Paradoxe du littoral

Leparadoxe du littoralest l'observation contre-intuitive que lelittorald'unemasse continentalen'a pas de longueur définie. Cela résulte des propriétés apparentées à celles d'une courbe fractale des littoraux ; c'est-à-dire le fait qu'un littoral a typiquement unedimension fractale. Bien que le « paradoxe de la longueur » ait été précédemment noté parHugo Steinhaus, la première étude systématique de ce phénomène est réalisée parLewis Fry Richardson, et il est développé parBenoît Mandelbrot.
La longueur mesurée du littoral dépend de la méthode utilisée pour le mesurer et du degré degénéralisation cartographique. Une masse continentale ayant des caractéristiques à toutes les échelles, allant de centaines de kilomètres à de minuscules fractions de millimètre et moins, il n'y a pas de taille évidente de la plus petite caractéristique qui devrait être prise en considération lors de la mesure, et donc pas depérimètreunique bien défini à la masse continentale.Diverses approximationsexistent lorsque des hypothèses spécifiques sont faites sur la taille minimale des caractéristiques.
Le problème est fondamentalement différent de la mesure d'autres bords plus simples. Il est possible, par exemple, de mesurer avec précision la longueur d'une barre de métal droite et idéale en utilisant un appareil de mesure pour déterminer que la longueur est inférieure à une certaine quantité et supérieure à une autre quantité, c'est-à-dire la mesurer avec un certaindegré d'incertitude. Plus l'appareil de mesure est précis, plus les résultats seront proches de la longueur réelle du bord. Lors de la mesure d'un littoral, cependant, la mesure plus proche n'entraîne pas une augmentation de la précision - la mesure ne fait qu'augmenter en longueur, contrairement à la barre métallique, il n'y a aucun moyen d'obtenir une valeur maximale pour la longueur du littoral.
Dans l'espace tridimensionnel, le paradoxe du littoral s'étend volontiers au concept de surfaces fractales, où l'aire d'une surface varie en fonction de la résolution de mesure.
Le concept de base delongueurprovient de la distance euclidienne. Engéométrie euclidienne, une ligne droite représente ladistance la plus courte entre deux points. Cette ligne n'a qu'une longueur. À la surface d'une sphère, celle-ci est remplacée par la longueurgéodésique(également appelée longueur dugrand cercle), qui est mesurée le long de la courbe de surface qui existe dans le plan contenant les deux extrémités et le centre de la sphère. Lalongueur des courbes de baseest plus compliquée mais peut également être calculée. En mesurant avec des règles, on peut approximer la longueur d'une courbe en ajoutant la somme des droites qui relient les points :
L'utilisation de quelqueslignes droitespour approximer la longueur d'une courbe produira une estimation inférieure à la longueur réelle ; lorsque des lignes de plus en plus courtes (et donc plus nombreuses) sont utilisées, la somme se rapproche de la vraie longueur de la courbe. Une valeur précise pour cette longueur peut être trouvée en utilisant lecalcul infinitésimal, la branche des mathématiques permettant le calcul de distances infiniment petites. L'animation suivante illustre comment une courbelissepeut être affectée de manière significative à une longueur précise :
Toutes les courbes ne peuvent pas être mesurées de cette manière. Unefractaleest, par définition, une courbe dont la complexité change avec l'échelle de mesure. Alors que les approximations d'une courbe lissetendentvers une valeur unique à mesure que la précision de la mesure augmente, la valeur mesurée pour une fractale ne converge pas.
Comme la longueur d'une courbe fractale diverge toujours vers l'infini, si l'on devait mesurer un littoral avec une résolution infinie ou quasi infinie, la longueur des plis infiniment courts du littoral s'additionnerait à l'infini. Cependant, ce chiffre repose sur l'hypothèse que l'espace peut être subdivisé en sections infinitésimales. Lavaleur de véritéde cette hypothèse - qui sous-tend la géométrie euclidienne et sert de modèle utile dans les mesures quotidiennes - est une question despéculation philosophiqueet peut ou non refléter les réalités changeantes de l'« espace »et de la« distance »au niveau atomique (environ l'échelle dunanomètre).
Les côtes sont moins définies dans leur construction que les fractales idéalisées telles que l'ensemble de Mandelbrot, car elles sont formées par divers événements naturels qui créent des modèles de manière statistiquement aléatoire, tandis que les fractales idéalisées sont formées par des itérations répétées de séquences simples et formulées.
