В эпистемологии приставка «мета-» означает «о себе». Например, метаданные — данные о данных (кто выдает их, когда, какой формат данных используется и т.п.). Аналогично, метапамять в психологии обозначает интуицию личности о том, сможет ли она вспомнить нечто, если сконцентрируется на воспоминании. Фрактал Мандельброта — это метафрактал, это фрактал-ландшафт для фракталов Жюлиа.
Сложные формы, производимые простыми алгоритмами, появились на экранах мониторов после того, как Бенуа Мандельброт запустил на одном из первых компьютеров IBM итерацию Жюлиа. Описанное Жюлиа еще в 1918 году отображение выглядит крайне просто:
Берем ноль, возводим его в квадрат и прибавляем к результату комплексную константу С. Полученный результат возводим в квадрат и добавляем ту же константу С. И так можно продолжать до бесконечности. Это отображение может быть применено к комплексным числам Z и С. Использование комплексных чисел усложняет расчеты, но вместе с тем позволяет увидеть весь ландшафт с «высоты птичьего полета». Когда такая возможность была реализована, появилась фрактальная геометрия.
Вычислительные машины стали детонатором фрактальных представлений. В 1977 году появилась техническая возможность рассчитать и визуализировать сложные, многократно повторяющиеся расчетные алгоритмы. Мандельброт тогда работал на фирме IBM и по роду службы имел дело с лучшими на то время компьютерами. На экране его монитора — вдруг, словно по мановению «невидимой руки», — появились узоры, замысловатые и странные.
В 1980 году Мандельброт обнаружил множество, которое мы называем теперь фракталом Мандельброта. Это не просто причудливая фигура. Это еще и принцип перехода от связного и упорядоченного — к разрывному и хаотическому состоянию форм. Множество Мандельброта содержит в себе универсальность Фейгенбаума, но не ограничивается ею.
С самого начала предпринятого им исследования Мандельброт искал пограничную линию между связными и разрывными множествами Жюлиа. Он анализировал комплексное итерационное уравнение Жюлиа:
Выбрав произвольное число Z0, возведем его в квадрат и прибавим константу С для того, чтобы по лучить Z1, и т. д.
Начнем с простейшего из возможных значений константы С, а именно
Тогда при каждой итерации вычисляется точный квадрат исходного числа:
Для этой последовательности в зависимости от ZQ имеются три возможности:
1. Числа получаются все меньшими и меньшими, их последовательность приближается к нолю. Мы говорим, что нуль является аттрактором для процесса Z → Z2. Все точки, находящиеся на расстоянии меньше 1 от этого аттрактора, движутся к нему.
2. Числа становятся все большими и большими, стремясь к бесконечности. Мы говорим, что бесконечность является аттрактором для такого процесса. Все точки, лежащие на расстоянии больше 1 от ноля, движутся к бесконечности.
3. Точки находятся и продолжают оставаться на расстоянии 1 от ноля. Их последовательности лежат на границе двух областей притяжения, в данном случае на окружности единичного радиуса с центром в ноле.
Ситуация ясна. Плоскость делится на две зоны влияния, а границей между ними является просто окружность.
Дело обстоит сложнее, когда мы выберем ненулевое значение С, отличное от ноля. Например,
Здесь для последовательности Z0 → Z1 → Z2 → ... также имеются три из перечисленных выше возможностей, но внутренний аттрактор (отмеченный точкой на рисунке) уже не является нолем, а граница уже не выглядит гладкой. Она сильно изломана. Причем под лупой граница выглядит столь же изломанной, как и без нее. Она фрактальна.
Одной из характерных особенностей этой границы является ее самоподобие. Если взглянуть на любой из ее поворотов или заливов, можно обнаружить, что одна и та же форма встречается в различных местах и имеет разные размеры.
Если выбрать новое значение С, скажем,
то получим множество, которое представляет собой не единственную деформированную окружность, а состоит из бесконечного числа деформированных окружностей, образующих, однако, связное множество. Внутренние точки этого множества притягиваются не одной неподвижной точкой, а циклом из трех точек, отмеченных на рисунке более крупно. И эти границы также фрактальны.
