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數(shù)學心

第五百四十九章 萊維曲線(曲線)

數(shù)學心 蔡澤禹 581 2021-05-15 09:40:02

  夏天在外邊吃飯的時候,蒼蠅經(jīng)常會不請自來。打蒼蠅是件技術(shù)活,因為蒼蠅的飛行軌跡十分詭異,人類只靠雙手很難找到準頭。

  所以問題來了,蒼蠅為什么會亂飛呢?

  你可能不知道,蒼蠅這樣亂飛,實際上應用了一種強大的數(shù)學原理,這個原理讓它們的飛行軌跡難以捉摸,從而避免被打中。

  而這種數(shù)學原理,就叫做萊維飛行。

  1900年,法國數(shù)學家保羅萊維,發(fā)現(xiàn)了萊維曲線。

  萊維飛行是一種分形,也就是說不管放大多少倍,看起來還和原來的圖案類似的圖形。更重要的是,萊維飛行屬于隨機游走,也就是說它的軌跡并不能被準確預測,就和蒼蠅的步伐一樣鬼魅。

  布朗運動也屬于隨機游走,不過,萊維飛行和布朗運動不同。

  布朗運動有個特點,那就是每步的步長集中在一個區(qū)域內(nèi),畫成圖就是鐘形曲線。

  萊維飛行圖中,每步行走的距離就符合冪定律。運動中大多數(shù)的步子很短,但有少部分步子很長。

  萊維飛行比布朗運動更有效率。走了相同的步數(shù)或路程的情況下,萊維飛行位移比布朗運動要大得多,能探索更大的空間。

  萊維飛行用更少的距離和步數(shù)覆蓋了更大的面積,這對于探索未知而言很有用。

  2008年,一個來自英國和美國的研究團隊在 Nature上發(fā)表了一項研究,他們給大西洋和太平洋的55只不同海洋掠食者(包括絲鯊、劍魚、藍槍魚、黃鰭金槍魚、海龜和企鵝)帶上了追蹤器,跟蹤觀察它們在5700天里的運動軌跡。

  在分析了1200萬次它們的動作后,這些研究者發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)海洋掠食者在食物匱乏時對萊維式運動的偏好。更有趣的是,獵物,比如磷蝦的分布也符合萊維飛行的特征。

  不僅如此,土壤中的變形蟲、浮游生物、白蟻、熊蜂、大型陸地食草動物、鳥類、靈長動物、原住民在覓食時的路線也有類似的規(guī)律,萊維飛行似乎是生物在資源稀缺的環(huán)境中生存的共同法則。

  不僅是野生動物,許多自然現(xiàn)象都有萊維飛行的特征。

  比如,自來水龍頭滴水時,兩滴水滴之間的時差屬于萊維飛行;健康心臟兩次跳動的間隙,甚至連股票市場的走勢都是萊維飛行。

  萊維飛行甚至被用于研究流行病的爆發(fā)。

  在分析了46萬張紙幣的軌跡后他們證實了自己的猜測:傳染病的傳播和紙幣的傳播一樣,符合萊維飛行的特征。他們把這項研究發(fā)表在了2006年的 Nature上。

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