กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 19 นาที

จูเลียตั้ง

ในพลวัตเชิงซ้อนเซตจูเลียและเซตฟาตูเป็นเซตเสริมกัน สองเซต (จูเลีย "เชือก" และฟาตู "ฝุ่น") ที่กำหนดจากฟังก์ชันโดยทั่วไปแล้ว

จูเลียตั้ง

แผนภาพแสดงพฤติกรรมของจุดเริ่มต้นในระนาบเชิงซ้อน โดยการทำซ้ำแผนที่กำลังสองโดยที่ c มีค่าประมาณ -0.5125 + 0.5213i บริเวณสีเขียวและสีน้ำเงินคือเซตฟาตู และเซตจูเลียประกอบด้วยจุดสีเหลืองตรงกลาง
ซูมเข้าไปในเซต Julia ในระนาบ z ที่มีค่าเป็นจำนวนเชิงซ้อนโดยใช้ฟังก์ชันพหุนาม จำนวนเชิงซ้อน ดีกรีสองและพารามิเตอร์c re = c im = -0.5251993
ภาพตัดขวางสามมิติของเซตจูเลีย (สี่มิติ) ของฟังก์ชันบนควอเทอร์เนียน

ในพลวัตเชิงซ้อนเซตจูเลียและเซตฟาตูเป็นเซตเสริมกัน สองเซต (จูเลีย "เชือก" และฟาตู "ฝุ่น") ที่กำหนดจากฟังก์ชันโดยทั่วไปแล้ว เซตฟาตูของฟังก์ชันประกอบด้วยค่าที่มีคุณสมบัติว่าค่าใกล้เคียงทั้งหมดมีพฤติกรรมคล้ายกันภายใต้การวนซ้ำของฟังก์ชัน และเซตจูเลียประกอบด้วยค่าที่การรบกวน เพียงเล็กน้อย ก็สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในลำดับของค่าฟังก์ชันที่วนซ้ำ ดังนั้นพฤติกรรมของฟังก์ชันบนเซตฟาตูจึง "เป็นระเบียบ" ในขณะที่บนเซตจูเลีย พฤติกรรมของฟังก์ชันนั้น " อลวน "

โดยทั่วไปแล้ว เซต Julia ของฟังก์ชัน f จะถูกแสดงด้วยและเซต Fatou จะถูกแสดงด้วย[ a ] ​​เซตเหล่านี้ตั้งชื่อตามนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสGaston Julia [ 1 ]และPierre Fatou [ 2 ]ซึ่งผลงานของพวกเขาได้เริ่มต้นการศึกษาพลวัตเชิงซ้อนในช่วงต้นศตวรรษที่ 20

คำจำกัดความอย่างเป็นทางการ

ให้ เป็น ฟังก์ชันเมโรเมอร์ฟิกที่ไม่คงที่จากทรงกลมรีมันน์ไปยังตัวมันเอง ฟังก์ชันดังกล่าวคือฟังก์ชันตรรกยะเชิงซ้อน ที่ไม่คง ที่ นั่นคือโดยที่และเป็นพหุนาม เชิงซ้อน สมมติว่าpและq ไม่มีราก ร่วมกัน และอย่างน้อยหนึ่งรากมีดีกรีมากกว่า 1 ดังนั้นจะมีเซตเปิด จำนวนจำกัด ที่ไม่เปลี่ยนแปลงโดยและ เป็นเช่นนั้น:

  1. การรวมกันของเซตมีความหนาแน่นในระนาบและ
  2. มีพฤติกรรมที่สม่ำเสมอและเท่าเทียมกัน ในแต่ละชุด

ข้อความสุดท้ายหมายความว่า จุดสิ้นสุดของลำดับการวนซ้ำที่สร้างขึ้นโดยจุดต่างๆ นั้นอาจเป็นเซตเดียวกันอย่างแม่นยำ ซึ่งก็คือวัฏจักรจำกัด หรืออาจเป็นวัฏจักรจำกัดของเซตที่มีรูปร่างเป็นวงกลมหรือวงแหวนซึ่งวางตัวอยู่ร่วมศูนย์กลาง ในกรณีแรก วัฏจักรนั้นจะเป็นแบบดึงดูดในกรณีที่สอง วัฏจักรนั้นจะเป็นแบบ เป็นกลาง

เซตเหล่านี้คือโดเมนฟาตูของ และผลรวม ของเซตเหล่านี้คือเซตฟาตูของ แต่ละโดเมนฟาตูประกอบด้วยจุดวิกฤต อย่างน้อยหนึ่งจุด ของนั่นคือ จุด (จำกัด) zที่สอดคล้องกับหรือถ้าดีกรีของตัวเศษมากกว่าดีกรีของตัวส่วนอย่างน้อยสองหรือ ถ้าสำหรับค่าc บางค่า และฟังก์ชันตรรกยะที่สอดคล้องกับเงื่อนไขนี้

