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數學 1967

英國的海岸線有多長?

本華·曼德博(Benoit Mandelbrot)

用更細的尺子去量海岸線,它只會越量越長——它真正的「長度」,是一個分數維。

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In depth · the introduction

問英國的海岸線有多長,誠實的回答是:這取決於你的尺子——尺子越細,海岸越長,且看不到盡頭。

把這個想法拆開看

用一把長尺去量海岸,你會跨過那些小海灣和小岬角,量出一個不大的長度。換一把短尺,你便能描進那些海灣——可海灣裡還有更小的海灣,更小的海灣裡還有更小的。每一次把尺子縮短,你都會捕捉到更多的皺褶,總長度隨之增長。它永遠定不下來。

所以「它有多長?」並沒有唯一的答案。真正有答案的,是當尺子縮小時長度增長得有多快——曼德博把這個增長率,叫作維度。一條直線得 1 分;曲線越是蜷曲,它就越高過 1。英國崎嶇的西海岸,算出來大約是 1.25。

它從哪裡來

這道謎題,一直藏在眾目睽睽之下。多年前,氣象學家劉易斯·弗萊·理查森在研究「什麼讓國家走向戰爭」時注意到:各種參考書對西班牙與葡萄牙邊界的長度,說法相差懸殊——因為每本書用的尺子不同。他收集了數據,從中找到了一個乾淨的規律,卻在深究之前去世了。本華·曼德博,一位在 IBM 任職、偏愛別人不屑一顧之難題的不安分數學家,接過了它,看出那個規律意味著某種維度,並在 1967 年以一個聽來像孩子提問的標題發表了它。許多年後,他為整個學科起了名字:碎形。

它為何重要

兩千年來,幾何講的都是光滑、理想的形狀——直線、圓、球——這些大自然幾乎從不製造的東西。海岸線、山脈、雲、樹、河流與肺,是粗糙、破碎、分叉的,而舊幾何沒有一種誠實的辦法去描述它們。這篇論文給出了一種:用一個分數維來度量粗糙。它把「崎嶇」從一個含糊的印象,變成了一個你能計算、能比較的量。

一個渾身是岸的形狀

想像一片雪花的邊緣,由一條簡單的規則造出:取一條線,從它中間三分之一處推出一個三角形的凸起,然後對每一條新生的邊重複同樣的事,永不停止。在任何地方放大,你都會看到凸起之上的凸起、之上的凸起——這條邊在每一個放大倍數下都同樣蜷曲。真實的海岸線也是如此:它的一小段放大之後,與整體相像。在下方親手把尺子縮小,看長度怎樣攀升。

一條在每個縮放層級看起來都一樣的皺褶海岸線。當你把滑桿移向更小的量尺,曲線變得更細密,量得的長度數字越爬越高,而維度讀數穩定在 1.26 附近——那就是曲線的粗糙度。

它落在何處

這是幾何為大自然的粗糙騰出位置的時刻。它從歐幾里得的光滑圖形(本館亦有收藏)中叛逆而生,又與混沌理論接壤:愛德華·洛倫茲 1963 年發現的奇怪吸子,也是碎形。十來年後,同樣的算術造出了曼德博集合——數學中最著名的圖像——以及每一款現代電子遊戲裡的碎形地形。

The original document
Original source text
B. B. Mandelbrot · Science, New Series, 156(3775): 636–638 · May 5, 1967
The question
Geographical curves are so involved in their detail that their lengths are often infinite or, more accurately, undefinable.
Measure a coastline on a map and you get one number; measure the same coast with a smaller ruler that catches every bay and headland and you get a larger one — and the number keeps climbing as the ruler shrinks, with no length to settle on.
Statistical self-similarity
The paper's resolution is that many natural curves are statistically self-similar: each piece, suitably magnified, looks like a reduced-scale image of the whole, so a coastline carries the same kind of detail at every scale rather than smoothing out.
A fractional dimension
Mandelbrot takes Lewis Fry Richardson's empirical observation — that measured length grows as a power of the ruler size, L(ε) ∝ ε^(1−D) — and reinterprets the exponent D as a dimension. For a smooth curve D = 1; for the rugged west coast of Britain Richardson's data give D ≈ 1.25; a gentler coast such as South Africa's sits near 1.02. D measures roughness.
[ … ]
Source
The complete three-page paper — with Richardson's data and the self-similar constructions — is available in full at the source below. The word “fractal” itself came later, in Mandelbrot's 1975 essay.
IBM Research · 1967