Cursul 10 Fractali de tip Newton Vom prezenta în continuare o nouă modalitate de generare a fractalilor, modalitate care îşi are originea într-o probl

Documente similare
Cursul 12 Şiruri recurente în planul complex Vom studia, în continuare, comportarea în raport cu data iniţială a şirurilor definite prin relaţii de re

Cursul 13 Mulţimi Julia Fie f : C C o funcţie complexă şi fie f n = f f f iterata de ordin n a lui f. Peste tot în continuare vom presupune că f este

Cursul 14 Mulţimea lui Mandelbrot Mulţimile şi funcţiile cu caracter excepţional (mulţimea lui Cantor, insula lui Koch, funcţiile lui Weierstrass şi T

-

Cursul 8 Funcţii analitice Vom studia acum comportarea şirurilor şi seriilor de funcţii olomorfe, cu scopul de a dezvălui o proprietate esenţială a ac

Şiruri de numere reale Facultatea de Hidrotehnică Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi Iaşi, 2015 Analiză Matematică Lucian Maticiuc 1 / 29

Cursul 12 (plan de curs) Integrale prime 1 Sisteme diferenţiale autonome. Spaţiul fazelor. Fie Ω R n o mulţime deschisă şi f : Ω R n R n o funcţie de

Facultatea de Matematică Anul II Master, Geometrie Algebrică Mulţimi algebrice ireductibile. Dimensiune 1 Mulţimi ireductibile Propoziţia 1.1. Fie X u

CURBE BÉZIER În CAGD se utilizează adesea curbele polinomiale, adică acele curbe definite de o parametrizare polinomială: C : [a, b] R 3 C(t) = (x(t),

Cursul 7 Formula integrală a lui Cauchy Am demonstrat în cursul precedent că, dacă D C un domeniu simplu conex şi f : D C o funcţie olomorfă cu f cont

D.Rusu, Teoria măsurii şi integrala Lebesgue 6 MĂSURA LEBESGUE Cursul 5 Teorema 6.26 Există submulţimi ale lui R care nu sunt măsurabile Lebesgue. Dem

METODE NUMERICE ÎN INGINERIE

Algebra si Geometri pentru Computer Science

C10: Teoria clasică a împrăștierii Considerăm un potențial infinit în interiorul unui domeniu sferic de rază a și o particulă incidentă (Figura 1) la

Aero-BCD, , Prof. L. Costache & M. Olteanu Notițe de Adrian Manea Seminar 5 Șiruri și serii de funcții. Serii de puteri 1 Șiruri de funcții D

TEORIA MĂSURII Liviu C. Florescu Universitatea Al.I.Cuza, Facultatea de Matematică, Bd. Carol I, 11, R Iaşi, ROMANIA, e mail:

Examenul de bacalaureat 2012

PROGRAMA CONCURSULUI NAŢIONAL

BAC 2007 Pro Didactica Programa M1 2 Rezolvarea variantei 36 versiune finală Redactia Pro Didactica Suportul pe net:

Microsoft Word - 03 Dominica MOISE.doc

Microsoft Word - cap1p4.doc

Gheorghe IUREA Adrian ZANOSCHI algebră geometrie clasa a VII-a ediţia a V-a, revizuită mate 2000 standard EDITURA PARALELA 45 Matematică. Clasa a VII-

DAN LASCU ADRIANA-LIGIA SPORIŞ ANDA OLTEANU PAUL VASILIU MATEMATICĂ. CULEGERE DE PROBLEME TIP GRILĂ PENTRU ADMITEREA ÎN ACADEMIA NAVALĂ MIRCEA CEL BĂT

Cursul 1 1. Introducere Corpul numerelor complexe Dezvoltarea istorică a gândirii matematice a urmărit îndeaproape evoluţia ideii de număr. Această ev

BAC 2007 Pro Didactica Programa M1 2 Rezolvarea variantei 61 versiune finală Redactia Pro Didactica Suportul pe net:

ETTI-AM2, , M. Joița & A. Niță Notițe de Adrian Manea Seminar 11 Transformarea Laplace Aplicații Transformarea Z Ecuații și sisteme diferenți

Autoevaluare curs MN.doc

LUCRAREA 8 PROGRAMAREA NELINIARĂ ÎN REZOLVAREA PROBLEMELOR DIN ENERGETICĂ. METODE DE ORDINUL Aspecte generale Programarea neliniară are o foart

Prelegerea 3 În această prelegere vom învăţa despre: Clase speciale de latici: complementate. modulare, metrice, distributive şi 3.1 Semi-distributivi