ส่วนเติมเต็มของคือเซตจูเลียของถ้าจุดวิกฤตทั้งหมดเป็นแบบพรีคาบ นั่นคือ จุดเหล่านั้นไม่เป็นคาบ แต่ในที่สุดก็จะไปหยุดอยู่ที่วัฏจักรคาบ แล้ว ก็คือทรงกลมทั้งหมด มิฉะนั้นจะเป็นเซตที่ไม่มีจุดภายในหนาแน่น (ไม่มีจุดภายใน) และเป็น เซต ที่นับไม่ได้ (มีจำนวนสมาชิกเท่ากับจำนวนจริง) เช่นเดียวกับจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อและบนเซตนี้ การวนซ้ำจะผลักออก หมายความว่าสำหรับทุกwในบริเวณใกล้เคียงของz (ภายใน) ซึ่งหมายความว่ามีพฤติกรรมอลหม่านบนเซตจูเลีย แม้ว่าจะมีจุดในเซตจูเลียที่มีลำดับการวนซ้ำจำกัด แต่ก็มีจุดดังกล่าวเพียง จำนวนนับ ได้ เท่านั้น (และจุดเหล่านั้นประกอบขึ้นเป็นส่วนเล็กน้อยของเซตจูเลีย) ลำดับที่สร้างขึ้นโดยจุดนอกเซตนี้มีพฤติกรรมอลหม่าน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ความอลหม่าน เชิง กำหนด

มีการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับเซตฟาตูและเซตจูเลียของฟังก์ชันตรรกยะ แบบวนซ้ำ ซึ่งรู้จักกันในชื่อแผนที่ตรรกยะ ตัวอย่างเช่น เป็นที่ทราบกันว่าเซตฟาตูของแผนที่ตรรกยะมีส่วนประกอบ 0, 1, 2 หรือ อนันต์[ 3 ]ส่วนประกอบแต่ละส่วนของเซตฟาตูของแผนที่ตรรกยะสามารถจำแนกได้เป็น 4 ประเภท ที่แตกต่างกัน[ 4 ]

คำอธิบายที่เทียบเท่ากันของเซต Julia

  • คือเซตปิดที่เล็กที่สุดที่มีจุดอย่างน้อยสามจุดซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงโดยสมบูรณ์ภายใต้f
  • คือการปิดเซตของจุดคาบที่ ผลักกัน
  • สำหรับจุดเกือบทั้งหมด ยกเว้นอย่างมากที่สุดสองจุดเซตจูเลียคือเซตของจุดลิมิตของวงโคจรย้อนกลับทั้งหมด(ซึ่งชี้ให้เห็นถึงอัลกอริธึมง่ายๆ สำหรับการพล็อตเซตจูเลีย ดูด้านล่าง)
  • ถ้าfเป็นฟังก์ชันสมบูรณ์ (entire function ) แล้วจะเป็นขอบเขตของเซตของจุดที่ลู่เข้าสู่อนันต์ภายใต้การวนซ้ำ
  • ถ้าfเป็นพหุนามขอบเขตของเซตจูเลียที่เติมเต็ม จะเป็น จุดเหล่านั้น กล่าวคือ จุดที่วงโคจรภายใต้การวนซ้ำของfยังคงมีขอบเขตจำกัด

คุณสมบัติของเซตจูเลียและเซตฟาตู

เซต Julia และเซต Fatou ของfต่างก็ไม่เปลี่ยนแปลงอย่างสมบูรณ์ภายใต้การวนซ้ำของฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิกf : [ 5 ]

ตัวอย่าง

สำหรับเซต Julia เซตนี้คือวงกลมหน่วย และการวนซ้ำจะทำได้โดยการคูณมุมด้วยสองเท่า (ซึ่งเป็นการดำเนินการที่วุ่นวายสำหรับจุดที่อาร์กิวเมนต์ไม่ใช่เศษส่วนตรรกยะของ) มีโดเมน Fatou สองโดเมน ได้แก่ ภายในและภายนอกวงกลม โดยมีการวนซ้ำไปยัง 0 และ ∞ ตามลำดับ

สำหรับเซต Julia นั้นคือส่วนของเส้นตรงระหว่าง −2 และ 2 มีโดเมน Fatou หนึ่งเดียว : จุดที่ไม่ได้อยู่บนส่วนของเส้นตรงจะวนซ้ำไปสู่ ​​∞ (นอกเหนือจากการเลื่อนและการปรับขนาดของโดเมนแล้ว การวนซ้ำนี้เทียบเท่ากับการวนซ้ำบนช่วงหน่วย ซึ่งมักใช้เป็นตัวอย่างของระบบอลวน)

ฟังก์ชันfและgมีรูปแบบโดยที่cเป็นจำนวนเชิงซ้อน สำหรับการวนซ้ำเช่นนี้ เซตจูเลียโดยทั่วไปจะไม่ใช่เส้นโค้งธรรมดา แต่เป็นแฟรกทัล และสำหรับบางค่าของcมันอาจมีรูปร่างที่น่าประหลาดใจได้ ดูภาพด้านล่าง

เซต Julia (สีขาว) สำหรับฟังก์ชันตรรกยะที่เกี่ยวข้องกับวิธีของนิวตันสำหรับf  : zz 3 −1 การระบายสีเซต Fatou ด้วยโทนสีแดง เขียว และน้ำเงิน ตามตัวดึงดูดทั้งสาม (รากทั้งสามของf )

สำหรับฟังก์ชันf ( z ) บางฟังก์ชัน เราสามารถกล่าวได้ล่วงหน้าว่าเซตจูเลียเป็นแฟรกทัล ไม่ใช่เส้นโค้งธรรมดา เนื่องจากผลลัพธ์ต่อไปนี้เกี่ยวกับการวนซ้ำของฟังก์ชันตรรกยะ:

