Фрактальная алгебра природы. Признаки фрактальных множеств

1. Фрактальная алгебра природы

Сергей Кокарев
РНОЦ Логос - Ярославль
НИИ ГСГФ - Фрязино

2. Архитектура

Храм Ченнакесава, Сопанатапура (Индия) 1268

3. Изобразительное искусство

• Сальвадор Дали, Лицо войны, 1940

4. Течение жидкостей

5. Живая природа

6. Публикации

7. Еще публикации

1. А. Д. Морозов, Введение в теорию
фракталов, Москва-Ижевск, 2002
2. Andrzey Katunin, A concise introduction to
hypercomplex fractals, CRC Press, Taylor &
Francis Group, Boca Raton-London-New York,
2017
3. Х.-О. Пайтген, П. Х. Рихтер, Красота
фракталов (Образы комплексных
динамических систем), М., Мир, 1993

8. Признаки фрактальных множеств

1. Тонкая структура на всех масштабах;
2. Нерегулярное (негладкое) строение;
3. Самоподобие (точное, приближенное,
статистическое);
4. Дробная фрактальная размерность,
большая топологической;
5. Алгоритмическое (рекурсивное)
определение (конструктивные и
динамические фракталы).

9. Исторически первые в математике фрактальные множества (кривая Гильберта)

10. Н-фрактал

11. Деревья и системы исчисления

• Двоичное дерево
• Троичное дерево

12. Классические алгоритмические фракталы-1

• Решето Серпинского
• Гребень Кантора

13. Классические алгоритмические фракталы-2

Кривая Коха
Последовательные
итерации

14. Классические алгоритмические фракталы-3

Остров Коха
Антиостров Коха

15. Классические алгоритмические фракталы-4

Основа и фрагмент
фрактала Минковского
Фрактал Минковского

16. Классические алгоритмические фракталы-5

• Резаный квадрат

17. Классические алгоритмические фракталы-6

Фрактал Леви

18. Классические алгоритмические фракталы-7

Фрагмент для семейства
драконов
Кривая дракона

19. Классические алгоритмические фракталы-8

Дерево Пифагора
Склонившееся дерево
Пифагора

20. Классические алгоритмические фракталы-9

Дерево Мандельброта
Реалистичное дерево
Мандельброта

21. Общий подход

Конструктивный фрактал – инвариантное
множество относительно преобразований
плоскости.
Преобразования плоскости: вращения (R),
сдвиги (T), отражения относительно прямой
(S), растяжения (D)

22. Типы преобразования

Растяжение-поворот (DR) Отражение (S)

23. Алгебра фрактала Леви

24. Одномерный динамический фрактал: модель Верхольста (1845)

25. Свойства модели Верхольста

1. 0<a<1 - одна неподвижная точка 0 –
устойчивая;
2. 1<a<3 - две неподвижных точки: 0 –
неустойчивая, (a-1)/a - устойчивая;
3. 3<a<3.449499 – неподвижных точек нет,
есть предельный цикл 2 порядка (две
чередующихся точки)
4. 3.449499<a<3.544090 - предельный цикл 4
порядка…

26. Сценарий Фейгенбаума: переход к хаосу

Последовательность бифуркационных
значений a сходится к
по
геометрической прогрессии со
знаменателем: F
- постоянная
Фейгенбаума

27. Диаграмма Фейгенбаума (детерминированный хаос)

28. Комплексные числа-1

(есть все 4 арифметические операции с
привычными свойствами)

29. Комплексные числа-2

30. Комплексные числа - 3

31. Голоморфная динамика

Итерации отображения (динамика в
дискретном времени):
Классический пример:

32. Пример 1:

33. Пример 2: |c|<<1

Пример 2:
|c|<<1

34. Общий случай

Ключевой объект – циклические точки
отображения:
где p – наименьшее натуральное (p=1 –
неподвижная точка).
Циклические точки могут быть:
a) притягивающими;
b) отталкивающими;
c) индифферентными.

