Visuel Matematik - Kaos

Symmetriske attraktorer (Ikoner)

Billederne på denne side, som kaldes for ikoner, er en mængde af punkter givet ved følgen: {Fn(x0) | n tilhører N }, hvor vi ved Fn(x) forstår F(F(···(F(x)))···). Vælges F med omhu fås nogle fantastiske grafiske fremstillinger.

Lidt om symmetrier

Lad Dn betegne den dihedrale gruppe bestående af alle symmetrier på den regulære n-kant og lad Zn betegne den symmetriske gruppe bestående af alle rotationer på den regulære n-kant.

En symmetrisk afbildning F: R2 → R2 siges at være Dn (hhv. Zn )-symmetrisk, hvis der for alle S tilhørende Dn (hhv. Zn ) gælder, at
    F(Sz) = S(F(z)) for alle z tilhørende R2.

For en afbildning F som er Dn-symmetrisk gælder bl.a. at hvis z tilhører LS, så vil F(z) tilhøre LS (hvor LS er symmetriaksen LS = { z tilhørende R2 | Sz = z }).

Det vil være en stor hjælp for os hvis vi fremover fortolker R2 som de komplekse tal C, ved at tolke (x,y) tilhørende R2 som x + iy tilhørende C - så det vil vi gøre.

Så kan vi beskrive Dn som gruppen frembragt af de to elementer rotationen R og spejlingen χ, hvor χ er en spejling i en af symmetriakserne, som vi passende kan lade være x-aksen.
Så kan χ beskrives ved χ(z) = conj(z), mens R kan beskrives som multiplikation med det komplekse tal ρ med længde 1 og fase π/n, dvs R(z) = ρz. (med conj(z) mener vi funktionen conj(x + iy) = x - iy)

Generalisering af den ulige logistiske afbildning

Den logistiske afbildning g0(x) = λ x (1 - x) = λ (x - x2) giver ikke en symmetrisk attraktor, hvilket kan ses af feigenbaumtræet.

Vil vi give attraktoren en symmetri, må det være en spejling. Lad os tage spejlingen i 0. Dvs S(x) = -x.

g0 bliver så symmetrisk mht. S ved at ændre g0 til g(x) = λ x (1 - x2). Dette vil så give en symmetrisk attraktor og g(x) kaldes for den ulige logistiske afbildning.

Vi vil udvide denne afbildning til hele R2 hvilket kan gøres ved at definere g som
    g(x,y) = λ (1 - (x2 + y2))(x,y).
Sætter vi x = 0 får vi den ulige logistiske afbildning på hele x-aksen og sætter vi y = 0 får vi den ulige logistiske afbildning på hele y-aksen. Faktisk får vi en ulige logistisk afbildning på enhver ret linje gennem origo (0,0).

Symmetriske attraktorer (Ikoner)

Afbildningen g(x,y) ovenfor er cirkulærsymmetrisk, dvs. for alle S tilhørende O2 = { gruppen frembragt af alle rotationer og spejlinger på R2}, gælder at g(Sz) = S(g(z)).

Vi vil bryde noget af denne symmetri ved at tilføje et led som tilhører Dn nemlig funktionen f(z) = conj(z)n-1.

Tilføjer vi dette led får vi altså en familie af Dn-symmetriske afbildninger:
    F1 = λ (1 - |z|2) z + γ conj(z)n-1, hvor λ og γ tilhører R.

For at frembringe mange af deres såkaldte ikoner tilføjede Field og Golubitsky endnu et led til ligningen og lod leddet |z|2 variere uafhængigt af λ, sådan at de fik familien:
    F2(z) = [ λ + α|z|2 + β Re (zn)] z + γ conj(z)n-1, hvor λ, α, β og γ tilhører R.

Emperors Cloak: (D5)
Halloween: (D6)
Mayan Bracelet: (D7)

Endnu en variation af ovenstående formel fås ved at tilføje et ikke polynomielt led:
    F3(z) = [ λ + α|z|2 + β Re (zn) + δ Re (z/|z|np)|z|] z + γ conj(z)n-1,
hvor λ, α, β, γ og δ tilhører R og p tilhører N0.
Dette sidste led har til formål at ændre ikonet omkring centrum.