ทฤษฎีบทโดเมนฟาตูแต่ละโดเมนมีขอบเขตเดียวกัน ซึ่งส่งผลให้เป็นเซตจูเลีย

นี่หมายความว่าแต่ละจุดของเซตจูเลียเป็นจุดสะสมสำหรับแต่ละโดเมนฟาตู ดังนั้น หากมีโดเมนฟาตูมากกว่าสองโดเมนแต่ละจุดของเซตจูเลียจะต้องมีจุดของเซตเปิดที่แตกต่างกันมากกว่าสองเซตที่อยู่ใกล้กันอย่างไม่มีที่สิ้นสุด และนี่หมายความว่าเซตจูเลียไม่สามารถเป็นเส้นโค้งแบบง่ายได้ ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อf ( z ) คือการวนซ้ำของนิวตันเพื่อแก้สมการ:

ภาพทางด้านขวาแสดงกรณีที่n = 3

พหุนามกำลังสอง

ระบบพลวัตเชิงซ้อนที่เป็นที่นิยมมากระบบหนึ่งคือตระกูลของพหุนามกำลังสองเชิงซ้อนซึ่งเป็นกรณีพิเศษของ แผนที่เชิงตรรกะพหุนามกำลังสองดังกล่าวสามารถแสดงได้ดังนี้

โดยที่cเป็นพารามิเตอร์เชิงซ้อน กำหนดค่า c ให้มีขนาดใหญ่พอสมควร(ตัวอย่างเช่น ถ้าcอยู่ในเซต Mandelbrotแล้วเราอาจกำหนดให้ c = 0 ก็ได้) จากนั้นเซต Julia ที่เต็มแล้วสำหรับระบบนี้คือเซตย่อยของระนาบเชิงซ้อนที่กำหนดโดย

โดยที่ค่าการวนซ้ำ ครั้งที่ nของเซตจูเลียของฟังก์ชันนี้คือขอบเขตของ

ระนาบพารามิเตอร์ของพหุนามกำลังสอง – กล่าวคือ ระนาบของ ค่า c ที่เป็นไปได้ – ก่อให้เกิดเซตแมนเดลบร็อต อันโด่งดัง แท้จริงแล้ว เซตแมนเดลบร็อตถูกนิยามว่าเป็นเซตของค่าc ทั้งหมด ที่ทำให้เป็นเซตเชื่อมต่อสำหรับพารามิเตอร์ที่อยู่นอกเซตแมนเดลบร็อต เซตจูเลียเป็นปริภูมิแคนเตอร์ในกรณีนี้บางครั้งเรียกว่าฝุ่นฟาตู

ในหลายกรณี เซต Julia ของcจะมีลักษณะคล้ายเซต Mandelbrot ในบริเวณใกล้เคียงc ที่มีขนาดเล็กพอสมควร โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับพารามิเตอร์ที่เรียกว่าMisiurewiczซึ่งก็คือพารามิเตอร์cที่จุดวิกฤตเป็นแบบก่อนคาบ ตัวอย่างเช่น:

  • ที่จุดc = iซึ่งเป็นนิ้วเท้าด้านหน้าที่สั้นกว่าของส่วนหน้าเท้า ชุดอักษรจูเลียจะมีลักษณะคล้ายสายฟ้าที่แตกแขนงออกไป
  • ที่ค่า c = −2 ซึ่งเป็นจุดปลายของหางแหลมยาวนั้น เซตจูเลียจะเป็นส่วนของเส้นตรง

กล่าวอีกนัยหนึ่ง เซต Julia มีความคล้ายคลึงกันในระดับท้องถิ่นรอบจุด Misiurewicz [ 6 ]

การสรุปโดยทั่วไป

นิยามของเซต Julia และ Fatou สามารถนำไปใช้กับกรณีของแผนที่บางประเภทที่มีภาพของโดเมนอยู่ภายในได้อย่างง่ายดาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งฟังก์ชันเมโรเมอร์ฟิกเชิงอภิปรัชญาและแผนที่ประเภทจำกัดของAdam Epstein

เซตจูเลียยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาพลวัตของตัวแปรเชิงซ้อนหลายตัวอีกด้วย

รหัสเทียม

โค้ดจำลองด้านล่างนี้กำหนดฟังก์ชันสำหรับแต่ละแฟร็กทัลไว้ตายตัว ควรพิจารณาใช้ การคำนวณ จำนวนเชิงซ้อนเพื่อให้ได้โค้ดที่ยืดหยุ่นและนำกลับมาใช้ใหม่ได้มากขึ้น

รหัสเทียมสำหรับเซต Julia ปกติ

R = รัศมีหลบหนี# เลือก R > 0 โดยที่ R**2 - R >= sqrt(cx**2 + cy**2)สำหรับแต่ละพิกเซล( x , y ) บนหน้าจอให้ทำดังนี้: { zx = พิกเซลพิกัดx ที่ปรับขนาดแล้ว; # (ปรับขนาดให้อยู่ระหว่าง -R และ R) # zx แทนส่วนจริงของ z zy = พิกเซลพิกัดy ที่ปรับขนาดแล้ว; # (ปรับขนาดให้อยู่ระหว่าง -R และ R) # zy แทนส่วนจินตภาพของ z }iteration = 0 ; max_iteration = 1000 ; while ( zx * zx + zy * zy < R ** 2 AND iteration < max_iteration ) { xtemp = zx * zx - zy * zy ; zy = 2 * zx * zy + cy ; zx = xtemp + cx ; iteration = iteration + 1 ; } if ( iteration == max_iteration ) return black ; else return iteration ; }

