อ่าน 19 นาที
จูเลียตั้ง
ใน พลวัตเชิงซ้อน เซต จูเลีย และ เซตฟาตู เป็น เซตเสริมกัน สองเซต (จูเลีย "เชือก" และฟาตู "ฝุ่น") ที่กำหนดจาก ฟังก์ชัน โดยทั่วไปแล้ว...
จูเลียตั้ง

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:
- การรวมกันของเซตมีความหนาแน่นในระนาบและ
- 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 (ซึ่งเป็นการดำเนินการที่วุ่นวายสำหรับจุดที่ค่าอาร์กิวเมนต์ไม่ใช่เศษส่วนตรรกยะของ n ) มีโดเมน Fatou สองโดเมน ได้แก่ โดเมนภายในและโดเมนภายนอกของวงกลม โดยมีการวนซ้ำไปยัง 0 และ ∞ ตามลำดับ
สำหรับเซต Julia นั้นคือส่วนของเส้นตรงระหว่าง −2 และ 2 มีโดเมน Fatou หนึ่งเดียว : จุดที่ไม่ได้อยู่บนส่วนของเส้นตรงจะวนซ้ำไปสู่ ∞ (นอกเหนือจากการเลื่อนและการปรับขนาดของโดเมนแล้ว การวนซ้ำนี้เทียบเท่ากับการวนซ้ำบนช่วงหน่วย ซึ่งมักใช้เป็นตัวอย่างของระบบอลวน)
ฟังก์ชันfและgมีรูปแบบโดยที่cเป็นจำนวนเชิงซ้อน สำหรับการวนซ้ำเช่นนี้ เซตจูเลียโดยทั่วไปจะไม่ใช่เส้นโค้งธรรมดา แต่เป็นแฟรกทัล และสำหรับบางค่าของcมันอาจมีรูปร่างที่น่าประหลาดใจได้ ดูภาพด้านล่าง

สำหรับฟังก์ชันf ( z ) บางฟังก์ชัน เราสามารถกล่าวได้ล่วงหน้าว่าเซตจูเลียเป็นแฟรกทัล ไม่ใช่เส้นโค้งธรรมดา เนื่องจากผลลัพธ์ต่อไปนี้เกี่ยวกับการวนซ้ำของฟังก์ชันตรรกยะ:
ทฤษฎีบท—โดเมนฟาตูแต่ละโดเมนมีขอบเขตเดียวกัน 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
- จูเลียกำหนดค่า a โดยที่a อยู่ ในช่วงตั้งแต่ 0 ถึง
- วิดีโอแสดงชุด Julia ทางด้านซ้าย
- เซต Julia ที่เติมเต็มสำหรับf c , c = 1 − φโดยที่φคืออัตราส่วนทองคำ
- จูเลียกำหนดf c , c = ( φ − 2) + ( φ − 1) i = −0.4 + 0.6 i
- จูเลียตั้งค่าสำหรับf c , c = 0.285 + 0 i
- จูเลียตั้งค่าf c , c = 0.285 + 0.01 i
- จูเลียตั้งค่าสำหรับf c , c = 0.45 + 0.1428 i
- จูเลียตั้งค่าสำหรับf c , c = −0.70176 − 0.3842 i
- จูเลียตั้งค่าสำหรับf c , c = −0.835 − 0.2321 i
- จูเลียตั้งค่าสำหรับf c , c = −0.8 + 0.156 i
- จูเลียตั้งค่าf c , v c = −0.7269 + 0.1889 i
- จูเลียตั้งค่าสำหรับf c , c = -0.8 i
- จูเลียตั้งค่าf c , c = 0.35 + 0.35 i
- จูเลียตั้งค่าสำหรับf c , c = 0.4 + 0.4 i
- ชุดของเซตจูเลียที่จัดเรียงในตาราง 100 × 100 โดยที่จุดศูนย์กลางของแต่ละภาพตรงกับตำแหน่งเดียวกันในระนาบเชิงซ้อนกับค่าของเซต เมื่อจัดเรียงในลักษณะนี้ ภาพรวมจะคล้ายกับภาพโมเสกที่แสดงถึงเซตแมนเดลบร็อต
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 = m − nคือระดับของฟังก์ชันตรรกยะ[ 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


