Введение
Противоположное наблюдение, что береговая линия суши не имеет четко определенной длины Парадокс береговой линии - это противоположное наблюдение, что береговая линия суши не имеет четко определенной длины. Это связано с фрактальной кривой, как свойства береговой линии; то есть, тот факт, что береговая линия, как правило, имеет фрактальное измерение. Хотя "парадокс длины" ранее был отмечен Хьюго Стейнхаусом, первое систематическое исследование этого явления было проведено Льюисом Фраем Ричардсоном, а затем было расширено Бенуа Мандельбротом. Измеренная длина береговой линии зависит от метода, используемого для ее измерения, и степени картографического обобщения. Поскольку суша имеет черты всех масштабов, от сотен километров в размере до крошечных долей миллиметра и ниже, нет очевидного размера самой маленькой черты, которая должна приниматься во внимание при измерении, и, следовательно, нет единого хорошо определенного периметра суши. Существуют различные приближения, когда делаются конкретные предположения о минимальном размере функции. Проблема принципиально отличается от измерения других, более простых краев. Например, можно точно измерить длину прямого, идеализированного металлического бруска, используя измерительное устройство, чтобы определить, что длина меньше определенного количества и больше другого количества, то есть измерить ее в пределах определенной степени неопределенности. Чем точнее измерительное устройство, тем ближе результаты к истинной длине края. Однако при измерении береговой линии более близкое измерение не приводит к увеличению точности - измерение только увеличивается по длине; в отличие от металлического прута, нет способа получить точное значение длины береговой линии. В трехмерном пространстве парадокс береговой линии легко распространяется на концепцию фрактальных поверхностей, при этом площадь поверхности варьируется в зависимости от разрешения измерения.
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.
Открытие
Незадолго до 1951 года Льюис Фрай Ричардсон, исследуя возможное влияние длины границы на вероятность войны, заметил, что португальцы сообщили, что их измеренная граница с Испанией равна , но испанцы сообщили, что это было начало проблемы береговой линии, которая является математической неопределенностью, присущей измерению границ, которые являются нерегулярными. Преобладающим методом оценки длины границы (или береговой линии) было выкладывание n равных сегментов прямой линии длиной l с разделителями на карте или аэрофотографии. Каждый конец сегмента должен находиться на границе. Исследуя расхождения в оценке границ, Ричардсон обнаружил то, что теперь называется "эффектом Ричардсона": сумма сегментов монотонно увеличивается, когда уменьшается общая длина сегментов. В действительности, чем короче линейка, тем длиннее измеренная граница; испанские и португальские географы просто использовали линейки разной длины. Результат, который поразил Ричардсона, заключается в том, что при определенных обстоятельствах, когда l приближается к нулю, длина береговой линии приближается к бесконечности. Ричардсон полагал, что на основе геометрии Евклида береговая линия будет приближаться к фиксированной длине, как и аналогичные оценки регулярных геометрических фигур. Например, периметр регулярного многоугольника, вписанного в круг, приближается к окружности с увеличением числа сторон (и уменьшением длины одной стороны). В геометрической теории мер такая гладкая кривая, как круг, которую можно приблизить к небольшим прямым сегментам с определенным пределом, называется корректируемой кривой. Бенуа Мандельбро показал, что D независим от ε.
Математические аспекты
Основное понятие длины происходит от Евклидового расстояния. В евклидовой геометрии прямая линия представляет собой кратчайшее расстояние между двумя точками. Эта линия имеет только одну длину. На поверхности сферы это заменяется геодезической длиной (также называемой длиной большого круга), которая измеряется вдоль кривой поверхности, которая существует в плоскости, содержащей обе конечные точки и центр сферы. Длина основных кривых более сложна, но также может быть рассчитана. Измеряя с помощью линейки, можно приблизительно определить длину кривой, сложив сумму прямых линий, соединяющих точки: использование нескольких прямых линий для приближения длины кривой даст оценку, ниже истинной длины; когда используются все более короткие (и, следовательно, более многочисленные) линии, сумма приближается к истинной длине кривой. Точное значение для этой длины можно найти с помощью исчисления, отрасли математики, позволяющей рассчитывать бесконечно малые расстояния. На следующей анимации показано, как гладкой кривой можно дать точную длину. Не все кривые можно измерить таким образом. Фрактал, по определению, является кривой, чья воспринимаемая сложность меняется с масштабом измерения. В то время как приближения гладкой кривой имеют тенденцию к единому значению по мере увеличения точности измерения, измеренное значение для фрактала не сходится. Поскольку длина фрактальной кривой всегда расходится до бесконечности, если бы кто-то измерил береговую линию с бесконечным или почти бесконечным разрешением, длина бесконечно коротких изгибов в береговой линии составила бы бесконечность. Однако эта цифра основана на предположении, что пространство можно разделить на бесконечно малые части. Истинное значение этого предположения, которое лежит в основе евклидовой геометрии и служит полезной моделью в повседневных измерениях, является предметом философских спекуляций и может отражать или не отражать меняющиеся реалии "пространства" и "расстояния" на атомном уровне (примерно масштаб нанометра). Береговые линии менее определенны в своей конструкции, чем идеализированные фракталы, такие как множество Мандельброта, потому что они образуются различными природными событиями, которые создают шаблоны статистически случайными способами, тогда как идеализированные фракталы образуются путем повторных итераций простых, формулированных последовательностей.
