FractalPark
奇异进阶

圆反演

一种倒数二次映射,每一步都把近处和远处对调:小数值冲向远处,大数值回到原点附近。

在探索器中打开
圆反演分形,中心极点周围有同心环和明亮径向骨架
圆反演参数平面:嵌套环带、轴向骨架和原点极点。

概览

圆反演把常见二次映射的多项式增长换成倒数二次步骤:先取 1/z²,再加 c。看似只换一手,动力学的脾气却变了。

普通多项式迭代里,轨道一旦超过某个大小,就会持续离开原点。倒数步骤 z → 1/z² 把关系翻了过来:靠近零的值变得极大,极大的值又缩回零附近。随后加上的 c 决定交换后的值落在哪里。

图像因此有放射对称的同心嵌套和锐利轴向痕迹。原点是 2 阶极点,映射在那里无定义;它的影响却伸遍整个参数平面。

数学原理

倒数二次迭代

z(n+1) = 1 / z(n)^2 + c

每一步先取 z² 的倒数,也就是经由单位圆的几何反演并将角度加倍,然后用复参数 c 平移结果。名称就来自这次反演;它就是经典圆反演,只是作用在 z² 上。

试试 c = 0,从 z₀ = 2 开始。则 z₁ = 1/4 = 0.25,z₂ = 1/(0.0625) = 16,z₃ = 1/256 ≈ 0.0039。轨道在大小值之间弹跳,始终不落到不动点。取 c = 0.5,从 z₀ = 1 开始:z₁ = 1/1 + 0.5 = 1.5,z₂ = 1/2.25 + 0.5 ≈ 0.944,z₃ = 1/0.892 + 0.5 ≈ 1.62。轨道在此振荡而不发散,暗示 c = 0.5 可能属于有界集合。这里的逃逸判据不同于二次情况:轨道可以极大,却又在下一步缩回小值,测试必须顾及这种交替。

历史

映射 z → 1/z² + c 靠近更一般的 McMullen 有理映射族 z → zⁿ + λ/zⁿ。Curt McMullen 在 1980 年代末期引入这一族,展示参数空间有多种双曲分支的有理映射,其中包含 Julia 集为 Sierpiński 地毯的分支。

当 n = 2、λ = 1,并加上平移参数 c 时,就得到圆反演映射。“圆反演”来自几何操作 1/z²:它把复平面相对于单位圆反演,同时将角度加倍。Robert L. Devaney 等人后来研究 McMullen 族,追踪逃逸轨迹和 Julia 集怎样随参数改变。FractalPark 渲染的正是这个映射:n = 2、λ = 1,以 c 为平移参数。

视觉特征

同心环带和从中心极点向外辐射的径向骨架占满了圆反演参数平面。环带标出轨道保持有界或以不同速度逃逸的区域,像靶心,也像石子落水后的涟漪。

锐利轴向结构从中心伸出,形成清楚的辐条。这和反演的角分量有关:1/z² 将 z 的角度加倍,动力学便在若干优先方向上对齐。倒数二次形式让它比多数分形参数平面更严格地放射对称。

再创作与示例

从 canonical Document 开始

打开本指南使用的同一份已审定公式状态,再在交互式探索器中调整视图、着色、变换或动画。

常见问题

为什么原点很特殊?

原点是 2 阶极点:映射 1/z² 在 z = 0 处无定义,因为除以零会产生奇点。恰好落在原点的轨道无法继续迭代;从附近经过的轨道下一步会得到很大的值,于是在渲染图像中留下围绕原点的环带和骨架。

FractalPark 如何处理接近零的值?

渲染器把分母限制在很小的 epsilon 值上,避免除零。极点周围的环和骨架仍会留下,计算也能保持稳定;极点的影响没有被藏起来。

参考资料