Dorel LUCHIAN Gabriel POPA Adrian ZANOSCHI Gheorghe IUREA algebră geometrie clasa a VIII-a ediţia a V-a, revizuită mate 2000 standard EDITURA PARALELA

Microsoft Word - Matematika_kozep_irasbeli_javitasi_0911_roman.doc

Distanţa euclidiană (indusă de norma euclidiană) (în R k ). Introducem în continuare o altă aplicaţie, de această dată pe produsul cartezian R k XR k,

{ 3x + 3, x < 1 Exemple. 1) Fie f : R R, f(x) = 2x + 4, x 1. Funcţia f este derivabilă pe R\{1} (compunere de funcţii elementare), deci rămâne să stud

8

Analiză de flux de date 29 octombrie 2012

Microsoft Word - TIC5

Teoria Grafurilor şi Combinatorică recapitulare Principii de numărare Reţineţi că: P (n, r) este numărul de şiruri (sau r-permutări) de forma A 1,...,

Cursul 6 Cadru topologic pentru R n În continuarea precedentei părţi, din cursul 5, dedicată, în întregime, unor aspecte de ordin algebric (relative l

COMENTARII FAZA JUDEŢEANĂ, 9 MARTIE 2013 Abstract. Personal comments on some of the problems presented at the District Round of the National Mathemati

Capitolul MD. 10 Metoda funcţiilor Liapunov Fie sistemul diferenţial x = f (t, x), t t 0, x D R n. (10.1) Presupunem că x = 0 este punct de echilibru,

Clustere şi impurităţi în sisteme complexe

Tiberiu Trif Analiză matematică 2 Calcul diferențial și integral în R n

programa_olimpiada_matematica_IX-XII_

GHEORGHE PROCOPIUC PROBLEME DE ANALIZĂ MATEMATICĂ ŞI ECUAŢII DIFERENŢIALE IAŞI, 2007

Lucrarea 7 Filtrarea imaginilor BREVIAR TEORETIC Filtrarea imaginilor se înscrie în clasa operaţiilor de îmbunătăţire, principalul scop al acesteia fi

Modelarea si Simularea Sistemelor de Calcul

Geometrie afină Conf. Univ. Dr. Cornel Pintea cpintea math.ubbcluj.ro Cuprins 1 Săptămâna Endomorfismele unui spaţiu afin Transla

Analiz¼a Matematic¼a - Curs 6 M¼ad¼alina Roxana Buneci

Ecuatii si sisteme de ecuatii neliniare 1 Metoda lui Newton Algorithm 1 Metoda lui Newton pentru ecuaţia f(x) = 0. Date de intrare: - Funcţia f - Apro

Analiză statică Analiza fluxului de date 23 octombrie 2014

Noțiuni matematice de bază

MD.09. Teoria stabilităţii 1

FIŞA DISCIPLINEI 1. Date despre program 1.1 Instituţia de învăţământ superior Universitatea Alexandru Ioan Cuza din Iaşi 1.2 Facultatea Facultatea de

UNIVERSITATEA BABEŞ-BOLYAI CLUJ-NAPOCA FACULTATEA DE MATEMATICĂ ŞI INFORMATICĂ Concurs MATE-INFO UBB 6 aprilie 2019 Proba scrisă la MATEMATICĂ NOTĂ IM

PAS cap. 2: Reprezentări rare p. 1/35 Prelucrarea avansată a semnalelor Capitolul 2: Reprezentări rare Bogdan Dumitrescu Facultatea de Automatică şi C

PowerPoint Presentation

Pachete de lecţii disponibile pentru platforma AeL

Lucian L. TURDEANU Georgeta D. POP (MANEA) BAZELE GEOMETRICE ALE FOTOGRAMETRIEI CONSPRESS BUCUREŞTI 2009

C:/Users/Lenovo/Dropbox/activitate matematica/cursuri/MS ETTI /msetti.dvi

Probleme date la examenul de logică matematică şi computaţională. Partea a II-a Claudia MUREŞAN Universitatea din Bucureşti Facultatea de Matematică ş

Microsoft Word - Programa finala olimpiadei matematica 2007 gimnaziu.doc

Şcoala ………

Microsoft Word - Matematika_kozep_irasbeli_jav_utmut0513V28_roman.doc

2

Curs 10 Aplicaţii ale calculului diferenţial. Puncte de extrem 10.1 Diferenţiale de ordin superior S¼a trecem acum la de nirea diferenţialelor de ordi

