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为什么科赫雪花曲线不能求出其长度?

科赫曲线看上去有头有尾,除了弯弯曲曲外似乎没有什么特别的,但它却有无限的长度,真是非常奇特。

科赫曲线还有其他奇特之处,比如,三条科赫曲线首尾相接可以围成一个雪花形的图形,称为科赫雪花曲线,它围成的面积是有限的,但它的周长却是无限的。科赫曲线处处不光滑,其上任何一点处都没有切线科赫曲线上任取一小段,都可以无限拉长,但无法拉成一条直线,怎么拉都是弯曲的。

那么为什么圆周可以求出其长度,而同样围成有限面积的科赫雪花曲线却不可求长呢?比较一下圆周科赫雪花曲线,立即可以发现它们本质上的区别:圆周是光滑的,而科赫曲线处处不光滑!何为光滑呢?在数学上就是说它处处有切线,在切点附近,曲线和直线(切线)非常接近。为此,我们将通过光滑曲线的局部放大来观察曲线的局部形状。

如果把圆周上一点进行局部放大,从中可以明显地看出圆周上一点附近很小的局部和直线非常接近。

这样,在测量时,用小而直的尺代替这一小段曲线几乎没有什么损失,测量得到的误差微乎其微,并且随着尺长的缩短,总的测量误差会越来越小,最后达到曲线的实际长度

反观科赫雪花曲线,任何一小段经过放大,可以发现其与整条曲线是相似的,包含了原来整条曲线的复制品。这样,任一小段都和原曲线同样复杂,永远不会变得和直线近似。因此,科赫曲线上再小的一段都不能用直尺来近似地替代,自然不能用直尺来测量出科赫曲线的长度科赫曲线这种任意小局部都和整体相似,且和整体一样复杂的性质,称为自相似性。具有自相似性质的几何对象现在有一个新名字——分形。第一条具有这种点点不光滑、处处没有切线、不可求长等性质的曲线,是由德国大数学家魏尔斯特拉斯构造的,称为魏尔斯特拉斯曲线。在魏尔斯特拉斯构造出他的曲线之前,大多数人认为一条曲线除少数点外,其他地方都应该是光滑的、有切线的,曲线段都是有确定长度的。而魏尔斯特拉斯曲线的出现打破了人们的固有观念,堪称一大创举。不过魏尔斯特拉斯曲线比较复杂,而科赫曲线的构造比较有规律,容易被大家接受,是介绍不可求长曲线的好例子。

事实上还有更奇特的曲线存在,比如,意大利数学家皮亚诺构造了一条曲线,称为皮亚诺曲线,这条曲线居然可以充满整个正方形!当然,这条曲线也绝对是不可求长的。

【发散思维】想一想,海岸线长度能精确测量吗?

【本文关键词】曲线长度 不可求长曲线