Peu avant1951,Lewis Fry Richardson, en recherchant l'effet possible de la longueur des frontières sur la probabilité de guerre, a remarqué que lesPortugaisrapportaient que leur frontière mesurée avec l'Espagneétait de 987km, mais les Espagnols l'ont signalé comme 1 214km. C'est le début du problème du trait de côte, qui est une incertitude mathématique inhérente à la mesure de limites irrégulières.
La méthode dominante pour estimer la longueur d'une frontière (ou d'un littoral) consistait à tracernsegments de ligne droite égaux de longueurℓavec desséparateurssur une carte ou une photographie aérienne. Chaque extrémité du segment doit être sur la limite. En enquêtant sur les écarts dans l'estimation des frontières, Richardson a découvert ce que l'on appelle maintenant l'« effet Richardson »: la somme des segments augmente de manière monotone lorsque la longueur commune des segments diminue. En effet, plus la règle est courte, plus la bordure mesurée est longue ; les géographes espagnols et portugais utilisaient simplement des règles de longueur différente.
Le résultat le plus étonnant pour Richardson est que, dans certaines circonstances, lorsqueℓs'approche de zéro, la longueur de la côte s'approche de l'infini. Richardson avait cru, sur la base de la géométrie euclidienne, qu'un littoral approcherait une longueur fixe, tout comme des estimations similaires de figures géométriques régulières. Par exemple, lepérimètred'unpolygonerégulier inscrit dans uncerclese rapproche de lacirconférenceavec un nombre croissant de côtés (et une diminution de la longueur d'un côté). Dans lathéorie des mesures géométriques, une courbe lisse telle que le cercle qui peut être approximée par de petits segments droits avec une limite définie est appelée unecourbe rectifiable.
Plus d'une décennie après que Richardson a terminé ses travaux,Benoit Mandelbrota développé une nouvelle branche desmathématiques, lagéométrie fractale, pour décrire des complexes non rectifiables dans la nature tels que le littoral infini. Sa propre définition de la nouvelle figure servant de base à son étude est:
Une propriété clé de certaines fractales est l'auto-similarité; c'est-à-dire qu'à n'importe quelleéchellela même configuration générale apparaît. Un littoral est perçu comme des baies alternant avec des promontoires. Dans la situation hypothétique où un littoral donné a cette propriété d'auto-similarité, alors quelle que soit la taille d'une petite section de littoral est agrandie, un modèle similaire de baies et de promontoires plus petits superposés sur des baies et des promontoires plus grands apparaît, jusqu'aux grains de sable. À cette échelle, le littoral apparaît comme un fil momentanément changeant, potentiellement infiniment long, avec un agencement stochastique de baies et de promontoires formés à partir des petits objets à portée de main. Dans un tel environnement (par opposition aux courbes lisses) Mandelbrot affirmeque« la longueur du littoral s'avère être une notion insaisissable qui se glisse entre les doigts de ceux qui veulent la saisir. »
Il existe différents types de fractales. Un littoral ayant la propriété énoncée se trouve dans« une première catégorie de fractales, à savoir des courbes dont la dimension fractale est supérieure à 1 ». Cette dernière déclaration représente une extension par Mandelbrot de la pensée de Richardson. La déclaration de Mandelbrot sur l'effet Richardson est la suivante:
oùL, longueur du littoral, fonction de l'unité de mesureε, est approximée par l'expression.Fest une constante etDest un paramètre que Richardson a trouvé en fonction du littoral approximé parL. Il n'a donné aucune explication théorique, mais Mandelbrot a identifiéDavec une forme non entière de ladimension de Hausdorff, plus tard la dimension fractale. La réorganisation de l'expression donne
oùFεdoit être le nombre d'unitésεnécessaires pour obtenirL. La ligne brisée mesurant une côte ne s'étend pas dans une direction et ne représente pas une zone, mais est intermédiaire entre les deux et peut être considérée comme une bande de largeur 2ε.Dest sa dimension fractale, comprise entre 1 et 2 (et typiquement inférieure à 1,5). Les côtes plus brisées ont un plus grandD, et doncLest plus long pour le mêmeε.Dest d'environ 1,02 pour le littoral de l'Afrique du Sudet d'environ 1,25 pour la côte ouest de la Grande-Bretagne. Pour les rives des lacs, la valeur typique deDest de 1,28Mandelbrot a montré queDest indépendant deε.