Множества Жюлиа с одной притягивающей неподвижной точкой С = -0.12375 + 0.56508i и множество Жюлиа с притягивающим циклом периода 3С = -0.12 + 0.74i
Оба эти множества — представители семейства множеств Жюлиа. Во время Первой мировой войны французские математики Гастон Жюлиа и Пьер Фату изучили их свойства, но их исследования долгое время оставались малоизвестными даже для большинства математиков. Это не удивительно. Без компьютерной графики было почти невозможно передать их тонкие идеи. Например, Жюлиа и Фату было хорошо известно о самоподобии. Они установили, что всю границу можно восстановить по любой произвольно малой ее части, используя конечное число итераций отображения
Еще более трудно представить сложную динамику множеств Жюлиа, не прибегая к компьютерной графике. Не менее сложно предсказать, какой вид будет иметь множество Жюлиа при том или ином значении параметра С.
Исследование Мандельброта позволило преодолеть эти трудности. Ученый нашел и построил границу, внутри которой каждой точке соответствует то или иное связное множество Жюлиа. Любой точке за пределами этой границы соответствует такое множество Жюлиа, которое как бы рассыпается на бесконечное число оторванных друг от друга фрагментов.
Представим себе некоторый путь, начинающийся внутри множества Мандельброта и заканчивающийся вне его. Если менять С, двигаясь вдоль этого пути, то самые драматические изменения происходят с множествами Жюлиа тогда, когда наш путь пересекает границу множества Мандельброта. Здесь, на границе, множества Жюлиа, как будто взорвавшись, превращаются в облако из бесконечного числа точек. В этом смысле граница множества Мандельброта определяет момент математического фазового перехода для множеств Жюлиа.
Эта граница занимает область в диапазонах
и
Множество Мандельброта для процесса Z→Z2+C. Показана часть комплексной C-плоскости -2,4 < Re C < 0,8; -1,5< Im C < 1,2
Различным зонам множества Мандельброта отвечают некоторые качественные утверждения о множестве Жюлиа.
Например, кардиоида, очерчивающая главное тело, содержит все значения С, при которых множество Жюлиа будет более или менее деформированной окружностью, охватывающей область притяжения некоторой неподвижной точки.
На действительной оси множества Мандельброта реализуется Ферхюльстов сценарий удвоения периода. Период два будет устойчивым внутри большой почки, которая примыкает к основному телу с левой стороны и размещается в интервале на действительной оси:
Точка С = -2 является крайней точкой антенны множества Мандельброта.
Мы видим, что по сравнению с анализом на действительной оси выход в комплексную плоскость дает более полную картину перехода от связного порядка к разрыву и хаосу.
На что же похоже множество Жюлиа для значений С из какой-либо почки множества М, примыкающей к основному телу?
Один из примеров представляет собой параболический бассейн около неподвижной точки при
Это значение С соответствует месту прорастания почки, дающей устойчивые циклы периода 5. Все пять точек таких циклов отщепляются от жирной точки, когда С переходит внутрь почки.
Параболический бассейн около неподвижной точки С = -0,481762 - 0,531657i
Помимо точек прорастания почек основное тело множества Мандельброта обладает граничными точками совершенно иных типов. Неподвижная точка будет устойчивой для
В отличие от параболического случая, граница не подходит к неподвижной точке, да и остальные точки при движении ее тоже не достигают. Окружности, охватывающие неподвижную точку, являются инвариантными, т. е., выбрав начальную точку на какой-нибудь из этих окружностей, мы ее уже никогда не покинем при последующих итерациях.
Внутри области, ограниченной множеством Жюлиа, процесс протекает следующим образом: сначала точки перескакивают из меньших, периферийных, точек в большие до тех пор, пока не попадут внутрь диска, содержащего неподвижную точку. Этот диск назван диском Зигеля в честь немецкого математика Карла Людвига Зигеля. После того как точки попадают туда, они начинают просто вращаться вокруг неподвижной точки по своим инвариантным окружностям.
Диск Зигеля около неподвижной точки и его прообразы при С = -0,39054 - 6,58679 i
Описанные выше четыре примера иллюстрируют все типичные случаи, когда граница, порожденная отображением Z → Z2 + С, охватывает область с внутренними точками.
