本季新番有一部名為2.5次元的誘惑,講述傾情於2次元的男主角,
與女同學進行cosplay的各種活動。
明顯的是用2.5次元這個詞來形容3次元的人類去還原2次元的創作。
但是,數學上有2.5次元這回事嗎?
在這之前,什麼是次元?
眾所皆知的,我們習慣生活於三維空間,有三個軸(前後、上下、左右)就可描述
這個空間中每個點的位置,
我們也能使用習慣的直角座標系統,來描述平面上各點的位置,
如果需要花俏一點,平面極座標、空間圓柱座標、球座標等各種方式都能夠滿足需求。
可以說,我們在N維空間中至少需要N個情報來描述一個點。
但這無法套用到非整數次元,所以我們得換個路徑來走。
█這是一個正方形,他是一個二維空間的物體。
███這是一個邊長3倍的正方形,我們需要9個小正方形來構築。
███
███
三維空間中呢?
在三維空間中,一個邊長3倍的立方體需要27個一樣的立方體來構築。
這好像天經地義,有說跟沒說一樣?
非也,因為有些東西不是這樣的。
https://i.imgur.com/AkOUs1L.png
上圖是一個叫做謝爾賓斯基地毯的圖片,問題來了,如果我希望把這個圖形的邊長放大
為3倍,請問需要幾個原本的地毯?
沒錯,8個!
因此謝爾賓斯基地毯的結構跟正方形是完全不同的!
再看個例子:https://i.imgur.com/0nfshK8.png
這個形體可以說是立體版的謝爾賓斯基地毯,他也有個獨特的名字:門格海綿
一樣的提問,當我們想要得到一個邊長3倍的門格海綿,我們需要幾個小門格海綿?
這次,我們需要20個。
所以,到底該怎麼定義維度?在數學上,定義方式是這樣的:
當你在這個空間中把一個物體放大n倍,需要原本的n^d,那維度就是d。
白話解釋就是,2次元的東西想要放大4倍,就需要4^2=16個;
3次元的東西想要放大4倍,就需要4^3=64個
好啦,那麼剛才提到的謝爾賓斯基地毯、門格海綿又要怎麼定義維度?
3倍的謝爾賓斯基地毯需要8個,也就是說,3^d=8,d=log_3(8),約莫為1.8927次元;
3倍的門格海綿需要20個,3^d=20,d=log_3(20),大約為2.7268
所以到底什麼是2.5次元?
這問題倒是不難解決,我們只需要設計出一個東西,想要放大4倍的時候,需要4^2.5=32個
即可(類似的,想要放大2倍則需要2^2.5個,約為5.6569個。)
這樣的結構大抵上也跟各種碎形脫不了關係,因為碎形就是有如此特別的意義。