Microsoft Word - D_ MT1_II_001.doc

Microsoft Word - a5+s1-5.doc

Clasa IX 1. O lăcustă face salturi, fiecare salt în linie dreaptă şi de două ori mai lung ca precedentul. Poate vreodată lăcusta să revină în punctul

Grafuri - Concepte de baza. Tipuri de grafuri. Modalitati de reprezentare

Microsoft Word - EN_IV_2019_Matematica_Test_1.doc

Examenul de bacalaureat 2012

Examenul de bacalaureat 2012

Microsoft Word - probleme_analiza_numerica_ses_ian09.rtf

I

Microsoft Word - Programa_Evaluare_Nationala_2011_Matematica.doc

Curs 3 Permutari cu repetitie. Combinari. Algoritmi de ordonare si generare

Laborator 1-Teoria probabilitatilor si statistica matematica Sef lucrari dr.mat. Daniel N.Pop Departamentul de calculatoare si inginerie electrica 1 P

Microsoft Word - Tsakiris Cristian - MECANICA FLUIDELOR

Microsoft Word - 2 Filtre neliniare.doc

Matematica VI

Logică și structuri discrete Relații. Funcții parțiale Marius Minea marius/curs/lsd/ 20 octombrie 2014

Examenul de bacalaureat 2012

Calcul Numeric

Probleme rezolvate de fizică traducere de Nicolae Coman după lucrarea

Prelegerea 4 În această prelegere vom învăţa despre: Algebre booleene; Funcţii booleene; Mintermi şi cuburi n - dimensionale. 4.1 Definirea algebrelor

Slide 1

Procesarea de imagini folosind programarea paralela. Implementari Java. Continut laborator: 1. Obiectivul lucrarii. 2. Notiuni teoretice: 3. Cerinte l

Microsoft Word - Rezolvarea Test 16 carte 2015.doc

Microsoft PowerPoint - Prezentarea_programelor_de_studii_de_licenta_2019

Elemente de aritmetica

Coordonate baricentrice Considerăm în plan un triunghi ABC şi un punct Q în interiorul său, fixat arbitrar. Notăm σ c = aria ( QAB) σ a = aria ( QBC),

Teoreme cu nume 1. Problema (Năstăsescu IX, p 147, propoziţia 5) Formula lui Chasles Pentru orice puncte M, N şi P avem MN + NP = MP.

1 - - Cu ce calatoresc spre vacanta, de vis Recunoaşte mijloacele de transport cu care călătoreşti în vacanţă. a) Scrie-le numele sub imagini

Logică și structuri discrete Limbaje regulate și automate Marius Minea marius/curs/lsd/ 24 noiembrie 2014

Microsoft PowerPoint - Curs_SDA_9_RO_2019_v2.pptx

Matematici Speciale - Ingineria Sistemelor Seminar 1 Probleme rezolvate 1. Studiaţi convergenţa integralelor improprii: Z 1 p Z 3 2x 2 a) I

CLP_UTCN-grila-2012.dvi

matematica

Transcriere:

Cursul 10 Fractali de tip Newton Vom prezenta în continuare o nouă modalitate de generare a fractalilor, modalitate care îşi are originea într-o problemă formulată în anul 1879 de Arthur Cayley (1821 1895) privind convergenţa metodei lui Newton de aproximare a rădăcinilor polinoamelor în mulţimea numerelor complexe. Problema s-a dovedit a fi foarte dificilă, rezolvarea ei completă fiind dată 40 de ani mai târziu de către Gaston Julia (1893 1978) şi Pierre Fatou (1878 1929). Incepem prin a prezenta metoda lui Newon (numită şi metoda tangentei). Fie p : C C o funcţie polinomială (un polinom) de grad n 1. Ne propunem să îi aflăm rădăcinile prin transformarea ecuaţiei p(z) = 0, (1) într-o problemă de punct fix, adică într-o ecuaţie de forma f(z) = z. (2) Fie α : C C o funcţie care nu ia niciodată valoarea zero. Folosind echivalenţa p(z) = 0 z + α(z)p(z) = z, vom considera funcţii f de forma f(z) = z + α(z)p(z). Rădăcinile z = z ale lui p coincid deci cu punctele fixe ale lui f, mai trebuie să alegem funcţia α astfel încât aceste puncte fixe să fie atractori, măcar de tip local. Cerem aşadar ca f (z ) = 0, şi obţinem: 1 + α (z )p(z ) + α(z )p (z ) = 0 1 + α(z )p (z ) = 0 α(z ) = 1 p (z ), dacă p (z ) 0. Ne vom restrânge prin urmare la cazul rădăcinilor simple. Reciproc, fie acum z C o rădăcină simplă a lui p, adică p(z ) = 0 şi p (z ) 0. Din continuitatea derivatei lui p rezultă că există o vecinătate V 0 a lui z pe care p nu se anulează, şi unde putem defini f : V 0 C prin Deoarece f(z) = z p(z) p (z). (3) f (z ) = p(z )p (z ) p 2 (z ) 1 = 0,

