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Iteraciones de$f_b(x) = x - \log_b(x) $ - para$\log(b) \approx 0.399$: ¿convergencia a puntos de acumulación o caos?

En una pregunta anterior me llegó a la familia de funciones (dependiendo de un parámetro real b para la base de exponenciación/logaritmo): $$ f(x) = x - \log_b(x) \qquad \qquad b \gt 0$$ con la cuestión de si, y si: a qué iteraciones convergen si se empieza de a, digamos, $x_0=3$.

Vamos a por conveniencia $\beta$ denotar $\beta = \log(b)$ .

Me parece empíricamente, que para $\beta \ge 1$ $$ \lim_{h \to \infty} f^{\circ h}(x_0) = 1 $$ donde la convergencia es monotonuously desde arriba. Para algunos $\eta_1 \approx 0.498 \lt \beta \lt 1$ el límite todavía es $1$ pero converge desde arriba y por debajo de $1$

Para una gama de pequeñas bases de $b=\exp(\beta)$ $\eta_2 \approx 0.3999 \lt \beta \lt 0.498 \approx \eta_1 $ tenemos convergencias para conjuntos de acumulación de puntos, con lo que establezca la lengthes $12,24,48,96, ??? $, lo que posiblemente podría extender a múltiplos de $12$ (o incluso de $3$) con poderes arbitrarios de $2$ .

Finalmente, para $ \beta \lt \eta_2$ parece, que no hay más convergencia, y la secuencia de iteración produce números que se ven bastante aleatorio.

P1: ¿Podemos aproximar los valores de la $\eta$'s más precisa? Hay descripciones analíticas para ellos?
P2: Son los posibles lengthes para la acumulación de puntos, de hecho,$12 \cdot 2^k$ ?

Ejemplos: Para $\beta = 0.41$ ,$b \approx 1.50681778511 $ llego después de 1000 inicial de iteraciones de la siguiente secuencia de más itera (leer a lo largo de las filas)

  ... 
  0.264550328299,  3.50777903235,  0.446844683843,  2.41158665503,
  0.264550328299,  3.50777903235,  0.446844683843,  2.41158665503,
  0.264550328299,  3.50777903235,  0.446844683843,  2.41158665503,
  0.264550328299,  3.50777903235,  0.446844683843,  2.41158665503,
  0.264550328299,  3.50777903235,  0.446844683843,  2.41158665503,
  0.264550328299,  3.50777903235,  0.446844683843,  2.41158665503,
  0.264550328299,  3.50777903235,  0.446844683843,  2.41158665503,
  0.264550328299,  3.50777903235,  0.446844683843,  2.41158665503,
  ...

Los cuatro valores diferentes son lo que yo llamo "la acumulación de puntos" y el conjunto-duración de esta base es sólo 4 .


[actualización] Aunque la pregunta Q2 ha sido resuelto manipula/ - aquí está la tabla a la que me he referido cuando yo estaba hablando acerca de los conjuntos de la acumulación de puntos. Sin embargo no me había dado cuenta, que las cardinalidades de los conjuntos de la acumulación de puntos según el valor inicial $x_0$ además de que el parámetro para la exponencial de base $b \lt \sqrt e $ y pueden ser creados de forma arbitraria. Valor inicial para esta tabla fue en todos los casos $x_0=3$: $$ \begin{array}{l|l} \log(b) & \text{"set-length" or } \\ & \small \text{"No. of accumulation-points"} \\ \hline\\ 0.4 & 12 \\ 0.3999 & 24 \\ 0.39988 & 24 \\ 0.39987 & 24 \\ 0.399865 & 48 \\ 0.39986 & 48 \\ 0.399858 & 96 \\ 0.399857 & 96\\ 0.39985 & \small \text{-no sufficient convergence } \\ & \small \text{ achieved in 100000 iterations-}\\ \end{array}$$

2voto

zeroasterisk Puntos 165

Un punto importante en el sistema es $b=\sqrt{e}$, como fue señalado por Gottfried. Para $b>\sqrt{e}$, hay una estable atracción de punto fijo para $f(x)=x-\log_b(x)$, y que el punto fijo x=1. Para $1.518120456732599974768513856<b<\sqrt{e}$, el punto fijo en el barrio de uno es repeler, y la recorre de partida en el barrio de uno (pero no igual a uno) resolver en dos ciclos de órbita. Este valor, $\approx1.5181$ es el siguiente punto crítico en la iteración f(x), y para las bases de menos de ese valor, el sistema de nuevo bifurca.

