Размерность Минковского

Размерность Минковского или грубая размерность ограниченного множества в метрическом пространстве равна

${\displaystyle \lim \limits _{\varepsilon \to 0}{\frac {\ln(N_{\varepsilon })}{-\ln(\varepsilon )}}}$,

где ${\displaystyle N_{\varepsilon }}$ — минимальное число множеств диаметра ${\displaystyle \varepsilon }$, которыми можно покрыть наше множество. Если предел не существует, то можно рассматривать верхний и нижний предел и говорить соответственно о верхней и нижней размерности Минковского.

Близким к размерности Минковского понятием является размерность Хаусдорфа. Во многих случаях эти размерности совпадают, хотя существуют множества, для которых они различны.

Примеры

• размерность конечного множества равна нулю, так как для него ${\displaystyle \rho (n)}$ не превосходит количества элементов в нём.
• размерность отрезка равна 1, так как необходимо ${\displaystyle \lceil a/\epsilon \rceil }$ отрезков длины ${\displaystyle \epsilon }$, чтобы покрыть отрезок длины ${\displaystyle a}$. Таким образом,

  ${\displaystyle \lim \limits _{\epsilon \to 0}{\frac {\ln(N_{\epsilon })}{-\ln(\epsilon )}}=\lim \limits _{\epsilon \to 0}{\frac {\ln a-\ln \epsilon }{-\ln \epsilon }}=1}$,

• размерность квадрата равна 2, так как число квадратиков с диагональю ${\displaystyle 1/n}$, необходимых, чтобы покрыть квадрат со стороной ${\displaystyle a}$, ведет себя примерно как ${\displaystyle a^{2}n^{2}}$.
• размерность фрактального множества может быть дробным числом. Так, размерность кривой Коха равна ${\displaystyle \ln 4/\ln 3}$.

Более подробно

Неформальное рассуждение, показывающее это, таково. Отрезок можно разбить на 2 части, подобные исходному отрезку с коэффициентом 1/2. Чтобы покрыть отрезок множествами диаметра ${\displaystyle 1/n}$, нужно покрыть каждую из половин такими множествами. Но для половины их нужно столько же, сколько для всего отрезка множеств диаметра ${\displaystyle 2/n}$. Поэтому для отрезка имеем ${\displaystyle \rho (n)\approx 2\rho (n/2)}$. То есть, при увеличении ${\displaystyle n}$ в два раза ${\displaystyle \rho (n)}$ увеличивается тоже в два раза. Иными словами, ${\displaystyle \rho (n)}$ — линейная функция.

Для квадрата аналогичное рассуждение дает ${\displaystyle \rho (n)\approx 4\rho (n/2)}$. То есть, при увеличении ${\displaystyle n}$ в два раза ${\displaystyle \rho (n)}$ увеличивается в 4 раза. Иными словами, ${\displaystyle \rho (n)}$ — квадратичная функция.

Наконец, кривая Коха состоит из 4 частей, каждая из которых подобна исходной кривой с коэффициентом 1/3. Поэтому для неё ${\displaystyle \rho (n)\approx 4\rho (n/3)}$. Подставляя ${\displaystyle n=3^{k}}$, получаем ${\displaystyle \rho (3^{k})\approx 4\rho (3^{k-1})\approx 4^{2}\rho (3^{k-2})\approx \dots \approx 4^{k}\rho (1)=4^{\log _{3}n}\rho (1)=n^{\ln 4/\ln 3}\rho (1)}$. Отсюда следует, что размерность равна ${\displaystyle \ln 4/\ln 3}$.

Формально: пусть n - шаг фрактала, на n-ом шаге у нас будет ${\displaystyle 4^{n}}$ равных отрезков, длиной ${\displaystyle 3^{-n}}$. Возьмём за ε отрезок длиной ${\displaystyle 3^{-n}}$, тогда чтобы покрыть всю кривую Коха, нам понадобится ${\displaystyle 4^{n}}$ отрезков. Для того, чтобы выполнялось условие ε→0, устремим n→${\displaystyle \infty }$. Получим

  ${\displaystyle \lim \limits _{\epsilon \to 0}{\frac {\ln(N_{\epsilon })}{-\ln(\epsilon )}}=\lim \limits _{n\to \infty }{\frac {\ln(4^{n})}{-\ln(3^{-n})}}={\frac {\ln 4}{\ln 3}}}$

• размерность Минковского множества ${\displaystyle \{0,1,{\frac {1}{2}},{\frac {1}{3}},{\frac {1}{4}},\dots \}}$ равна 1/2.

Свойства

• Размерность Минковского конечного объединения множеств равна максимуму из их размерностей. В отличие от размерности Хаусдорфа, это неверно для счётного объединения. Например, множество рациональных чисел между 0 и 1 имеет размерность Минковского 1, хотя является счётным объединением одноэлементных множеств (размерность каждого из которых равна 0). Пример замкнутого счётного множества с ненулевой размерностью Минковского приведён выше.
• Нижняя размерность Минковского любого множества больше либо равна его размерности Хаусдорфа.
• Размерность Минковского любого множества равна размерности Минковского его замыкания. Поэтому имеет смысл говорить лишь о размерностях Минковского замкнутых множеств.

См. также

• Размерность Хаусдорфа
• Фрактал
• Эпсилон-энтропия

Литература

• Александров П. С., Пасынков Б. А. Введение в теорию размерности. М.: Наука, 1973
• Кроновер Р. М. Фракталы и хаос в динамических системах М.: ПОСТМАРКЕТ, 2000