讲解
每一步都完全确定,点却永远不重复、也不会跑远,在一个有分形细节的形状上无穷无尽地游走:这就是奇异吸引子。李雅普诺夫指数大于 0 是混沌,小于 0 时轨道会落进少数几个点的循环。
01一个映射
这组公式叫 Clifford 吸引子(归于 Clifford Pickover):
因为 、 不超过 1,点永远待在 、 的方框里,不会跑到无穷远。画板做的事情很简单:迭代三百万次,统计每个像素被落中多少次,用对数把次数映射成亮度。
02混沌的标尺:李雅普诺夫指数
取两个挨得极近的起点,各自迭代。如果它们的距离平均每步乘以 , 就是(最大)李雅普诺夫指数。画板用雅可比矩阵带着一个切向量一起迭代来算它。
- :微小的差别被指数放大,这是混沌,点铺成一幅有分形细节的画。
- :差别被压小,所有点都被吸进同一个循环。、、、 时是一个 3 点循环。
- :点沿一条闭合曲线绕圈,不混沌也不停下。
画廊里的六幅, 都大于 0。
03为什么会有"形状"
混沌并不意味着点在方框里乱撒。映射会把平面反复拉伸、折叠:拉伸让相邻的点分开(混沌),折叠把它们收回有限的区域。一遍遍拉伸折叠之后留下的,是一个面积为零、却有无穷层细节的集合,点在上面的分布还有固定的疏密,这就是画面里的明暗。
洛伦兹吸引子(本站第 3 个奇观)是连续时间里的同一类东西;这里是离散的一步一跳,所以几百万个点只要零点几秒就能算完。
常见问题
同一组数,每次画出来都一样吗?
一样。虽然单个点的轨迹对起点极其敏感,但点落下的疏密(吸引子上的"不变测度")和起点无关,所以画面稳定,换个起点也一样。
"随机一幅"是怎么找的?
在 −2.5 到 2.5 之间随机取四个数,算李雅普诺夫指数,只接受大于 0.1 且点铺得够开的组合;不满足就再抽一次。大约几次就能抽到一幅。
可以把它打印出来吗?
可以用底栏的"保存分享图"或导出视频。把四个数记下来,就能在任何程序里用同样的两行公式重新画出同一幅画。
课本里的这部分
相关曲线
资料: Paul Bourke — Clifford attractors · Lyapunov exponent — Wikipedia · Attractor — Wikipedia