รหัสเทียมสำหรับชุด Julia หลายชุด

R = รัศมีหลบหนี# เลือก R > 0 โดยที่ R**n - R >= sqrt(cx**2 + cy**2)สำหรับแต่ละพิกเซล( x , y ) บนหน้าจอให้ทำดังนี้: { zx = พิกเซลพิกัดx ที่ปรับขนาดแล้ว; # ( ปรับขนาดให้อยู่ระหว่าง -R และ R) zy = พิกเซลพิกัดy ที่ปรับขนาดแล้ว; # (ปรับขนาดให้อยู่ระหว่าง -R และ R) iteration = 0 ; max_iteration = 1001 ; ในขณะที่( zx * zx + zy * zy < R ** 2 และiteration < max_iteration ) { xtmp = ( zx * zx + zy * zy ) ^ ( n / 2 ) * cos ( n * atan2 ( zy , zx )) + cx ; zy = ( zx * zx + zy * zy ) ^ ( n / 2 ) * sin ( n * atan2 ( zy , zx )) + cy ; zx = xtmp ; iteration = iteration + 1 ; } if ( iteration == max_iteration ) return black ; else return iteration ; }

ตัวเลือกที่แนะนำอีกอย่างคือการลดแถบสีระหว่างการวนซ้ำโดยใช้สูตรการปรับค่าใหม่สำหรับการวนซ้ำ[ 7 ]

สูตรดังกล่าวมีดังนี้

โดยที่คือการวนซ้ำที่หลุดออกไป ซึ่งถูกจำกัดด้วยค่าบางค่าที่ทำให้และและคือขนาดของการวนซ้ำครั้งสุดท้ายก่อนที่จะหลุดออกไป

สามารถนำไปปฏิบัติได้อย่างง่ายดายดังนี้:

# เพียงแค่แทนที่โค้ด 4 บรรทัดสุดท้ายจากตัวอย่างที่แล้วด้วยโค้ดเหล่านี้:ถ้า( iteration == max_iteration ) ให้คืนค่าblack ; มิฉะนั้นabs_z = zx * zx + zy * zy ; คืนค่าiteration + 1 - log ( log ( abs_z )) / log ( n );

ความแตกต่างแสดงไว้ด้านล่าง โดยใช้เซต Julia ที่กำหนดดังนี้ โดยที่.

ฟังก์ชันศักยภาพและจำนวนการวนซ้ำจริง

เซต Julia สำหรับคือวงกลมหน่วย และในโดเมน Fatou ภายนอกฟังก์ชันศักย์φ ( z ) ถูกกำหนดโดยφ ( z ) = log| z | เส้นสมศักดิ์สำหรับฟังก์ชันนี้เป็นวงกลมศูนย์กลางร่วมกัน เนื่องจากเรามี

โดยที่ลำดับการวนซ้ำที่สร้างขึ้นโดยzสำหรับการวนซ้ำทั่วไปมากขึ้น ได้มีการพิสูจน์แล้วว่าหากเซต Julia เชื่อมต่อกัน (นั่นคือ ถ้าcอยู่ในเซต Mandelbrot (ปกติ)) แล้วจะมีแผนที่biholomorphic ψระหว่างโดเมน Fatou ภายนอกและวงกลมหน่วยภายนอกเช่นนั้น[ 8 ] ซึ่งหมายความว่าฟังก์ชันศักย์บนโดเมน Fatou ภายนอกที่กำหนดโดยการจับคู่นี้จะได้รับโดย:

สูตรนี้มีความหมายแม้ว่าเซต Julia จะไม่เชื่อมต่อกัน ดังนั้นสำหรับทุกค่า c เรา จึงสามารถกำหนดฟังก์ชันศักย์บนโดเมน Fatou ที่มี ∞ โดยใช้สูตรนี้ได้ สำหรับฟังก์ชันตรรกยะทั่วไปf ( z ) ที่ ∞ เป็นจุดวิกฤตและจุดตรึง กล่าวคือ ดีกรีmของตัวเศษมากกว่าดีกรีnของตัวส่วนอย่างน้อยสอง เรากำหนดฟังก์ชันศักย์บนโดเมน Fatou ที่มี ∞ โดย:

โดยที่d = mnคือระดับของฟังก์ชันตรรกยะ[ 9 ]

ถ้าNเป็นจำนวนมากมาก (เช่น 10 100 ) และถ้าkเป็นจำนวนการวนซ้ำครั้งแรกที่ทำให้เราจะได้ว่า

สำหรับจำนวนจริงบางจำนวนซึ่งควรพิจารณาว่าเป็นจำนวนการวนซ้ำจริงและเรามีว่า:

โดยที่ตัวเลขสุดท้ายอยู่ในช่วง [0, 1)

สำหรับการวนซ้ำเพื่อสร้างวัฏจักรดึงดูดแบบจำกัดลำดับrนั้น เราจะได้ว่า ถ้าเป็นจุดหนึ่งของวัฏจักรแล้ว( การประกอบแบบ rเท่า) และจำนวน

คือแรงดึงดูดของวัฏจักร ถ้าwเป็นจุดที่อยู่ใกล้มากและw ′ คือwที่ทำซ้ำrครั้ง เราจะได้ว่า

ดังนั้น จำนวนจึงแทบไม่ขึ้นอยู่กับkเรากำหนดฟังก์ชันศักย์บนโดเมน Fatou ดังนี้:

