Математические байки
Photo
Верхняя картинка тут как раз напоминает "толстого кролика".
Математические байки
Photo
Итак, для λ=exp(2πi p/q) получаются q переставляющихся динамикой притягивающихся лепестков — а пересекая кардиоиду, мы попадаем в соответствующую гиперболическую компоненту. В частности, трёхухого кролика-мутанта мы видим, пересекая кардиоиду в точке с λ=i : четыре лепестка соответствуют телу и трём ушам.
Иными словами, это та компонента, куда мы переходим через
c=i/2-(i/2)^2=1/4+i/2.
(Сама эта точка соответствует "толстому" кролику, а обычно берут "центр" соответствующей компоненты — где точка 0 оказывается периодической.)
Иными словами, это та компонента, куда мы переходим через
c=i/2-(i/2)^2=1/4+i/2.
(Сама эта точка соответствует "толстому" кролику, а обычно берут "центр" соответствующей компоненты — где точка 0 оказывается периодической.)
Вот тут я специально ввёл точные координаты вручную (а не ткнул мышкой) —
Вот (взятая из Википедии) картинка гиперболических компонент — на которой подписаны соответствующие периоды:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mandelbrot_Set_–_Periodicities_coloured.png
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mandelbrot_Set_–_Periodicities_coloured.png
commons.wikimedia.org
File:Mandelbrot Set – Periodicities coloured.png - Wikimedia Commons
Итак, что происходит на главной кардиоиде в точке, соответствующей λ=exp(2πi p/q), мы разобрались.
А что будет, если взять λ, не являющееся корнем из 1:
λ=exp(2πi r), где r — иррациональное число?
А что будет, если взять λ, не являющееся корнем из 1:
λ=exp(2πi r), где r — иррациональное число?
Оказывается, что если r "плохо приближается рациональными числами", то итерации f "усредняются" и приводят к тому, что точки не сближаются и не удаляются.
Более точно — если r иррациональное, то можно написать "ряд замены"
h(w)=w+c_2 w^2+ c_3 w^3+...,
такой, что
h(f(w))=λ h(w) —
иными словами, такой, что в координате z=h(w) отображение f становится просто умножением на λ.
h(w)=w+c_2 w^2+ c_3 w^3+...,
такой, что
h(f(w))=λ h(w) —
иными словами, такой, что в координате z=h(w) отображение f становится просто умножением на λ.
И пишется такой ряд просто по индукции — причём на очередном шаге, убирая коэффициент при w^{m+1}, приходится делить на (λ^m-1).
Так что если r плохо приближается рациональными числами — то есть если степени λ^m не слишком близко (ну, насколько возможно) попадают к 1 — то есть надежда, что такой формальный ряд действительно сойдётся.
Что правда — только за этим довольно много всего стоит, включая дорогу, ведущую к КАМ-теории — теории Колмогорова-Арнольда-Мозера.
(А также слова "малые знаменатели", про которые теперь понятно, на что они намекают; для каких-то степеней всё-таки придётся делить на что-то маленькое, потому что все степени λ^m далеко от 1 быть не могут.)
Что правда — только за этим довольно много всего стоит, включая дорогу, ведущую к КАМ-теории — теории Колмогорова-Арнольда-Мозера.
(А также слова "малые знаменатели", про которые теперь понятно, на что они намекают; для каких-то степеней всё-таки придётся делить на что-то маленькое, потому что все степени λ^m далеко от 1 быть не могут.)
Кстати —
В. И. Арнольд, "Малые знаменатели и проблемы устойчивости движения в классической и небесной механике", УМН, 1963, http://mi.mathnet.ru/umn6441
В. И. Арнольд, "Малые знаменатели и проблемы устойчивости движения в классической и небесной механике", УМН, 1963, http://mi.mathnet.ru/umn6441
Туда мы сейчас не пойдём — зато я покажу один пример из астрономии, щели Кирквуда.
Сейчас известно довольно много астероидов — счёт идёт на сотни тысяч. Если построить гистограмму, "сколько нам известно астероидов с данным периодом обращения вокруг Солнца" — то получается вот что:
Сейчас известно довольно много астероидов — счёт идёт на сотни тысяч. Если построить гистограмму, "сколько нам известно астероидов с данным периодом обращения вокруг Солнца" — то получается вот что:
(Картинка из Википедии — https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/archive/d/d3/20161213014817%21Kirkwood_Gaps.noscript )
То есть — на периодах, которые "хорошо соизмеримы" с периодом обращения Юпитера, мы астероидов почти не видим. В некоторых (весьма сильных) кавычках можно сказать, что на "хорошо иррациональных" орбитах влияние Юпитера усредняется. А вот на рациональных он на каждом обороте "подтягивает" астероид (точнее, параметры его орбиты) в одну и ту же сторону (а Юпитер, как-никак, аж 1/1000 от массы Солнца, так что эффект от него за миллионы лет весьма заметный) — и в итоге таких астероидов не остаётся.
(Давайте я сразу скажу, что соизмеримость периодов именно гарантированной проблемы не создаёт. Есть, к примеру, резонанс 1:2:4 между периодами обращения лун Юпитера — Ганимедом, Европой и Ио; см. https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_resonance . Но это, насколько я понимаю, скорее редкость.)
(Давайте я сразу скажу, что соизмеримость периодов именно гарантированной проблемы не создаёт. Есть, к примеру, резонанс 1:2:4 между периодами обращения лун Юпитера — Ганимедом, Европой и Ио; см. https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_resonance . Но это, насколько я понимаю, скорее редкость.)
Но вернёмся к нашей комплексной динамике.
Мы выяснили, что если коэффициент r для динамики с λ=exp(2πi r) рациональный, r=p/q — то точка параболическая, и за ней начинается другая компонента.
Если иррациональный и рациональными плохо приближающийся — то рядом с такой точкой динамика приводится к виду "умножение на λ" (то есть точки не сближаются и не удаляются). Это то, что называется диском Зигеля, и вот пример такого множества Жюлиа — для r, равного золотому сечению:
Мы выяснили, что если коэффициент r для динамики с λ=exp(2πi r) рациональный, r=p/q — то точка параболическая, и за ней начинается другая компонента.
Если иррациональный и рациональными плохо приближающийся — то рядом с такой точкой динамика приводится к виду "умножение на λ" (то есть точки не сближаются и не удаляются). Это то, что называется диском Зигеля, и вот пример такого множества Жюлиа — для r, равного золотому сечению:
А вот его же изображение из той же Википедии —
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quadratic_Golden_Mean_Siegel_Disc_IIM.png
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quadratic_Golden_Mean_Siegel_Disc_IIM.png
commons.wikimedia.org
File:Quadratic Golden Mean Siegel Disc IIM.png - Wikimedia Commons
Ну хорошо, если λ=exp(2πi r), и r рациональное, то мы ответ более-менее знаем. Если r иррациональное и рациональными числами плохо приближается — тоже. А если хорошо? Если, к примеру, r это классический пример трансцендентного числа — сумма ряда
\sum_n 1/10^{n!} ?
Если коротко, то "всё интересно" (и тут есть слова "точка Кремера" ).
\sum_n 1/10^{n!} ?
Если коротко, то "всё интересно" (и тут есть слова "точка Кремера" ).
Математические байки
И в продолжение — вот тут картинка, которая показывает, что происходит: https://twitter.com/matthen2/status/1262249113384452096
И по тропинкам, которые начинаются с этого вопроса — который почти автоматически возникает при взгляде на ту анимацию, с которой я весь этот рассказ начал — мы сейчас попробуем пройти.