Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта

в 15:43, , рубрики: мандельброт, математика, фракталы, число пи

Я всегда говорил своему другу, что математика со своими изящными абстракциями обладают той магической силой, потенциал которой до сих пор полностью не раскрыт. Сегодня я хочу поговорить о том, как можно приблизить число Пи с помощью множества Мандельброта.

Пару слов о множестве

На самом деле на Хабре куча статей, описывающие множество Мандельброта (далее, множество М), рассматривающие его свойства, историю и удивительную красоту, подкрепляя всё это красочными картинками. Мне бы не хотелось останавливаться на его определении и прочих деталях, а сразу перейти к делу. Однако в силу того, что оно является центральным субъектом данной статьи, я все же освежу вашу память.
Множество М — это множество всех комплексных чисел с, для которых функция image при ее итерации с image ограничена. Настолько просто.
На практике договорились: если функция (вышеприведенная) в ходе итерации превосходит значение 2, то она 100% не ограничена. Поэтому, определить множество можно так:

image
image

Я не буду затрагивать тему визуализации, туда мы сегодня копать не будем.

Число Пи?

Действительно, каким-таким образом?

Все то, что покрыто черным на картинке принадлежит множеству М.
Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта - 5

Возьмем "координату соприкосновения двух частей" множества c = -0.75 + ix (где x ∈ ℚ). Проверим её принадлежность ко множеству М: начнем итерировать функцию image n-раз от нуля и проверять, превосходит ли полученное значение 2. Если да, то функция разошлась, и значение с не принадлежит множеству при данном n. Иначе — принадлежит.

x c n (кол-во итераций до расхода функции)
0.1 -0.75 + 0.1i 33
0.01 -0.75 + 0.01i 315
0.001 -0.75 + 0.001i 3143
0.0001 -0.75 + 0.0001i 31417
0.00001 -0.75 + 0.00001i 314160

Именно. Если поставить запятую на нужном месте, цифры напоминают число Пи.

Наверное, совпадение

Не будем заморачиваться с комплексной частью и возьмем число c = 0.25. Оно принадлежит множеству при бесконечно большом количестве итераций. Поэтому, будем "приближаться" к этой точке справа: возьмем c = 0.26, проверим его; c = 0.2501, проверим его, и т. д.

c n (кол-во итераций до расхода функции)
0.26 30
0.2501 312
0.25001 991
0.250001 3140
0.2500001 9933
0.25000001 31414

Последовательность колеблется между двумя значениями, однако эхо числа Пи (поставив запятую в нужное место) никуда не исчезло.

Немного истории

Само множество М, названное в честь математика Бенуа Мандельброта — совсем недавное открытие. Бенуа даже выступал на TEDx, говоря в том числе и о нем.
В 1991 Дейв Болл изучал, действительно ли "соприкосновение двух частей множества" М около c = -0.75 "бесконечно тонко". В ходе своего исследования он и обнаружил то, о чем мы сейчас говорим.

И все-таки, наверное, совпадение

Попытаемся понять, что происходит: действительно ли мы получаем число Пи или это какое-то иное трансцендентное число.
Все это будем делать вокруг точки c = 0.25 (просто в силу отсутствия у него комплексной части — так легче).

Рассмотрим рекурсивную функцию Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта - 7. При ее итерации от нуля заметим, что она очень медленно стремится к точке x = 0.5.

Наглядно
Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта - 8

Чтобы не дать ей "застрять" на этом значении, мы подвинем данную функцию на ε единиц вверх (ε бесконечно мало, не равно нулю). Тогда она примет вид Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта - 9.
Данная функция медленно стремится к точке x = 0.5, а после того, как проходит её, быстро убегает в бесконечность.

Будем копать дальше.
Пусть x = y + 0.5. Наша задача — найти ноль.
Делая замену в исходной функции, получим: Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта - 10
Взяв в качестве ε любое малое значение, проитерируем функцию от нуля:

y
0.001 ( = ε)
0.002001
0.0030050040010000004
0.004014034050046026
0.005030146519400955
0.006055448893407596
0.007092117354708267
0.00814241548328122
0.009208714413183598
0.010293514834327173

Видим, что она достаточно плавно и медленно возрастает возле нуля. Исходя из этого, мы в праве предположить, что разность (n+1)-го и n-го значений функции близка к её производной: Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта - 11.
Учитывая это, наша исходная функция примет вид: Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта - 12, что является простейшим дифференциальным уравнением первого порядка. Решая его (например, методом разделения переменных), получим: Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта - 13
Вспоминаем нашу цель — поиск нуля. Данное выражение равно нулю только в двух случаях: либо квадратный корень из ε равен нулю — невозможно по определению, либо тангенс равен нулю. Пренебрегая константой C: Аппроксимация числа Пи с помощью множества Мандельброта - 14. Это подтверждает то, что мы сегодня увидели:

ε n√ε
0.01 3.0
0.0001 3.12
0.000001 3.140
0.00000001 3.1414

Видно, что множитель √ε ставит ту самую запятую в нужное место.

Заключение

Построение числа Пи данным методом является, наверное, самым неэффективным способом: нужно проделать 314160 итераций для того, чтобы получить 3,14160. Кроме того, метод не обладает высокой точностью в силу больших погрешностей вычислений.
Однако нам удалось соединить две, казалось бы, несоединимые точки: фрактал и отношение длины окружности к длине её диаметра.

Автор: ibe

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля