雪花的周長是不是無限長?為什麼?

相魄


答:實際的雪花,周長當然是有限長的;但是在數學中的雪花圖形,周長就是無限的,面積卻是有限值,叫做科赫曲線。


雪花在不同的環境條件下,會形成不同的雪花圖形,比如下圖中的幾個:


在數學當中,這些圖形都有一個共同點,就是“面積有限周長無限”,這是一個非常有趣的結論,我們就拿最簡單的一個雪花圖形來做定量分析,如下圖:

這就是一個最簡單的雪花圖形(科赫曲線):

(1)最開始是一個等邊三角形,假設面積為S0,周長為L0,邊長為a0,邊數m0=3;

(2)然後在等邊三角形的三條邊上,分別長出一個小一點的等邊三角形,小三角形的邊長是原來三角形的1/3,既a1=(1/3)*a0;

(3)此後,每增加一步,都在上一步增加的三角形上,長出前三角形邊長1/3的等邊三角形,直到無限;


然後我們來計算,最終圖形的周長極限和麵積極限。

周長極限

分析:每增加一步,都在前面圖形的每一條邊上長出一個三角形,於是邊長an,變為a(n+1)=(1/3)an,但是邊數m(n+1)增加4倍,於是每增加一步,總邊長就增加4/3倍,得到雪花圖形周長公式為:

Ln=(4/3)^n*L0;

當n趨向於無窮時,該公式顯然是發散的,所以理論上這個雪花圖形的周長極限就是無限長。


面積極限

分析:根據增加三角形的邊長規律a(n+1)=(1/3)an,每次增加三角形的單個面積,是前一步單個三角形面積的1/9,結合邊數變化規律,很容易得到:

Sn=S(n-1)+3*4^(n-1)(1/9)^n*S0;

利用逐級遞推迭代的方法,可以得到當n趨向於無窮時,其面積等於:

S(∞)=2√3*an^n/5=8/5*S0;

也就是說,以上舉例的雪花圖形,面積極限為最初三角形的8/5倍,是一個有限的值;因為每增加一步,面積都在增加,所以任何步驟下得到的雪花圖形,面積都是有限值。

於是,我們得到了結論——“雪花圖形是一個面積有限但是周長無限的圖形”。


而且每一步下的雪花圖形,始終在最初三角形的外接圓內,一個有限面積圖形,包含著一個周長無限的圖形。

這樣的結論在數學中其實很常見,比如函數y=1/x^2,其圖像在[1,∞)與x軸圍成的面積就是有限的。

在實際當中,雪花本身的周長當然是有限的,因為受物質連續性和外部條件的影響,雪花的邊長不可能無限生長下去,無限周長的圖形也只存在於數學當中。


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艾伯史密斯


就像有限長的線段由無數點構成嗎?


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