35. Определение множества Жюлиа J(f)

замыкание множества всех
отталкивающих периодических точек
(замкнутый репеллер)=
граница области притяжения любого
притягивающего цикла =
множество точек, в окрестности которых
итерации не сходятся к какой-либо
аналитической функции над C

36. Свойства множества Жюлиа

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Непусто
Бесконечно (несчетно)
Замкнуто (содержит все пределы)
Компактно (содержится внутри некоторого круга)
Не содержит изолированных точек
Инвариантно относительно итераций f
Динамика в окрестности множества Жюлиа
неустойчива
8. Обладает фрактальными свойствами (как
правило!)

37. Пример множества Жюлиа

38. Заполненные множества Жюлиа-1 (фрактал святого Марка и диск Зигеля)

39. Заполненные множества Жюлиа-2 (Дендрит и Кролик Дьюди)

40. Заполненные множества Жюлиа -3

41. Раскрашенные фракталы

42. Полиномиальные множества Жюлиа и Фату: , 0≤p≤1

1. p=0 – постоянное отображение, с –
устойчивая неподвижная точка, фракталов
нет;
2. p=1 – постоянный сдвиг, бесконечноудаленная точка – глобальный аттрактор,
фракталов нет;
3. 0<p<1 – бесконечно-удаленная точка –
репеллер, фракталов нет

43. Полиномиальные множества Жюлиа и Фату: 1<p<2

Полиномиальные множества Жюлиа
и Фату: 1<p<2
4. 1≤p≤2 - фрактальные множества
существуют только для рациональных p
(теорема Лю, p=1.5 - множества Глинна).

44. Полиномиальные множества Жюлиа и Фату: p=3

45. Полиномиальные множества Жюлиа и Фату: p=4-5

46. Полиномиальные множества Жюлиа и Фату: p=6-8

47. Полиномиальные множества Жюлиа и Фату: p=8-20

48. Полиномиальные множества Жюлиа и Фату: p→∞

49. Полиномиальные множества Жюлиа и Фату: p<-1, p - рационально

Полиномиальные множества Жюлиа
и Фату: p<-1, p - рационально
Вырожденные множества Жюлиа:

50. Трансцендентные множества Жюлиа и Фату

51. Трансцендентные множества Жюлиа и Фату

52. Что такое фрактал Мандельброта?

Множество (фрактал) Мандельброта M – это
множество значений комплексного параметра с,
при котором итерации нуля не уходят на
бесконечность!
Фрактал Жюлиа «живет» на плоскости
динамической переменной z.
Фрактал Мандельброта «живет» на плоскости
параметров преобразования.

53. Фрактал Мандельброта

54. Фрактальность множества Мандельброта-1 (вторичные множества Мандельброта )

55. Фрактальность множества Мандельброта-2 (волокна)

56. Фрактальность множества Мандельброта – 3 (луковицы)

57. Фрактальность множества Мандельброта – 4 (Долина Морских Коньков)

58. Фрактальность множества Мандельброта – 5 (Долина Слонов)

59. Структура периодов множества Мандельброта

60. Обобщения: множества Мандельброта высших степеней, p>2

Обобщения: множества
Мандельброта высших степеней,
p>2

61. Обобщения: множества Мандельброта отрицательных степеней, p≤-2

62. Обобщения: Мандельбар-множества для отображения

Обобщения: Мандельбармножества для отображения

63. Дальнейшие обобщения: возможны ли 3-мерные множества Мандельброта и Жюлиа?

