iterated function system🚧
iterated function system
「遞推函數系統」。
函數求值無限多回合,本回合輸出作為下回合輸入。
實務上改為N回合。
iterated function system可以畫成圖形
不同初始數值,不同路線,不同結果。
輸入輸出是相同集合,可以重疊。
亦得採用垂直座標系。
數學性質:periodicity
「週期性」。數值重複出現。
輸入輸出是有限集合,最終必然循環。
輸入輸出是無限集合,最終可能循環、最終可能不循環。
循環長度稱作period。當循環長度是1,循環退化成定值。
循環稱作orbit或periodic points。
定值稱作steady state或fixed point。
不循環,最終必然抵達無限遠處。
數學性質:continuity
「連續性」。起點附近的點也會抵達終點附近的點。
多個連續函數的複合也是連續函數。起點到終點是連續函數。起點附近的點也會抵達終點附近的點。起點們形成連續區域與連續邊界。終點們亦然。
數學性質:asymptoticity
「漸近性」。逐步貼近一條線。
輸入輸出是離散集合(自然數、整數),最終可能抵達循環。
輸入輸出是連續集合(實數、複數),最終也可能漸近循環。
漸近循環,該循環稱作limit cycle或asymptotic period,該性質稱作asymptotic periodicity。
漸近定值,該定值稱作attractor或attractive fixed point,該性質稱作asymptotic convergence。
不循環,最終可能漸近無限遠處、可能到處亂跑。到處亂跑,有時候是繞行。繞行的大致中心稱作strange attractor。
數學性質:stability
「穩定性」。走往steady state、或者繞行steady state。
穩定性的原始定義:位於steady state附近的起點,只會途經steady state附近的點。
穩定性還隱含了另一個意義:位於steady state附近的起點,最終必然循環。【尚待確認:半徑小於ε的二維實數是有限個。】
steady state可以利用穩定性,分成兩種類型:
stable steady state:周圍所有起點,最終都會循環。 unstable steady state:周圍某些起點,最終不會循環。
steady state還有另一套更清晰的分類方式,分成四種類型:
sink :匯點。周圍聚合,宛如吸引。(stable)(attractor) source:源點。周圍離開,宛如排斥。(unstable) saddle:鞍點。兩者都有。 (unstable) center:中心。周圍旋繞,宛如公轉。(neutral stable)(limit cycles)
明明主角應該是orbit,但是orbit目前仍然沒人分類。原因也許是orbit可以分成非常多種類型。
數學性質:ergodicity
「遍歷性」。無論怎麼走,分布皆相同。
令步數趨近無限大。無論初始數值為何,途經數值的出現次數,趨近相同分布。
如果循環,缺乏討論意義。步數趨近無限大,只需考慮循環數值,而循環數值顯然是固定數值。
如果不循環,才有討論意義。遍歷性是針對不循環的情況。
數學現象:fractal
連續時,漸近循環的起點們,形成連續區域與連續邊界,邊界可能平滑、可能粗糙。邊界粗糙,該現象稱作「碎形」。
不連續時,可能不會形成區域與邊界,難以討論。
數學現象:chaos
穩定時,一條路線,可能循環、可能不循環。
不穩定時,不循環可能漸近無限遠處、可能到處亂偏亂飄。亂偏亂飄,該現象稱作「混沌」。
dynamical system🚧
dynamical system
「動態系統」。
iterated function system給定行進地點,dynamical system給定行進方向。
數學式子習慣寫成微分方程式。
dt移項,dynamical system簡化成iterated function system。
dynamical system可以畫成圖形
自訂dt大小,以計算行進距離。dt越小越精準。
理論上dt必須無限微小,實務上dt無法低於浮點數最小精確值。
既然無法推導公式解、無法保證dt無限微小,怎麼保證產生chaos?
