home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Internet Surfer 2.0 / Internet Surfer 2.0 (Wayzata Technology) (1996).iso / pc / text / mac / faqs.044 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1996-02-12  |  28.2 KB  |  647 lines

  1. Frequently Asked Questions (FAQS);faqs.044
  2.  
  3.  
  4.  
  5. For Amiga: (all entries marked "ff###" are .lzh files in the Fish Disk set
  6.     available at ux1.cso.uiuc.edu and other sites in /amiga/fish)
  7.     General Mandelbrot generators with many features: Mandelbrot (ff030), Man-
  8.         del (ff218), Mandelbrot (ff239), TurboMandel (ff302), MandelBltiz
  9.         (ff387), SMan (ff447), MandelMountains (ff383, in 3-D), MandelPAUG
  10.         (ff452, MandFXP movies), MandAnim (ff461, anims),  ApfelKiste (ff566,
  11.         very fast), MandelSquare (ff588, anims)
  12.     Mandelbrot and Julia sets generators: MandelVroom (ff215), Fractals
  13.         (ff371, also Newton-R and other sets)
  14.     With different algorithmic approaches (shown): FastGro (ff188, DLA),
  15.         IceFrac (ff303, DLA), DEM (ff303, DEM), CPM (ff303, CPM in 3-D), Frac-
  16.         talLab (ff391, any equation)
  17.     Iterated Function System generators (make ferns, etc): FracGen (ff188,
  18.         uses "seeds"), FCS (ff465), IFSgen (ff554), IFSLab (ff696, "Collage
  19.         Theorem")
  20.     Unique fractal types: Cloud (ff216, cloud surfaces), Fractal (ff052, ter-
  21.         rain), IMandelVroom (strange attractor contours?), Landscape (ff554,
  22.         scenery), Scenery (ff155, scenery), Plasma (ff573, plasma clouds)
  23.     Fractal generators (I do not know their features): PolyFractals (ff015),
  24.         FFEX (ff549)
  25.     Lyapunov fractals: Ftp /pub/aminet/new/lyapunovia.lha from ftp.luth.se.
  26.     Commercial packages: Fractal Pro 5.0, Scenery Animator 2.0, Vista Profes-
  27.         sional
  28.  
  29. Please inform me of any other programs you know of.
  30.  
  31. Q2b: Where can I obtain fractal papers?
  32. A2b: There are several sites with fractal papers:
  33.  
  34. There is an archive site for preprints and programs on nonlinear dynamics and
  35. related subjects at lyapunov.ucsd.edu [132.239.86.10].  There are also arti-
  36. cles on dynamics, including the IMS preprint series, available from
  37. math.sunysb.edu [129.49.31.57].
  38.  
  39. A collection of short papers on fractal formulas, drawing methods, and
  40. transforms is available from ftp.coe.montana.edu in /pub/fractals.
  41.  
  42. ------------------------------
  43.  
  44. Subject: Fractal items
  45.  
  46. Q3: Where can I get fractal T-shirts and posters?
  47. A3: One source is Art Matrix, P.O. box 880, Ithaca, New York, 14851, 1-800-
  48. PAX-DUTY.  Another source is Media Magic; they sell many fractal posters,
  49. calendars, videos, software, t-shirts, ties, and a huge variety of books on
  50. fractals, chaos, graphics, etc.  Media Magic is at PO Box 598 Nicasio, CA
  51. 94946, 415-662-2426.
  52.  
  53. ------------------------------
  54.  
  55. Subject: Ftp questions
  56.  
  57. Q4a: How does anonymous ftp work?
  58. A4a: Anoynmous ftp is a method of making files available to anyone on the In-
  59. ternet.  In brief, if you are on a system with ftp (e.g. Unix), you type "ftp
  60. lyapunov.ucsd.edu", or whatever system you wish to access.  You are prompted
  61. for your name and you reply "anonymous".  You are prompted for your password
  62. and you reply with your email address.  You then use "ls" to list the files,
  63. "cd" to change directories, "get" to get files, and "quit" to exit.  For exam-
  64. ple, you could say "cd /pub", "ls", "get README", and "quit"; this would get
  65. you the file "README".
  66.  
  67. Q4b: What if I can't use ftp to access files?
  68. A4b: If you don't have access to ftp because you are on a uucp/Fidonet/etc
  69. network there is an e-mail gateway at ftpmail@decwrl.dec.com that can retrieve
  70. the files for you.  To get instructions on how to use the ftp gateway send a
  71. blank message to ftpmail@decwrl.dec.com with one line containing the word
  72. 'help'.
