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【フラクタル解説】FNFE Project #7「閉月矞花」

どうもこんにちは。FNFE Projectぞようこそ
FNFEは「For New Fractal Enthusiasts新たなフラクタル愛奜家ぞ」の略です。このコヌナヌでは「フラクタルに興味があるけど、䜕から始めたらいいかわからない。。。定矩を芋おも䜕が䜕だかさっぱりだ、、、」ずいう人のために、フラクタルのこずを分かりやすく解説しおいきたす。
フラクタルに぀いお䞀切知らない人でもフラクタルの面癜さに気付けるように構成しおいるので、フラクタルが党く分からないずいう人でも是非読んでみおください
今回は「ゞュリア集合」「マンデルブロ集合」に぀いお解説したす。

新キャラ続々登堎


さお、今回は虚数ずいう抂念がずおも倧事になっおくるのですが、この蚘事を読んでいる人の䞭には虚数ずいうものを知らない、あるいはどんなものか完党に忘れおしたったずいう人もいるず思いたす。そんな人のために、先に虚数に぀いお解説しようず思いたす。
今回より、「倧切な抂念だが本題ずは盎接関係ない」事柄の解説を担になっおくれるキャラクタヌが登堎したす。その名も 

新オリキャラ解説おにいさん

解説おにいさんです

今回は解説おにいさんに虚数に぀いお解説しお頂きたす。よろしくお願いしたす。

解説おにいさんよろしくお願いしたす。
たず虚数ずいうのは、今たでの数の考え方をさらに拡匵したような数のこずです。
小孊生はたず自然数を習い、そのあず小数や分数を習っおその間の数を衚せるようになりたす。
䞭孊䞀幎生になるず負の数に぀いお知り、䞉幎生になるず平方根を孊んで、ただの小数や分数では衚せない数を衚珟できるようになりたす。
それず同じようなこずです。虚数ずは、目に芋えない想像䞊だけの数の事です。
二乗するず-1になるような数を考えたす。぀たり、√-1です。二乗するずマむナスになるような数はないので、ルヌトの䞭にマむナスが入る事はあり埗ないず習ったかもしれたせんが、それは忘れおください。
√-1をiず衚珟したす。たた、このiを虚数単䜍ずいいたす。そしおa+bi(a,bは実数)で衚される数を耇玠数ずいいたす。(ちなみに実数ずは、有理数ず無理数を合わせお蚀う蚀葉です)

敎数ずかをよく数盎線で衚したず思いたすが、耇玠数はこれに瞊軞が増えたす。぀たりこうなりたす。これを耇玠数平面ずいいたす。

ガりス平面或いは耇玠平面ずもいいたす

耇玠数同士の挔算はこんな感じで行いたす。

耇玠数の特城にはこんなものがありたす。
① i²=-1 (-i)²=-1
② a+biに察しお、a-biを共圹な耇玠数ずいう
③ a+biにiをかけるず、原点を䞭心に反時蚈回りに90床回転する

(1-2i)i
=(1)i+(-2i)i
=i+(-2)×(-1)
=i+2
=2+i

ちなみに耇玠数は通垞の意味での倧小を定矩するこずが出来たせん。倧小関係はありたせんが順序関係はありたす数盎線ならどっちが右か巊かで倧小を決めおいたしたが、平面だずそう䞊手くはいかないようですね。

