұрын Хьюго Штайнхаус атап өткен болса да, бұл құбылысты алғаш рет жүйелі түрде Льюис Фрай Ричардсон зерттеді, ал оны Бенуа Мандельбро кеңейтті. Жағалаудың өлшенген ұзындығы оны өлшеу үшін қолданылатын әдіске және картографиялық жалпылану дәрежесіне байланысты. Құрлық массасының барлық масштабтарындағы ерекшеліктері бар болғандықтан, жүздеген шақырымнан бастап миллиметрдің ұсақ бөліктеріне дейін және одан төмен, өлшеу кезінде ескерілуі керек ең кішкентай ерекшеліктің анық мөлшері жоқ, сондықтан құрлық массасының бірде-бір жақсы анықталған периметрі жоқ. Белгілі бір өлшемді ерекшеліктерді нақты болжамдар жасағанда әртүрлі шамалаулар болады. Бұл мәселе басқа, қарапайым жиектерді өлшеуден түбегейлі өзгеше. Мысалы, ұзындығы белгілі бір мөлшерден аз және басқа мөлшерден үлкен екенін анықтау үшін өлшеуіш құрылғыны пайдалану арқылы тура, идеалдандырылған металл арқалықтың ұзындығын дәл өлшеу мүмкін, яғни оны белгілі бір белгісіздікпен өлшеу. Өлшеу құрылғысы неғұрлым дәл болса, нәтижелер шеттің шынайы ұзындығына неғұрлым жақын болады. Алайда жағалау сызығын өлшеу кезінде, жақын өлшеу дәлдікті арттырмайды, өлшеу тек ұзындығын арттырады; металл таяқшадан айырмашылығы, жағалау сызығының ұзындығын нақты бағалаудың жолы жоқ. Үш өлшемді кеңістікте жағалау парадоксы фракталдық беттер тұжырымдамасына оңай кеңейтіледі, бұл жерде беттің ауданы өлшеу қарапайымдылығына байланысты өзгереді.
The coastline paradox is the counterintuitive observation that the coastline of a landmass does not have a well defined length. This results from the fractal curve–like properties of coastlines; i. e., the fact that a coastline typically has a fractal dimension. Although the "paradox of length" was previously noted by Hugo Steinhaus, the first systematic study of this phenomenon was by Lewis Fry Richardson, and it was expanded upon by Benoit Mandelbrot. The measured length of the coastline depends on the method used to measure it and the degree of cartographic generalization. Since a landmass has features at all scales, from hundreds of kilometers in size to tiny fractions of a millimeter and below, there is no obvious size of the smallest feature that should be taken into consideration when measuring, and hence no single well defined perimeter to the landmass. Various approximations exist when specific assumptions are made about minimum feature size. The problem is fundamentally different from the measurement of other, simpler edges. It is possible, for example, to accurately measure the length of a straight, idealized metal bar by using a measurement device to determine that the length is less than a certain amount and greater than another amount—that is, to measure it within a certain degree of uncertainty. The more precise the measurement device, the closer results will be to the true length of the edge. When measuring a coastline, however, the closer measurement does not result in an increase in accuracy—the measurement only increases in length; unlike with the metal bar, there is no way to obtain an exact value for the length of the coastline. In three dimensional space, the coastline paradox is readily extended to the concept of fractal surfaces, whereby the area of a surface varies depending on the measurement resolution.
