如何構建一個表面積無限而體積有限的模型?


樓上的分形圖形無疑是正確答案之一。我這裡列舉的是一個其他形式的。
Gabriel"s Horn是y=1/x在[1,+∞)上的圖象沿x軸旋轉一周所產生的的旋轉體。

使用高數中常見的旋轉體體積與面積公式,可以得到:

lim_{a 
ightarrow infty }{V} =pi lim_{a 
ightarrow infty }{A} =infty

so~~~~~~面積無限,體積有限。
這個圖形經常被看做是一個悖論,從內部灌滿只需要有限的油漆,而在外表面刷一層無論多薄的油漆層都需要無限多的油漆才能完成。

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
其實現在出現的兩種思路一種是有限區域,無限細節。分形是良好的例子。不過只是特例。 @mathiq galory 的答案說的很好,非絕對連續的連續函數就能勝任,不一定要分形(但是分形好描述啊~~~~不是學數學的誰知道絕對連續啊。。。)
另一種是無限區域利用面積和體積不同的收斂性~~~~~就像我這個答案啦~~~~~這種例子好舉而且也很多,不過加百利號角比較有名,就直接拿上來啊~~~~~~~~~~~~


小數維自相似結構可以實現
將一個立方體等分成27份小立方體,移去每一面中心的小立方體和最中心的小立方體。
將餘下的每一份小立方體重複以上操作,經過無限次可以得到一個介於2D與3D之間的物體,具有無限的表面積。


用不著這麼些高端的知識吧。二維正態分布函數與x-y平面所形成的形狀,體積有限但此形狀無界,這算么?當然,還可以更一般的……。[0,1]上的正的非絕對連續的連續函數,與0-1區間所圍的面積有限,而且此形狀有界,但周長無限。換成表面積和體積的話,直接推廣到二維。


試構想一個柱體。柱體的高設為單位長度1,柱體的底面由如下步驟得來:
先畫一個正三角形。在三角形的三邊各取出三等分點,以三等分點間的線段作為第三個正三角形的一條邊。如此重複下去:

這樣,柱體的底面即為一個面積有限、周長無限的封閉圖形。因此,該柱體的體積有限,表面積無限。

事實上,這樣的曲線稱為Koch Curve。Koch Curve是一個維度介於2維與3維之間的圖形,它的維度為log_{3}4
這種連續而無處可微的曲線,面積為frac{2sqrt{3}s^2 }{5} ,其中s是第一個正三角形的邊長。

參考:
[1] 分形(Fractal Geometry)
[2] 豪斯多夫維數(Hausdorff-Besicovitch Dimension)
[3] 自相似(Self-similarity)
[4] 科赫曲線(Koch Curve)


從卅喵那裡偷來的圖。
原出處:隨手用Mathematica畫的幾個圖


補充一下。謝爾賓斯基還發明了謝爾賓斯基三角形及其三維形式。

  1. 取一個實心的三角形。(多數使用等邊三角形)
  2. 沿三邊中點的連線,將它分成四個小三角形。
  3. 去掉中間的那一個小三角形。
  4. 對其餘三個小三角形重複1。

——謝爾賓斯基三角形wiki

同理,

  1. 取一個實心的四面體。(多數使用正四面體)
  2. 沿四邊中點的連線,將它分成四個小四面體。
  3. 去掉中間的那一個小四面體。
  4. 對其餘三個小四面體重複1。

就是我們可愛的謝爾賓斯基四面體啦~~
分別是Wikipedia的1張Sierpinski triangle以及2張Sierpinski tetrahedron by Wahtah on Shapeways以及果殼的1張3D印表機:快速成型技術觀光!

在二維中也有類似的,Koch snowflake的面積是有限的,卻有無窮大的周長

設想一個邊長為1的等邊三角形,取每邊中間的三分之一,接上去一個形狀完全相似的但邊長為其三分之一的三角形,結果是一個六角形。現在取六角形的每個邊做同樣的變換,即在中間三分之一接上更小的三角形,以此重複,直至無窮。

——科克曲線_百度百科
我在腦海中想像出這個分形也可以搞個立體的,搜索了下發現早就有人做出來了
Fun with Koch fractals.的

Fun with Koch fractals.

