Kaos og fraktaler i dynamiske systemer. Bodil Branner Institut for Matematik Danmarks Teniske Universitet (DTU)



Relaterede dokumenter
Smuk matematik eller hvorfor vejrudsigten aldrig passer?

Fraktaler en helt ny form for matematik

Fraktaler. Vejledning. Et snefnug

FRAKTALER. Hans Fogedby Institut for fysik og astronomi

Klassisk kaos. Kaotiske systemer. Visse regulariteter universalitet

Fra tilfældighed over fraktaler til uendelighed

Fraktaler Mandelbrots Mængde

Fraktaler. Mandelbrots Mængde. Foredragsnoter. Af Jonas Lindstrøm Jensen. Institut For Matematiske Fag Århus Universitet

Fra tilfældighed over fraktaler til uendelighed

Projekt 5.9. Geometriske fraktaler og fraktale dimensioner

På opdagelse i Mandelbrot-fraktalen En introduktion til programmet Mandelbrot

Naturens fraktale geometri

Anden grads polynomier og populations dynamik

- I, OM OG MED MATEMATIK OG FYSIK

Kvantefysik. Objektivitetens sammenbrud efter 1900

Undervisningsbeskrivelse

Invarianter og kombinatoriske beviser

Undervisningsbeskrivelse

Billeder af Julia-mængder

Differentialregning Infinitesimalregning

Læs selv om UENDELIGHED. Erik Bjerre og Pernille Pind Forlaget Mañana

Mere om differentiabilitet

Almen Matematisk Dannelse

Symmetri og matematik i natur og forståelse

Klassisk kaos. Kaotiske systemer. Visse regulariteter universalitet

Undervisningsbeskrivelse

Første konstruktion af Cantor mængden

Undervisningsbeskrivelse

π can never be expressed in numbers. William Jones og John Machins algoritme til beregning af π

Undervisningsbeskrivelse

Her er et spørgsmål, du måske aldrig har overvejet: kan man finde to trekanter med samme areal?

Faglig årsplan Skolerne i Oure Sport & Performanc. Læringsmål Faglige aktiviteter. Emne Tema Materialer. ITinddragelse.

Skønheden begynder med

7 QNL 9DULDEOH 6DPPHQK QJ +27I\VLN. Trekanter & firkanter. Dåser. Angiv hvilke variable i Figur 2, der er sammenhæng mellem:

Fra Taylorpolynomier til wavelets

Undervisningsbeskrivelse

Komplekse tal og Kaos

UVB. Skoleår: Claus Vestergaard og Franka Gallas

Undervisningsbeskrivelse

Termin maj-juni Institution HF uddannelsen i Nørre Nissum, VIA University College Uddannelse Hf. Matematik B, hfe bekendtgørelsen.

Wavelet Analyse. Arne Jensen Institut for Matematiske Fag Aalborg Universitet

Undervisningsbeskrivelse

Kapitel 4. Trigonometri. Matematik C (må anvendes på Ørestad Gymnasium) Kapitel 4

Tal og algebra Eleverne kan anvende rationelle tal og variable i beskrivelser og beregninger

Matematik 1 Semesteruge 5 6 (30. september oktober 2002) side 1. Komplekse tal Arbejdsplan

Introduktion til den afledede funktion

Matema10k. Matematik for gymnasiet. Bind 3 A-niveau. af Thomas Jensen, Claus Jessen og Morten Overgård Nielsen

Undervisningsbeskrivelse

z j 2. Cauchy s formel er værd at tænke lidt nærmere over. Se på specialtilfældet 1 dz = 2πi z

Stamoplysninger til brug ved prøver til gymnasiale uddannelser

Undervisningsbeskrivelse

Skriftlig Eksamen Algoritmer og Datastrukturer (DM507)

Undervisningsbeskrivelse

Pointen med Funktioner

Undervisningsbeskrivelse

Computerstøttet beregning

Knuder, lænker og fletninger.

Undervisningsbeskrivelse

NÅR FORMER ÆNDRER SIG

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

F I N N H. K R I S T I A N S E N DET GYLDNE SNIT TES REGNING MED REGNEARK KUGLE SIMULATIONER G Y L D E N D A L LANDMÅLING

Forbedring af efterføderteknologier til energibesparelse i jernstøberier

Bemærkninger til den mundtlige årsprøve i matematik

Undervisningsbeskrivelse

Introduktion til cosinus, sinus og tangens

Fjern/Flex 8maB Matematik C->B, HFE

Tal. Vi mener, vi kender og kan bruge følgende talmængder: N : de positive hele tal, Z : de hele tal, Q: de rationale tal.