rezultă că f este o contracţie pe o vecinătate Ṽ0 V 0 a lui z, şi aplicând Teorema de punct fix a lui Banach, obţinem următorul rezultat: Teorema 1 (Metoda lui Newton). Fie p : C C o funcţie polinomială şi z o rădăcină simplă a sa. Atunci există r > 0 astfel încât pentru orice z 0 S(z, r) şirul definit de relaţia z n+1 = z n p(z n) p (z n ), (4) pentru orice n N, este convergent la z. Demonstraţie. Şirul definit de (4) este şirul aproximaţiilor succesive ataşat lui f z n+1 = f(z n ), (5) adică şirul (f n (z 0 )) al valorilor în z 0 ale iteratelor funcţiei f asociată lui p prin relaţia (3), care, după cum am argumentat deja, este o contracţie pe S(z, r) al cărei atractor este chiar rădăcina z a lui p. Să aplicăm metoda lui Newton în câteva cazuri simple. Începem cu p(z) = z 1 care are numai rădăcina z = 1. Funcţia f asociată are forma f(z) = 1 pentru orice z C, şi deci şirul (5) este z n = 1, pentru orice n 1. Rezultatul este corect dar banal. Considerăm acum ecuaţia z 2 1 = 0 care are două soluii, z1 = 1 şi z2 = 1. Funcţia f dată de (3) poate fi pusă sub forma f(z) = 1 ( z + 1 2 z şi, prin urmare, şirul aproximaţiilor succesive este dat de relaţia z n+1 = 1 2 ), (6) (z n + 1zn ), (7) pentru orice n N. Recunoaştem aici şirul lui Heron pentru calculul lui a, în cazul a = 1, prin urmare, dacă data iniţială z 0 = α este pe semiaxa reală pozitivă, atunci toţi termenii z n rămân pe acestă semiaxă şi, mai mult, şirul converge la punctul fix z1 = 1. Este uşor de arătat că dacă z 0 = α, cu α R +, atunci (z n ) este real şi tinde la z2 = 1. Această comportare simetrică este mai generală: deoarece f( z) = f(z), pentru orice z C \ 0, rezultă că şirul ( z n ) care pleacă din z 0 = z 0 va avea termenii z n = z n, pentru orice n N. Studiul convergenţei şirului (z n ) în funcţie de data sa iniţială poate fi redus astfel numai la cazul Re z 0 0, de exemplu. Mai mult, deoarece f(iβ) = i 2 ( β 1 ), β 2

rezultă că dacă data iniţială z 0 = iβ, cu β R, este de pe axa pur imaginară Re z = 0, atunci întregul şir rămâne pe această axă şi deci este divergent (dacă ar fi convergent ar trebui să tindă la unul dintre cele două punctele fixe, z1 sau z2). Deoarece se poate întâmpla ca pentru un n 0 N să avem z n0 = 0 şi atunci z n0 +1 să nu mai fie bine definit, pentru un studiu unitar se preferă extinderea mulţimii C la C = C şi prelungirea funcţiei f dată de (6) la C, adăugând la definiţie f(0) = şi f( ) =. Prin vecinătate a punctului de la infinit se înţelege orice mulţime V pentru care există R > 0 astfel încât z R implică z V. Din Teorema 1 avem următorul rezultat parţial: dacă data iniţială z 0 este suficient de aproape de unul dintre punctele fixe, atunci şirul converge către acel punct fix. Studiul complet a fost dat de Cayley, care a stabilit următoarele: Teorema 2 (Cayley). Fie z n şirul dat de relaţia (7). Dacă Re z 0 > 0 atunci z n +1, dacă Re z 0 < 0, z n 1 iar dacă Re z 0 = 0 şirul rămâne pe axa imaginară reunită cu punctul de la infinit, având una din comportările următoare: sau z n = de la un loc încolo, sau este periodic de la un loc încolo, sau vagabondează la nesfârşit pe axa imaginară fără să aibă vreo limită. Demonstraţie. Scriind relaţia (7) sub forma obţinem imediat că de unde, cu substituţia z n+1 = z2 n + 1 2z n, z n+1 1 z n+1 + 1 = (z n 1) 2 (z n + 1) 2, u n = z n 1 z n + 1, (8) obţinem relaţia de recurenţă u n+1 = u 2 n, pentru orice n N. Termenul general al şirului (u n ) este u n = u 2n 0, pentru orice n N, şi, inversând substituţia (8), obţinem z n = 1 + u n = 1 + u2n 0, 1 u n 1 u 2n pentru orice n, de unde urmează că z n +1 dacă u 0 < 1 şi z n 1 dacă u 0 > 1. Dar u 0 < 1 înseamnă z 0 1 < z 0 + 1, echivalentă cu Re z 0 > 0. 3 0