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

การระบายสีเส้นสนามของโดเมนฟาตู หมายถึงการระบายสีช่องว่างระหว่างเส้นสนามแต่ละคู่ โดยเราเลือกทิศทางที่เรียงตัวอย่างสม่ำเสมอจำนวนหนึ่งที่ออกจากจุดศูนย์กลางและในแต่ละทิศทางนั้น เราเลือกทิศทางอีกสองทิศทางรอบๆ ทิศทางนี้ เนื่องจากเส้นสนามสองเส้นในแต่ละคู่อาจไม่ได้สิ้นสุดที่จุดเดียวกันในเซตจูเลีย เส้นสนามที่เราระบายสีจึงอาจแตกแขนงออกไป (อย่างไม่สิ้นสุด) ไปสู่เซตจูเลีย เราสามารถระบายสีโดยพิจารณาจากระยะห่างจากเส้นกึ่งกลางของเส้นสนาม และเราสามารถผสมการระบายสีนี้กับการระบายสีแบบปกติได้ ภาพที่ได้อาจสวยงามมาก (ภาพที่สอง)
เส้นสนามสี (บริเวณระหว่างเส้นสนามสองเส้น) ถูกแบ่งออกโดยแถบการวนซ้ำ และส่วนดังกล่าวสามารถจับคู่แบบหนึ่งต่อหนึ่งกับสี่เหลี่ยมจัตุรัสหน่วยได้ โดยพิกัดหนึ่งคำนวณจากระยะห่างจากเส้นสนามที่ล้อมรอบเส้นหนึ่ง และอีกพิกัดหนึ่งคำนวณจากระยะห่างจากด้านในของแถบการวนซ้ำที่ล้อมรอบ (ตัวเลขนี้คือส่วนที่ไม่ใช่จำนวนเต็มของจำนวนการวนซ้ำจริง) ดังนั้น เราจึงสามารถใส่ภาพลงในเส้นสนามได้ (ภาพที่สาม)
การวางแผนฉากจูเลีย
วิธีการ :
- วิธีการประมาณระยะทางสำหรับชุดข้อมูล Julia (DEM/J)
- วิธีการวนซ้ำแบบผกผัน (IIM)
การใช้การวนซ้ำแบบย้อนกลับ (แบบผกผัน) (IIM)


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
- ภาพถ่าย ของจูเลียสำหรับ...
-
-
-
- เซต Julia ถูกสร้างขึ้นโดยการประมาณระยะทาง การวนซ้ำมีรูปแบบดังนี้
- การสร้างภาพสามมิติของเซต Julia โดยใช้การประมาณระยะทาง
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 ∞ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อm ≥ n + 2ซึ่งทำให้ ∞ เป็นจุดคงที่ที่ดึงดูดอย่างมาก) เรามี
( d = m − n ) และด้วยเหตุนี้:
สำหรับการวนซ้ำเพื่อสร้างวงจรดึงดูดแบบจำกัด (ที่ไม่ใช่แบบดึงดูดพิเศษ) ที่มีจุด และมีลำดับrเราจะได้ว่า
และด้วยเหตุนี้:
สำหรับวงจรดึงดูดขั้นสุดยอด สูตรคือ:
เราคำนวณตัวเลขนี้เมื่อการวนซ้ำหยุดลง โปรดทราบว่าการประมาณระยะทางนั้นเป็นอิสระจากแรงดึงดูดของวงจร ซึ่งหมายความว่ามันมีความหมายสำหรับฟังก์ชันอดิศัยที่มี "ดีกรีอนันต์" (เช่น sin( z ) และ tan( z ))
นอกจากการวาดเส้นขอบแล้ว ยังสามารถนำฟังก์ชันระยะทางมาใช้เป็นมิติที่ 3 เพื่อสร้างภูมิทัศน์แฟร็กทัลที่แข็งแกร่งได้
ดูเพิ่มเติม
หมายเหตุ
- ^เกี่ยวกับสัญลักษณ์: สำหรับสาขาอื่นๆ ของคณิตศาสตร์ สัญลักษณ์นี้ยังสามารถใช้แทนเมทริกซ์จาโคเบียนของการแมปค่าจริง fระหว่างแมนิโฟลด์เรียบได้อีก
บรรณานุกรม
- คาร์เลสัน, เลนนาร์ท ; กาเมลิน, ธีโอดอร์ ดับเบิลยู (1993). พลวัตเชิงซ้อน . สปริงเกอร์.
- ดูอาดี, เอเดรียน ; ฮับบาร์ด, จอห์น เอช. (1984) "เอทูดี้ ไดนามิค เด โพลีโนมส์ คอมเพล็กซ์" Prepublications คณิตศาสตร์ d'Orsay . 2 ; "[ op.cit. ]". Prepublications คณิตศาสตร์ 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.
ลิงก์ภายนอก
- "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
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ จูเลียตั้ง
ใน พลวัตเชิงซ้อน เซต จูเลีย และ เซตฟาตู เป็น เซตเสริมกัน สองเซต (จูเลีย "เชือก" และฟาตู "ฝุ่น") ที่กำหนดจาก ฟังก์ชัน โดยทั่วไปแล้ว...
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 ]