复动力系统——Julia 集与 Mandelbrot 集
上级:orbit · 前提:discrete-dynamical-systems
二次族 fc(z)=z2+c,z,c∈C。全篇只问一个组织性问题:z 的轨道是否有界?
Definition
- 填充 Julia 集 Kc={z∈C:Ofc(z) is bounded}。
- Julia 集 Jc=∂Kc(其拓扑边界)——有界轨道与逃逸轨道在此不可分割地混杂在一起;混沌所在之处。
- Fatou 集 Fc=C∖Jc——邻近轨道保持相近的开集(形式化地说:其迭代序列构成一个正规族,即局部等度连续)。
逃逸半径
设 R=max(2,∣c∣)。若 ∣z∣>R,则 ∣fc(z)∣≥∣z∣2−∣c∣≥∣z∣2−∣z∣=∣z∣(∣z∣−1)>∣z∣,且这个超出量逐步放大——轨道以几何速度逃向 ∞。推论:Kc⊆{∣z∣≤2},只要 ∣c∣≤2;于是"∣zn∣ 是否越过了 2"就成了一张有限步可判定的逃逸证书(这正是每个 Mandelbrot 渲染器实际检查的东西)。
Mandelbrot 集
M={c∈C:Ofc(0) is bounded}——注意它生活在参数空间里:M 中的每一个点对应一个映射,判据是单个点 0 的轨道是否有界。
为什么偏偏是 0:0 是 z2+c 的临界点(fc′(z)=2z=0),而根据 Fatou 的一个定理,每个吸引循环都会吸引至少一个临界点——所以临界轨道是一根探针,能探测到该映射所拥有的每一个吸引循环。
基本二分定理(Fatou–Julia + Douady–Hubbard)
c∈M⟺Jc 连通。否则 Jc 是一个 Cantor 集(完全不连通的"尘埃"),其上的动力学与满 2-移位共轭(symbolic-dynamics)。
两个可精确求解的参数
c=0: f0(z)=z2。轨道行为:∣z∣<1→0,∣z∣>1→∞,于是 K0 是闭单位圆盘,J0 是单位圆。在圆上取 z=e2πiθ,映射就是倍角映射 θ↦2θmod1——正是 ergodic-theory-of-orbits 里那个倍增映射本尊。这个最简单的 Julia 集,正是遍历理论反复倚重的基本例子。
c=−2: J−2=[−2,2],一条直线段。共轭关系:z=w+w−1 把 w↦w2 变换成 z↦z2−2;在这条线段上(代入 z=2cos(2πθ) 之后)又还原成倍角映射——f−2 就是 Chebyshev 映射,与 topological-dynamics 里的帐篷映射共轭。c=0,−2 这两个边界情形,是仅有的 Julia 集光滑的 c;夹在中间的全都是分形。
那些图像究竟是什么
一张 Mandelbrot 图是参数空间的地图,按临界轨道的逃逸时间上色;一张 Julia 图固定住 c,给动力空间上色。归根结底,这一切都是关于轨道有界性的问题被可视化了——而至今悬而未决的MLC 猜想(M 是否局部连通?)就是这个领域的 Collatz 猜想。