Визуализация решений логистического уравнения, множеств Мандельброта и Жюлиа в Excel и Visual Basic

Âèçóàëèçàöèÿ ðåøåíèé ëîãèñòè÷åñêîãî óðàâíåíèÿ, ìíîæåñòâ Ìàíäåëüáðîòà è Æþëèà â Excel è Visual Basic Ìèëëåð Äåéâ Áðèäæåñ Ðè÷àðä

ÂÈÇÓÀËÈÇÀÖÈß ÐÅØÅÍÈÉ ËÎÃÈÑÒÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÓÐÀÂÍÅÍÈß, ÌÍÎÆÅÑÒ ÌÀÍÄÅËÜÁÐÎÒÀ È ÆÞËÈÀ  EXCEL È VISUAL BASIC  íàñòîÿùåé ñòàòüå ðàññìàòðèâàþòñÿ ñïîñîáû èçîáðàæåíèÿ ìíîæåñòâ ñ ïîìîùüþ ðàçëè÷íûõ ïðîãðàììíûõ ñðåäñòâ. Ñíà÷àëà ìû èçó÷àåì ëîãèñòè÷åñêîå óðàâíåíèå, èñïîëüçóÿ ñîâðåìåííûå ñðåäñòâà óïðàâëåíèÿ ðàáî÷èì ëèñòîì (Excel worksheet) – «äâèæêè» è ìàêðîñû, óïðàâëÿåìûå êíîïêàìè. Çàòåì òå æå ñðåäñòâà ïðèìåíÿþòñÿ ê ìíîæåñòâàì Ìàíäåëüáðîòà è â çàêëþ÷åíèå ðàññìàòðèâàþòñÿ îáðàçû ìíîæåñòâ Ìàíäåëüáðîòà è Æþëèà, ïîëó÷åííûå ñ âûñîêèì ðàçðåøåíèåì áëàãîäàðÿ èñïîëüçîâàíèþ ìåíåå èçâåñòíûõ, íî ãîðàçäî áîëåå ýôôåêòèâíûõ àëãîðèòìîâ. ËÎÃÈÑÒÈ×ÅÑÊÎÅ ÓÐÀÂÍÅÍÈÅ

 1976 ãîäó Ð. Ìýé [1] íàñòîÿòåëüíî ðåêîìåíäîâàë, ÷òîáû çíàêîìñòâî ñ ëîãèñòè÷åñêèì óðàâíåíèåì ïðîèñõîäèëî íà ðàííåé ñòàäèè ìàòåìàòè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ. Ïðàâäà òîãäà òîëüêî êàëüêóëÿòîðû áûëè äîñòóïíû øèðîêîé ïóáëèêå. Òåïåðü æå, èìåÿ èçîùðåííûå ïðîãðàììíûå ñðåäñòâà, ìû ìîæåì èññëåäîâàòü ýòî óðàâíåíèå. Ëîãèñòè÷åñêîå óðàâíåíèå (1), íàçâàííîå òàê Verhulst’îì â 40-õ ãîäàõ 19-ãî âåêà [3] ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìîäåëü èçìåíåíèÿ ÷èñëåííîñòè ïîïóëÿöèè, ãäå pn – îòíîñèòåëüíàÿ âåëè÷èíà ïîïóëÿöèè pn = Pn/N, à Pn – àáñîëþòíàÿ âåëè÷èíà 1 Iterations 0 to 500

0.8

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Äèàãðàììà 1. Õàîòè÷åñêîå ïîâåäåíèå ïðè À = 3.701.

ïîïóëÿöèè ê ìîìåíòó n è N – ìàêñèìàëüíàÿ ïîïóëÿöèÿ. Ð. Ìýé èñïîëüçîâàë ýêâèâàëåíòíóþ ìîäåëü (2), ãäå À – êîíñòàíòà. (1) p n +1 = p n + r ⋅ p n ( 1 − p n ) (2) x n +1 = A ⋅ x n ( 1 − x n ) Ñóùåñòâóåò îáøèðíàÿ ëèòåðàòóðà, ïîñâÿùåííàÿ ïîâåäåíèþ ýòîé ìîäåëè (Peitgen et al, 1992). Ìû ïðåäëàãàåì çäåñü òðè ìåòîäà, èñïîëüçóþùèõ ðàáî÷èé ëèñò Excel’à. Çàèíòåðåñîâàâøèåñÿ ìîãóò èñïîëüçîâàòü ýòè ìåòîäû äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî èçó÷åíèÿ ìîäåëè. ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ Â EXCEL

