神奇的分形艺术(四):Julia集和Mandelbrot集
icon2 Brain Storm | icon4 2007-08-17 12:55| icon317 Comments | 本文内容遵从CC版权协议 转载请注明出自matrix67.com

    考虑函数f(z)=z^2-0.75。固定z0的值后,我们可以通过不断地迭代算出一系列的z值:z1=f(z0), z2=f(z1), z3=f(z2), ...。比如,当z0 = 1时,我们可以依次迭代出:
z1 = f(1.0) = 1.0^2 - 0.75 = 0.25
z2 = f(0.25) = 0.25^2 - 0.75 = -0.6875
z3 = f(-0.6875) = (-0.6875)^2 - 0.75 = -0.2773
z4 = f(-0.2773) = (-0.2773)^2 - 0.75 = -0.6731
z5 = f(-0.6731) = (-0.6731)^2 - 0.75 = -0.2970
...
    可以看出,z值始终在某一范围内,并将最终收敛到某一个值上。
    但当z0=2时,情况就不一样了。几次迭代后我们将立即发现z值最终会趋于无穷大:
z1 = f(2.0) = (2.0)^2 - 0.75 = 3.25
z2 = f(3.25) = (3.25)^2 - 0.75 = 9.8125
z3 = f(9.8125) = (9.8125)^2 - 0.75 = 95.535
z4 = f(95.535) = (95.535)^2 - 0.75 = 9126.2
z5 = f(9126.2) = (9126.2)^2 - 0.75 = 83287819.2
...
    经过计算,我们可以得到如下结论:当z0属于[-1.5, 1.5]时,z值始终不会超出某个范围;而当z0小于-1.5或大于1.5后,z值最终将趋于无穷。
    现在,我们把这个函数扩展到整个复数范围。对于复数z0=x+iy,取不同的x值和y值,函数迭代的结果不一样:对于有些z0,函数值约束在某一范围内;而对于另一些z0,函数值则发散到无穷。由于复数对应平面上的点,因此我们可以用一个平面图形来表示,对于哪些z0函数值最终趋于无穷,对于哪些z0函数值最终不会趋于无穷。我们用深灰色表示不会使函数值趋于无穷的z0;对于其它的z0,我们用不同的颜色来区别不同的发散速度。由于当某个时候|z|>2时,函数值一定发散,因此这里定义发散速度为:使|z|大于2的迭代次数越少,则发散速度越快。这个图形可以编程画出。和上次一样,我用Pascal语言,因为我不会C的图形操作。某个MM要过生日了,我把这个自己编程画的图片送给她^_^

{$ASSERTIONS+}

uses graph;

type
   complex=record
      re:real;
      im:real;
   end;

operator * (a:complex; b:complex) c:complex;
begin
   c.re := a.re*b.re - a.im*b.im;
   c.im := a.im*b.re + a.re*b.im;
end;

operator + (a:complex; b:complex) c:complex;
begin
   c.re := a.re + b.re;
   c.im := a.im + b.im;
end;

var
   z,c:complex;
   gd,gm,i,j,k:integer;
begin
   gd:=D8bit;
   gm:=m640x480;
   InitGraph(gd,gm,'');
   Assert(graphResult=grOk);

   c.re:=-0.75;
   c.im:=0;
   for i:=-300 to 300 do
   for j:=-200 to 200 do
   begin
      z.re:=i/200;
      z.im:=j/200;
      for k:=0 to 200 do
      begin
         if sqrt(z.re*z.re + z.im*z.im) >2 then break
         else z:=(z*z)+c;
      end;
      PutPixel(i+300,j+200,k)
   end;

   readln;
   CloseGraph;
end.