Ашылу
1951 жылдан сәл бұрын, Льюис Фрай Ричардсон шекара ұзындығының соғыс ықтималдығына әсерін зерттеу кезінде португалдықтардың Испаниямен өлшенген шекарасын , бірақ испандықтар оны деп мәлімдегенін байқады. Бұл жағалау сызығы мәселесінің басталуы болды, бұл математикалық белгісіздік болып табылады. Шекараның (немесе жағалау сызығының) ұзындығын бағалаудың басым әдісі картада немесе әуе фотосуреттегі бөлгіштермен ұзындығы l тең n тура сызық сегменттерін салу болды. Сегменттің әрбір ұшы шекарада болуы тиіс. Шекаралық бағалаудағы сәйкессіздіктерді зерттеген Ричардсон қазір "Ричардсон эффектісі" деп аталатын нәрсені тапты: сегменттердің жалпы ұзындығы азая түскенде сегменттердің сомасы біртекті түрде артады. Шын мәнінде, билеуші неғұрлым қысқа болса, өлшенген шекара соғұрлым ұзын болады; испандық және португалдық географтар тек әр түрлі ұзындық билеушілерін қолданды. Ричардсон үшін ең таңғаларлық нәтиже - белгілі бір жағдайларда, l нөлге жақындаған кезде, жағалау сызығының ұзындығы шексізге жақындайды. Ричардсон Евклид геометриясына негізделген жағалау сызығы тұрақты ұзындығына жақындады деп сенді, сонымен қатар тұрақты геометриялық фигуралардың ұқсас бағалаулары. Мысалы, шеңберге жазылған тұрақты көпбұрыштың периметрі жақтары санының өсуімен (және бір жағының ұзындығының азаюымен) шеңберге жақындайды. Геометриялық өлшем теориясында белгілі бір шекпен кішкентай тура сегменттермен шамалана алатын шеңбер сияқты тегіс қисық түзу түзетілетін қисық деп аталады. Бенуа Мандельбро D ε-ден тәуелсіз екенін көрсетті.
Математикалық аспектілер
Ұзындықтың негізгі түсінігі Евклидтік қашықтықтан пайда болды. Евклидтік геометрияда тура сызық екі нүкте арасындағы ең қысқа қашықтықты білдіреді. Бұл сызықтың бір ғана ұзындығы бар. Шар бетінде бұл геодезиялық ұзындығымен (одан әрі үлкен шеңбер ұзындығы деп аталады) ауыстырылады, ол сфераның ортасы мен соңғы нүктелері бар жазықтықтағы бет қисығымен өлшенеді. Негізгі қисықтардың ұзындығы күрделірек, бірақ оны есептеу де мүмкін. Билікшімен өлшеу кезінде нүктелерді жалғастыратын түзу сызықтардың қосындысын қосу арқылы қисықтың ұзындығын шамалай алуға болады: қисықтың ұзындығын шамалау үшін бірнеше түзу сызықты пайдалану шын ұзындығынан төмен бағаны береді; өсіп келе жатқан қысқа (және сондықтан көбірек санды) сызықтар қолданылғанда, сома қисықтың шын ұзындығына жақындайды. Бұл ұзындықтың нақты мәнін математиканың шексіз кішкентай арақашықтықты есептеуді қамтамасыз ететін саласы - калькулюс арқылы табуға болады. Келесі анимация тегіс қисық сызыққа нақты ұзындығын қалай беруге болатынын көрсетеді: Барлық қисық сызықтарды осылайша өлшеу мүмкін емес. Фрактал - бұл, анықтама бойынша, күрделілігі өлшеу масштабына қарай өзгеріп отыратын қисық. Тегіс қисық сызықтың шамалауы өлшем дәлдігі өскен сайын бір мәнге ұмтылады, ал фракталдың өлшенген мәні бір-біріне түспейді. Фрактальдік қисықтың ұзындығы әрқашан шексізге ауытқуы сияқты, егер де біреу шексіз немесе шексізге жақын шешіммен жағалау сызығын өлшесе, жағалау сызығындағы шексіз қысқа қисықтардың ұзындығы шексізге дейін қосылады. Алайда, бұл көрсеткіш кеңістікті шексіз кішігірім бөліктерге бөлуге болады деген болжамға негізделген. Евклид геометриясының негізі болып табылатын және күнделікті өлшеуде пайдалы модель ретінде қызмет ететін осы болжамның шынайы мәні философиялық болжамдар мәселесі болып табылады және атомдық деңгейдегі "ғарыш" және "қашықтық" өзгеріп отыратын шындықтарды (шамамен нанометрдің масштабы) көрсете алады немесе көрсетпейді. Жағалау сызықтары Мандельброттың жиынтығы сияқты идеалданған фракталдарға қарағанда құрылымы жағынан аз анықталады, өйткені олар статистикалық түрде кездейсоқ жолдармен үлгілер құрайтын әр түрлі табиғи оқиғалар арқылы қалыптасады, ал идеалданған фракталдар қарапайым, формулалық реттіліктердің қайталана түсуі арқылы қалыптасады.