  73.  
  74. This is a sample message of how to retrieve xfractint from
  75. sprite.Berkeley.EDU:
  76. % mail ftpmail@decwrl.dec.com
  77. Subject:  <ignored>
  78. reply <yourname>@<yoursite>
  79. connect sprite.berkeley.edu anonymous
  80. dir         /* note: you can give a pathname here to list */
  81. binary
  82. uuencode    /* note: this command is optional and the default is btoa */
  83. get xfract108.shar.Z
  84. quit
  85.  
  86. That would retrieve a directory of the archive, then xfract108.shar.Z.  Note
  87. that the dir command is important to learn if the filename has changed.  To
  88. receive xfract108.shar.Z, you must set the server to "binary" mode because the
  89. file is compressed.  Compressed files are then either sent out uuencoded or
  90. btoa'd.  So, you must obtain copies of the programs will receive.  (Most Unix
  91. systems have uudecode and uncompress.) Ask your local computer guru for cla-
  92. rification on how to do this.
  93.  
  94. ------------------------------
  95.  
  96. Subject: Archived pictures
  97.  
  98. Q5: Where is alt.fractals.pictures archived?
  99. A5: Alt.fractals.pictures is the newsgroup for fractal images (GIFs, etc.).
  100. The pictures are available via anonymous ftp from csus.edu [130.86.90.1] in
  101. /pub/alt.fractals.pictures.
  102.  
  103. ------------------------------
  104.  
  105. Subject: Learning about fractals
  106.  
  107. Q6: I want to learn about fractals.  What should I read first?
  108. A6: There is a book list at the end.  _Chaos_ is a good book to get a general
  109. overview and history.  _Fractals Everywhere_ is a textbook on fractals that
  110. describes what fractals are and how to generate them, but it requires knowing
  111. intermediate analysis.  _Chaos, Fractals, and Dynamics_ is also a good start.
  112.  
  113. ------------------------------
  114.  
  115. Subject: The Mandelbrot set
  116.  
  117. Q7a: What is the Mandelbrot set?
  118. A7a: The Mandelbrot set is the set of all complex c such that iterating z ->
  119. z^2+c does not go to infinity (starting with z=0).
  120.  
  121. Q7b: How is the Mandelbrot set actually computed?
  122. A7b: The basic algorithm is:
  123. For each pixel c, start with z=0.  Repeat z=z^2+c up to N times, exiting if
  124. the magnitude of z gets large.
  125. If you finish the loop, the point is probably inside the Mandelbrot set.  If
  126. you exit, the point is outside and can be colored according to how many
  127. iterating were completed.  You can exit if |z|>2, since if z gets this big it
  128. will go to infinity.  The maximum number of iterations, N, can be selected as
  129. desired, for instance 100.  Larger N will give sharper detail but take longer.
  130.  
  131. Q7c: Why do you start with z=0?
  132. A7c: Zero is the critical point of z^2+c, that is, a point where d/dz (z^2+c)
  133. = 0.  If you replace z^2+c with a different function, the starting value will
  134. have to be modified.  E.g. for z->z^2+z+c, the critical point is given by
  135. 2z+1=0, so start with z=-1/2.
  136.  
  137. Critical points are important because by a result of Fatou, every attracting
  138. cycle for a polynomial or rational function attracts at least one critical
  139. point.  Thus, testing the critical point shows if there is any stable attrac-
  140. tive cycle.  See also:
  141.  
  142. [1]  M. Frame and J. Robertson, A Generalized Mandelbrot Set and the Role of
  143. Critical Points, _Computers and Graphics, Vol. 16_ 16, 1 (1992), pp. 35-40.
  144.  
  145. Note that you can precompute the first Mandelbrot iteration by starting with
  146. z=c instead of z=0, since 0^2+c=c.
  147.  
  148. Q7d: What are the bounds of the Mandelbrot set?  When does it diverge?
  149. A7d: The Mandelbrot set lies within |c|<=2.  If |z| exceeds 2, the z sequence
  150. diverges.  Proof: if |z|>2, then |z^2+c| >= |z^2|-|c| > 2|z|-|c|.  If
  151. |z|>=|c|, then 2|z|-|c| > |z|.  So, if |z|>2 and |z|>=c, |z^2+c|>|z|, so the
  152. sequence diverges.  Also, note that z1=c, so if |c|>2, the sequence diverges.