另外,托里拆利小號的原型——反比例函數y=1/x(x>=1)與x=1和y的正半軸圍成的圖形面積是有限的,長度卻是無限的。


從維度來說,體積的維度比面積高;或者面積的維度比周長高,因此找到一個高維度有限,低維度無限的東西,只需要往無窮大積分即可:

int_{a}^{ infty } frac{1}{x}   dx  
發散


int_{a}^{infty} frac{1}{x^2}   dx  
收斂

要找到一個體積無限但是面積有限的東西,似乎更難吧。當然只需要往0積分即可。


這個問題就是數學概念的區別,體積是三維概念,面積是二維概念,延伸一下,線條就是一維概念,這三者本來就是無窮大數量級區別,即:無數線條並在一起組成了一個面,無數個面疊在一起組成了一個體塊。
因此,想要得到一個體積有限而面積無窮大的模型,只要反推就OK啦!
舉個最簡單的栗子:

這就是體積有限而表面積無限。。。。同理,可推「面積有限而周長無限的圖形」。


把台灣島的版圖沿垂直方向拉伸5厘米獲得一個實體,由於台灣島面積有限而海岸線的長度無限,所以得到滿足條件的模型。


有無數個刺的海膽!


把1x1x(1/1^3),1x2x(1/2^3),1x3x(1/3^3),1x4x(1/4^3),...的長方體連起來.


一個收斂的函數旋轉就行

————————————————
好久沒上知乎了,沒來得及看回復。

首先,當初這寫下這個答案也是憑感覺寫下的,但仔細分析一下發現其實是錯的。
其實,f(x)=1/x^2就已經不滿足。因為函數收斂,繞x軸旋轉體積積分和表面積積分都收斂。


再回到原問題,我們只要構建一個y=f(x),使得y發散,但是y平方收斂,就能達到要求。由於手機不好打公式,就省略了。過程為列出體積與表面積的積分式,再對錶面積積分中含y"的因子進行泰勒展開就可以。
具體函數比如第一個回答中的y=1/x

本人是大一的,有錯誤還請大家請指正。之前答案錯誤給大家造成誤導很抱歉。


簡單的圓柱體就可以啊,底面半徑r, 高為1/(r^2), r趨於0時, 體積始終為pi, 面積趨於無窮大


活性炭原理


無盡之刃


想像一下一個這種東西,一個正四面體,以每一個面的三條邊的中點為底又產生一個正四面體,在新產生的四面體按照上面的方式又產生一個新的四面體,依次循環遞歸,到最後產生一個分形結構,這個結構應該是體積有限,面積無限,這個就類似於怎麼測量英國海岸線的長度,當改變不同的尺度測量的時候的到的值不一樣,當精度無窮小時,海岸線無限長,但是面積一定,三維情況類比


分形幾何,任何分數維度的都符合吧?例如2.5維的。。


提供一個各降一維度的例子←_←
麥克斯韋速率分布概率密度f(v),其滿足歸一化條件∫ f(v)*dv=1,v取值範圍為0~+∞,為廣義積分收斂。一維的速率取值無窮,二維的面積(概率)大小有限(歸一)。


弱弱的問一句……一個二維的無限大的平面算不算 ……


"加百列的號角"


分形


你聽說過雪花嗎?雪花就是一種表面積無限而體積有限的模型


推薦閱讀:

請教C4D大神,這樣的圖應該怎樣建模?
大數據時代下數學建模還有作用嗎?
50 以最小精度 0.1 隨機分成 10 份,每份四捨五入後加和仍是 50 的概率為多少?
與數學撇清關係的經濟學是不是都在耍流氓?

TAG:數學 | 數學建模 |