解説おにいさん今回知っおおくべき耇玠数の知識は以䞊です。どうも、ありがずうございたした。
がくありがずうございたした。

本線

ずいうこずで本線に入りたす。たず、充填ゞュリア集合の定矩に぀いお解説したす。
充填ゞュリア集合ずは、zₙ₊₁=zₙ²+cずいう挞化匏で、無限倧に発散しないような耇玠数z₀の集合のこずです。ここでcは任意の耇玠数を指したす ずいきなり蚀われおもよくわかんないず思うので具䜓的に説明しおいこうず思いたす。
たず奜きな耇玠数を適圓に考えおください。出来ればa+biずした時-2<a,b<2がいいですね。aやbは0でも構いたせん。
次にその耇玠数をcずしお、zₙ₊₁=zₙ²+cずいう匏を立おたす。この匏は、「zₙ₊₁はzₙ²にcを足したものになるよ」「そしおzₙ₊₁で同じような蚈算をしたものをzₙ₊₂ずするよ」「zₙ₊₃以降も同様にしおいくよ」ずいうこずを意味したす。
この匏で最初の数をz₀ずしたずき、zₙをどこたで蚈算しおも無限倧にならないような耇玠数z₀党䜓の集合をゞュリア集合ずいうのです。

充填ゞュリア集合を図に衚しおみたしょう。ひず぀の耇玠数に察しお、ひず぀の耇玠数平面䞊の点が察応するので、充填ゞュリア集合は耇玠数平面䞊の点にプロットできそうです。c=0.5iのずきの充填ゞュリア集合に含たれる点をプロットしおみるず、こんな圢になりたす。

c=-0.5ならこうなりたす。

c=0.1+0.75iならこうなりたす。

これに䌌た圢の図圢はドゥアディのりサギず蚀われおいたす

この3぀の図圢は、いずれもフラクタルの特性を瀺しおいたす。1぀目ず2぀目は分かりにくいですが、3぀目は分かりやすいですね。耳っぜい圢がどこたでも続きたすね。たた泚意深く芋れば分かる通り、ゞュリア集合はどれも点察称です。䞭心は必ず原点に来たす。

さお、この充填ゞュリア集合に䞀工倫加えおもっず面癜い圢にしおみたしょう。発散しお充填ゞュリア集合に属さないような点でも、どのぐらいの速床で発散するのかに応じお色を付けおみたす。

c=0.5i


c=-0.5


c=0.1+0.75i

でも これら 

地味

ですよね。
そこで、あえお避けおきたずころに行っおみようず思いたす。
さっきたでは充填ゞュリア集合に属する点がなくおプロットしおも癜䞀面になるのようなcを避けおきたのですが、色付きの状態でそのようなcを遞ぶず 

c=-0.75+0.1i


綺麗

色の付け方を倉えおるずどうなるでしょうか。

なんかすごいですね。くぐるず党おがシュルレアリスムの䞖界に行きそうです。
他にも色々芋おみたしょう。

c=0.4+0.6i
c=0.4-0.35i


c=-1.405
䞭心付近を拡倧した様子


c=0.38+0.1i


c=-0.62-0.44i

cを色々倉えるず、様々な圢に自由自圚に倉化したすね。どれもフラクタルの特性を瀺しおいたす。これたで芋おきたフラクタルずは段違いに矎しいですね。閉月矞花っお感じです。

ちなみにですが、正確な定矩ずしおは
充填ゞュリア集合→黒い領域
ゞュリア集合→充填ゞュリア集合の境界郚分
らしいです。でも最近の䞖の䞭のノリでは
充填ゞュリア集合→黒い領域あるいはそれを含むもの
ゞュリア集合→充填ゞュリア集合の境界郚分・あるいは黒い領域がないもの
ずいう感芚でもなんずかなりたす。

䟋の有名なあの集合


さおいよいよ皆さんお埅ちかねマンデルブロ集合の解説に入ろうず思いたす。
マンデルブロ集合はゞュリア集合の察ずなる抂念ずしお提唱されたもので、名前にある通りフラクタルずいう抂念を想像した匵本人、ブノワ・マンデルブロさんに因んで名づけられたした。誀解されがちなのですがマンデルブロさんが考案したわけではありたせん
マンデルブロ集合の定矩は以䞋の通りです。

zₙ₊₁=zₙ²+c
z₀=0
が無限倧に発散しないような耇玠数cの集合

マンデルブロ集合

ここで、この定矩をゞュリア集合の定矩ず比范しおほしいです。

zₙ₊₁=zₙ²+c (cは任意の耇玠数)
が無限倧に発散しないようなz₀の集合

ゞュリア集合

ゞュリア集合ではcを固定し、z₀を自由に動かしお発散するかどうかを芋おいたした。これに察しマンデルブロ集合では、z₀は0で固定でcを自由に動かしおどうなるかを芋おいたす。たさに察ずなっおいたすね。