Using a few straight lines to approximate the length of a curve will produce an estimate lower than the true length; when increasingly short (and thus more numerous) lines are used, the sum approaches the curve's true length. A precise value for this length can be found using calculus, the branch of mathematics enabling the calculation of infinitesimally small distances. The following animation illustrates how a smooth curve can be meaningfully assigned a precise length:
Not all curves can be measured in this way. A fractal is, by definition, a curve whose perceived complexity changes with measurement scale. Whereas approximations of a smooth curve tend to a single value as measurement precision increases, the measured value for a fractal does not converge. As the length of a fractal curve always diverges to infinity, if one were to measure a coastline with infinite or near infinite resolution, the length of the infinitely short kinks in the coastline would add up to infinity. However, this figure relies on the assumption that space can be subdivided into infinitesimal sections. The truth value of this assumption—which underlies Euclidean geometry and serves as a useful model in everyday measurement—is a matter of philosophical speculation, and may or may not reflect the changing realities of "space" and "distance" on the atomic level (approximately the scale of a nanometer). Coastlines are less definite in their construction than idealized fractals such as the Mandelbrot set because they are formed by various natural events that create patterns in statistically random ways, whereas idealized fractals are formed through repeated iterations of simple, formulaic sequences.
Жағалау сызығын өлшеу
Ричардсон өз жұмысын аяқтағаннан кейін он жылдан астам уақыт өткен соң, Бенуа Мандельброт математиканың жаңа саласын, фракталдық геометрияны, табиғаттағы шексіз жағалау сызығы сияқты түзетілмейтін кешендерді сипаттау үшін жасады. Оның зерттеуінің негізі болып табылатын жаңа фигураның өзінің анықтамасы: "Британия жағалауы қаншалықты ұзақ? Статистикалық өзіндік ұқсастық және бөлшектік өлшем" 1967 жылы 5 мамырда жарияланған, Мандельброт 1-ден 2-ге дейінгі Хаусдорф өлшемдері бар өзіндік ұқсас қисықтарды талқылайды. Бұл қисықтар фракталдардың мысалы, дегенмен Мандельброт бұл терминді қағазда қолданбайды, өйткені ол оны 1975 жылға дейін қолданған жоқ. Бұл - Мандельброттың фракталдар тақырыбындағы алғашқы жарияланымдарының бірі. Эмпирикалық дәлелдер өлшеудің өсуі неғұрлым аз болса, өлшенген ұзындығы соғұрлым ұзын болады деп болжайды. Егер жағалаудың бір бөлігін өлшеуішпен өлшесе, онда сол жерді 0 метрлік өлшеуішпен өлшегеннен гөрі қысқа нәтиже шығады. Себебі, өлшеуіш таяқты өлшеуге қарағанда, қанатшаны қисық сызықты жолмен орналастыратын болар едік. Эмпирикалық дәлелдер ережені ұсынады, егер экстраполяцияланса, өлшенген ұзындықтың шексіз өсетінін көрсетеді, өйткені өлшеу шкаласы нөлге қарай төмендейді. Бұл талқылау жағалау сызығының ұзындығы туралы айтудың ешқандай мәні жоқ екенін білдіреді; жағалау