问题

面积有限的物体,周长是否有限?

回答
这个问题挺有意思的,涉及到一些几何学的基本概念。简单来说,面积有限的物体,它的周长也是有限的。 但要说得详细一些,可能需要区分一下我们讨论的是哪种“物体”以及在什么样的空间背景下。

我们先从我们生活中最熟悉的二维平面图形开始说起。

在二维平面上:

想象一个我们能画出来的图形,比如一个正方形。它的面积是边长的平方,比如边长是5,面积就是25。它的周长是边长的4倍,就是20。如果我们把正方形变小,边长变成0.1,面积就是0.01,周长就是0.4。面积越小,周长也越小。

再想想一个圆。圆的面积是πr²,周长是2πr。如果我们想让圆的面积变得非常小,我们就需要减小它的半径r。当r趋向于0时,面积πr²也趋向于0,同时周长2πr也趋向于0。

这个规律在所有我们能想象到的、由有限条光滑曲线或者直线段围成的二维图形上都适用。任何一个“有形有状”的、面积是有限的二维图形,都可以被看作是由有限长度的边界线段(或者光滑曲线段)所围成的。 这些边界线的总长度,就是它的周长。既然我们能把它画出来,能测量它,那它的周长自然就应该是有限的。

那么,有没有例外呢?

这里就需要稍微深入一点,思考一下“面积有限”和“周长有限”到底是什么意思。

有限面积: 指的是图形所占据的二维空间区域的大小是一个具体的、可测量的数值,而不是无穷大。
有限周长: 指的是围成这个图形的边界线的总长度是一个具体的、可测量的数值,而不是无穷大。

在标准欧几里得几何(我们通常学习和接触的平面几何)中,如果一个区域的面积是有限的,那么它的边界也必然是由有限长度的曲线或线段组成的。

举个反面的例子会更有助于理解:

有没有一种情况,面积是有限的,但周长却是无限的?

在二维平面上,有一个非常著名的例子叫做科赫曲线(Koch curve),也叫雪花曲线。它是这样构造的:

1. 从一条线段开始。
2. 将这条线段分成三等份,去掉中间一段,并在原来的位置上画一个等边三角形的顶出去那部分。
3. 对新的每一段线段重复这个过程。

每一次重复,线段的数量会增加,总长度也会增加。你会发现,虽然科赫曲线“占地”的面积非常小(最终趋于一个有限值,因为不断向内收缩),但是它的边界却是由无数段越来越小的线段组成的。当你不断迭代下去,它的总长度会无限增长,趋于无穷大。

所以,科赫曲线是一个面积有限(在一定范围内),但周长无限的例子。

但是,这种科赫曲线有点“特殊”,它不是由简单的直线段或光滑曲线段围成的封闭图形,而是具有分形特征。它在任意小的尺度下都表现出相同的细节,非常“曲折”。

回到我们最初的理解:

当我们说一个“物体”的面积有限,通常指的是它有一个明确的、可被度量的二维轮廓或者三维体积。如果我们讨论的是一个封闭的、由有限个光滑曲线段或直线段组成的二维图形(这是我们最常见意义上的“图形”),那么它的面积和周长都是有限的。

再稍微扩展到三维空间:

如果一个三维物体的体积是有限的,它的表面积是否有限呢?

原则上也是一样的。一个有体积的物体,必然有一个封闭的、有限的表面来界定它的边界。比如一个球体,体积是(4/3)πr³,表面积是4πr²。缩小球体,体积和表面积都会缩小,但只要r是有限的,体积和表面积都是有限的。

但是,同样可以想象出一些“怪异”的三维结构,例如三维的科赫雪花之类的,它们可能在一个有限的范围内占据体积,但其表面“褶皱”得极其复杂,可能导致表面积趋于无穷。但这些通常不被认为是“常规”的、我们日常遇到的“物体”。

总结一下:

在我们通常意义下理解的,由有限条边界线段或光滑曲线围成的、在二维平面上的“物体”或“图形”,如果它的面积是有限的,那么它的周长也必然是有限的。 面积的有限性通常意味着它的边界是“规整”的,或者说没有“无限的曲折”去填满有限的空间。

科赫曲线这样的例子告诉我们,在数学中有一些构造可以突破这个直觉,但它们往往具有分形特征,并且其“周长”的概念也需要更精确的定义。对于我们日常生活中遇到的、我们能够清晰描绘或想象的物体来说,这个结论是成立的。

所以,当你看到一个面积有限的物体,可以放心地认为它的周长也是有限的,除非它是一个极其复杂、具有无限细节的分形结构。

网友意见

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这里开一个回答,是因为有很多人举矩形的例子,但这样的构造方式是错误的。


题目的意思是:存在一个图形 ,使得 的面积是 并且 的周长是无限的。

很多人的理解是:对于任何正数 ,总存在一个面积为 的图形 ,使 的周长大于

请大家体会一下区别。



假设面积为1的矩形集合是 。他们仅仅证明了集合 中图形的周长没有上界,而并没有具体地构造出一个图形,使得这个图形的周长是正无穷。事实上,集合 中所有的图形的周长都是有限的实数。这就好像,有个数列 ,这个数列显然没有上界,但其中任何一个数都是有限的实数。


对比分形的答案。分形是一个具体的图形,它的周长是真正的正无穷。这就好像,有个数列 只有一个数 ,但 本身就是正无穷

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矩形的回答其实是不靠谱的,那矩型做例子只能说明面积一定的物体周长可以任意大,不能说明周长可以无穷大。

正态分布类的答案也不那么完美,因为这个图形的围道在二维欧式空间(如果不考允许单点紧化之类的操作)里不是闭曲线。(虽然题目没有严格的要求要是一个闭曲线,但这个总是怪怪的)

相比而言,分型的例子我的确一下想不到很明显的不足之处。。

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