ถ้า ε เป็นจำนวนที่เล็กมาก และkเป็นจำนวนรอบการทำซ้ำครั้งแรกที่ทำให้เราจะได้ว่า

สำหรับจำนวนจริงบางจำนวนซึ่งควรพิจารณาว่าเป็นจำนวนการวนซ้ำจริง และเรามีว่า:

ถ้าแรงดึงดูดเป็นอนันต์ หมายความว่าวัฏจักรนั้นมีแรงดึงดูดสูงมากซึ่งหมายความว่าจุดหนึ่งของวัฏจักรเป็นจุดวิกฤต เราต้องแทนαด้วย

โดยที่w ′ คือwที่ทำซ้ำrครั้ง และสูตรสำหรับφ ( z ) คือ:

และตอนนี้หมายเลขการวนซ้ำที่แท้จริงจะกำหนดโดย:

สำหรับการระบายสี เราต้องมีมาตราส่วนสีแบบวงจร (สร้างขึ้นทางคณิตศาสตร์เป็นต้น) และประกอบด้วย สี Hสีที่กำหนดหมายเลขตั้งแต่ 0 ถึงH −1 ( เช่นH = 500) เราคูณจำนวนจริง ด้วยจำนวนจริงคงที่ที่กำหนดความหนาแน่นของสีในภาพ และหาค่าส่วนจำนวนเต็มของจำนวนนี้โมดูลัส H

นิยามของฟังก์ชันศักยภาพและวิธีการระบายสีของเราตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าวงจรนั้นเป็นแบบดึงดูด กล่าวคือไม่ใช่แบบเป็นกลาง หากวงจรเป็นกลาง เราจะไม่สามารถระบายสีโดเมนฟาตูในลักษณะที่เป็นธรรมชาติได้ เนื่องจากจุดสิ้นสุดของการวนซ้ำเป็นการเคลื่อนที่แบบหมุน เราจึงสามารถระบายสีตามระยะทางที่น้อยที่สุดจากวงจรที่คงที่โดยการวนซ้ำได้

เส้นสนาม

เส้นสมศักดิ์สำหรับการวนซ้ำไปสู่อนันต์
เส้นฟิลด์สำหรับการทำซ้ำของรูปแบบ

ในแต่ละโดเมนของฟาตู (ที่ไม่ใช่โดเมนที่เป็นกลาง) จะมีระบบเส้นสองระบบที่ตั้งฉากกัน ได้แก่เส้นสมศักดิ์ (สำหรับฟังก์ชันศักย์หรือจำนวนการวนซ้ำจริง) และเส้น สนาม

ถ้าเรากำหนดสีให้กับโดเมนฟาตูตามหมายเลขการวนซ้ำ (และไม่ใช่หมายเลขการวนซ้ำจริงตามที่กำหนดไว้ในส่วนก่อนหน้า) แถบการวนซ้ำจะแสดงเส้นทางของเส้นศักย์เท่ากัน ถ้าการวนซ้ำมุ่งไปสู่ค่าอนันต์ (เช่นเดียวกับโดเมนฟาตูภายนอกสำหรับการวนซ้ำปกติ) เราสามารถแสดงเส้นทางของเส้นสนามได้อย่างง่ายดาย กล่าวคือโดยการเปลี่ยนสีตามจุดสุดท้ายในลำดับการวนซ้ำว่าอยู่เหนือหรือใต้ แกน x (ภาพแรก) แต่ในกรณีนี้ (หรือกล่าวให้แม่นยำยิ่งขึ้น: เมื่อโดเมนฟาตูเป็นแบบดึงดูดอย่างมาก) เราไม่สามารถวาดเส้นสนามได้อย่างสอดคล้องกัน อย่างน้อยก็ไม่ใช่ด้วยวิธีที่เราอธิบายไว้ที่นี่ ในกรณีนี้ เส้นสนามยังเรียกว่ารังสีภายนอกด้วย

ให้zเป็นจุดในโดเมน Fatou ที่ดึงดูด ถ้าเราวนซ้ำzเป็นจำนวนมากครั้ง จุดสิ้นสุดของลำดับการวนซ้ำจะเป็นวัฏจักรจำกัดCและโดเมน Fatou คือ (ตามคำนิยาม) เซตของจุดที่ลำดับการวนซ้ำลู่เข้าสู่Cเส้นสนามจะออกมาจากจุดของCและจากจุด (จำนวนอนันต์) ที่วนซ้ำเข้าสู่จุดของCและสิ้นสุดที่เซต Julia ในจุดที่ไม่อลวน (นั่นคือ สร้างวัฏจักรจำกัด) ให้rเป็นอันดับของวัฏจักรC (จำนวนจุด) และให้เป็นจุดในCเรามี(การประกอบแบบ r เท่า) และเรากำหนดจำนวนเชิงซ้อน α โดย

ถ้าจุดของCคือα คือผลคูณของจำนวนrจำนวนจริง 1/|α| คือแรงดึงดูดของวัฏจักร และสมมติฐานของเราที่ว่าวัฏจักรนั้นไม่ใช่ทั้งกลางหรือดึงดูดมากเกินไป หมายความว่า1 < 1/| α |<จุดนี้เป็นจุดคงที่สำหรับและใกล้จุดนี้ แผนที่จะมีลักษณะ (เมื่อเชื่อมโยงกับเส้นสนาม) ของการหมุนด้วยอาร์กิวเมนต์ β ของ α (นั่นคือ)

