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.

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.

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�...

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.