  153.  
  154. Q7e: How can I speed up Mandelbrot set generation?
  155. A7e: See:
  156.  
  157. 1.  R. Rojas, A Tutorial on Efficient Computer Graphic Representations of the
  158. Mandelbrot Set, _Computers and Graphics_ 15, 1 (1991), pp. 91-100.
  159.  
  160. Q7f: What is the area of the Mandelbrot set?
  161. A7f: Ewing and Schober computed an area estimate using 240,000 terms of the
  162. Laurent series.  The result is 1.7274...  The behavior of the approximations
  163. suggests that the limit is between 1.66 and 1.71.  However, the estimates of
  164. the area from below, using pixel counting, show that the area is at least
  165. 1.52.  The large gap between the lower bound 1.52 and the upper bound 1.71 may
  166. possibly be an indication that the boundary of the Mandelbrot set has positive
  167. area.  Reference:
  168.  
  169. 1.  J. H. Ewing and G. Schober, The Area of the Mandelbrot Set, _Numer. Math._
  170. 61 (1992), pp. 59-72.
  171.  
  172. Q7g: What can you say about the structure of the Mandelbrot set?
  173. A7g: Most of what you could want to know is in Branner's article in _Chaos and
  174. Fractals: The Mathematics Behind the Computer Graphics_.
  175.  
  176. Note that the Mandelbrot set is _not_ self-similar; the tiny copies of the
  177. Mandelbrot set are all slightly different, mainly because of the thin threads
  178. connecting them to the main body of the Mandelbrot set.  However, the
  179. Mandelbrot set is quasi-self-similar.  Reference:
  180.  
  181. 1.  T. Lei, Similarity between the Mandelbrot set and Julia Sets,
  182. _Communications in Mathematical Physics_ 134 (1990), pp. 587-617.
  183.  
  184. The boundary of the Mandelbrot set has Hausdorff dimension 2 and has
  185. topological dimension 1.  (Since the boundary has empty interior, the
  186. topological dimension is less than 2, and thus is 1.)  Reference:
  187.  
  188. 1.  M. Shishikura, The Hausdorff Dimension of the Boundary of the Mandelbrot
  189. Set and Julia Sets, It is shown that the boundary of the Mandelbrot set M has
  190. Hausdorff dimension two and that for a generic c in M, the Julia set of z ->
  191. z^2+c also has  Hausdorff dimension two. The proof is based on the study of
  192. the bifurcation of parabolic periodic points.  The paper is available from
  193. anonymous ftp to math.sunysb.edu [129.49.18.1] in /preprints/ims91-7.
  194.  
  195. The "external angles" of the Mandelbrot set (see Douady and Hubbard or brief
  196. sketch in "Beauty of Fractals") induce a Fibonacci partition onto it.
  197.  
  198. Q7h: Is the Mandelbrot set connected?
  199. A7h: The Mandelbrot set is simply connected.  This follows from a theorem of
  200. Douady and Hubbard that there is a conformal isomorphism from the complement
  201. of the Mandelbrot set to the complement of the unit disk.  (In other words,
  202. all equipotential curves are simple closed curves.) It is conjectured that the
  203. Mandlebrot set is locally connected, and thus pathwise connected, but this is
  204. currently unproved.
  205.  
  206. Connectedness definitions:
  207.  
  208. Connected: X is connected if there are no proper closed subsets A and B of X
  209. such that A union B = X, but A intersect B is empty.  I.e. X is connected if
  210. it is a single piece.
  211.  
  212. Simply connected: X is simply connected if it is connected and every closed
  213. curve in X can be deformed in X to some constant closed curve.  I.e. X is
  214. simply connected if it has no holes.
  215.  
  216. Locally connected: X is locally connected if for every point p in X, for every
  217. open set U containing p, there is an open set V containing p and contained in
  218. the connected component of p in U.  I.e. X is locally connected if every
  219. connected component of every open subset is open in X.
  220.  
  221. Arcwise (or path) connected: X is arcwise connected if every two points in X
  222. are joined by an arc in X.
  223.  
  224. (The definitions are from _Encyclopedic Dictionary of Mathematics_.)
  225.  
  226. ------------------------------
  227.  
  228. Subject: Julia sets
  229.  