เพื่อระบายสีโดเมนฟาตู เราได้เลือกจำนวนเล็กๆ ε และกำหนดลำดับการวนซ้ำให้หยุดเมื่อและเราจะระบายสีจุดzตามจำนวนk (หรือจำนวนการวนซ้ำจริง หากเราต้องการการระบายสีที่เรียบเนียน) หากเราเลือกทิศทางจากที่กำหนดโดยมุมθเส้นสนามที่ออกจากในทิศทางนี้จะประกอบด้วยจุดzที่อาร์กิวเมนต์ψของจำนวนนั้นเป็นไปตามเงื่อนไขที่ว่า

เพราะถ้าเราเคลื่อนแถบการวนซ้ำไปในทิศทางของเส้นสนาม (และออกจากวงจร) จำนวนการวนซ้ำkจะเพิ่มขึ้น 1 และจำนวน ψ จะเพิ่มขึ้น β ดังนั้นจำนวนจึงคงที่ตลอดแนวเส้นสนาม

รูปภาพในเส้นสนามสำหรับการทำซ้ำของแบบฟอร์ม

การระบายสีเส้นสนามของโดเมนฟาตู หมายถึงการระบายสีช่องว่างระหว่างเส้นสนามแต่ละคู่ โดยเราเลือกทิศทางที่เรียงตัวอย่างสม่ำเสมอจำนวนหนึ่งที่ออกจากจุดศูนย์กลางและในแต่ละทิศทางนั้น เราเลือกทิศทางอีกสองทิศทางรอบๆ ทิศทางนี้ เนื่องจากเส้นสนามสองเส้นในแต่ละคู่อาจไม่ได้สิ้นสุดที่จุดเดียวกันในเซตจูเลีย เส้นสนามที่เราระบายสีจึงอาจแตกแขนงออกไป (อย่างไม่สิ้นสุด) ไปสู่เซตจูเลีย เราสามารถระบายสีโดยพิจารณาจากระยะห่างจากเส้นกึ่งกลางของเส้นสนาม และเราสามารถผสมการระบายสีนี้กับการระบายสีแบบปกติได้ ภาพที่ได้อาจสวยงามมาก (ภาพที่สอง)

เส้นสนามสี (บริเวณระหว่างเส้นสนามสองเส้น) ถูกแบ่งออกโดยแถบการวนซ้ำ และส่วนดังกล่าวสามารถจับคู่แบบหนึ่งต่อหนึ่งกับสี่เหลี่ยมจัตุรัสหน่วยได้ โดยพิกัดหนึ่งคำนวณจากระยะห่างจากเส้นสนามที่ล้อมรอบเส้นหนึ่ง และอีกพิกัดหนึ่งคำนวณจากระยะห่างจากด้านในของแถบการวนซ้ำที่ล้อมรอบ (ตัวเลขนี้คือส่วนที่ไม่ใช่จำนวนเต็มของจำนวนการวนซ้ำจริง) ดังนั้น เราจึงสามารถใส่ภาพลงในเส้นสนามได้ (ภาพที่สาม)

การวางแผนฉากจูเลีย

การแยกส่วนไบนารีของภายในในกรณีที่มุมภายในเป็น 0

วิธีการ :

  • วิธีการประมาณระยะทางสำหรับชุดข้อมูล Julia (DEM/J)
  • วิธีการวนซ้ำแบบผกผัน (IIM)

การใช้การวนซ้ำแบบย้อนกลับ (แบบผกผัน) (IIM)

แผนภาพเซต Julia ที่สร้างขึ้นโดยใช้ IIM แบบสุ่ม
แผนภาพเซต Julia ที่สร้างขึ้นโดยใช้ MIIM

ดังที่กล่าวมาข้างต้น เซตจูเลียสามารถพบได้ในฐานะเซตของจุดลิมิตของเซตของภาพก่อนหน้าของ (โดยพื้นฐานแล้ว) จุดใดๆ ที่กำหนดให้ ดังนั้นเราจึงสามารถลองพล็อตเซตจูเลียของฟังก์ชันที่กำหนดได้ดังนี้ เริ่มต้นด้วยจุดz ใดๆ ที่ เรารู้ว่าอยู่ในเซตจูเลีย เช่น จุดคาบแบบผลักออก และคำนวณภาพก่อนหน้าทั้งหมดของzภายใต้การวนซ้ำสูงๆของf

น่าเสียดายที่เมื่อจำนวนภาพก่อนหน้าซ้ำเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ วิธีนี้จึงไม่สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ อย่างไรก็ตาม เราสามารถปรับวิธีการนี้ได้ในลักษณะเดียวกับวิธีการ "เกมสุ่ม" สำหรับระบบฟังก์ชันที่ทำซ้ำกล่าวคือ ในแต่ละขั้นตอน เราจะเลือกภาพผกผันของf หนึ่งภาพ แบบ สุ่ม

ตัวอย่างเช่น สำหรับพหุนามกำลังสองf cการวนซ้ำแบบย้อนกลับจะอธิบายได้ดังนี้

ในแต่ละขั้นตอน จะมีการสุ่มเลือกค่ารากที่สองหนึ่งในสองค่า

โปรดทราบว่าบางส่วนของชุด Julia ค่อนข้างยากที่จะเข้าถึงด้วยอัลกอริธึม Julia แบบย้อนกลับ ด้วยเหตุนี้จึงต้องแก้ไข IIM/J (ตัวอย่างเช่น MIIM/J [ 10 ] ) หรือใช้วิธีการอื่นเพื่อสร้างภาพที่ดีขึ้น

