FractalPark
超越函数进阶

双曲余弦曼德布罗特

一种超越逃逸时间映射:复双曲余弦取代多项式平方,画面长出纵向重复的羽片和层叠扇面。

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暖金色羽片与层叠扇面沿纵向重复的双曲余弦曼德布罗特分形
FractalPark 渲染的双曲余弦曼德布罗特:金色丝线与层叠扇面沿虚轴方向按 2π 周期纵向重现。

概览

双曲余弦曼德布罗特不再重复那个熟悉的多项式迭代。它不重复 z² + c,而是在每一步计算 z → cosh(z) + c。平方被替换为双曲余弦:沿实轴的指数增长,沿虚轴的 2π 周期重复。

复余弦和复双曲余弦是近亲:都沿一个方向重复,朝另一个方向无界增长。cosh(z) 沿虚轴的周期是 2π,于是同一条细节带会在上下重现。|Re(z)| 较大时,cosh 里的指数项猛增;大多数起点很快逃逸,只有几条窄带能让轨道——也就是连续迭代得到的值——多停留许多步。

参数平面换了一副面孔:层叠扇面、金色羽片和纵向回声,取代了多项式 Mandelbrot 集的心形与圆瓣。逃逸与非逃逸的分界由超越迭代自己画出,并没有简单的代数逃逸半径。

数学原理

双曲余弦迭代

z(n+1) = cosh(z(n)) + c

每一步先对当前 z 求复双曲余弦,再加常数 c。cosh(z) = (eᶻ + e⁻ᶻ)/2:沿实轴指数增长,沿虚轴重复,周期为 2π。

试着取虚轴上的 z = iπ/2。cosh(iπ/2) = cos(π/2) = 0,所以从这里出发、令 c = 0,轨道会停在零。只要稍稍离开虚轴,eᶻ 项就可能带来指数增长,点很快逃逸。有界初始条件窄得像一道缝,其余地方却迅速逃逸。它不像多项式那样有统一的逃逸半径,FractalPark 采用实际调优的逃逸阈值来检测发散。

历史

1988 年,IBM 托马斯·J·沃森研究中心的计算机科学家 Clifford A. Pickover 在 The Visual Computer 发表短文 "Chaotic behavior of the transcendental mapping (Z → cosh(Z) + μ)"。文中展示了这个超越函数驱动的混沌系统所呈现的图形行为,并把它与 z → sin(z) + c 和 z → eᶻ + c 等超越映射放在一起讨论。

Pickover 的工作把基于 cosh 的映射带进分形渲染社区,它后来成了超越逃逸时间分形的标准例子。更早之前,Robert Devaney、Michał Krych 等数学家已为更广泛的超越复动力学——指数族、三角函数族和双曲函数族——打下基础,并在 1980 年代分析了 exp(z) 的动力学性质。

视觉特征

先看纵向重复。cosh(z) 在虚方向以 2π 为周期,精细羽片、层叠扇面和金色丝线便隔着固定距离回来一次。图像因此带着条纹般的层次,不像多项式 Mandelbrot 集那样向外放射分枝。

标准渲染图里的羽片和扇面多用暖色。最密的细节挤在狭窄水平带中,那里轨道在逃逸与非逃逸的边界附近徘徊很久。往上或往下,逃逸骤然加快,图像也平静下来。

再创作与示例

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常见问题

为什么图案沿虚轴重复?

复双曲余弦沿虚轴以 2π 为周期。每一步都用 cosh(z),所以轨道结构也带着这个节拍:有界和逃逸的同类行为会在参数平面上按固定纵向间隔重现。

为什么许多点会快速逃逸?

双曲余弦由指数函数构成:cosh(z) = (eᶻ + e⁻ᶻ)/2。实部一旦较大,eᶻ 项很快占上风,轨道增长极快。这里没有多项式映射那样简单的逃逸半径,逃逸阈值是计算时作出的实际选择。

参考资料