AZCF00     カオス と フラクタル
Return to Top Page(青空ページ) Photo,CG & Animation 数値予報試行(2002-1/14)   参考文献はこちらです。 神奈川気象予報士会での発表(2001-10/20)  神奈川気象予報士会での発表(2002-1/19)(前年10月の続編) Last Updated:2001-9/17,9/20,9/24,9/27,9/28,9/2,9/30,10/2,10/6,10/7,10/11,10/12,10/18,10/23,10/24,2002-1/14,4/10,5/04
下図は、カオス及びフラクタル図形の一例です。(★印は、動画です) 図形を(x、y、x)の点の位置の集合で表現するとき、計算を (x0、y0、x0)→(x1、y1、x1)→(x2、y2、x2)→(x3、y3、x3)→ →...→(xn、yn、xn)→(xn+1、yn+1、xn+1) と、順次、前回計算結果を使って今回の計算値を求めていきます。nがある程度以上 (例えば、n=100)になると形が現れてきます。nを非常に大きくすると、精密 な図形が得られます。但し、ソフトの機能的制限やPCのメモリーなどの限界から、 計算回数nには限界がある場合があります。なお、計算及び作図に要するPC処理 時間は通常1秒以内程度で、アットいうまもなく終わります。 以下の図形はEXCEL及びJAVAで作成したものです。

カオス図形

1.ロジスティック波形



★ 軌道を動画表示します。


ロジスティック波形

   Xn+1=aXn*(1−Xn)が基礎式です。
   ロジスティック関数は(Sigmoid関数とかS字関数と言われます)、気象においては、
   ニューラルネットワーク(NRN)の情報処理素子としても使われています。
   NRNの文献はこちら または、
   拙著、「天気図と気象理論」P.131を参照して下さい。
初期値やパラメータをわずかずつ変えて見ると、様々な図形が得られます。
クリックすると計算値や諸条件および画像が表示されます。

Logistic:lg0p9 収束
Logistic:lg2p9 振動&収束

Logistic:lg3p449 周期振動
Logistic:lg3p55 周期振動
Logistic:lg3p831874055 周期振動

Logistic:lg4 カオス
Logistic:lg4p001 カオス&計算不能


2.エノン写像




エノン写像
   Xn+1=1-aXn*Xn+Yn
   Yn+1=bXn

Henon:hn1p42 エノンの写像
★ 点を順次プロットしていきます。

プロットをN=12000程度までに増大して見ました。
Henon:hn1p42 エノンの写像(拡大図)

nを更に増大すると、もっと細かいところまで見ることができるでしょう。
N=64000にしてみました。
Henon:hn1p42 エノンの写像(拡大図)

数式を少し変形したものです。
Henon:hn2p エノンの写像(バリエーション1)
★ 点を順次プロットしていきます。

変形した数式のパラメータを変えて見ました。
Henon:hn0p49 エノンの写像(バリエーション2)

変形した数式のパラメータを変えて見ました。
Henon:hn0p49 エノンの写像(バリエーション2拡大図)
Henon:hn0p49 エノンの写像(バリエーション3)

パラメータaを連続的に変えて見ました。
Henon:hn1p05vari エノンの写像(a−Xに関する周期倍化図付き)

3.周期倍加分岐図


周期倍加分岐図
   Xn+1=Xn+a;  
      Yn+1=Xn*Yn*(1-Yn)

周期倍加
周期倍加(拡大図)

現象は、周期倍分岐する:
ロジスティック写像の周期倍分岐(a−Xに関する周期倍化図付き)
エノンの写像の周期倍分岐(a−Xに関する周期倍化図付き)


4.ローレンツ



★ 沸騰:軌道を動画表示します。
★ 対流:軌道を動画表示します。
★ 伝導:軌道を動画表示します。
★ 初期値鋭敏性・誤差の増大の検討
μを順次変えていった場合の形の変化

ローレンツ(「天気図と気象理論」P.127 に記載あります。)
   ローレンツモデルは下式で与えられます。
   ローレンツがNavier-Stokesの公式をベースとして、対流現象を
   モデル化した数式です:
   ∂x/∂t=−γx+γy
   ∂y/∂t=−xz+μx−y
   ∂z/∂t=xy−bz
   上の微分方程式は、コンピューターで計算できませんので、
   Xn+1=Xn+(−γXn+γYn)Δt
    Yn+1=Yn+(−XnZn+μXn−Yn)Δt
    Zn+1=Zn+(XnYn−bZn)Δt
   の差分の形式に変形します。

方程式のμを順次変えた場合の、X−Z,X−Yの軌道を示します。
n=1000までの計算結果です。

Lorenz:lzμ84p7 ローレンツ
Lorenz:lzμ84p6 ローレンツ
Lorenz:lzμ71 ローレンツ
Lorenz:lzμ49p8 ローレンツ

Lorenz:lzμ28 ローレンツ Java-Codingでの図形(点)
Lorenz:lzμ18 ローレンツ
Lorenz:lzμ15p0351 ローレンツ
Lorenz:lzμ10 ローレンツ
Lorenz:lzμ7 ローレンツ
Lorenz:lzμ4 ローレンツ
Lorenz:lzμ0 ローレンツ