Să observăm că pentru funcţia extinsă f : C C, punctul de la infinit este punt fix dar, spre deosebire de z 1 şi z 2 care sunt atractori locali, punctul de la infinit este repulsor, deoarece în orice vecinătate a lui există date iniţiale z 0 din care plecând, şirul (z n ) părăseşte definitiv la un moment dat acea vecinătate. Următoarea clasă C # colorează cu roşu bazinul de atracţie al atractorului z 1, format din punctele z 0 din care şirul converge la z 1 = +1 şi colorează cu albastru bazinul lui z 2 = 1. Celelate puncte sunt lăsate negre. Peste desen sunt trasate în final, cu alb, axele de coordonate. public class Newton2 : FractalForm Complex i = Complex.setReIm(0, 1); Complex zstar1 = 1; Complex zstar2 = -1; Complex f(complex z) // f(z)=0.5*(z+1/z) return 0.5 * (z + 1 / z); public override void makeimage() setxminxmaxyminymax(-1.5, 1.5, -1.5, 1.5); Complex z; Color col; int ix, jy, k, nriter = 300; for (ix = imin; ix <= imax; ix++) for (jy = jmin; jy <= jmax; jy++) z = new Complex(getX(ix), gety(jy)); col = Color.Black; for (k = 0; k < nriter; k++) if ((z - zstar1).ro2 < 0.01) col = Color.Red; break; if ((z - zstar2).ro2 < 0.01) col = Color.Blue; break; z = f(z); setpixel(ix, jy, col); if (!resetscreen()) return; 4

setaxis(); resetscreen(); Figura 1. Class Newton2 Rezultatul este arătat în Figura 1 şi confirmă categoric studiul anterior. Un desen mai diversificat se obţine când ilustrăm viteza de convergenţă a şirului (z n ) în raport cu data sa iniţială. În acest scop, clasa Newton2ETA listată mai jos colorează punctele z 0 pe baza timpului de scăpare, utilizând aşa numitul Escape Time Algorithm: culoarea lui z 0 este stabilită în funcţie de numărul de iteraţii efectuate până la luarea unei decizii privind comportamentul şirului generat de el (adică până când z n ajunge într-o vecinătate prestabilită a limitei sale, sau până este atins un număr maxim de iteraţii). Benzile colorate din Figura 2 sunt formate din puncte care ajung în acelaşi timp la o distanţă faţă de limitele lor mai mică decât 0.01. public class Newton2ETA : FractalForm Complex i = Complex.setReIm(0, 1); Complex zstar1 = 1; Complex zstar2 = -1; Complex f(complex z) // f(z)=0.5*(z+1/z) return 0.5 * (z + 1 / z); 5

public override void makeimage() setxminxmaxyminymax(-10.5, 10.5, -10.5, 10.5); Complex z; int ix, jy, k, nriter = 300; for (ix = imin; ix <= imax; ix++) for (jy = jmin; jy <= jmax; jy++) z = new Complex(getX(ix), gety(jy)); for (k = 0; k < nriter; k++) if ((z - zstar1).ro2 < 0.01 (z - zstar2).ro2 < 0.01) break; z = f(z); setpixel(ix, jy, getcolor(k * 50)); if (!resetscreen()) return; setaxis(); resetscreen(); Am ajuns, în sfârşit, la problema lui Cayley: să se stabilească bazinele celor trei atractori locali ai funcţiei f asociate polinomului p(z) = z 3 1. După cum este bine ştiut, ecuaţia are ca soluţii rădăcinile de ordin trei ale unităţii: z 3 1 = 0, (9) ε 0 = ω 0 = cos 0 + i sin 0 = 1, ε 1 = ω 1 = cos 2π 3 + i sin 2π 3 = 1 2 + i 3 2, ε 2 = ω 2 = cos 4π 3 + i sin 4π 3 = 1 2 i 3 2, care sunt rădăcini simple, polinomul având descompunerea p(z) = (z ε 0 )(z ε 1 )(z ε 2 ). Aceste rădăcini sunt punctele fixe al funcţiei f dată de (3), pe care o scriem sub forma f(z) = 2z3 + 1 3z 2, 6