การใช้ DEM/J

เนื่องจากเซต Julia มีความบางอย่างไม่มีที่สิ้นสุด เราจึงไม่สามารถวาดมันได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้การวนซ้ำย้อนกลับจากพิกเซล มันจะปรากฏเป็นชิ้นส่วนกระจัดกระจายเนื่องจากความไม่สะดวกในการตรวจสอบจุดเริ่มต้นจำนวนอนันต์ เนื่องจากจำนวนการวนซ้ำเปลี่ยนแปลงอย่างมากใกล้กับเซต Julia วิธีแก้ปัญหาบางส่วนคือการกำหนดขอบเขตของเซตจากเส้นขอบสีที่ใกล้ที่สุด แต่เซตจะดูไม่ชัดเจน

วิธีที่ดีกว่าในการวาดเซต Julia ในแบบขาวดำคือการประมาณระยะห่างของพิกเซล (DEM) จากเซตและระบายสีพิกเซลทุกพิกเซลที่มีจุดศูนย์กลางอยู่ใกล้กับเซต สูตรสำหรับการประมาณระยะห่างได้มาจากสูตรสำหรับฟังก์ชันศักย์φ ( z ) เมื่อเส้นศักย์เท่ากันสำหรับφ ( z ) อยู่ใกล้กัน จำนวนจะมีขนาดใหญ่ และในทางกลับกัน เส้นศักย์เท่ากันสำหรับฟังก์ชันควรจะอยู่ใกล้กันอย่างสม่ำเสมอ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าค่าที่พบโดยสูตรนี้ (จนถึงปัจจัยคงที่) ลู่เข้าสู่ระยะห่างที่แท้จริงสำหรับ z ที่ลู่เข้าสู่เซต Julia [ 9 ]

เราสมมติว่าf ( z ) เป็นจำนวนตรรกยะ นั่นคือโดยที่p ( z ) และq ( z ) เป็นพหุนามเชิงซ้อนที่มีดีกรีmและnตามลำดับ และเราต้องหาอนุพันธ์ของนิพจน์ข้างต้นสำหรับφ ( z ) และเนื่องจากมีเพียงที่เปลี่ยนแปลงเท่านั้น เราจึงต้องคำนวณอนุพันธ์ของเทียบกับzแต่เนื่องจาก( การประกอบ kเท่า) เป็นผลคูณของจำนวนและลำดับนี้สามารถคำนวณแบบเวียนซ้ำได้โดยเริ่มต้นด้วย( ก่อนการคำนวณการวนซ้ำครั้งถัดไป)

สำหรับการวนซ้ำไปสู่ ​​∞ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อmn + 2ซึ่งทำให้ ∞ เป็นจุดคงที่ที่ดึงดูดอย่างมาก) เรามี

( d = mn ) และด้วยเหตุนี้:

สำหรับการวนซ้ำเพื่อสร้างวงจรดึงดูดแบบจำกัด (ที่ไม่ใช่แบบดึงดูดพิเศษ) ที่มีจุด⁠ ⁠และมีลำดับrเราจะได้ว่า

และด้วยเหตุนี้:

สำหรับวงจรดึงดูดขั้นสุดยอด สูตรคือ:

เราคำนวณตัวเลขนี้เมื่อการวนซ้ำหยุดลง โปรดทราบว่าการประมาณระยะทางนั้นเป็นอิสระจากแรงดึงดูดของวงจร ซึ่งหมายความว่ามันมีความหมายสำหรับฟังก์ชันอดิศัยที่มี "ดีกรีอนันต์" (เช่น sin( z ) และ tan( z ))

นอกจากการวาดเส้นขอบแล้ว ยังสามารถนำฟังก์ชันระยะทางมาใช้เป็นมิติที่ 3 เพื่อสร้างภูมิทัศน์แฟร็กทัลที่แข็งแกร่งได้

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. ^เกี่ยวกับสัญลักษณ์: สำหรับสาขาอื่นๆ ของคณิตศาสตร์ สัญลักษณ์นี้ยังสามารถใช้แทนเมทริกซ์จาโคเบียนของการแมปค่าจริง fระหว่างแมนิโฟลด์เรียบได้อีก

