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数学 1967

英国的海岸线有多长?

伯努瓦·曼德布罗(Benoit Mandelbrot)

用更细的尺子去量海岸线,它只会越量越长——它真正的「长度」,是一个分数维。

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In depth · the introduction

问英国的海岸线有多长,诚实的回答是:这取决于你的尺子——尺子越细,海岸越长,且看不到尽头。

把这个想法拆开看

用一把长尺去量海岸,你会跨过那些小海湾和小岬角,量出一个不大的长度。换一把短尺,你便能描进那些海湾——可海湾里还有更小的海湾,更小的海湾里还有更小的。每一次把尺子缩短,你都会捕捉到更多的皱褶,总长度随之增长。它永远定不下来。

所以「它有多长?」并没有唯一的答案。真正有答案的,是当尺子缩小时长度增长得有多快——曼德布罗把这个增长率,叫作维数。一条直线得 1 分;曲线越是蜷曲,它就越高过 1。英国崎岖的西海岸,算出来大约是 1.25。

它从哪里来

这道谜题,一直藏在众目睽睽之下。多年前,气象学家刘易斯·弗莱·理查森在研究「什么让国家走向战争」时注意到:各种参考书对西班牙与葡萄牙边界的长度,说法相差悬殊——因为每本书用的尺子不同。他收集了数据,从中找到了一个干净的规律,却在深究之前去世了。本华·曼德布罗,一位在 IBM 任职、偏爱别人不屑一顾之难题的不安分数学家,接过了它,看出那个规律意味着某种维数,并在 1967 年以一个听来像孩子提问的标题发表了它。许多年后,他为整个学科起了名字:分形。

它为何重要

两千年来,几何讲的都是光滑、理想的形状——直线、圆、球——这些大自然几乎从不制造的东西。海岸线、山脉、云、树、河流与肺,是粗糙、破碎、分叉的,而旧几何没有一种诚实的办法去描述它们。这篇论文给出了一种:用一个分数维来度量粗糙。它把「崎岖」从一个含糊的印象,变成了一个你能计算、能比较的量。

一个浑身是岸的形状

想象一片雪花的边缘,由一条简单的规则造出:取一条线,从它中间三分之一处推出一个三角形的凸起,然后对每一条新生的边重复同样的事,永不停止。在任何地方放大,你都会看到凸起之上的凸起、之上的凸起——这条边在每一个放大倍数下都同样蜷曲。真实的海岸线也是如此:它的一小段放大之后,与整体相像。在下方亲手把尺子缩小,看长度怎样攀升。

一条在每个缩放层级看起来都一样的皱褶海岸线。当你把滑块移向更小的量尺,曲线变得更细密,量得的长度数字越爬越高,而维数读数稳定在 1.26 附近——那就是曲线的粗糙度。

它落在何处

这是几何为大自然的粗糙腾出位置的时刻。它从欧几里得的光滑图形(本馆亦有收藏)中叛逆而生,又与混沌理论接壤:爱德华·洛伦兹 1963 年发现的奇怪吸引子,也是分形。十来年后,同样的算术造出了曼德布罗集合——数学中最著名的图像——以及每一款现代电子游戏里的分形地形。

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