  230. Q8a: What is the difference between the Mandelbrot set and a Julia set?
  231. A8a: The Mandelbrot set iterates z^2+c with z starting at 0 and varying c.
  232. The Julia set iterates z^2+c for fixed c and varying starting z values.  That
  233. is, the Mandelbrot set is in parameter space (c-plane) while the Julia set is
  234. in dynamical or variable space (z-plane).
  235.  
  236. Q8b: What is the connection between the Mandelbrot set and Julia sets?
  237. A8b: Each point c in the Mandelbrot set specifies the geometric structure of
  238. the corresponding Julia set.  If c is in the Mandelbrot set, the Julia set
  239. will be connected.  If c is not in the Mandelbrot set, the Julia set will be a
  240. Cantor dust.
  241.  
  242. Q8c: How is a Julia set actually computed?
  243. A8c: The Julia set can be computed by iteration similar to the Mandelbrot
  244. computation.  Alternatively, points on the boundary of the Julia set can be
  245. computed quickly by using inverse iterations.
  246.  
  247. Q8d: What are some Julia set facts?
  248. A8d: The Julia set of any rational map of degree greater than one is perfect
  249. (hence in particular uncountable and nonempty), completely invariant, equal to
  250. the Julia set of any iterate of the function, and also is the boundary of the
  251. basin of attraction of every attractor for the map (see "Complex Analytic
  252. Dynamics on the Riemann Sphere").
  253.  
  254. ------------------------------
  255.  
  256. Subject: Complex arithmetic and quaternion arithmetic
  257.  
  258. Q9a: How does complex arithmetic work?
  259. A9a: It works mostly like regular algebra with a couple additional formulas:
  260. (note: a,b are reals, x,y are complex, i is the square root of -1)
  261. i^2 = -1
  262. exp(a+i*b) = exp(a)(cos(b)+i*sin(b))
  263. From these:
  264. Addition: (a+i*b)+(c+i*d) = (a+c)+i*(b+d)
  265. Multiplication: (a+i*b)*(c+i*d) = a*c-b*d + i*(a*d+b*c)
  266. Division: (a+i*b)/(c+i*d) = (a+i*b)*(c-i*d)/(c^2+d^2)
  267. Sine: sin(x) = (exp(i*x)-exp(-i*x))/(2*i)
  268. Cos: cos(x) = (exp(i*x)+exp(-i*x)/2
  269. Magnitude: |a+i*b| = sqrt(a^2+b^2)
  270. Log: log(a+i*b) = log(|a+i*b|)+i*arctan(b/a)  (Note: log is multivalued.)
  271. Complex powers: x^y = exp(y*log(x))
  272. DeMoivre's theorem: x^a = r^a * [cos(a*theta) + i * sin(a*theta)]
  273. More details can be found in any complex analysis book.
  274.  
  275. Q9b: How does quaternion arithmetic work?
  276. A9b: Quaternions have 4 components (a+ib+jc+kd) compared to the two of complex
  277. numbers.  Operations such as addition and multiplication can be performed on
  278. quaternions, but multiplication is not commutative.  Quaternions satisfy the
  279. rules i^2=j^2=k^2=-1, ij=-ji=k, jk=-kj=i, ki=-ik=j.
  280.  
  281. ------------------------------
  282.  
  283. Subject: Iterated function systems
  284.  
  285. Q10a: What is an iterated function system (IFS)?
  286. A10a: If a fractal is self-similar, you can specify various mappings that map
  287. the whole onto the parts.  By taking a point and repeatedly applying these
  288. mappings you end up with a collection of points on the fractal.  In other
  289. words, instead of a single mapping x -> F(x), there is a collection of
  290. (usually linear) mappings, and random selection chooses which mapping is used.
  291.  
  292. Iterated function systems can be used to make things such as fractal ferns and
  293. trees and are also used in fractal image compression.  _Fractals Everywhere_
  294. by Barnsley is mostly about iterated function systems.
  295.  
  296. Q10b: What is the state of fractal compression?
  297. A10b: (Much of this information comes from the comp.compression FAQ, available
  298. from FAQ archive sites as compression-faq.  That FAQ has more information and
  299. a long list of references.  The state of fractal compression seems to be quite
  300. controversial, with some people claiming it doesn't work well, and others
  301. claiming it works wonderfully.)
  302.  
  303. Tal Kubo <kubo@zariski.harvard.edu> states:
  304.  