    代码在Windows XP SP2,FPC 2.0下通过编译,麻烦大家帮忙报告一下程序运行是否正常(上次有人告诉我说我写的绘图程序不能编译)。在我这里,程序运行的结果如下:



    这个美丽的分形图形表现的就是f(z)=z^2-0.75时的Julia集。考虑复数函数f(z)=z^2+c,不同的复数c对应着不同的Julia集。也就是说,每取一个不同的c你都能得到一个不同的Julia集分形图形,并且令人吃惊的是每一个分形图形都是那么美丽。下面的六幅图片是取不同的c值得到的分形图形。你可能不相信这样一个简单的构造法则可以生成这么美丽的图形,这没什么,你可以改变上面程序代码中c变量的值来亲自验证。

c = 0.45, -0.1428
  

c = 0.285, 0.01
  

c = 0.285, 0
  

c = -0.8, 0.156
  

c = -0.835, -0.2321
  

c = -0.70176, -0.3842
  



    类似地,我们固定z0=0,那么对于不同的复数c,函数的迭代结果也不同。由于复数c对应平面上的点,因此我们可以用一个平面图形来表示,对于某个复数c,函数f(z)=z^2+c从z0=0开始迭代是否会发散到无穷。我们同样用不同颜色来表示不同的发散速度,最后得出的就是Mandelbrot集分形图形:
    

    前面说过,分形图形是可以无限递归下去的,它的复杂度不随尺度减小而消失。Mandelbrot集的神奇之处就在于,你可以对这个分形图形不断放大,不同的尺度下你所看到的景象可能完全不同。放大到一定时候,你可以看到更小规模的Mandelbrot集,这证明Mandelbrot集是自相似的。下面的15幅图演示了Mandelbrot集的一个放大过程,你可以在这个过程中看到不同样式的分形图形。







网上可以找到很多小程序实现Mandelbrot集的放大过程。把上面给出的代码改一改,你也可以写出一个这样的程序来。
做人要厚道,转贴请注明出处

17 条回复

  • 楼层: 沙发 | | edwin89102 说:

    很难坐沙发,现在先坐一下

  • 楼层: 板凳 | | bear 说:

    c语言如何绘图呢?

  • 楼层: 地毯 | | dailongao 说:

    刚想说RP这么好有沙发,谁知道还是没有,晕

  • 楼层: 地板 | | dailongao 说:

    很漂亮!能运行,XP SP2,FPC 1.0.6

  • 楼层: 地下室 | | Eagle_Fantasy 说:

    实在是太强了!这么漂亮!由衷的对数学产生一种敬仰。。。

  • 楼层: 地基 | | Eagle_Fantasy 说:

    怎样放大?把代码写出来好么?我没学过operator这种东西,看不太懂你的源程序。

  • 楼层: 地壳 | | yiyi 说:

    newbee!

  • 楼层: 地幔 | | 狗狗 说:

    orz the Math

  • 楼层: 地核 | | Sean38 说:

    用lazarus编译似乎应该改为smallint.........

  • 楼层: 10楼 | | 胡青阳 说:

    犹如醍醐灌顶,太感谢这个论坛了!
    我以前只知道固定z0的值,却不知道把z0作为复平面!
    总之太感谢了!!!!!!

  • 楼层: 11楼 | | ! 说:

    LS不要说这是个论坛,知道不?
    知道不?知道不?知道不?

  • 楼层: 12楼 | | Freeze 说:

    “对于有些z0,函数值约束在某一范围内;而对于另一些z0,函数值则发散到无穷。”还有第三种情况,f[x]=-x,当z0=1时,会不满足上面的两个条件
    刚才还看了Mandelbrot集和Julia集的关系,前者如果是本书的话,后者就是其中的一页,就是说每个Mandelbrot集放大后都会成为一个Julia集……
    我只是现学现卖,大牛不要BS我……

    回复:函数只能是x^2+c的形式

  • 楼层: 12a楼 | | lgy0790 说:

    狂汗中,大牛竟然能玩出这种东西

  • 楼层: 14楼 | | Snowhj 说:

    k的颜色怎么调,有表吗?

    graph可以支持16bit及800*600吗?

  • 楼层: 15楼 | | iceberg 说:

    像发霉一样的图片……我不觉得漂亮的说……

  • 楼层: 16楼 | | lp 说:

    请问,你是怎么把图形拷下的啊??
    用什么方法,请快回复为谢!谢谢!谢谢!谢谢

    回复:截屏啊

  • 楼层: 17楼 | | menie 说:

    (楼上有点冷……)
    太神奇了。。

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