Ïðè îòêðûòèè ðàáî÷åãî ëèñòà Excel’à ñ èìåíåì logisticterms (Miller, 2001) ïîäñ÷èòûâàþò1 Iterations 0 to 500 ñÿ 500 èòåðàöèé óðàâíåíèÿ (2) è äåìîíñòðèðóåòñÿ ãðà0.8 ôèê çàâèñèìîñòè ìåæäó xn è n. Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà À 0.6 ñâÿçàíî ñ äâèæêîì è ìîæåò ìåíÿòüñÿ îò 0 äî 4 ñ øàãîì 0.001. Äðóãîé äâè0.4 æîê ñâÿçàí ñ íà÷àëüíûì çíà÷åíèåì õ0, êîòîðîå ìå0.2 íÿåòñÿ îò 0 äî 1 ñ øàãîì 0.001. Êíîïêà, ñâÿçàííàÿ ñ ìàêðîñîì, ïîçâîëÿåò 0 ïîëüçîâàòåëþ óâèäåòü áîëüÄèàãðàììà 2. Öèêë ñ ïåðè- øå èòåðàöèé, ñãðóïïèðîâàííûõ ïî 500, è òåì ñàîäîì 7 ïðè À = 3.702.

ÌÓÇÅÉ ÇÀÍÈÌÀÒÅËÜÍÎÉ ÍÀÓÊÈ

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Ìèëëåð Ä., Áðèäæåñ Ð. ìûì óâèäåòü, ñòàáèëèçèðóþòñÿ ëè èòåðàöèè ïðè áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ n. Òàêèì îáðàçîì ìîæíî èçó÷àòü ïîâåäåíèå ìîäåëè ïðè ðàçíûõ çíà÷åíèÿõ À è õ0. Äèàãðàììû 1 è 2 ïîêàçûâàþò ýôôåêò èçìåíåíèÿ À îò 3.701 äî 3.702 (õ0 = 0.5) Ðàáî÷èé ëèñò Excel’à ñ èìåíåì logisticcobweb (Miller, 2001) ïðåäñòàâëÿ- Äèàãðàììà 3. Õàîòè÷åñêîå Äèàãðàììà 4. Öèêë ñ ïåðèåò òå æå ðåçóëüòàòû â äðó- ïîâåäåíèå ïðè À = 3.701. îäîì 7 ïðè À = 3.702. ãîé ôîðìå – â ôîðìå ïàóìó ÷èñëó èëè ê ïðåäåëüíîìó öèêëó, ñîñòîÿòèíîîáðàçíîé äèàãðàììû. Çäåñü ñòðîÿòñÿ ùåìó èç êîíå÷íîãî ÷èñëà òî÷åê. ãðàôèêè y = Ax(1–x) è y = x, à òàêæå îòÌíîæåñòâî Ìàíäåëüáðîòà – ýòî ìíîìå÷àþòñÿ è îáúåäèíÿþòñÿ òî÷êè (xn, xn+1), æåñòâî òåõ çíà÷åíèé ñ, äëÿ êîòîðûõ ïðè (xn+1, xn+1), n = 0,1,2,... Ýòî ïðèäàåò äèàãz0 = 0 ïîñëåäîâàòåëüíîñòü zn íå ñòðåìèòñÿ ðàììå âèä ïàóòèíû. ê áåñêîíå÷íîñòè. Èñïîëüçóÿ âîçìîæíîñÐàáî÷èé ëèñò Excel’à ñ èìåíåì òè Excel’à, ìîæíî èçîáðàçèòü ëþáóþ ÷àñòü logisticconsecutive (Miller, 2001) äåìîíñòìíîæåñòâà Ìàíäåëüáðîòà. Íà äèàãðàììå ðèðóåò òðåòèé ñïîñîá ïðåäñòàâëåíèÿ ðå7 ïîêàçàí ðàáî÷èé ëèñò «êâàäðàò», ñîñòîçóëüòàòîâ. Òå æå ðåçóëüòàòû ïîêàçàíû íà ÿùèé èç 441 êâàäðàòíîé ÿ÷åéêè, ãäå êàæäèàãðàììàõ 5 è 6. äûé êâàäðàò ïðåäñòàâëÿåò òî÷êó êîìïëåêñíîé ïëîñêîñòè. Èñõîäíàÿ îáëàñòü âêëþÌÍÎÆÅÑÒÂÎ ÌÀÍÄÅËÜÁÐÎÒÀ ÷àåò ìíîæåñòâî Ìàíäåëüáðîòà, ãäå zr èçÌíîæåñòâî Ìàíäåëüáðîòà áûëî îòìåíÿåòñÿ îò –1.5 äî 0.5, à zi – îò –1 äî 1. êðûòî òîëüêî â 1982 è ñ òåõ ïîð èçîáðàÆåëòûé (ñâåòëî-ñåðûé) êâàäðàò ïðåäñòàâæåíèÿ ñàìîãî ìíîæåñòâà, åãî ÷àñòåé è ëÿåò ÷èñëî –0.1+0.9i, ÷åðíûé – 0+0i, à ñâÿçàííîãî ñ íèì ìíîæåñòâà Æþëèà ñòàêðàñíûé (òåìíî-ñåðûé) – 0.5+i. ëè âåñüìà ïîïóëÿðíû. Ïðèìåíèì èòåðàöèè, ïîëîæèâ Ìíîæåñòâî Ìàíäåëüáðîòà îïðåäåëÿñ = 0.5+i. Òàáëèöà 1 ïîêàçûâàåò, ÷òî ìîäóëü åòñÿ ñ ïîìîùüþ ôóíêöèè f(z,c) = z2 + c, z ïðåâîñõîäèò 5000 ïîñëå 6 èòåðàöèé. ãäå z è ñ – êîìïëåêñíûå ÷èñëà. Íà ðàáî÷åì ëèñòå ïîäñ÷èòûâàþòñÿ Åñëè z = zr+izi è ñ = ñr+iñi, òî 2 2 50 èòåðàöèé äëÿ êàæäîé òî÷êè èç çàäàí(3) f ( z , c ) = ( z r − z i + c r ) + i ( 2 z r z i + ci ) íîãî äèàïàçîíà è îïðåäåëÿåòñÿ ÷èñëî èòåÏîñëåäîâàòåëüíîñòü (îðáèòà) çíà÷åíèé z ïîëó÷àåòñÿ ïîñðåäñòâîì èòåðàöèé z1 = f(z0, c), z2 = f(z1, c), ..., zn = f(zn-1, c), ... Î÷åâèäíî, îðáèòà çàâèñèò îò íà÷àëüíîãî çíà÷åíèÿ z0 è îò çíà÷åíèÿ êîíñòàíòû ñ. Ïðè ýòîì îáíàðóæèâàþòñÿ äâà ÿâëåíèÿ. Ëèáî zn ñòðåìèòñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè (îáû÷íî ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ), ëèáî Äèàãðàììà 5 Äèàãðàììà 6 ñòðåìèòñÿ ê ôèêñèðîâàííî1

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© ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÛÅ ÈÍÑÒÐÓÌÅÍÒÛ Â ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÈ. ¹ 5, 2001 ã.

Âèçóàëèçàöèÿ ðåøåíèé ëîãèñòè÷åñêîãî óðàâíåíèÿ, ìíîæåñòâ Ìàíäåëüáðîòà è Æþëèà â Excel è Visual Basic ¹ zr zi èòåðàöèè 0 0 0 1 0.5 1 2 –0.25 2 3 –3.44 0 4 12.32 1 5 151.19 25.63 6 22203.04 7752.05

z  0 1.12 2.02 3.44 12.36 153.35 23517.43

Òàáëèöà 1 ðàöèé, ïðè êîòîðîì ìîäóëü z ïðåâçîéäåò çàäàííîå ÷èñëî (çäåñü 5000). Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî åñëè ýòî íå ïðîèçîéäåò çà 50 èòåðàöèé, òî íå ïðîèçîéäåò è ïðè áîëüøåì ÷èñëå èòåðàöèé. ×èñëà 50 è 5000 âûáðàíû ïðîèçâîëüíî. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ ñ ýòèìè ïàðàìåòðàìè ïðèâåäåíû íà äèàãðàììå 8. Äëÿ ðàñêðàñêè äèàãðàììû 8 èñïîëüçîâàíû 4 öâåòà (â ñòàòüå – îòòåíêè ñåðîãî). Òî÷êè ìíîæåñòâà Ìàíäåëüáðîòà îêðàøåíû ÷åðíûì öâåòîì. Òî÷êè, äëÿ êîòîðûõ ðàñõîäèìîñòü (zn>5000) îáíàðóæèâàåòñÿ ïðè n