  305. According to Barnsley's book 'Fractals Everywhere', this method is based on a
  306. measure of deviation between a given image and its approximation by an IFS
  307. code.  The Collage Theorem states that there is a convergent process to
  308. minimize this deviation.  Unfortunately, according to an article Barnsley
  309. wrote for BYTE a few years ago, this convergence was rather slow, about 100
  310. hours on a Cray, unless assisted by a person.
  311.  
  312. Barnsley et al are not divulging any technical information beyond the meager
  313. bit in 'Fractals Everywhere'.  The book explains the idea of IFS codes at
  314. length, but is vague about the application of the Collage theorem to specific
  315. compression problems.
  316.  
  317. There is reason to believe that Barnsley's company has *no algorithm* which
  318. takes a given reasonable image and achieves the compression ratios initially
  319. claimed for their fractal methods.  The 1000-to-1 compression advertised was
  320. achieved only for a 'rigged' class of images, with human assistance. The best
  321. unaided performance I've heard of is good lossy compression of about 80-1.
  322.  
  323. But Yuval Fisher <fisher@inls1.ucsd.edu> disagrees:
  324.  
  325. Their performance has improved dramatically beyond what they were talking
  326. about in BYTE a few years ago.  Human assistance to the compression is no
  327. longer needed and the compression time is reasonable, although the more time
  328. and compute power you throw at the compression, the smaller the resulting file
  329. for the same level of quality.
  330.  
  331. Kevin Ring provided information on Iterated Systems, Inc.'s products.  They
  332. have a Windows viewer, compressor, and magnifier program, as well as a
  333. hardware assist board.  They claim compression ratios such as 80:1, 154:1,
  334. 614:1, and 2546:1.
  335.  
  336. An introductory paper is:
  337.  
  338. 1.  A. E. Jacquin, Image Coding Based on a Fractal Theory of Iterated
  339. Contractive Image Transformation, _IEEE Transactions on Image Processing_,
  340. January 1992.
  341.  
  342. A fractal decompression demo program is available by anonymous ftp to
  343. lyapunov.ucsd.edu [132.239.86.10] in /pub/inls-ucsd/fractal-2.0.
  344.  
  345. Another MS-DOS compression demonstration program is available by anonymous ftp
  346. to lyapunov.ucsd.edu in /pub/young-fractal.
  347.  
  348. ------------------------------
  349.  
  350. Subject: Chaotic demonstrations
  351.  
  352. Q11a: How can you make a chaotic oscillator?
  353. A11a: Two references are:
  354.  
  355. 1.  T. S. Parker and L. O. Chua, Chaos: a tutorial for engineers, _Proceedings
  356. IEEE_ 75 (1987), pp. 982-1008.
  357.  
  358. 2.  _New Scientist_, June 30, 1990, p. 37.
  359.  
  360. Q11b: What are laboratory demonstrations of chaos?
  361. A11b: Two references are:
  362.  
  363. 1.  K. Briggs, Simple Experiments in Chaotic Dynamics, _American Journal of
  364. Physics_ 55, 12 (Dec 1987), pp. 1083-1089.
  365.  
  366. 2.  J. L. Snider, Simple Demonstration of Coupled Oscillations, _American
  367. Journal of Physics_ 56, 3 (Mar 1988), p. 200.
  368.  
  369. ------------------------------
  370.  
  371. Subject: Fractal mountains
  372.  
  373. Q12: How are fractal mountains generated?
  374. A12: Usually by a method such as taking a triangle, dividing it into 3
  375. subtriangles, and perturbing the center point.  This process is then repeated
  376. on the subtriangles.  This results in a 2-d table of heights, which can then
  377. be rendered as a 3-d image.
  378.  
  379. ------------------------------
  380.  
  381. Subject: Plasma clouds
  382.  
  383. Q13: What are plasma clouds?
  384. A13: They are a fractint fractal and are similar to fractal mountains.
  385. Instead of a 2-d table of heights, the result is a 2-d table of intensities.
  386. They are formed by repeatedly subdividing squares.
  387.  
  388. ------------------------------
  389.  
  390. Subject: Lyapunov fractals
  391.  
  392. Q14a: Where are the popular periodically-forced Lyapunov fractals described?
  393. A14a: See:
  394.  
  395. 1.  A. K. Dewdney, Leaping into Lyapunov Space, _Scientific American_, Sept.