Figura 2. Class Newton2ETA pentru orice z C \ 0. La fel ca în cazul precedent, extindem funcţia f la C = C adăugând cazurile f(0) = şi f( ) =. Să notăm cu B 0, B 1 şi B 2 cele trei bazine de atracţie ale punctelor fixe ε 0, ε 1 şi ε 2, adică B i = z 0 C f n (z 0 ) ε i, pentru i = 1, 2, 3. Să stabilim mai întâi o proprietate geometrică: din ω 3 = 1 rezultă imediat că f(ωz) = ωf(z), pentru orice z, şi prin urmare, dacă şirul ( z n ) pleacă din z 0 = ωz 0 atunci z 1 = f(ωz 0 ) = ωf(z 0 ) = ωz 1, de unde urmează că z n = ωz n, pentru orice n N. Dacă z n ε 0 atunci z n ωε 0 = ε 1, adică z 0 B 0 implică ωz 0 B 1. Analog se pot obţine toate celelalte implicaţii pentru a stabili că bazinul B 1 este B 0 rotit cu 120 în jurul originii, iar B 2 este B 1 rotit cu acelaşi unghi. Vom arăta acum că mulţimile B 0, B 1 şi B 2 sunt deschise. Din Teorema 1 ştim că există r > 0 astfel încât z 0 S(ε 0, r) implică f n (z 0 ) ε 0. Notăm S 0 = S(ε 0, r) şi avem, deci, S 0 B 0. Definim S 1 = f 1 (S 0 ) = z f(z) S 0, şi avem imediat că z 0 S 1 implică z 1 S 0 şi deci f n (z 0 ) ε 0, adică S 1 B 0. Să observăm că S 1 este mulţime dechisă, fiind contraimaginea printr-o funcţie continuă a unei mulţimi deschise. Definim în mod recurent S n+1 = f 1 (S n ), 7

Figura 3. Şirul (z n ) pentru z 0 = 0.2 R + pentru orice n 0, şi obţinem astfel un şir de mulţimi deschise incluse în B 0. Avem deci S n B 0. n Pentru a stabili incluziunea inversă, fixăm arbitrar un z 0 în B 0 şi considerăm şirul z n = f n (z 0 ). Din z n ε 0, rezultă că există n 0 N astfel încât z n S 0 = S(ε 0, r), pentru orice n n 0. Dar z n0 = f(z n0 1) S 0 înseamnă z n0 1 f 1 (S 0 ) = S 1, şi, din aproape în aproape, obţinem z 0 S n0. Am arătat astfel că S n = B 0, n de unde urmează că mulţimea B 0 este deschisă, ca reuniune de mulţimi deschise. Raţionamentul precedent este mai general, exact la fel se poate arăta, pentru orice funcţie continuă f, că bazinul de atracţie al oricărui atractor local este o mulţime deschisă. Să analizăm acum cazul z 0 = x 0 R +. Este uşor de văzut că şirul (z n ) rămâne pe semiaxa R + şi că tinde la 1 pentru orice x 0 R. Vezi Figura 3 în care este trasat, cu roşu, graficul restricţiei lui f la R +. Rezultă ca întreagă semiaxă R + este inclusă în bazinul B 0 şi, prin urmare, şi celelalte două semiaxele obţinute prin rotaţii de 120 în jurul originii sunt incluse în B 1, respectiv în B 2. De aici deducem că originea se află pe frontiera fiecăruia dintre cele trei bazine. 8