Mercedes-Benz: (D3)
Star of David: (D6)
Lace By Nine: (D9)

Vil vi bryde Dn-symmetrien må vi tilføje et led, som ikke er Dn-symmetrisk. Tilføjer vi det Zn-symmetriske led givet ved funktionen h(z) = ωiz, hvor ω tilhører R, får vi en Zn-symmetrisk afbildning ved at benytte
    F4(z) = [ λ + α|z|2 + β Re (zn) + ωi] z + γ conj(z)n-1,
hvor λ, α, β, γ og ω tilhører R.
En afbildning i denne familie er ikke Dn-symmetrisk når ω ≠ 0.

Clam Triple: (Z3)
Swirling Strangers: (Z4)
Chaotic Flower: (Z5)

Lidt om ikonernes topologi

Antag S tilhører Dn og at F er en Dn-symmetrisk afbildning. Lad os betragte de to følger:
    (1) z, F(z), F(F(z)), F(F(F(z))), ...
    (2) Sz, F(Sz), F(F(Sz)), F(F(F(Sz))), ...

Idet F er Dn-symmetrisk vil man kunne få følge (2) fra følge (1) ved at lade S virke på hvert element i følge (1). Dvs. er S f.eks. en rotation vil man kunne få følge (2) ved at rotere følge (1) med S.

Lad A være attraktoren hørende til følge (1), så er S(A) attraktoren hørende til følge (2). Der er så to tilfælde.
    • Enten er A=S(A) dvs. A er S-symmetrisk.
    • Eller A ≠ S(A) og A ∩ S(A) = { Ø }.
Vi kalder i det sidste tilfælde A og S(A) for konjungerede billeder.

Eksempler på ikoner: (parametrene til billederne er taget fra Fields og Golubitskys bog [symmetry])

French Glass: (D9)
Kachina Dolls: (D23)
Santa Chiara: (D24)
Unknown2: (D3)
Unknown4: (Z16)
Golden Flintstone: (D3)
Pentacle: (D5)
Pentagon Attractor: (D5)
Sanddollar: (D5)
Unknown1: (D3)
Unknown6: (D3)
Trampoline: (D3)

Parametre til eksemplerne med ikke polynomielt led

Navn λ α β γ ω Symmetri
Chaotic Flower -2.5 5.0 -1.9 1.0 0.188 Z5
Clam Triple 1.56 -1.0 0.1 -0.82 0.12 Z3
Emperor's Cloak -1.806 1.806 0.0 1.0 0.0 D5
Fish and Eye -2.18 10.0 -12.0 1.0 0.0 Z2
French Glass -2.05 3.0 -16.79 1.0 0.0 D9
Golden Flintstone 2.5 -2.5 0.0 0.9 0.0 D3
Halloween -2.7 5.0 1.5 1.0 0.0 D6
Kachina Dolls 2.409 -2.5 0.0 0.9 0.0 D23
Mayan Bracelet -2.08 1.0 -0.1 0.167 0.0 D7
Pentagon Attractor 2.6 -2.0 0.0 -0.5 0.0 D5
Santa Chiara ICON 2.409 -2.5 -0.2 0.81 0.0 D24
Swirling Streamers -1.86 2.0 0.0 1.0 0.1 Z4
The Pentacle -2.32 2.32 0.0 0.75 0.0 D5
The Sanddollar -2.34 2.0 0.2 0.1 0.0 D5
The Trampoline 1.56 -1.0 0.1 -0.82 0.0 D3
Trinity in Red 1.5 -1.0 0.1 -0.805 0.0 D3
Unknown1 -2.195 10.0 -12.0 1.0 0.0 D3
Unknown2 1.455 -1.0 0.03 -0.8 0.0 D3
Unknown3 2.39 -2.5 -0.1 0.9 0.0 D16
Unknown4 2.39 -2.5 -0.1 0.9 -0.15 Z16
Unknown5 1.5 -1.0 0.1 -0.8 0.0 Z2

Parametre til eksemplerne med polynomielt led

Navn λ α β γ δ p Symmetri
Gothic Medalion -2.38 10.0 -12.3 0.75 0.02 1 D5
Lace by Nine -2.5 8.0 -0.7 1.0 -0.9 0 D9
Mercedes-Benz 1.0 -2.1 0.0 1.0 1.0 1 D3
Star of David -2.42 1.0 -0.04 0.14 0.088 0 D6
Sunflower -2.225 1.5 -0.014 0.002 -0.02 0 D57
Unknown6 1.455 -1.0 0.03 -0.8 -0.025 0 D3
Wild Chaos 1.5 -1.0 -0.2 -0.75 0.04 24 D3