  396. 1991, pp. 178-180.
  397.  
  398. 2.  M. Markus and B. Hess, Lyapunov Exponents of the Logistic Map with
  399. Periodic Forcing, _Computers and Graphics_ 13, 4 (1989), pp. 553-558.
  400.  
  401. 3.  M. Markus, Chaos in Maps with Continuous and Discontinuous Maxima,
  402. _Computers in Physics_, Sep/Oct 1990, pp. 481-493.
  403.  
  404. Q14b: What are Lyapunov exponents?
  405. A14b:
  406.  
  407. Lyapunov exponents quantify the amount of linear stability or instability of
  408. an attractor, or an asymptotically long orbit of a dynamical system.  There
  409. are as many lyapunov exponents as there are dimensions in the state space of
  410. the system, but the largest is usually the most important.
  411.  
  412. Given two initial conditions for a chaotic system, a and b, which are close
  413. together, the average values obtained in successive iterations for a and b
  414. will differ by an exponentially increasing amount.  In other words, the two
  415. sets of numbers drift apart exponentially.  If this is written e^(n*(lambda))
  416. for n iterations, then e^(lambda) is the factor by which the distance between
  417. closely related points becomes stretched or contracted in one iteration.
  418. Lambda is the Lyapunov exponent.  At least one Lyapunov exponent must be
  419. positive in a chaotic system.  A simple derivation is available in:
  420.  
  421. 1.  H. G. Schuster, _Deterministic Chaos: An Introduction_, Physics Verlag,
  422. 1984.
  423.  
  424. Q14c: How can Lyapunov exponents be calculated?
  425. A14c: For the common periodic forcing pictures, the lyapunov exponent is:
  426.  
  427. lambda = limit as N->infinity of 1/N times sum from n=1 to N of log2(abs(dx
  428. sub n+1 over dx sub n))
  429.  
  430. In other words, at each point in the sequence, the derivative of the iterated
  431. equation is evaluated.  The Lyapunov exponent is the average value of the log
  432. of the derivative.  If the value is negative, the iteration is stable.  Note
  433. that summing the logs corresponds to multiplying the derivatives; if the
  434. product of the derivatives has magnitude < 1, points will get pulled closer
  435. together as they go through the iteration.
  436.  
  437. MS-DOS and Unix programs for estimating Lyapunov exponents from short time
  438. series are available from lyapunov.ucsd.edu in /pub/ncsu.
  439.  
  440. Computing Lyapunov exponents in general is more difficult.  Some references
  441. are:
  442.  
  443. 1.  H. D. I. Abarbanel, R. Brown and M. B. Kennel, Lyapunov Exponents in
  444. Chaotic Systems: Their importance and their evaluation using observed data,
  445. _International Journal of Modern Physics B_ 56, 9 (1991), pp. 1347-1375.
  446.  
  447. 2.  A. K. Dewdney, Leaping into Lyapunov Space, _Scientific American_, Sept.
  448. 1991, pp. 178-180.
  449.  
  450. 3.  M. Frank and T. Stenges, _Journal of Economic Surveys_ 2 (1988), pp. 103-
  451. 133.
  452.  
  453. 4.  T. S. Parker and L. O. Chua, _Practical Numerical Algorithms for Chaotic
  454. Systems_, Springer Verlag, 1989.
  455.  
  456. ------------------------------
  457.  
  458. Subject: Logistic equation
  459.  
  460. Q15: What is the logistic equation?
  461. A15: It models animal populations.  The equation is x -> c*x*(1-x), where x is
  462. the population (between 0 and 1) and c is a growth constant.  Iteration of
  463. this equation yields the period doubling route to chaos.  For c between 1 and
  464. 3, the population will settle to a fixed value.  For larger c, the population
  465. will oscillate between two values, then four values, eight, sixteen, etc.  For
  466. still larger c (between 3.57 and 4), the population behavior is chaotic (for
  467. most c values).  See "An Introduction to Chaotic Dynamical Systems" for more
  468. information.)
  469.  
  470. ------------------------------
  471.  
  472. Subject: Chaos
  473.  
  474. Q16: What is chaos?
  475. A16: An attractor is chaotic if at least one of its Lyapunov exponents is
  476. positive.  Chaos results from the existence of a chaotic attractor.
  477.  
  478. Chaos is the recurrent behavior of a deterministic dynamical system in which
  479. the phase-space divergence of nearby trajectories at an exponential rate
  480. results in a limited predictability horizon.