сызықтарын өлшеудің басқа тәсілдері қажет. Содан кейін Мандельброт әр түрлі математикалық қисықтарды сипаттайды, олар Кох қарлығашына байланысты, олар өздеріне ұқсас. Мандельброт осы қисықтардың әрқайсысының Хаусдорф өлшемін қалай есептеу керектігін көрсетеді, олардың әрқайсысының 1 мен 2 арасындағы D өлшемдері бар (оның өзі де айтылады, бірақ кеңістікті толтырушы Пеано қисығының құрылымын бермейді, оның өлшемдері дәл 2). Бұл мақалада жағалаудың немесе географиялық шекараның нақты бөлшектік өлшемдері бар деп айтылмаған. Оның орнына Ричардсонның эмпирикалық заңы жағалау сызықтары сияқты географиялық қисықтарды кездейсоқ өзін-өзі ұқсас бөлшекті өлшемдер арқылы модельдеуге болады деген оймен үйлесімді екенін атап өтті. Мақаланың соңында Мандельбро қысқаша қарастырып, табиғаттағы фрактал тәрізді нысандарды зерттеуге қалай жақындауға болатынын қарастырады. Ол үшін статистикалық тұрғыдан өзін-өзі ұқсас сандарды анықтайды және олар табиғатта кездеседі дейді. Бұл мақала маңызды, өйткені ол Мандельброттың фракталдар туралы алғашқы ойлауында "өзгеріс нүктесі" болып табылады. Бұл математикалық нысандарды табиғи формалармен байланыстыратын мысал, бұл оның кейінгі еңбектерінің көпшілігінің тақырыбы болды. Кейбір фракталдардың негізгі қасиеті - өзіндік ұқсастық; яғни, кез келген масштабта бірдей жалпы конфигурация пайда болады. Жағалау сызығы - бұл аралықтарды алмастыратын шығанақтар. Берілген жағалаудың өзіндік ұқсастығы бар болжамдық жағдайда, жағалаудың кез келген кішкентай бөлігі қаншалықты үлкен болса да, үлкен шығанақтар мен шығанақтармен салыстырылған кішігірім шығанақтар мен шығанақтардың ұқсас үлгісі пайда болады, құм түйіршіктеріне дейін. Бұл масштабта жағалау сызығы бір сәтке ауысып, мүмкін шексіз ұзын жіп ретінде көрінеді, қолдағы кішкентай заттардан құрылған шығанақтар мен беткейлердің стохастикалық орналасуы бар. Мұндай ортада (тұйық қисықтарға қарағанда) Мандельброттың айтуынша, "жағалаудың ұзындығы оны ұғынуға тырысқандардың бармақтарынан сырғанаған түсінік болып шығады". Фракталдардың әр түрлі түрлері бар. Айтылған қасиетке ие жағалау сызығы "фракталдардың бірінші санатына, атап айтқанда фракталдық өлшемдері 1-ден үлкен қисықтарға" жатады. Бұл соңғы мәлімдеме Мандельброттың Ричардсонның ой-пікірін кеңейтуін білдіреді. Мандельброттың Ричардсон әсерінің мәлімдемесі: мұнда L, жағалаудың ұзындығы, өлшеу бірлігі ε функциясы, өрнегімен жуықталады. F - тұрақты, ал D - Ричардсон L-мен шамаланған жағалау сызығына байланысты деп тапқан параметр. Ол теориялық түсіндірме бермеді, бірақ Мандельброт D-ді Хаусдорф өлшемінің бүтін емес түрімен, кейіннен фрактальдық өлшеммен анықтады. Фε^(−D) - L алу үшін қажетті бірліктер саны болуы керек. Жағалауды өлшейтін сынған сызық бір бағытта созылып, бір аймақты білдірмейді, бірақ екеуінің арасында аралық болып табылады және оны ені 2ε жолақты деп қарастыруға болады. D - оның фракталды өлшемдері, 1 мен 2 аралығында (әдетте 1,5 -ден кем). Жағажайдың бұзылуы көбірек D-ге ие, сондықтан L-дің ε-ге ұзындығы ұзарған. D шамамен 1.02 Оңтүстік Африканың ж�...