Даниэл Уйат, 2007
(неалгебраический 3-мерный аналог
голоморфной динамики)
- аналог множества
Мандельброта

64. Обобщение Ниландера: Мандельбалбы

65. Жюлиа-балбы

66. Мандельбоксы (3D Мандельбары)

67. Кватернионы (Гамильтон, 1843)

68. Кватернионные множества Жюлиа: 3-мерные проекции

69. Кватернионные множества Жюлиа: сечения комплексной плоскостью

70. Кватернионные множества Жюлиа: слоения по направлениям

71. Кватернионное множество Мандельброта: 3-мерная проекция

72. Степенные кватернионные множества Жюлиа – 3-мерные сечения

73. Обобщенно-полиномиальные кватернионные множества Жюлиа

74. Обобщенно-полиномиальные и трансцендентные кватернионные множества Жюлиа

75. Трансцендентные кватернионные множества Жюлиа

76. Трансцендентные и полиномиальные кватернионные множества Жюлиа

77. Трансцендентные и полиномиальные кватернионные множества Жюлиа

78. Трансцендентные кватернионные множества Жюлиа

79. Алгебра октав (числа Кэли, Грэйвс, 1843)

80. Итерационный процесс над октавами

1. Неассоциативность
2. Проблема визуализации

81. Октонионные множества Жюлиа - сечения

Октонионные множества Жюлиа сечения

82. Октонионные множества Жюлиа - сечения

Октонионные множества Жюлиа сечения

83. Октонионные множества Жюлиа - сечения

Октонионные множества Жюлиа сечения

84. Что дальше: сединионы, патионы?

1. R,C,H,O – нормированные алгебры с
делением (других нет);
2. S,P,… - (размерность 16, 32,…) –
неассоциативны, неальтернативны, имеют
делители нуля:
ab=0, a≠0, b≠0
- препятствие для существования множеств
Жюлиа и Мандельброта

85. Алгебры Клиффорда

86. Клиффордовы фрактальные множества

87. «Фракталы» на двойных и дуальных числах: a+bj (jj=+1, jj=0)

88. «Фракталы» на расщепленных кватернионах: ii=-1, jj=+1, kk=+1

89. «Фракталы» на полукватернионах: ii=-1, jj=kk=jk=0

90. Действительно ли невозможны фракталы на двойных числах?

Алгебра двойных чисел: a+bj, jj=+1
1. Ассоциативно-коммутативна;
2. Содержит делители нуля;
3. Изоморфна прямой сумме двух
вещественных алгебр;
4. Описывает 2-мерное пространство-время
Минковского СТО;
5. Делители нуля – световые сигналы в СТО!

91. Внутренняя геометрия двойных чисел

Делители нуля=окружность
нулевого радиуса=мировые
линии света
Полная окружность
единичного радиуса с
центром в нуле

92. Внутренняя геометрия двойных чисел

Конгруэнтные
равносторонние
треугольники
• Семейство софокусных
гиперболических эллипсов

93. Внутренняя геометрия двойных чисел

• Семейство
гиперболических
гипербол
• Семейство
гиперболических
спиралей

94. Фракталы на двойных числах с внутренней геометрией

95. Фракталы на двойных числах с внутренней геометрией

96. Фракталы на двойных числах с внутренней геометрией

97. Фракталы на двойных числах с внутренней геометрией

98. Фракталы на двойных числах с внутренней геометрией

99. Публикации

100. Алгебраический конструктор: прямая сумма алгебр и тензорное произведение

101. Бикомплексные числа (тессарины)

102. Бикомплексные множества Жюлиа (проекции)

103. Тривиальные бикомплексные множества Жюлиа (сечения)

104. Полиномиальные бикомплексные множества Жюлиа

105. Предел полиномиальных бикомплексных множеств Жюлиа – тело Штейнмеца

106. Слоения бикомплексного множества Жюлиа

107. Проекция бикомплексного множества Мандельброта (Тетраброт)

108. Бикватернионы

109. Несвязные бикватернионные множества Жюлиа

110. Бикватернионные множества Жюлиа

111. Полиномиальные бикватернионные множества Жюлиа

112. Слоения бикватернионного множества Жюлиа

113. Спасибо за внимание!