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.
Измерение береговой линии
Более десяти лет спустя после того, как Ричардсон закончил свою работу, Бенуа Мандельброт разработал новую ветвь математики, фрактальную геометрию, чтобы описать такие неисправляемые комплексы в природе, как бесконечная береговая линия. Его собственное определение новой фигуры, служившей основой для его исследования, гласит: "Сколько длины побережья Британии? Статистическое самоподобное и дробное измерение", опубликованное 5 мая 1967 года, Мандельброт обсуждает самоподобные кривые, которые имеют размерность Гаусдорфа между 1 и 2. Эти кривые являются примерами фракталов, хотя Мандельброт не использует этот термин в статье, так как он не вводил его до 1975 года. Статья является одной из первых публикаций Мандельброта по теме фракталов. Эмпирические данные свидетельствуют о том, что чем меньше увеличение измерения, тем больше измеренная длина становится. Если бы кто-то измерил участок береговой линии меткой, то получил бы более короткий результат, чем если бы тот же участок был измерен линейкой длиной в 1 фут (0 м). Это связано с тем, что линейка будет лежать вдоль более кривой линии, чем та, по которой идет мерная палочка. Эмпирические данные свидетельствуют о правиле, которое, если экстраполировать, показывает, что измеренная длина увеличивается без ограничений по мере уменьшения шкалы измерения к нулю. Это обсуждение подразумевает, что говорить о длине береговой линии бессмысленно; необходимы некоторые другие средства количественного определения береговой линии. Затем Мандельброт описывает различные математические кривые, связанные со снежинкой Коха, которые определены таким образом, что они строго схожи сами с собой. Мандельброт показывает, как рассчитать измерение Хаусдорфа каждой из этих кривых, каждая из которых имеет размерность D между 1 и 2 (он также упоминает, но не дает конструкцию для заполняющей пространство кривой Пеано, которая имеет размерность ровно 2). В статье не утверждается, что какая-либо береговая линия или географическая граница на самом деле имеет дробные размеры. Вместо этого он отмечает, что эмпирический закон Ричардсона совместим с идеей, что географические кривые, такие как береговые линии, могут быть смоделированы случайными самоподобными фигурами дробного измерения. В конце статьи Мандельброт кратко обсуждает, как можно подходить к изучению фрактальных объектов в природе, которые выглядят случайными, а не регулярными. Для этого он определяет статистически самоподобные фигуры и говорит, что они встречаются в природе. Статья важна, потому что это "поворотный момент" в ранних мыслях Мандельброта о фракталах. Это пример связывания математических объектов с естественными формами, который был темой большей части его поздней работы. Ключевым свойством некоторых фракталов является самоподобность; то есть в любом масштабе появляется одна и та же общая конфигурация. Береговая линия воспринимается как бухты, чередующиеся с мысами. В гипотетической ситуации, когда данная береговая линия имеет это свойство самоподобства, то, как бы ни увеличивался какой-либо небольшой участок береговой линии, появляется аналогичный образец небольших бухт и мысов, наложенных на более крупные бухты и мысы, вплоть до песчаных зерен. В этом масштабе береговая линия выглядит как мгновенно смещающаяся, потенциально бесконечно длинная нить со стохастическим расположением бухт и мысов, сформированных из небольших объектов под рукой. В такой среде (в отличие от гладких кривых) Мандельброт утверждает, что "длина береговой линии оказывается неуловимым понятием, которое проскальзывает между пальцами тех, кто хочет его понять". Существуют разные виды фракталов. Береговая линия с указанным свойством находится в "первой категории фракталов, а именно кривых, фрактальное измерение которых больше 1". Это последнее утверждение представляет собой расширение Мандельбротом мысли Ричардсона. Заявление Мандельброта о эффекте Ричардсона: где L, длина береговой линии, функция единицы измерения ε, приближается выражением. F - константа, а D - параметр, который Ричардсон нашел зависимым от береговой линии, приближенной к L. Он не дал теоретического объяснения, но Мандельброт идентифицировал D с нецельной формой измерения Гаусдорфа, позже фрактального измерения. Перестановка выражения дает результат, где Fε^(−D) должно быть числом единиц ε, необходимых для получения L. Разбитая линия, измеряющая побережье, не прост�...
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.
Решение
Парадокс береговой линии описывает проблему с реальными приложениями. Для решения этой проблемы было предложено несколько решений. Эти решения решают практические проблемы, связанные с задачей, устанавливая определение "береговой линии", устанавливая практические физические границы береговой линии и используя математические целые числа в этих практических ограничениях для расчета длины до значимого уровня точности.
Критика и недоразумения
Парадокс береговой линии часто подвергается критике, потому что береговые линии по своей сути конечны, реальные особенности в пространстве, и поэтому существует количественный ответ на их длину. Сравнение с фракталами, хотя и полезно как метафора для объяснения проблемы, подвергается критике как не совсем точное, поскольку береговые линии не повторяются сами и в основном конечны. Источник парадокса основан на том, как мы измеряем реальность, и наиболее актуален при попытке использовать эти измерения для создания картографических моделей побережья. Современные технологии, такие как LiDAR, глобальные системы позиционирования и географические информационные системы, значительно облегчили решение парадокса; однако ограничения измерений и векторного программного обеспечения сохраняются. Критики утверждают, что эти проблемы являются скорее теоретическими, а не практическими соображениями для планировщиков.