Lorenz:lzμm28 ローレンツ
Lorenz:lzμm92 ローレンツ
Lorenz:lzμm92p59 ローレンツ

その他:
変形した式:
Xn+1=aXn-Xn*Yn
Yn+1=b*Yn+Xn*Xn

与えるパラメーターおよび初期値:(一部の図形には、軌道も描図してあります)
Lorenz:lz  渦巻き   :a=1.343, b=0.9,     c=0, d=0,  X0=0.05, Y0=0.05
Lorenz:lz  Y軸くっつき :a=1.49,  b=0.99,   c=0, d=0,  X0=0.1,   Y0=0
Lorenz:lz  蜘蛛状渦巻き:a=1.501, b=0,       c=0, d=0,  X0=0.2,    Y0=-0.8
Lorenz:lz  顔のヒゲ  :a=1.59,  b=0.6,     c=0, d=0,  X0=0.1,    Y0=-0.01
Lorenz:lz  対称図形  :a=1.7,    b=0.1,      c=0, d=0,  X0=0.2,    Y0=-0.8
Lorenz:lz  すかし図  :a=1.88,  b=0,         c=0, d=0,  X0=0.1,    Y0=0

5.レスラー


レスラー
   ローレンツ系は、アトラクターが2つありますが、
   レスラー系のアトラクターは、1つです。

   分岐パラメーターμを大きくしていくと、軌道は
   2重、4重、8重、16重と「周期倍化」していきます。
 
   ∂x/∂t=−Y−Z
   ∂y/∂t=X+aY
   ∂z/∂t=b+XZ-μZ
   上の微分方程式は、コンピューターで計算できませんので、
   Xn+1=Xn−(Yn+Zn)Δt
    Yn+1=Yn+(Xn+aYn)Δt
    Zn+1=Zn+(b+XnZn−μZn)Δt
    の差分の形式に変形します。
    (μは、分岐パラメーターと言われます)

Rossler:rsab0p2μ3p236

次の図は、周期倍加の筋模様が出ています。
Rossler:rsab0p2μ6p06
Rossler:rsab0p2μ6p06fig(拡大図です)

その他の様々なカオスです。
Rossler:rsm6
Rossler:rsm0p1
Rossler:rsab0p2


6.Gumowski & Mira


Gumowski & Mira
       Xn+1=Yn+a(1−bYn2)Yn+G(Xn)
    Yn+1=-Xn+G(Xn+1)
    G(Xn)=μXn+(2(1-μ)Xn2)/(1+Xn2)


Gumousuki&Mira:gm 周期倍加関数に似ている
Gumousuki&Mira:gm ヒトデに似ている
Gumousuki&Mira:gm ミジンコに似ている

Gumousuki&Mira:gm 渦巻く4つに似ている
Gumousuki&Mira:gm 渦巻きに似ている
Gumousuki&Mira:gm 渦巻きに似ている

Gumousuki&Mira:gm 円に似ている
Gumousuki&Mira:gm 花火に似ている
Gumousuki&Mira:gm 渦巻き状星雲に似ている

Gumousuki&Mira:gm 羽5枚に似ている

===
追加:
Gumousuki&Mira:gm 卍形に似ている
Gumousuki&Mira:gm 魚のエイに似ている
Gumousuki&Mira:gm 周期倍加のなりかけに似ている

Gumousuki&Mira:gm 7角結晶に似ている
Gumousuki&Mira:gm 渦巻きに似ている
Gumousuki&Mira:gm 星団に似ている
Gumousuki&Mira:gm 丸が10こに似ている
===
変形した式:
Xn+1=aXn+bYn+c+d/(1+Xn*Xn)
Yn+1=-Xn

与えるパラメーターおよび初期値:
Gumousuki&Mira:gm 笹の葉:a=-0.32,b=0.9,   c=0, d=15,X0=1, Y0=0
Gumousuki&Mira:gm 羽3枚  :a=-0.9, b=0.96, c=-4,d=5, X0=1,  Y0=0


7.Japanese Attractor


7.ジャパニーズアトラクター
    dx/dt=y
    dy/dt=-ky-x3+Bcost
    この微分方程式を差分の形にします;
       Xn+1=Xn+Yn*Δt
    Yn+1=Yn+(-k*Yn-Xn*Xn*Xn+B*cost)*Δt

    jp:Japanese Attractor
    jp:Japanese Attractor(拡大図)


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フラクタル図形

一次式を使って、フラクタル図形を描くことが出来ます。 f1(z)=az+b複素数z f2(z)=c(z-1)+d(複素数z-1)+1 これらの式を実数部、虚数部に分け、下式(アフィン変換と言われる)とする: f1:Xn+1=a1Xn+b1Yn Yn+1=c1Xn+d1Yn f2:Xn+1=a2Xn+b2Yn-a2 Yn+1=c2Xn+d2Yn-c2 初期値X0Y0、パラメーターabcdを適宜変えると、次表の様な様々な図形が得られる。 (図形によっては、式やパラメ−ターの追加・変更をしています。) なお、求める図形Fは、その原図をF0とするとき、行列式表現でその概念をあらわすと、 |F|=|F0|*|回転|*|拡大・縮小|+|移動| で、作図できるようです。
8.ギャスケット

ギャスケット

9.双龍形

双龍形

10.アンモナイト

10.アンモナイト
11.シダ

11.シダ

12.雲形

12.雲形

13.三角

13.三角

14.枝

14.枝

15.コッホ曲線

15.コッホ曲線
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