Итак:
• Если С лежит внутри основного тела множества Мандельброта, то некоторая фрактально деформированная окружность охватывает единственную притягивающую неподвижную точку (пример 1).
• Если С лежит внутри одной из точек, то множество Жюлиа состоит из бесконечного числа фрактально деформированных окружностей, охватывающих точки периодического аттрактора и их прообразы (пример 2).
• Если С является точкой прорастания почки, то имеет место параболический случай; граница имеет усики, дотягивающиеся до маргинально устойчивого аттрактора (пример 3).
• Если С является любой другой точкой границы кардиоиды или точки (имеются некоторые технические условия относительно иррациональности точки), то мы имеем диск Зигеля (пример 4).
В фундаментальной математической работе в 1983 году американец Деннис Салливан показал, что указанные четыре случая описывают все возможные характерные структуры, которыми может обладать область, ограниченная множеством Жюлиа, за исключением одной. Пятая возможность — так называемые кольца Эрмана. Они названы так в честь американского математика Михаила Эрмана, первым построившего этот тип множеств Фату в 1979 году.
Эти примеры отнюдь не исчерпывают список всех возможных структур множеств Жюлиа. Множество Мандельброта окружено шипами и иглами, похожими на антенны. Если мы поместим С на самый конец одной из таких антенн, то получим и множества Жюлиа, по форме подобные иглам. При более внимательном рассмотрении оказывается, что каждая антенна множества Мандельброта содержит множество маленьких копий всего множества Мандельброта. Они как бы нанизаны на нити, и между двумя большими копиями имеется еще одна, меньшая, и так далее без конца. На рисунке показан пример С = i. Такие дендриты не имеют внутренности, но сохраняют связность. До тех пор, пока С принадлежит множеству Мандельброта, множество Жюлиа остается связным. Согласно теореме Адриена Дуади и Джона Хамала Хаббарда множество Мандельброта также связно.
Оператор приближения «zoom», примененный к фракталу Мандельброта
Если взять значение C вне множества Мандельброта, то единственным аттрактором будет бесконечность, но теперь множество Жюлиа распадается в облако точек, называемое «пылью Фату». Эта пыль становится все мельче с удалением точки С от множества Мандельброта. Если С находится вблизи границы множества Мандельброта, то пыль образует завораживающие семейства, такие как дендриты с бусинками и ряды морских коньков.
Выход Мандельброта в комплексную плоскость по сравнению с анализом на действительной оси позволяет сгладить разрывы и сделать картину перехода более плавной, более непрерывной. Иллюстрацией этому служит связь между множеством Мандельброта и сценарием удвоения периода. В первом случае С — комплексное число. Во втором случае С — действительное число. Как видно из рисунка на следующей странице, бифуркации соответствуют прорастанию почек, периодические окна, разрывающие хаотическую пелену, соответствуют малым копиям множества Мандельброта, расположенным на главной антенне.
Открытие Мандельбротом универсальной формы, фрактала Мандельброта, радикально изменило отношение между простым и сложным. Теперь сложность стала проявлением простоты, а простота стала необходимым условием сложности.
Типичные множества Жюлиа для процесса Z→ Z2 + С:
а) параболический случай; при подходящем произвольно малом изменении С: маргинально устойчивая неподвижная точка превращается в притягивающий цикл периода 20;
б) параболический случай С = -1.25: С > - 1.25: притягивающий цикл периода 2; С < -1.25: притягивающий цикл периода 4;
в) связное множество Жюлиа (притягивающий цикл периода 3) незадолго до превращения в канторово множество (см. рис. е);
г) пыль Фату;
д) дендрит, С = i;
е) Канторово множество, получающееся из рис. 6 при малом изменении параметра С.
Пыль Фату:
а) Дендрит с бусами. Множество Жюлиа для значения С из вторичного множества Мандельброта;
б) Множество Жюлиа при некотором значении С из долины морских коньков.
Связь между множеством Мандельброта и сценарием удвоения периода. Бифуркации соответствуют прорастанию почек, периодические окна, разрывающие хаотическую пелену, соответствуют малым копиям множества Мандельброта, расположенным на главной антенне