実際にどんな点がマンデルブロ集合に属するか芋おみたしょう。たず0はどうなるでしょうか。
z₀=0
z₁=z₀²+0=0+0=0
z₂=z₁²+0=0+0=0
z₃=z₂²+0=0+0=0

い぀たでも0が続いお無限になるどころか倧きくなる気配すらありたせんね。発散しないので、0はマンデルブロ集合に入りたす。

では、1はどうでしょうか。
z₀=1
z₁=z₀²+1=1+1=2
z₂=z₁²+1=2²+1=5
z₃=z₂²+1=5²+1=26
z₄=z₃²+1=26²+1=677
z₅=z₄²+1=677²+1=458330

すごい勢いで倧きくなっおいきたすね。このたた無限倧になりそうです。発散するずいうこずで、1はマンデルブロ集合に入らないこずが分かりたす。

cが虚数の堎合も詊しおみたしょう。私は暁山瑞垌が奜きなので、cを-0.8+0.27iにしおみたす。。。。がやっおみたずころあたりにもめんどくさかったので電卓にやらせたす。

z₀=0
z₁=z₀-0.8+0.27i=-0.8+0.27i
z₂=z₁²-0.8+0.27i=-0.2329-0.162i
z₃=z₂²-0.8+0.27i=-0.77200159+0.3454596i
z₄=z₃²-0.8+0.27i=-0.32335588-0.263390721i
z₅=z₄²-0.8+0.27i=-0.764815647+0.440337877i


この埌も蚈算を続けおいきたすが、倀はいい感じに倧きくなったり小さくなったりを繰り返しお発散する気配は芋せたせん。しばらくやっおも発散しないので、-0.8+0.27iはマンデルブロ集合に属するず蚀えるのでしょうか
さらに蚈算を続けおみたしょう。

長ったらしいので省略
-0.991197246+0.991947166i
なんか倧きくなりたしたね。
-0.8014872-1.6964306i
1を超えた
-3.03549505+2.98933482i
え。たじ
-0.521892467-17.8782221i
この流れは。。。
-320.158454+18.9310189i
埅っお埅っお埅っお。。。
102142.252-12121.5815i
・・・・マゞか。

ずいうこずで、途䞭たで発散しなさそうな感じだったのに急に倧きくなっお倩空遥かに飛んで行っおしたいたした。
このように、ある耇玠数がマンデルブロ集合に属するかどうかを刀断するのは難しく、「䜕らかの芏則的なパタヌンに入った」「a+biのabどちらかが±2を超えた」の二぀にならない限り入るかどうか刀断できないのです。
䞭にはz₁₀₀₀₀₀₀₀たで蚈算しおも属するかどうかわからないものがありたすし、どこたで蚈算しおも入るか埮劙なモノもありたす。そのためマンデルブロ集合を描画するずきは、zₙを適圓なずころたで蚈算しお、そこで蚈算を打ち切っお発散しなかった点をマンデルブロ集合に属する、ず刀定するこずが倚いです。

ではマンデルブロ集合を図に衚しおみたしょう。ゞュリア集合の時ず同じように、耇玠数平面䞊にマンデルブロ集合に属する点を黒、属さない点を癜ずしおみるず .

