Juliamengen und Mandelbrotmenge

Transkript

1 Xin Xu Florian Pausinger 18. Januar 2008

2 Inhaltsverzeichnis 1 Mathematische Grundlagen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen 2 Quadratische Familie Bildbeispiele 3 Charakterisierung

3 Über komplexe Zahlen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Seien α = a + i b, β = c + i d komplexe Zahlen. Dann gelten: α β := (a + ib) (c + id) = ac bd + i(ad + bc) und

4 Über komplexe Zahlen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Seien α = a + i b, β = c + i d komplexe Zahlen. Dann gelten: α β := (a + ib) (c + id) = ac bd + i(ad + bc) und α := a 2 + b 2. Der Betrag entspricht also dem Abstand der Zahl zum Ursprung in der komplexen Zahlenebene.

5 Über komplexe Zahlen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Seien α = a + i b, β = c + i d komplexe Zahlen. Dann gelten: α β := (a + ib) (c + id) = ac bd + i(ad + bc) und α := a 2 + b 2. Der Betrag entspricht also dem Abstand der Zahl zum Ursprung in der komplexen Zahlenebene. Darstellung in Polarkoordinaten: α = α exp (iφ)

6 Über komplexe Zahlen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Seien α = a + i b, β = c + i d komplexe Zahlen. Dann gelten: α β := (a + ib) (c + id) = ac bd + i(ad + bc) und α := a 2 + b 2. Der Betrag entspricht also dem Abstand der Zahl zum Ursprung in der komplexen Zahlenebene. Darstellung in Polarkoordinaten: α = α exp (iφ)

7 Iterationen und beschränkte Folgen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen (Iteration) Unter einer Iteration wird im weiteren die wiederholte Ausführung einer Funktion f auf einen Startwert z 0 verstanden, z.b. f 3 := f (f (f (z 0 ))). (Beschränkte Folge) Eine Folge (a n ) 0 heißt beschränkt, wenn gilt a n C für alle n 0 mit n, C ɛ N.

8 Iterationen und beschränkte Folgen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen (Iteration) Unter einer Iteration wird im weiteren die wiederholte Ausführung einer Funktion f auf einen Startwert z 0 verstanden, z.b. f 3 := f (f (f (z 0 ))). (Beschränkte Folge) Eine Folge (a n ) 0 heißt beschränkt, wenn gilt a n C für alle n 0 mit n, C ɛ N.

9 Ein Beispiel Mathematische Grundlagen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Es seien z 0 ɛ C und f (z) := z 2. Dann gilt: f k (z 0 ) = z 2k 0 = z 0 2k exp i2k φ

10 Ein Beispiel Mathematische Grundlagen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Es seien z 0 ɛ C und f (z) := z 2. Dann gilt: f k (z 0 ) = z 2k 0 = z 0 2k exp i2k φ In Abhängigkeit von z 0 gibt es drei verschiedene Verhaltensmuster der Iterationsfolgen:

11 Ein Beispiel Mathematische Grundlagen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Es seien z 0 ɛ C und f (z) := z 2. Dann gilt: f k (z 0 ) = z 2k 0 = z 0 2k exp i2k φ In Abhängigkeit von z 0 gibt es drei verschiedene Verhaltensmuster der Iterationsfolgen: z 0 = 1: Es ist f k (z 0 ) = z 2k 0 = exp i2k φ.

12 Ein Beispiel Mathematische Grundlagen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Es seien z 0 ɛ C und f (z) := z 2. Dann gilt: f k (z 0 ) = z 2k 0 = z 0 2k exp i2k φ In Abhängigkeit von z 0 gibt es drei verschiedene Verhaltensmuster der Iterationsfolgen: z 0 = 1: Es ist f k (z 0 ) = z 2k 0 = exp i2k φ. z 0 < 1: Wegen z 0 2k 0, gilt: lim k f k (z 0 ) = 0

13 Ein Beispiel Mathematische Grundlagen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Es seien z 0 ɛ C und f (z) := z 2. Dann gilt: f k (z 0 ) = z 2k 0 = z 0 2k exp i2k φ In Abhängigkeit von z 0 gibt es drei verschiedene Verhaltensmuster der Iterationsfolgen: z 0 = 1: Es ist f k (z 0 ) = z 2k 0 = exp i2k φ. z 0 < 1: Wegen z 0 2k 0, gilt: lim k f k (z 0 ) = 0 z 0 > 1: Wegen z 0 2k, gilt: lim k f k (z 0 ) =

14 Ein Beispiel Mathematische Grundlagen Komplexe Zahlen Über Iterationen und beschränkte Folgen Es seien z 0 ɛ C und f (z) := z 2. Dann gilt: f k (z 0 ) = z 2k 0 = z 0 2k exp i2k φ In Abhängigkeit von z 0 gibt es drei verschiedene Verhaltensmuster der Iterationsfolgen: z 0 = 1: Es ist f k (z 0 ) = z 2k 0 = exp i2k φ. z 0 < 1: Wegen z 0 2k 0, gilt: lim k f k (z 0 ) = 0 z 0 > 1: Wegen z 0 2k, gilt: lim k f k (z 0 ) =

15 Was ist eine Juliamenge? Quadratische Familie Bildbeispiele (Juliamenge) Sei f ein Polynom vom Grad 2. Die Menge derjenigen Anfangswerte z ɛ C für welche die Iterationsfolge f k (z) beschränkt bleibt, heißt ausgefüllte Julia-Menge von f. Bezeichnung: K(f ). Der Rand von K(f ) wird mit J(f ) bezeichnet und heißt Julia-Menge von f.

