FractalPark
牛顿高级

双曲余弦牛顿分形

对 cosh z = 1 使用牛顿法:无穷多个等距重复的二重根,把平面排成一层层收敛色带。

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cosh z = 1 的牛顿分形:沿虚轴重复堆叠的水平色带与折叠边界
FractalPark 渲染的 cosh z = 1 牛顿分形:收敛色带沿虚轴重复,带间边界弯折为细丝。

概览

牛顿求根法一旦取 f(z) = cosh z − 1,画面就换了脾气。它的根是所有形如 2πik(k 为整数)的值,而且每个都是二重根。多项式只有有限个终点;这里的根却沿虚轴等距排开,没有尽头。于是画面不只分成几块盆地,而是上下接出一层层水平收敛带。

修正量 (cosh z − 1) / sinh z 在避开零点时可化为 tanh(z/2)。分母 sinh z 在每个 πik 处为零:偶数倍是根,在化简后的商中可去;真正的极点和敏感奇点是奇数倍 (2k+1)πi。靠近这些奇数倍,初值的微小变化也会大幅改变步长。

虚方向的周期性在图上很直观:水平色带一层层重复。每条带对应根的一个周期;交接处的细竖丝,勾出盆地之间交手的位置。

数学原理

cosh 的牛顿迭代

z(n+1) = z(n) - (cosh(z(n)) - 1) / sinh(z(n))

牛顿法的规则是 N(z) = z − f(z) / f′(z)。这里取 f(z) = cosh z − 1、f′(z) = sinh z;每一步减去修正量 (cosh z − 1) / sinh z,它在 sinh z 不为零时等于 tanh(z/2)。

方程 cosh z = 1 有无穷多解:z = 2πik,k 为任意整数。它们都是二重根,因此根附近的误差每一步约减半:这是线性收敛,不是二次收敛。分母在每个 πik 处为零;偶数倍是根,商在化简后可去,真正的极点是奇数倍 (2k+1)πi。

试试 z₀ = 0.2i。修正量为 tanh(0.1i) = i tan(0.1) ≈ 0.1003i,所以 z₁ ≈ 0.0997i,误差明显约减半。靠近 πi 这样的奇数倍时,修正量会变得很大。实现中会钳制实部以保持数值稳定;当 |sinh(z)|² < 1e-10 时,步长保持不变。这些是数值保护,不是对未保护映射的数学断言。

函数在虚方向以 2πi 为周期,牛顿映射也继承相同的周期性:N(z + 2πi) = N(z) + 2πi。图中的水平带状结构因此反复出现。

视觉特征

先看沿虚轴叠起的水平色带。根的一个周期对应一条带,带里的收敛图样会在上下重现。边界不走直线:它们弯折、回卷,拉出细细的竖丝,像绷紧的线。

每条带里的盆地几何都和上下相似,却带着微小变形,像反复折过的缎带。冷暖交替来自配色;颜色突然断开的地方,常聚在 πi 的奇数倍附近,那里牛顿修正有真正的极点。

再创作与示例

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常见问题

这个迭代求解什么方程?

它寻找 cosh(z) = 1 的复数解:z = 2πik,k 为任意整数。无穷多个二重根沿虚轴等距排开,它们的重复排列造就了水平色带。

为什么有些区域非常敏感?

牛顿修正项要除以 sinh(z),而 sinh(z) 在 z = πik(k 为整数)处为零。偶数倍是根,在化简后的商中可去;真正的极点是奇数倍 (2k+1)πi。靠近奇数倍,修正量会猛增,轨道可能跳过好几层盆地边界,并在图中扯出细竖丝和不安分的边界区。

公式档案

newtonCosh

该 FractalPark 规范实现已发布并可运行。

newtonCosh 的确定性预览

规范源码

语言
frm-like/1
标准库
1
Profile 模式
parameter-plane
Profile 中心
0, 0
Profile 缩放
0.25
Profile 迭代次数
96
Profile 证据等级
mechanical

参数

没有声明参数

规范源码

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来源与当前实现

公式 ID
a89891b1-8ccb-5d58-9fbb-05944b85ce3c
规范名称
newtonCosh
原始名称
newtonCosh
历史来源
FractalPark
当前实现
项目自有

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