FractalPark
磁吸进阶

磁石类型 1

平方后的莫比乌斯商:唯一的极点在 z = c,把平面聚成成簇盆地与珠链。

在探索器中打开
深蓝色背景上堆积的大小不一的铜橙色圆球,其间散布蓝白色星形花结
磁石类型 1 的 Julia 视图:圆润盆地聚成簇,星形花结挤满盆地间的分形边界。

概览

磁石类型 1 从 ((z + c) / (z − c))² 出发。括号里的比值是莫比乌斯变换,也是最简单的非平凡有理函数;平方后便得到二次有理映射。它不像 z² + c:很远的点不会一路逃走,下一步反而折回 1 附近。

两个相对的位置撑起整张图:商在 z = −c 处为零,在 z = c 处有极点。轨道擦过极点,会被猛地甩远,下一步又回到 1 附近。平面铺开一片片稳定盆地,中间的分形边界由极点的原像层层堆出。

FractalPark 既画 c 变化的参数平面,也画 c 固定的 Julia 视图。导读图取自后者的局部:圆润盆地聚成团,像铁屑围着磁铁,这便是名字的来由。

数学原理

平方的莫比乌斯商

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

每一步先算 (z + c) / (z − c),再平方。它在 z = −c 处为零,在 z = c 处发散;平方后,−c 成为二阶零点,c 成为二阶极点,映射的有理次数为二。

无穷远在这里不按多项式的规矩行事。|z| 变大时,(z + c) / (z − c) 趋向 1,于是下一步总落在 1 附近。巨大的值只会在贴近极点 z = c 时出现。FractalPark 把 |z| 超过 16 判作逃逸,所以“快速逃逸”说的是擦过极点,不是一路奔向无穷。

在黎曼球面上,极点映到无穷远点,无穷远点又映到 1,因此轨道经过奇点时仍有明确定义。数值渲染器无法真的除以零:分母恰好为零时,着色器改用 0,轨道下一步从 f(0) = 1 继续。这只是计算上的安全措施,并不是换了另一套数学定义。

历史

1986 年,Heinz-Otto Peitgen 与 Peter H. Richter 在《The Beauty of Fractals: Images of Complex Dynamical Systems》中把磁石分形带入文献。“Magnetism and Complex Boundaries”一章(第 129–138 页)介绍了由磁性材料模型的重整化变换导出的有理映射:磁性与非磁性相之间的边界恰好是分形。迭代这套变换画出的正是那条边界,图像也因此呈现成簇、近似磁场分布的结构。

随后,Fractint 把这些映射内置为 “magnet1” 和 “magnet2”,同时提供曼德布罗特式和 Julia 式视图;“磁石”这个名字也随之在各类分形软件中流传。POV-Ray 的文档至今仍把 magnet1、magnet2 图案描述为“源自某种磁性重整化变换”,并指向 Fractint 的帮助文件。

这一谱系中的经典类型 1 公式是 ((z² + c − 1) / (2z + c − 2))²。FractalPark 沿用了同一个名字,但实现的是更简洁的平方商 ((z + c) / (z − c))²;本页的所有渲染与数学表述都以 FractalPark 实际计算的公式为准。

视觉特征

这幅 Julia 集局部里,右侧聚着光滑的铜橙大圆球,大小相差很远;左侧和下方的深蓝处,则散着小圆球与蓝白花结。花结呈星形,中心透一点橙色。

圆团是轨道安定下来的盆地;星形花结和细颗粒勾出盆地之间的分形边界。这种布局只属于眼前的参数与取景,换一个 c 就会变样;冷暖对比是着色选择,不是公式自带的性质。

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

为什么叫磁石?

这个名字继承自 Fractint 推广的一族分形。那些映射可追溯到磁性材料相变模型中的重整化计算,Heinz-Otto Peitgen 与 Peter H. Richter 在 1986 年的《The Beauty of Fractals》中介绍过它们。这类“平方商”公式形成成簇盆地,形似磁畴;边界对应的正是磁性与非磁性相之间的过渡。

FractalPark 的类型 1 保留了这个名字和平方商的形式,但使用更简洁的商 ((z + c) / (z − c))²。本页展示的公式就是引擎实际计算的那一条。

靠近 z = c 时会发生什么?

这里分母 z − c 为零,因此 z = c 是商的极点,平方后成为二阶极点。轨道从旁边掠过,会被甩到很大的值,下一步又折回 1 附近。

图中的分形边界就由这种行为堆起:最终撞上极点的点,层层累成一张网。个别像素若恰好落在极点,着色器会改用安全值,避开除零;这与黎曼球面上轨道的延续相符。

参考资料