บรรณานุกรม

  • คาร์เลสัน, เลนนาร์ท ; กาเมลิน, ธีโอดอร์ ดับเบิลยู (1993). พลวัตเชิงซ้อน . สปริงเกอร์.
  • ดูอาดี, เอเดรียน ; ฮับบาร์ด, จอห์น เอช. (1984) "เอทูดี้ ไดนามิก เด โพลีโนมส์ คอมเพล็กซ์" การเผยแพร่ทางคณิตศาสตร์ d' Orsay 2 ;   "[ op.cit. ]". การเผยแพร่ทางคณิตศาสตร์ d' Orsay 4 . 1985.
  • Milnor, JW (2006) [1990]. พลวัตในตัวแปรเชิงซ้อนหนึ่งตัว . วารสารคณิตศาสตร์ศึกษา. เล่มที่ 160 (ฉบับที่สาม). สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน;เผยแพร่ครั้งแรกในรูปแบบ"เอกสารก่อนตีพิมพ์ของ Stony Brook IMS"เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อวันที่ 24 เมษายน 2549สามารถดูได้ในMilnor, John W. (1990). "Dynamics in one complex variable: Introductory lectures". arXiv : math.DS/9201272 .
  • Bogomolny, Alexander . "เซตแมนเดลบร็อตและดัชนีของเซตจูเลีย" cut-the-knot . หลักสูตรพีชคณิต
  • เดมิดอฟ, เยฟเกนี (2003). "กายวิภาคของเซตแมนเดลบร็อตและจูเลีย "
  • เบียร์ดอน, อลัน เอฟ. (1991). การวนซ้ำของฟังก์ชันตรรกยะ . สปริงเกอร์. ISBN 0-387-95151-2.
  • "ชุดจูเลีย" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press , 2001 [1994]
  • ไวส์สไตน์, เอริก ดับเบิลยู. "จูเลีย เซ็ต" . แมทเวิลด์ .
  • บอร์ก, พอล. "ชุดแฟร็กทัลจูเลีย (2 มิติ)" (เว็บไซต์ส่วนตัว).
  • ซอว์เยอร์, ​​เจมี่ (6 เมษายน 2550). "ชุดจูเลีย" (บล็อก).
  • แม็กกูดวิน, ไมเคิล. "เครื่องประดับจูเลีย: การสำรวจชุดเครื่องประดับจูเลีย" (เว็บไซต์ส่วนตัว).
  • พริงเกิล, ลูซี่. "วงกลมปริศนาจูเลียเซ็ต" (เว็บไซต์ส่วนตัว).
  • เกรก, จอช. "แอปเพล็ต Julia Set แบบโต้ตอบ" . เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2012-03-26.
  • จอยซ์, เดวิด อี. "จูเลียและเซตแมนเดลบร็อตสำรวจ" (เว็บไซต์ส่วนตัวทางวิชาการ) มหาวิทยาลัยคลาร์ก
  • "โปรแกรมง่ายๆ สำหรับสร้างชุดข้อมูล Julia" liazardie.com เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 17 มีนาคม 2011– ระบบปฏิบัติการ Windows, 370 กิโลไบต์
  • "ชุดแอปเพล็ต" . SourceForge .– แอปเพล็ตตัวหนึ่งสามารถแสดงผลชุดข้อมูล Julia ผ่านระบบฟังก์ชันวนซ้ำได้
  • "Julia พบกับ HTML5" Google Labs. เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 18 กุมภาพันธ์ 2011 เครื่องมือสร้างแฟร็กทัล HTML5 สำหรับเบราว์เซอร์ของคุณ
  • "Julia" . r-project.org . แพ็คเกจ GNU R. 25 พฤศจิกายน 2014. สร้างชุด Julia หรือ Mandelbrot ในบริเวณและความละเอียดที่กำหนด
  • "Julia sets" . เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2017-06-16 . เรียกดูเมื่อ2011-08-24 .– คำอธิบายเชิงภาพของเซตจูเลีย
  • "FractalTS" . github.io .– แมนเดลบร็อต, เรือที่กำลังลุกไหม้ และตัวสร้างเซตจูเลียที่เกี่ยวข้อง
  • "ภาพชุด Julia, การแสดงผลออนไลน์" finengin.netเก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2019-06-22 เรียกดูเมื่อ2017-01-24
  • "ทำความเข้าใจเกี่ยวกับชุดจูเลียและชุดแมนเดลบร็อต "- คำอธิบายด้วยภาพ
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Julia_set&oldid=1354561559 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ จูเลียตั้ง

ในพลวัตเชิงซ้อนเซตจูเลียและเซตฟาตูเป็นเซตเสริมกัน สองเซต (จูเลีย "เชือก" และฟาตู "ฝุ่น") ที่กำหนดจากฟังก์ชันโดยทั่วไปแล้ว

คำจำกัดความอย่างเป็นทางการ

ให้ เป็น ฟังก์ชันเมโรเมอร์ฟิก ที่ไม่คงที่จาก ทรงกลมรีมัน น์ไปยังตัวมันเอง ฟังก์ชันดังกล่าวคือ ฟังก์ชันตรรก ยะเชิงซ้อน ที่ไม่คง ที่ นั่นคือโดยที่และเป็น พหุนาม เชิงซ้อน สมมติว่า p และ q ไม่มี ราก ร่วมกัน และอย่างน้อยหนึ่งรากมี ดีกรี มากกว่า 1 ดังนั้นจะมี...

คำอธิบายที่เทียบเท่ากันของเซต Julia

เจ ⁡ ( เอฟ ) {\displaystyle \ชื่อผู้ดำเนินการ {J} (f)} คือเซตปิดที่เล็กที่สุดที่มีจุดอย่างน้อยสามจุดซึ่งไม่เปลี่ยนแปลงโดยสมบูรณ์ภายใต้ f เจ ⁡ ( เอฟ ) {\displaystyle \ชื่อผู้ดำเนินการ {J} (f)} คือ การปิด เซตของ จุดคาบ ที่ ผลักกัน สำหรับจุดเกือบทั้งหมด...

คุณสมบัติของเซตจูเลียและเซตฟาตู

เซต Julia และเซต Fatou ของ f ต่างก็ ไม่เปลี่ยนแปลงอย่างสมบูรณ์ ภายใต้การวนซ้ำของฟังก์ชันโฮโลมอร์ฟิก f : [ 5 ]