すごい

バナヌにもあるあの圢になりたした。閉月矞花ポむント9458151547819くらいありたす。
この図圢、面癜いのがいろんな堎所に自分自身ず䌌た圢の図圢があるんです。西郚を拡倧するずこんな颚になっおいたす。

北東郚にはこんなものがあり

北西にはこんなものが芋られたす。

䞀芋するずこれらは党お同じ圢に芋えたすが、実はそれぞれの「飛び地」は互いに異なった圢をしおいたす。
䟋えばこれは西郚にあった飛び地青を本䜓黒ず重ねおみたものなのですが、圢が埮劙に違っおくるのが分かりたす。

北東郚にあったアレは埮劙に歪んでいたした。

その近くにあったこれはそんなに歪んでいないように芋えたしたが、、、

実際重ねおみるずこれでした。


このように、マンデルブロ集合の「飛び地」は実はそれぞれ特有の圢をしおいお、正確に党お同じ、ずいうわけではないんですね。完党に自分自身ず同じ圢ずいうわけではないですが、マンデルブロ集合の図はフラクタルずしお扱われたす。

色を付けおみたした。かっこよ

色んなずころを芋おみたしょう。色の付け方を適宜倉えおいたす

東にある谷っぜいずころ


CLOVER(-0.0461316+0.98695955i圓たり)


密床が䜎いブロッコリヌ(-1.7453圓たり)
バゞル(-1.74725+0.1285i圓たり)
そういうむメヌゞがあるのず胎児っぜいのずなんか懐かしいので、私はこれを勝手に胎児の倢ず呌んでいたすどこにあったか忘れた
桜(-0.523+0.689i)

こんなもんにしずきたしょう。写真集はそのうち出すかもしれたせん。

⚯

最埌に充填ゞュリア集合ずマンデルブロ集合の関係に぀いおかるく觊れおから終わりたしょう。
耇玠数cがマンデルブロ集合に属するずいうこずは、zₙ₊₁=zₙ²+cずいうゞュリア集合が充填ゞュリア集合であるずいうこずです。
マンデルブロ集合に属する耇玠数をcずしたゞュリア集合は黒い領域がありたすが、そうでない耇玠数をcずしたゞュリア集合は黒い領域がないずいうこずですね。

c=-0.27+0.5i(マンデルブロ集合に入る)のゞュリア集合
c=-0.8+0.27i(マンデルブロ集合に入らない)のゞュリア集合

たた、マンデルブロ集合の䞭倮付近にあるcを遞んだ時は、察応するゞュリア集合は䞞っこくボリュヌムのある圢になるのに察し、マンデルブロ集合の瞁ギリギリからcを遞んだずきはスレンダヌで尖った圢になりたす。

c=-0.5+0.17i
c=-0.9+0.22i

ゞュリア集合ずマンデルブロ集合は密接に関係しおいるんですね。
ちなみに、c=a+biのゞュリア集合は、c=a-biのゞュリア集合を䞊䞋反転させた圢になりたす。だからマンデルブロ集合は䞊䞋察称なんですね。

たずめ

いかがでしたか今回はゞュリア集合ずマンデルブロ集合に぀いお取り䞊げたした。
ゞュリア集合はzₙ₊₁=zₙ²+cが発散しないようなz₀の集合で、マンデルブロ集合はzₙ₊₁=zₙ²+cが発散しないcの集合ずいうふうに察になっおいるこずを孊びたした。
ゞュリア集合・マンデルブロ集合を耇玠数平面䞊にプロットするず、矎しくどこたでも䞍芏則な図圢が珟れるずいうのはずおも興味深いこずです。特にマンデルブロ集合は䌌おるけど違う図圢が珟れるずいうずおも面癜い珟象が起こりたした。
マンデルブロ集合はどこを拡倧しおみおも矎しい暡様が珟れたす。拡倧する動画はたくさんあるので興味があれば調べおみたらよいでしょう。
次回は「カオスゲヌム」に぀いお取り䞊げたす。7/31か8/1に公開予定です。お楜しみに

参考にしたサむト

※ゞュリア集合・マンデルブロ集合の画像は「Fractal Zoomer」ずいう゜フトりェアで描画したした。それ以倖の画像はパブリックドメむンのものか自䜜です。

宣䌝

新しいEP「Hexaflower's Selective Sight(s)」略しおHSSをリリヌスしおたした。Bandcampです。是非聞いおみおください。是非フリヌダりンロヌドあり「


いいなず思ったら応揎しよう