Pe baza informaţiilor strânse până acum bazinele de atracţie, colorate în albastru, galben şi roşu, ar putea arăta ca în Figura 4 Figura 4. O încercare de trasare a bazinelor B 0, B 1 şi B 2. Dar rezolvarea nu este aşa de simplă. Să considerăm, de exemplu, predecesorii lui zero, adică acele puncte z 0 pentru care există n 0 1 astfel încât z n0 = f n 0 (z 0 ) = 0. Notăm Z 0 = 0 şi definim Z 1 = f 1 (Z 0 ), Z 2 = f 1 (Z 1 ), şi aşa mai departe. Mulţimea predecesorilor lui zero este, prin urmare, Z = n Z n. (10) Să observăm că Z 1 are trei elemente, şi anume soluţiile ecuaţiei f(z) = 0, care sunt ζ 0 = 1 ( cos π 3 2 3 + i sin π ), 3 ζ 1 = 3 1 (cos 3π 2 3 + i sin 3π ), 3 ζ 2 = 3 1 (cos 5π 2 3 + i sin 5π ). 3 Z 2 are nouă elemente, soluţiile ecuaţiilor f(z) = ζ 0, f(z) = ζ 1 şi f(z) = ζ 2, şi aşa mai departe. Ştim că punctul zero se află în acelaşi timp pe frontiera fiecăruia dintre cele trei bazine, vom arăta că fiecare predecesor al său are exact aceeaşi proprietate! Fie, de exemplu, a 3 Z 3 un predecesor de ordin 3 al lui zero. Notăm a 2 = f(a 3 ) 9

şi a 1 = f(a 2 ). Din a 3 Z 3 rezultă a 2 Z 2 şi, în continuare, a 1 Z 1, de unde urmează că şi (f f f)(a 3 ) = f(f(f(a 3 ))) = f(f(a 2 )) = f(a 1 ) = 0 (f f f) (a 3 ) = f (f(f(a3)))f (f(a 3 ))f (a 3 ) = f (a 1 )f (a 2 )f (a 3 ) 0, deoarece derivata f se anulează numai în punctele fixe ε 0, ε 1 şi ε 2, care evident nu sunt predecesori ai lui zero. Urmează că aplicaţia f 3 = f f f este local inversabilă cu inversa g derivabilă (este un difeomorfism local) şi deci păstrează frontierele. Bazinele B i fiind invariante prin f 3, din obţinem că f 3 (a 3 ) = 0 B 0 B 1 B 2 a 3 = g(0) g(b 0 ) g(b 1 ) g(b 2 ) = B 0 B 1 B 2, şi deci în orice vecinătate a lui a 3 se găsesc puncte şi din B 0, şi din B 1, şi din B 2. Privind Figura 4, înţelegem că frontierele bazinelor nu sunt aşa simple cum le-am trasat noi, nişte semidrepte plecând din origine. Punctul ζ 0, de exemplu, se află pe semiaxa trasată de noi între B 0 şi B 1, şi în el trebuie să se întâlnească toate cele trei culori. De fapt situaţia este mult mai gravă: în orice punct în care se întâlnesc două culori trebuie să se întâlnescă şi a treia, înţelegând prin aceasta că frontierele celor trei bazine coincid. Studiul complet este dat de următoarea teoremă: Teorema 3 (Julia). Fie J f = C \ (B 0 B 1 B 2 ). Mulţimea J f este infinită, nemărginită, închisă, nu are puncte izolate şi nici puncte interioare. J f este închiderea mulţimii predecesorilor lui zero şi, în acelaşi timp, este frontiera fiecăruia dintre cele trei bazine de atracţie, adică J f = B 0 = B 1 = B 2. Următoarea clasă C # colorează cele trei bazine cu albastru, galben şi roşu. Mulţimea J f, pe care o vom numi mulţimea Julia asociată funcţiei f, ar trebui să apară colorată în negru, dar datorită discretizării planului în pixeli, punctele ei sunt cele aflate între doi pixeli vecini de culori diferite (lângă un asemenea punct mai trebuie să mai fie şi un al treilea pixel cu a treia culoare). Vezi Figura 5. public class Newton3 : FractalForm Complex i = Complex.setReIm(0, 1); Complex eps0 = Complex.setRoTheta(1.0, 0.0 * Math.PI / 3.0); Complex eps1 = Complex.setRoTheta(1.0, 2.0 * Math.PI / 3.0); Complex eps2 = Complex.setRoTheta(1.0, 4.0 * Math.PI / 3.0); 10

Complex f(complex z) // f(z)=(2*z*z*z+1)/(3*z*z) return (2 * z * z * z + 1) / (3 * z * z); public override void makeimage() setxminxmaxyminymax(-1.5, 1.5, -1.5, 1.5); Complex z; Color col; int ix, jy, k, nriter = 300; for (ix = imin; ix <= imax; ix++) for (jy = jmin; jy <= jmax; jy++) z = new Complex(getX(ix), gety(jy)); col = Color.Black; for (k = 0; k < nriter; k++) if ((z - eps0).ro2 < 0.01) col = Color.DarkBlue; break; if ((z - eps1).ro2 < 0.01) col = Color.Yellow; break; if ((z - eps2).ro2 < 0.01) col = Color.Fuchsia; break; z = f(z); setpixel(ix, jy, col); if (!resetscreen()) return; setpixel(eps0, Color.White); setpixel(eps1, Color.Black); setpixel(eps2, Color.White); resetscreen(); 11

