如何用通俗的語言解釋豪斯多夫維數

時間 2022-01-06 06:48:43

1樓:

通常的維度是整數,於是有人 (專指數學家)就想,為啥不能有小數的維度呢?如果有小數維,應該如何定義。

由於通常的維數有很多種定義,比如通常用座標架的維度,比如座標(x,y)有2個座標,這種定義妥妥只能是整數。那換其它定義呢?

還真找到這樣一種定義,看測度(長度,面積,體積...)和縮放係數之間的關係。比如,線段長度和縮放成正比,矩形面積正比於縮放係數的2次方,體積為3次方,這都是符合直觀的,可以定義為維度。

而剛好,分形結構的這種維度可以不是整數。比如,Koch曲線,長為1的線段迭代一次,變成4段長為1/3的線段,若記初始長度為s的Koch曲線長度為V(s),則有4V(1/3)=V(1),即縮放3倍,長度增加為4倍,於是維度為。

那麼這種維度是具體是如何定義出來的呢?當我們測量乙個物體的大小時(長度,面積,體積),直觀的做法是用一系列的小球或小方塊來填充,讓這些小球趨於零,自然就很好地覆蓋了原物體。借用球體體積正比於半徑的n次方的事實,若我們的維度d是合理的,則體積應該正比於半徑的d次方,於是我們就算出了該物體(這些小球)的關於d維的一種體積。

這種體積可稱為d維Hausdorff外測度。當d變化時,外測度也會變化,有個值會它從零發生突變,這個值就是Hausdorff維度。

總結起來就是:我們平時用來算體積,在Hausdorff意義下,用無數個剛好覆蓋物體的小球或小正方體的體積之和來算體積。這個d的選擇有講究,d太大了體積就變成了零了,剛好不為零的那個d就是Hausdorff維度。

然後,我們用上述定義來考慮平常的維度和分形維度。假設乙個物件的半徑為x,Hausdorff測度為V(x)。我們日常的1維規則物體,Hausdorff維度妥妥應該為1,因為由級數的性質,d大於1時,總長度會變為零。

對於Koch曲線,我們知道,如果維度為1,總長度肯定趨於無窮,因為它是呈指數級增長的。但是我們發現,所以它的維度應該為。

對於分形物體這種有明確遞推規則的物件而言,Hausdorff維度好算,但一般的Hausdorff維度不好算,只能近似。

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