本季新番有一部名为2.5次元的诱惑,讲述倾情于2次元的男主角,
与女同学进行cosplay的各种活动。
明显的是用2.5次元这个词来形容3次元的人类去还原2次元的创作。
但是,数学上有2.5次元这回事吗?
在这之前,什么是次元?
众所皆知的,我们习惯生活于三维空间,有三个轴(前后、上下、左右)就可描述
这个空间中每个点的位置,
我们也能使用习惯的直角座标系统,来描述平面上各点的位置,
如果需要花俏一点,平面极座标、空间圆柱座标、球座标等各种方式都能够满足需求。
可以说,我们在N维空间中至少需要N个情报来描述一个点。
但这无法套用到非整数次元,所以我们得换个路径来走。
█这是一个正方形,他是一个二维空间的物体。
███这是一个边长3倍的正方形,我们需要9个小正方形来构筑。
███
███
三维空间中呢?
在三维空间中,一个边长3倍的立方体需要27个一样的立方体来构筑。
这好像天经地义,有说跟没说一样?
非也,因为有些东西不是这样的。
https://i.imgur.com/AkOUs1L.png
上图是一个叫做谢尔宾斯基地毯的图片,问题来了,如果我希望把这个图形的边长放大
为3倍,请问需要几个原本的地毯?
没错,8个!
因此谢尔宾斯基地毯的结构跟正方形是完全不同的!
再看个例子:https://i.imgur.com/0nfshK8.png
这个形体可以说是立体版的谢尔宾斯基地毯,他也有个独特的名字:门格海绵
一样的提问,当我们想要得到一个边长3倍的门格海绵,我们需要几个小门格海绵?
这次,我们需要20个。
所以,到底该怎么定义维度?在数学上,定义方式是这样的:
当你在这个空间中把一个物体放大n倍,需要原本的n^d,那维度就是d。
白话解释就是,2次元的东西想要放大4倍,就需要4^2=16个;
3次元的东西想要放大4倍,就需要4^3=64个
好啦,那么刚才提到的谢尔宾斯基地毯、门格海绵又要怎么定义维度?
3倍的谢尔宾斯基地毯需要8个,也就是说,3^d=8,d=log_3(8),约莫为1.8927次元;
3倍的门格海绵需要20个,3^d=20,d=log_3(20),大约为2.7268
所以到底什么是2.5次元?
这问题倒是不难解决,我们只需要设计出一个东西,想要放大4倍的时候,需要4^2.5=32个
即可(类似的,想要放大2倍则需要2^2.5个,约为5.6569个。)
这样的结构大抵上也跟各种碎形脱不了关系,因为碎形就是有如此特别的意义。