Figura 5. Class Newton3 O reprezentare mai sugestivă a mulţimii J f este obţinută în Figura 6, pe baza metodei timpului de scăpare, ETA. Figura 6. Mulţimea Julia pentru f(z) = (2z 3 + 1)/3z 2 În final, să remarcăm faptul că metoda lui Newton, care a fost stabilită pentru rădăcini simple, funcţionează şi în cazul rădăcinilor multiple. Să considerăm, 12

spre exemplificare, un polinom p cu trei rădăcini distincte a 1, a 2 şi a 3, având multiplicităţile k 1, k 2 şi, respectiv, k 3, adică Atunci deci p(z) = (z a 1 ) k 1 (z a 2 ) k 2 (z a 3 ) k 3. (11) p (z) = k 1 (z a 1 ) k 1 1 (z a 2 ) k 2 (z a 3 ) k 3 +k 2 (z a 1 ) k 1 (z a 2 ) k 2 1 (z a 3 ) k 3 + k 3 (z a 1 ) k 1 (z a 2 ) k 2 (z a 3 ) k 3 1, p (z) p(z) = k 1 z a 1 + k 2 z a 2 + k 3 z a 3. Figura 7. Class Newtonk Obţinem pentru funcţia f dată de relaţia (3) următoarea formă 1 f(z) = z k 1. z a 1 + k 2 z a 2 + k 3 z a 3 Derivăm ( ) f 1 k 1 (z) = 1 ( ) 2 k 1 z a 1 + k 2 z a 2 + k 3 (z a 1 ) + k 2 2 (z a 2 ) + k 3 2 (z a 3 ) 2 z a 3 = 1 k 1(z a 2 ) 2 (z a 3 ) 2 + k 2 (z a 1 ) 2 (z a 3 ) 2 + k 3 (z a 1 ) 2 (z a 2 ) 2 ( k1 (z a 2 )(z a 3 ) + k 2 (z a 1 )(z a 3 ) + k 3 (z a 1 )(z a 2 ) ) 2, 13

şi obţinem: 0 f (a 1 ) = 1 1 k 1 < 1, pentru orice k 1 N. Punctul fix a 1 este un atractor local, dar cu f (a 1 ) 0 pentru k 1 > 1. De fapt metoda este valabilă şi pentru funcţii p de forma (11) în care exponenţii k i, i = 1, 2, 3, sunt chiar numere complexe, atât timp cât este îndeplinită condiţia: f (a i ) = 1 1 k i < 1, pentru orice i 1, 2, 3. Următorul program ilustrează un astfel de caz. public class Newtonk : FractalForm Complex i = Complex.setReIm(0, 1); Complex a1 = new Complex(1.1, 0.6); Complex a2 = new Complex(-0.1, 0.6); Complex a3 = new Complex(0.1, -1.6); Complex a4 = new Complex(-1.1, -0.6); Complex a5 = new Complex(0.3, 1.5); Complex k1 = Complex.setRoTheta(1.2, 0.1); Complex k2 = Complex.setRoTheta(1.3, 0.2); Complex k3 = Complex.setRoTheta(1.0, 0.1); Complex k4 = Complex.setRoTheta(2.1, 0.05); Complex k5 = Complex.setRoTheta(2.3, 0.1); Complex f(complex z) Complex w1 = k1 / (z - a1); Complex w2 = k2 / (z - a2); Complex w3 = k3 / (z - a3); Complex w4 = k4 / (z - a4); Complex w5 = k5 / (z - a5); return z - 1 / (w1 + w2 + w3 + w4 + w5); public override void makeimage() setxminxmaxyminymax(-3, 3, -3, 3); Complex z; int ix, jy, k, delta, nriter = 300; 14

for (ix = imin; ix <= imax; ix++) for (jy = jmin; jy <= jmax; jy++) z = new Complex(getX(ix), gety(jy)); delta = 0; for (k = 0; k < nriter; k++) if ((z - a1).ro2 < 0.01) delta = 0; break; if ((z - a2).ro2 < 0.01) delta = 100; break; if ((z - a3).ro2 < 0.01) delta = 200; break; if ((z - a4).ro2 < 0.01) delta = 300; break; if ((z - a5).ro2 < 0.01) delta = 400; break; z = f(z); setpixel(ix, jy, getcolor(delta)); if (!resetscreen()) return; 15