16 Fortsetzung des Beispiels Quadratische Familie Bildbeispiele Durch Addition eines komplexen Parameters ensteht aus der vorher betrachteten Funktion f die quadratische Familie f c (z) := z 2 + c. Für c = 0 kennen wir bereits das dynamische Verhalten der Iterationsfolgen und damit die zugehörige Juliamenge.

17 Fortsetzung des Beispiels Quadratische Familie Bildbeispiele Durch Addition eines komplexen Parameters ensteht aus der vorher betrachteten Funktion f die quadratische Familie f c (z) := z 2 + c. Für c = 0 kennen wir bereits das dynamische Verhalten der Iterationsfolgen und damit die zugehörige Juliamenge. Wie verändert sich nun das Aussehen dieser Menge durch die Addition eines komplexen Parameters c?

18 Fortsetzung des Beispiels Quadratische Familie Bildbeispiele Durch Addition eines komplexen Parameters ensteht aus der vorher betrachteten Funktion f die quadratische Familie f c (z) := z 2 + c. Für c = 0 kennen wir bereits das dynamische Verhalten der Iterationsfolgen und damit die zugehörige Juliamenge. Wie verändert sich nun das Aussehen dieser Menge durch die Addition eines komplexen Parameters c?

19 Juliamengen Mathematische Grundlagen Quadratische Familie Bildbeispiele Abbildung: Juliamenge für c = 0, , 56508i

20 Juliamengen Mathematische Grundlagen Quadratische Familie Bildbeispiele Abbildung: Juliamenge für c = , 6557i

21 Juliamengen Mathematische Grundlagen Quadratische Familie Bildbeispiele Abbildung: Juliamenge für c = i

22 Juliamengen Mathematische Grundlagen Quadratische Familie Bildbeispiele Abbildung: Juliamenge für c = 0, , 67037i

23 Systematisch? Chaotisch? Quadratische Familie Bildbeispiele Die Bilder lassen eine grobe Einteilung der in zusammenhängende und auseinanderfallende Mengen vermuten. Doch wann zeigt eine Julia-Menge welches Verhalten? Kann man Vorhersagen darüber treffen?

24 Systematisch? Chaotisch? Quadratische Familie Bildbeispiele Die Bilder lassen eine grobe Einteilung der in zusammenhängende und auseinanderfallende Mengen vermuten. Doch wann zeigt eine Julia-Menge welches Verhalten? Kann man Vorhersagen darüber treffen????

25 Systematisch? Chaotisch? Quadratische Familie Bildbeispiele Die Bilder lassen eine grobe Einteilung der in zusammenhängende und auseinanderfallende Mengen vermuten. Doch wann zeigt eine Julia-Menge welches Verhalten? Kann man Vorhersagen darüber treffen???? Antworten auf diese Fragen lieferte Benoit Mandelbrot um 1980!

26 Systematisch? Chaotisch? Quadratische Familie Bildbeispiele Die Bilder lassen eine grobe Einteilung der in zusammenhängende und auseinanderfallende Mengen vermuten. Doch wann zeigt eine Julia-Menge welches Verhalten? Kann man Vorhersagen darüber treffen???? Antworten auf diese Fragen lieferte Benoit Mandelbrot um 1980!

27 Die Charakterisierung () Die Menge aller c-werte für die K(f c ) zusammenhängend ist heißt M f.

28 Charakterisierung Mathematische Grundlagen Charakterisierung Satz Folgender Satz ermöglicht eine Charakterisierung der Elemente der Mandelbrot-Menge: Eine ausgefüllte Juliamenge K(f c ) ist genau dann zusammenhängend, wenn sie c enthält.

29 Charakterisierung Mathematische Grundlagen Charakterisierung Satz Folgender Satz ermöglicht eine Charakterisierung der Elemente der Mandelbrot-Menge: Eine ausgefüllte Juliamenge K(f c ) ist genau dann zusammenhängend, wenn sie c enthält. Weiters kann man zeigen, dass das dynamische Verhalten von f c und die Struktur der Julia-Menge K(f c ) wesentlich dadurch bestimmt werden, in welchem Teil der der Parameter c liegt.

30 Charakterisierung Mathematische Grundlagen Charakterisierung Satz Folgender Satz ermöglicht eine Charakterisierung der Elemente der Mandelbrot-Menge: Eine ausgefüllte Juliamenge K(f c ) ist genau dann zusammenhängend, wenn sie c enthält. Weiters kann man zeigen, dass das dynamische Verhalten von f c und die Struktur der Julia-Menge K(f c ) wesentlich dadurch bestimmt werden, in welchem Teil der der Parameter c liegt.

31 unseres Beispiels Charakterisierung Für unser Beispiel ergibt sich als folgende als Apfelmännchen bekannt gewordene Abbildung:

32 Verwendete Literatur Mathematische Grundlagen Charakterisierung Dufner, Roser, Unseld: Fraktale und. Verlag Harri Deutsch, Thun, Frankfurt/Main, Jürgen Kummer: Die Juliamengen und die. Online unter: [Stand ] Titelbild von [Stand ] Weitere Bilder entnommen aus: Peitgen, Richter: The Beauty of Fractals. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1986.

33 Charakterisierung Wir danken für eure Aufmerksamkeit!