  481.  
  482. In chaotic iterated systems of the form x_{i+1}=f(x_i), the result after
  483. iteration is extremely sensitive to the initial value such that
  484. f^n(x_0+(epsilon)) is nowhere near f^n(x_0).
  485.  
  486. Chaos results from our inability to predict the future behavior of a
  487. deterministic system from initial conditions because of its great sensitivity
  488. to initial conditions.
  489.  
  490. Chaos is apparently unpredictable behavior arising in a deterministic system.
  491.  
  492. ------------------------------
  493.  
  494. Subject: Nonlinearity
  495.  
  496. Q17: What is nonlinearity? What are nonlinear equations?
  497. A17: Nonlinear maps fail to satisfy the condition that f(ax+by)=af(x)+bf(y)
  498. where x and y are vectors, and a and b are scalars.  e.g. f(x)=ax is linear.
  499. f(x)=x^2 is nonlinear.  Nonlinearity is a map or term that is not linear.
  500.  
  501. A nonlinear system gives an output which is not proportional to the
  502. corresponding input.  Nonlinear dynamical systems possess nonlinear dynamical
  503. laws, which are functions of the system's state variables.
  504.  
  505. In linear systems, dy/dx is a constant, while in nonlinear systems dy/dx=some
  506. nonconstant function of x.
  507.  
  508. Nonlinear equations fail to exhibit linear superimposability.  Nonlinear
  509. equations can be categorized by differentiability, discontinuity, and "memory"
  510. (e.g. hysteresis in an electric circuit), etc.  This can be important to some
  511. types of nonlinear analysis such as the Popov hyperstability criterion.
  512.  
  513. Nonlinearity References:
  514.  
  515. 1.  W. A. Brock and E. G. Baek, Some Theory of Statistical Inference for
  516. Nonlinear Science, _Review of Economic Studies_ 58, 4 (1991), pp. 697-716.
  517.  
  518. 2.  J. Guckenheimer and P. Holmes, _Nonlinear Oscillations Dynamical Systems
  519. and Bifurcations of Vector Fields_, Springer-Verlag, New York, 1983.
  520.  
  521. 3.  D. Zelinsky, _A First Course in Linear Algebra_, Academic Press, 1973.
  522.  
  523. ------------------------------
  524.  
  525. Subject: What is a fractal?
  526.  
  527. Q18: What is a fractal? What are some examples of fractals?
  528. A18: A fractal is a rough or fragmented geometric shape that can be subdivided
  529. in parts, each of which is (at least approximately) a reduced-size copy of the
  530. whole.  (A definition from B. Mandelbrot)
  531.  
  532. A fractal is a set of points whose fractal (Hausdorff) dimension exceeds its
  533. topological dimension.
  534.  
  535. Examples of fractals: Sierpinski triangle, Koch snowflake, Peano curve,
  536. Mandlebrot set.
  537.  
  538. ------------------------------
  539.  
  540. Subject: Fractal dimension
  541.  
  542. Q19a: What is fractal dimension? How is it calculated?
  543. A19a: A common type of fractal dimension is the Hausdorff-Besikovich
  544. Dimension.
  545.  
  546. Roughly, fractal dimension can be calculated by taking the limit of the
  547. quotient of the log change in object size and the log change in measurement
  548. scale, as the measurement scale approaches zero.  The differences come in what
  549. is exactly meant by "object size" and what is meant by "measurement scale" and
  550. how to get an average number out of many different parts of a geometrical
  551. object.  Fractal dimensions quantify the static *geometry* of an object.
  552.  
  553. For example, consider a straight line.  Now blow up the line by a factor of
  554. two.  The line is now twice as long as before.  Log 2 / Log 2 = 1,
  555. corresponding to dimension 1.  Consider a square.  Now blow up the square by a
  556. factor of two.  The square is now 4 times as large as before (i.e. 4 original
  557. squares can be placed on the original square).  Log 4 / log 2 = 2,
  558. corresponding to dimension 2 for the square.  Consider a snowflake curve
  559. formed by repeatedly replacing ___ with _/\_, where each of the 4 new lines is
  560. 1/3 the length of the old line.  Blowing up the snowflake curve by a factor of
  561. 3 results in a snowflake curve 4 times as large (one of the old snowflake
  562. curves can be placed on each of the 4 segments _/\_).  Log 4 / log 3 =
  563. 1.261...  Since the dimension 1.261 is larger than the dimension 1 of the
  564. lines making up the curve, the snowflake curve is a fractal.
