FractalPark
磁吸高级

磁石类型 2

把 z² 放进商里的平方有理映射,让类型 1 的画面更陡、更会折叠。

在探索器中打开
十字对称的磁石类型 2 Julia 视图:四个扇形内布满环带、珠链与瓣体
FractalPark 渲染的磁石类型 2(c = −0.56 + 0.11i 的 Julia 视图):十字对称的四扇形,分层环带、珠链与自两极放射的脊纹。

概览

磁石类型 2 迭代 ((z² + c) / (z² − c))²。它和类型 1 一样用平方商,不过 z 已先在分子、分母里平方;商再平方后,映射的有理次数为四,是类型 1 的两倍。

多出的次数在画面上露出两处痕迹。分母 z² − c 会在 c 的两个平方根处为零,所以有两个极点。重复平方又把角向折叠压成更明显的十字对称。多一对极点,也多一层转折。

动力学的规律没变:轨道擦过极点,会被甩到极大值,下一步又折回 1 附近。无穷远不是终点,在黎曼球面上它映到 1;极点的原像层层叠起,隔开成簇盆地。

数学原理

类型 2 有理迭代

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

每一步先算出商 (z² + c) / (z² − c),再将其平方。分子在 z² = −c 时为零,分母在 z² = c 时发散。平方之后,每个零点和极点都成为二阶,映射在黎曼球面上有两个二阶零点和两个二阶极点,有理次数为四。

当 |z| 增大时,商 (z² + c) / (z² − c) 趋向 1,因此无论 z 多大,下一步都会落在 1 附近。只有擦过两个极点之一才会产生巨大数值。FractalPark 将 |z| 超过 16 判为逃逸,所以图像中着色的“快速逃逸”区域记录的是贴近极点,而非一路奔向无穷。

看一个具体例子。取 c = 1,极点在 z² = 1 处,即 z = 1 和 z = −1。选 z₀ = 0.98,非常靠近极点 1。则 (z₀² + c) / (z₀² − c) ≈ (0.9604 + 1) / (0.9604 − 1) = 1.9604 / (−0.0396) ≈ −49.5,平方后 z₁ ≈ 2450。巨大的数值随后被折回:由于 |z₁| 极大,下一步的商趋向 1,z₂ 落在 1 附近。着色器按轨道经历极点碰撞后返回 1 附近的速度染色。

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。在"Magnetism and Complex Boundaries"一章(第 129–138 页)中,他们介绍了从磁性材料模型的重整化变换推导出的有理映射:磁性与非磁性相之间的边界恰好是分形。迭代变换画出的正是这条边界,图像也因此呈现成簇、类似磁场分布的结构。

随后,Fractint 把这类映射内置为 "magnet1" 和 "magnet2",同时提供曼德布罗特式和 Julia 式视图,"磁石"名字也随之在各个分形软件中流传。POV-Ray 的文档至今仍将 magnet1、magnet2 图案描述为"源自某种磁性重整化变换",并指向 Fractint 帮助文件。

这一谱系中的经典类型 2 公式是 ((z² + c − 1) / (2z + c − 2))²。FractalPark 沿用同一名称,但实现的是更简洁的平方商 ((z² + c) / (z² − 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

导读图为 c = −0.56 + 0.11i 处的 Julia 视图。十字对称撑住了画面:两条相交的折叠轴把平面分成四个重复扇形,每个扇形内布满分层环带、紧密珠链和密集瓣体。两个相对的明亮节点标记出极点位置,角向脊纹从那里放射出来。

与相同参数下的类型 1 相比,类型 2 的角向细节更细,盆地边界也更密。暖色核心与冷色外缘强化了放射结构,但底层几何来自映射本身——多出的次数迫使盆地沿两极确定的十字方向重新排列。

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

类型 2 与类型 1 有何区别?

类型 2 在组成商之前先将 z 平方,因此分子分母各自包含 z² 而不是 z。这使有理次数从二增加到四,极点数量从一个变成两个,并带来更强的十字角向对称。相同参数下,它的画面比类型 1 更密集、折叠感更强。

它的极点在哪里?

分母 z² − c 等于零时就出现极点,即 z = √c 和 z = −√c。类型 1 只有一个 z = c 处的极点,而类型 2 总是有两个极点——除非 c = 0,此时零处的极点退化为二阶。极点的位置随 c 移动,并强烈影响分形边界的布局。

参考资料