Naturvidenskab. En fællesbetegnelse for videnskaberne om naturen, dvs. astronomi, fysik, kemi, biologi, naturgeografi, biofysik, meteorologi, osv

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave C

7 QNL 9DULDEOH 6DPPHQK QJ +27I\VLN. Trekanter & firkanter. Dåser. Se på Figur 1: Angiv de variable og deres værdier Variabel Værdi(er)

Hvad er matematik? C, i-bog ISBN L&R Uddannelse A/S Vognmagergade 11 DK-1148 København K Tlf: info@lru.

Undervisningsbeskrivelse

Simulering af stokastiske fænomener med Excel

Undervisningsbeskrivelse

Uddrag af studieordningen for Adgangskursus til Ingeniøruddannelserne

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

1 Oversigt I. 1.1 Poincaré modellen

Undervisningsbeskrivelse

Kan formler overraske?

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Taylor s approksimationsformler for funktioner af én variabel

ÅRSPLAN 3. KLASSE MATEMATIK 2016/2017 Eva Bak Nyhuus

ÅRSPLAN MATEMATIK 8. KL SKOLEÅRET 2017/2018

Undervisningsbeskrivelse

Årsplan 2015/2016. Uge Tal - Eleven har viden om regningsarternes hierarki. Mundtlig evaluering Skriftlige prøver Kan kan næsten cirkel

Matematik interne delprøve 09 Tesselering

Eksaminationsgrundlag for selvstuderende

Newton-Raphsons metode

Kryptering kan vinde over kvante-computere

Undervisningsbeskrivelse

Steen Toft Jørgensen, Matematik 1, DTU Compute (2009-) ( : Helsingør Gymnasium)

Svar til eksamen i Matematik F2 d. 23. juni 2016

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Afleveringsopgave 3

Undervisningsbeskrivelse

Transkript:

Kaos og fraktaler i dynamiske systemer Bodil Branner Institut for Matematik Danmarks Teniske Universitet (DTU) UNF Matematik Camp 2010

Oversigt tre simple eksempler på klassiske fraktaler deterministiske og ikke-deterministiske dynamiske systemer det simpleste eksempel på et kaotisk dynamisk system eksempler på Julia mængder Mandelbrot mængden

Ordforklaring fra Den Danske Ordbog Kompliceret geometrisk figur, hvis detaljer genfindes i figuren under stadig større forstørrelser Ordet fraktal: lanceret af Mandelbrot i 1975 Benoit B. Mandelbrot (1924 - )

Georg Cantor (1845-1918) Cantor s konstruktion (1883) frembringer for iterationen Georg Cantor, 1845-1918 iteration = gentagen proces I grænsen efter uendeligt mange iterationer opnås den klassiske Cantor mængde. Egenskaber for Cantor mængden består af uendeligt mange punkter ingen af punkterne er isolerede Alle mængder med de egenskaber kaldes nu for Cantor mængder

Helge von Koch (1870-1924) Helge von Koch s konstruktion (1904) frembringer for iterationen snefnugkurven On a continuous curve without tangents, constructible from elementary geometry iskrystaller

Waclaw Sierpinski (1882-1969) Sierpinski s konstruktion (1916) frembringer for iterationen I grænsen efter uendeligt mange iterationer opnås Sierpinski s trekant - også kaldet - si.

De klassiske fraktaler er strengt selvsimilære dimension = ln 2 ln 3 Cantor mængden består af to kopier af hele Cantor mængden formindsket med faktoren 1/3 dimension = ln 3 ln 2 Koch kurven består af fire dele, der hver for sig forstørret med faktoren 3, dækker hele kurven dimension = ln 4 ln 3 Sierpinski sien består af tre dele, der hver for sig forstørret med faktoren 2, dækker hele sien

Ordforklaring fra Den Store Danske Encyclopædi dynamisk system, matematisk begreb, der benyttes til at beskrive tidslige udviklinger, og som har sit udspring i de naturlove, som Newton opstillede til bestemmelse af legemers bevægelse. Som matematisk disciplin er dynamiske systemer tæt forbundet med de fleste hovedgrene af matematikken og i høj grad stimuleret af problemer fra naturvidenskab, bl.a. celest mekanik, hydrodynamik, statistisk mekanik og andre dele af matematisk fysik samt reaktionskemi og populationsdynamik. Der er to hovedgrupper af dynamiske systemer: de kontinuerte og de diskrete. i de kontinuerte dynamiske systemer indgår differentialregning i de diskrete dynamiske systemer indgår iteration

Ordforklaring fra Den Danske Ordbog Eksempel på ikke-deterministisk system: FORKLARES PÅ TAVLE Eksempler på deterministisk system: slå plat eller krone vinkelfordobling rotation med en fast vinkel

Ordforklaring fra Den Danske Ordbog Meteorologen Edward Lorenz (1917-2008) studerede omkring 1960 en simplificeret model for luftstrømninger og dermed vejrforudsigelser. Han opdagede fænomenet: følsomhed på begyndelsesbetingelserne. Han beskrev det poetisk som sommerfugleeffekten: Does the Flap of a Butterfly's Wings in Brazil set off a Tornado in Texas?