  565.  
  566. Fractal dimension references:
  567.  
  568. 1.  J. P. Eckmann and D. Ruelle, _Reviews of Modern Physics_ 57, 3 (1985), pp.
  569. 617-656.
  570.  
  571. 2.  K. J. Falconer, _The Geometry of Fractal Sets_, Cambridge Univ.  Press,
  572. 1985.
  573.  
  574. 3.  T. S. Parker and L. O. Chua, _Practical Numerical Algorithms for Chaotic
  575. Systems_, Springer Verlag, 1989.
  576.  
  577. 4.  H. Peitgen and D. Saupe, eds., _The Science of Fractal Images_, Springer-
  578. Verlag Inc., New York, 1988.  ISBN 0-387-96608-0.  This book contains many
  579. color and black and white photographs, high level math, and several
  580. pseudocoded algorithms.
  581.  
  582. 5.  G. Procaccia, _Physica D_ 9 (1983), pp. 189-208.
  583.  
  584. 6.  J. Theiler, _Physical Review A_ 41 (1990), pp. 3038-3051.
  585.  
  586. References on how to estimate fractal dimension:
  587.  
  588. 1.  E. Peters, _Chaos and Order in the Capital Markets_, New York, 1991.  ISBN
  589. 0-471-53372-6 Discusses methods of computing fractal dimension.  Includes
  590. several short programs for nonlinear analysis.
  591.  
  592. 2.  J. Theiler, Estimating Fractal Dimension, _Journal of the Optical Society
  593. of America A-Optics and Image Science_ 7, 6 (June 1990), pp. 1055-1073.
  594.  
  595. Fractal dimension software:
  596.  
  597. Fractal Dimension Calculator is a Macintosh program which uses the box-
  598. counting method to compute the fractal dimension of planar graphical objects.
  599. It is available by anonymous ftp from wuarchive.wustl.edu The path is:
  600. /mirrors4/architec/Fractals/FracDim.sit.hqx.
  601.  
  602. Q19b: What is topological dimension?
  603. A19b: Topological dimension is the "normal" idea of dimension; a point has
  604. topological dimension 0, a line has topological dimension 1, a surface has
  605. topological dimension 2, etc.
  606.  
  607. For a rigorous definition:
  608.  
  609. A set has topological dimension 0 if every point has arbitrarily small
  610. neighborhoods whose boundaries do not intersect the set.
  611.  
  612. A set S has topological dimension k if each point in S has arbitrarily small
  613. neighborhoods whose boundaries meet S in a set of dimension k-1, and k is the
  614. least nonnegative integer for which this holds.
  615.  
  616. ------------------------------
  617.  
  618. Subject: Strange attractors
  619.  
  620. Q20: What is a strange attractor?
  621. A20: A strange attractor is the limit set of a chaotic trajectory.
  622.  
  623. A strange attractor is an indecomposable closed invariant set that "attracts"
  624. the points about it which contains a transversal homoclinic orbit.  (This
  625. orbit accounts for the strangeness.)
  626.  
  627. A strange attractor is a phase space locus of a bounded long-term dynamical
  628. behavior which has a nonzero probability of being observed - its basin of
  629. attraction has positive measure - and contains not a smooth manifold
  630. structure, but rather a self-similar or fractal structure.  Note: While all
  631. chaotic attractors are strange, not all strange attractors are chaotic.
  632. Reference:
  633.  
  634. 1.  Grebogi, et al., Strange Attractors that are not Chaotic, _Physica D_ 13
  635. (1984), pp. 261-268.
  636.  
  637. Consider a volume in phase space defined by all the initial conditions a
  638. system may have.  For a dissipative system, this volume will shrink as the
  639. system evolves in time (Liouville's Theorem).  If the system is sensitive to
  640. initial conditions, the trajectories of the points defining initial conditions
  641. will move apart in some directions, closer in others, but there will be a net
  642. shrinkage in volume.  Ultimately, all points will lie along a fine line of
  643. zero volume.  This is the strange attractor.  All initial points in phase
  644. space which ultimately land on the attractor form a Basin of Attraction.
  645. Note: A strange attractor results if a system is sensitive to initial
  646. conditions and is not conservative.
  647.