數學性質:periodicity
行進地點不變,稱作steady state或fixed point。這裡改成:行進方向是零向量,稱作equilibrium point或stationary point。
延伸閱讀:arithmetic dynamics
fractal
fractal
繁中「碎形」、簡中「分形」。形狀粗糙,局部放大亦然。
碎形的面積有限、邊長無限。例如coastline paradox。
碎形的粗糙程度稱作fractal dimension,定義源自拓樸學的Hausdorff dimension。維基百科整理了一份碎形的粗糙程度列表。
大家習慣討論遞迴碎形:局部放大,形狀依然相同。
範例:fractal curve
線狀碎形,通稱fractal curve。例如Koch curve。
填滿平面的線狀碎形,通稱space-filling curve。例如Peano curve、dragon curve。
填滿或挖空平面的形狀碎形,沒有特地取名。例如Sierpiński carpet、Menger sponge、Apollonian gasket。
iterated function system
特殊的iterated function system也可以製作碎形。
範例:Julia set / Mandelbrot set
複數系統,二次函數遞推。每種數值分別作為起點,最終可能循環或不循環。每個起點是否循環,劃分區域,形成Julia set。
複數系統,二次函數遞推。以原點作為起點,最終可能循環或不循環。每種常數項是否循環,劃分區域,形成Mandelbrot set。
範例:Newton fractal
複數系統,多項式方程式求根,演算法是Newton's method。每種數值分別作為起點,逐步漸近根。每個起點所對應的根,劃分區域,形成Newton fractal。
範例:bifurcation diagram
實數系統,二次函數遞推,函數是logistic map。以固定數值0.5作為起點,逐步漸近循環。每種係數的每個循環數值,描到二維座標平面,形成bifurcation diagram。
chaos
chaos
「混沌」。沒有穩定路線。
維基百科整理了一份製造混沌的函數列表。
範例:cellular automaton
cellular automaton又稱作Conway's game of life。二維方格平面,每個格子都有一個細胞,可能死、可能活。每個細胞根據鄰居細胞存活數量,決定下一刻死活。
dynamical system
特殊的dynamical system也可以製作混沌。
範例:Lorenz system
Lorenz system是模擬大氣對流的微分方程組。
範例:double pendulum
double pendulum是兩個單擺串在一起。
範例:three-body problem
three-body problem是三個天體相互運動。
continued fraction
疊代加乘【尚無正式名稱】
多項式函數:加數無限制(係數),乘數皆相同(x)。
f(x) = 8x⁰ - 4x¹ + 0x² + 2x³ = (((((2 ⋅ x) + 0) ⋅ x) - 4) ⋅ x) + 8
【尚無正式名稱】:加數皆相同(1),乘數無限制。
f(x) = a₀ + a₀a₁ + a₀a₁a₂ + a₀a₁a₂a₃ = (((((a₃ + 1) ⋅ a₂) + 1) ⋅ a₁) + 1) ⋅ a₀
疊代加除【目前稱作連分數continued fraction】
輾轉相除法:被加數無限制(商數),被除數皆相同(1)。
415/93 = 4 + (1 / (2 + (1 / (6 + (1 / 7)))))
【尚無正式名稱】:被加數皆相同(x),被除數無限制。
Euler's continued fraction formula
periodic continued fraction
專著《A Friendly Introduction to Number Theory》。
以下只介紹結論。詳情請見專著第47章、第48章。
一、連分數前n項化作一般分數。分子分母擁有遞迴公式。
a₀ + 1 / (a₁ + 1 / (a₂ + ... + 1 / aₙ)) = [a₀ a₁ ... aₙ] = pₙ/qₙ { p₀ = a₀ { p₁ = a₁a₀ + 1 { pₙ = aₙpₙ₋₁ + pₙ₋₂ { q₀ = 1 { q₁ = a₁ { qₙ = aₙqₙ₋₁ + qₙ₋₂
二、相鄰兩項差距。
pₙ₋₁ pₙ (-1)ⁿ ———— - ——— = —————— qₙ₋₁ qₙ qₙ₋₁qₙ
三、循環連分數等價於一元二次方程式的解。
四、Pell equation的最小正整數解:√D̅的循環連分數,刪除第二節以降,然後化作分數。若循環節長度為奇數,需要平方處理。
solve x² - Dy² = 1 √D̅ = [a₀ b₁ b₂ ... bₘ] p/q = [a₀ b₁ b₂ ... bₘ] if m is even if m is odd { x = p { x = p² + q²D { y = q { y = 2pq
五、Pell equation的所有解:左式分解,取正號,各種次方。
(x + √D̅y)ⁿ = xₙ + √D̅yₙ
fixed point iteration
連分數可以視作不動點遞推法。收斂時得到不動點。
https://www.zhihu.com/question/310221821/answer/585843958
連分數視作不動點遞推法視作梯度下降法。
UVa 834
Collatz conjecture
Collatz conjecture
3n+1猜想。凡是正整數,偶數除以2,奇數乘以3再加1,遞推下去,最後一定變成1?
UVa 100 371 694