Egenskaber Vinkelfordobling på en cirkel Det simpleste eksempel på deterministisk kaos de periodiske punkter ligger tæt der findes baner, der ligger tæt der er følsomhed på begyndelsesbetingelserne Rotation af punkterne på en cirkel med en fast vinkel Egenskaber enten er alle punkter periodiske eller alle baner ligger tæt der er ingen følsomhed på begyndelsesbetingelserne Systemet er ikke kaotisk

Den komplekse talplan C z = x + iy (engelsk: complex) z C en udvidelse af den relle tallinie R x, y R FORKLARES PÅ TAVLE

Den komplekse talplan C z = x + iy (engelsk: complex) z C en udvidelse af den relle tallinie R x, y R Inden for dynamiske systemer bruges komplekse dynamiske systemer nogle gange synonymt med komplicerede systemer. De systemer, vi ser på, er komplekse i to betydninger: vi bruger de komplekse tal, og dynamikken er kompliceret.

Eksemplet med vinkelfordobling udvidet til C P 0 (z) =z 2 Banen for z 0 z 0,z 1 = P 0 (z 0 ),...,z n+1 = P 0 (z n ),... Vi interesserer os for langtids-opførslen. Hvis z 0 < 1, så z n 0 for n Hvis z 0 > 1, så z n for n Hvis z 0 =1, så z n =1. Banerne er som i eksemplet med vinkelfordobling. Dynamikken er kaotisk på enhedscirklen og forudsigelig inden for og uden for enhedscirklen.

En familie af komplekse andengrads polynomier P c (z) =z 2 + c, hvor c = a + ib C og a, b R Vi undersøger dynamikken for hvert fastholdt c z planen opdeles i de z 0, hvor z n for n og de z 0, hvor det ikke gælder. Grænsen mellem de to forskellige opførslen kaldes Julia mængden efter den franske matematiker Gaston Julia (1893-1978). Dynamikken er kaotisk på Julia mængden og forudsigelig uden for Julia mængden. For c = 0 er Julia mængden J(P 0 ) lig med enhedscirklen.

Douady s kanin Vælg c så 0 c c 2 + c (c 2 + c) 2 + c = 0 og b>0. Julia mængden J(P c ) kaninen i sort Adrien Douady (1935-2006)

Ideen bag farvelægningen forklaret for c =0 FORKLARES PÅ TAVLE

For c valgt som før: Punkterne i den periodiske bane 0 c c 2 + c 0 ses som hvidt punkt i kaninens blå mave, det røde øre og det blå øre henholdsvis Julia mængden J(P c ) er den fælles grænse for de blå, de røde og de grønne punkter

Julia mængder er invariante forlæns P c (J(P c )) = J(P c ) baglæns P 1 c (J(P c )) = J(P c ) Julia mængder er selvsimilære

ZOO af forskellige arter af Julia mængder Vi ønsker at klassificere Julia mængderne ved at opdele c-planen, så forskellige områder svarer til forskellige arter.

Første grove inddeling i de c-værdier, hvor Julia mængden er sammenhængende og de c-værdier, hvor Julia mængden er usammenhængende faktisk altid en Cantor mængde.

Et eksempel på en usammenhængende Julia mængde, en Cantor mængde

M a n d e l b r o t m æ n g d e n

Mandelbrot mængden M består af de c-værdier, hvor J(P c ) er sammenhængende Hvordan kan det afgøres? Der gælder c M banen for z 0 = 0 opfylder z n 2 for alle n hvor z 1 = c, z 2 = c 2 + c,... en karakteristik, der let kan implementeres på computer

Randen af Mandelbrot mængden - og ikke Mandelbrot mængden selv - giver os den ønskede klassifikation M Fjern randen og tilbage er uendeligt mange forskellige sammenhængende områder, der hver svarer til netop een art.

Illustreret ved et eksempel c/ M To artsfæller c M En nærbeslægtet artsfælle c M

Asymptotisk similaritet mellem specielle Julia Mængder og Mandelbrot mængden De specielle c-værdier svarer til at z 0 =0 er præperiodisk. Eksempel

Asymptotisk similaritet mellem specielle Julia Mængder og Mandelbrot mængden Konklusion: Mandelbrot mængden er ikke selvsimilær

Mandelbrot mængden inderholder uendeligt mange kopier af sig selv, mere eller mindre deformerede, altså dog en form for selvsimilaritet.

Den samme kopi men med dekorationerne skrællet af.

Computerbilleder og -programmer kan findes på nettet Søg under Mandelbrot set Julia set