雪花是生活中最常见的一种物质,如果你仔细观察天然的雪花你会发现它具有规则的几何形状,非常漂亮,类似于雪花这种类型的几何形状,我们将它称为分形几何,分形几何就是几何图形的某一个部分总是会与整体的形状相似,无限循环。

雪花的形状为什么只有六种?为什么说一片雪花的周长是无穷大(1)

雪花中的分形结构

水在凝结时,水分子之间会形成特定的结构,这是因为水形成的晶体在生长时,受到水分子本身结构的影响,因此会朝着特定的方向生长,形成特定的结构,在生长到一定程度之后,又会形成分支,继续按照原来的方式不断生长,于是形成了我们看到的雪花形状。我们可以用一个简单的分形来描述雪花模型。

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首先我们先建立一个三角形,将三角形的每一条变分成三个等分,并以中间那一段再新建一个等边三角形,于是,就形成了下面这个图像。假设原始的三角形的边长为1,因此,周长为3。

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变化的后图形相比于原来的三角形少了中间的那条线段,但是增加了两条相同长度的边,总的边长变成了原来的三分之四,因此周长变为了4/3。同样的重复上面的过程,又可以得到下面这个图形。

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同样的,变化后的每一条边变成了原来的4/3倍,于是,整个图形的周长变为了原来的4/3倍,这次图形的总周长变为了三分之四的平方。通过多次计算我们就可以发现其中的规律,每变化一次,周长就变为原来的三分之四倍。于是我们可以得出下面这个计算公式。

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由于分形几何是由无限多的分形组成,因此,变化的n为无穷大,于是我们可以得到雪花的周长无限大这个结果。

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现实因素制约雪花结构的发展

通过理论计算,雪花的边长无限大似乎已经毫无争议了,那么事实真的就是这样吗?首先通过上面分形几何的知识计算是完全没有问题的,但这里却忽略了一个事实,就是这里的n可以无限大吗?雪花毕竟是一个实实在在的物质,它还会受到现实因素的制约。当n趋向于无穷大的时候,这个几何结构的边长趋向于无穷小,那么这条边又真的可以趋向于无穷小吗?显然是不可能的,雪花是由水分子构成的,水分子是具有一定大小的,因此,这条边的大小不可能会变得比水分子的跨度还要小。因此,雪花的边长不可能是无限长的。

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从上面的描述我们可以知道,雪花的周长无限长并不符合实际,分形几何在数学模型中确实可以存在,然而,现实中还存在众多制约因素,因此,一片雪花的周长无限长的说法并不合理,而另一种说法,就是一片雪花的周长比地球的直径还要大,这个情况还是很有可能,当我们将这个边长取到最小的极限,这个是可以准确计算出来的,如果你感兴趣的话可以尝试一下。

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