In "How Long Is the Coast of Britain? Statistical Self Similarity and Fractional Dimension", published on 5 May 1967, Mandelbrot discusses self similar curves that have Hausdorff dimension between 1 and 2. These curves are examples of fractals, although Mandelbrot does not use this term in the paper, as he did not coin it until 1975. The paper is one of Mandelbrot's first publications on the topic of fractals. Empirical evidence suggests that the smaller the increment of measurement, the longer the measured length becomes. If one were to measure a stretch of coastline with a yardstick, one would get a shorter result than if the same stretch were measured with a 1 feet (0 m) ruler. This is because one would be laying the ruler along a more curvilinear route than that followed by the yardstick. The empirical evidence suggests a rule which, if extrapolated, shows that the measured length increases without limit as the measurement scale decreases towards zero. This discussion implies that it is meaningless to talk about the length of a coastline; some other means of quantifying coastlines are needed. Mandelbrot then describes various mathematical curves, related to the Koch snowflake, which are defined in such a way that they are strictly self similar. Mandelbrot shows how to calculate the Hausdorff dimension of each of these curves, each of which has a dimension D between 1 and 2 (he also mentions but does not give a construction for the space filling Peano curve, which has a dimension exactly 2). The paper does not claim that any coastline or geographic border actually has fractional dimension. Instead, it notes that Richardson's empirical law is compatible with the idea that geographic curves, such as coastlines, can be modelled by random self similar figures of fractional dimension. Near the end of the paper Mandelbrot briefly discusses how one might approach the study of fractal like objects in nature that look random rather than regular. For this he defines statistically self similar figures and says that these are encountered in nature. The paper is important because it is a "turning point" in Mandelbrot's early thinking on fractals. It is an example of the linking of mathematical objects with natural forms that was a theme of much of his later work. A key property of some fractals is self similarity; that is, at any scale the same general configuration appears. A coastline is perceived as bays alternating with promontories. In the hypothetical situation that a given coastline has this property of self similarity, then no matter how great any one small section of coastline is magnified, a similar pattern of smaller bays and promontories superimposed on larger bays and promontories appears, right down to the grains of sand. At that scale the coastline appears as a momentarily shifting, potentially infinitely long thread with a stochastic arrangement of bays and promontories formed from the small objects at hand. In such an environment (as opposed to smooth curves) Mandelbrot asserts "coastline length turns out to be an elusive notion that slips between the fingers of those who want to grasp it". There are different kinds of fractals. A coastline with the stated property is in "a first category of fractals, namely curves whose fractal dimension is greater than 1". That last statement represents an extension by Mandelbrot of Richardson's thought. Mandelbrot's statement of the Richardson effect is:
where L, coastline length, a function of the measurement unit ε, is approximated by the expression. F is a constant, and D is a parameter that Richardson found depended on the coastline approximated by L. He gave no theoretical explanation, but Mandelbrot identified D with a non integer form of the Hausdorff dimension, later the fractal dimension. Rearranging the expression yields
where Fε^(−D) must be the number of units ε required to obtain L. The broken line measuring a coast does not extend in one direction nor does it represent an area, but is intermediate between the two and can be thought of as a band of width 2ε. D is its fractal dimension, ranging between 1 and 2 (and typically less than 1.5). More broken coastlines have greater D, and therefore L is longer for the same ε. D is approximately 1.02 for the coastline of South Africa, and approximately 1.25 for the west coast of Great Britain.
Шешімдер
Жағалау парадоксы нақты әлемдегі қолданбалар проблемасын сипаттайды. Бұл мәселені шешу үшін бірнеше шешімдер ұсынылды. Бұл шешімдер "жағалау сызығының" анықтамасын орнату арқылы, жағалау сызығының практикалық физикалық шектерін орнату арқылы және ұзындығын нақты деңгейге есептеу үшін осы практикалық шектеулер ішіндегі математикалық бүтін сандарды пайдалану арқылы проблеманың практикалық мәселелерін шешеді.
Сын-пикирлер мен түсініспеушіліктер
Жағалау парадоксы жиі сынға алынады, өйткені жағалаулар табиғи түрде шекті, кеңістіктегі нақты белгілер, сондықтан олардың ұзындығына сандық жауап бар. Фракталдарды салыстыру, мәселені түсіндіру үшін метафора ретінде пайдалы болса да, жағалау сызықтары өзін-өзі қайталамайтын және негізінен шекті болғандықтан, толықтай дәл емес деп сынға алынады. Парадокстің көзі шындықты өлшеу тәсіліне негізделген және осы өлшеулерді жағалаулардың картографиялық модельдерін құруға тырысқан кезде өте маңызды. Қазіргі заманғы LiDAR, Global Positioning Systems және Geographic Information Systems сияқты технология парадокспен күресуді әлдеқайда жеңілдетті; дегенмен, зерттеу өлшеулері мен векторлық бағдарламалық қамтамасыз етудің шектеулері сақталады. Сыншылар бұл проблемалар теориялық, бірақ жоспарлаушылар үшін практикалық емес деп санайды.