Two cycle boundary base, where f(f(z0+delta))=z0-delta
b=1.518120456732599974768513856, with two-cycle fixed point values 
If b is any smaller, the fixed points settle into a four cycle orbit
z0            0.3467994474160251099023657636
f(z0)         2.883510938240876275139117018
f(f(z0))      0.3467994474160251099023657636

Para $1.499042192220287185464351750<b<1.518120456732599974768513856$, el punto fijo de partida en el barrio de uno se convierte en un ciclo de cuatro órbita. Por debajo de ese punto, el sistema se conformaría en un ciclo de ocho órbita. No me calcular el siguiente punto de bifurcación, donde el ciclo de ocho órbitas convertido en dieciséis ciclo de las órbitas. Como yo entiendo la dinámica compleja, hay una secuencia infinita de poder de estos dos bifurcaciones, con cada región más pequeña que la anterior bifurcación de la región. Este es Mandelbrot como el comportamiento, aunque yo no presumiría saber cómo hacer un "Mandelbrot" como complejo gráfico para Gottfried función de la misma.

Four cycle boundary base, where f(f(f(f(z0+delta))))=z0-delta
b=1.499042192220287185464351750, with four-cycle fixed point values
If b is any smaller, the fixed points settle into an eight cycle orbit
z0            0.4802675808315708379198177213
f(z0)         2.291937799458985333070087006
f(f(z0))      0.2431639774409501127511516471
f(f(f(f(z0))) 3.736067056308005100926684146
f^5(z0)       0.4802675808315708379198177213

Gottfried miró a $b=\exp(0.4)$, que tiene un ciclo de doce en punto fijo. Esta es una región de estabilidad, que es en realidad allá de la infinita secuencia de bifurcaciones, similar a la de un mini-Mandelbrot en el conjunto de Mandelbrot. Antes de llegar a la mini-Mandelbrot región, usted tiene que conseguir más allá de la infinita secuencia de bifurcaciones, donde el caos se produce, que parece estar cerca de $b=\exp(0.4015293)$. Por ejemplo, $b=\exp(0.4015295)$ es en la de 512 ciclo de la región, que está muy cerca de la caótica límite.

editado con imágenes actualizadas. Ver esta respuesta, ¿Cómo determinar el punto de partida para este Mandelbrot? que tiene el ideal de $z_0=1/\log(b)$ como el punto de partida para recorrer en iteración f(x). Aquí está el principal Mandelbrot "bug", que se genera a partir de Gottfried del iterada de la función. Las líneas de división para el conjunto Mandelbrot imagen 1/10, con la función de variación de 1.425 a 1.725. Usted puede ver los principales bifurcación de la línea en $\exp(0.5)\approx1.65$. Parece stackexchange cambiado el tamaño de la imagen, pero si se hace un clic derecho, se puede ver el original en 750x500. wide view

El algoritmo que he usado, funciona bastante bien, con el $z_0$ punto de partida. Por desgracia, parece que stackexchange editado el exif comentarios de el .los archivos jpg. Aquí es un zoom, de 1.491 a 1.519, con las líneas de la cuadrícula de 1/100, mostrando el 8x bifurcación de la región. A la izquierda, usted puede hacer Gottfried la región en 1.4918. zoom in

Aquí está la punta, de 1.44 1.50, con las líneas de la cuadrícula de 1/100. Usted puede ver a varios de los mini-mandelbrots. chaos

Aquí es el más grande de mini-mandelbrot, de 1.452 a 1.4544, con las líneas de la cuadrícula de 1/1000. Este mini-mandelbrot tiene un bulbo principal con un 3-ciclo, en comparación con el 12-ciclo de la mini-mandelbrot en Gottfried pregunta. biggest mini mandelbrot

Finalmente, aquí está la increíble vista amplia, mostrando la infinita espiral, de radio $\exp(0.5)$, con los valores reales que van desde +/-1.66, y el imaginario máximo de 1.66 así. En todas partes fuera de este infinito circular en espiral, el fijo atraer punto es 1. El muy negro más grande de la región en el centro de la espiral entre -0.6 y +1 es un cálculo artefacto, donde la base es cercana a cero. Esto es debido a que la función escapa a +infinito en lugar de infinito, de manera que el algoritmo incorrectamente se refiere a esto como un punto fijo estable de la región. spiral radius exp(0.5)

Aquí hay un enlace a la pari-gp de código. http://www.sheltx.com/pari/gottfried.gp

0voto

Jorrit Reedijk Puntos 129

¿ha dado la respuesta para $\eta$ downto $\frac 12$ en el otro hilo, que es sin duda suficiente para preguntas Q1 a Q3 allí.

Para la pregunta Q1 Y Q2 aquí parece que de forma heurística, que la declaración del problema tiene una premisa falsa: el número de la acumulación de puntos depende de la inicial-valor de $x_0$ también, y no sólo en el parámetro de la base. Por otra parte, el uso de Newton-Raphson puedo encontrar arbitraria ciclo-lengthes para cualquier base $1 \lt b \lt \sqrt e$ si yo también ampliar el rango de x para los números complejos.

Si me denotar $ f_b(x,m)$ para el m'th recorrer de $f_b(x)$ (que se define a continuación, el ciclo de longitud para una eventual trayectoria cíclica) para cualquier m puedo encontrar $ x= f_b(x,m)$ el uso de Newton-Raphson por $$ x_{k+1} = x_k - { f_b(x_k,m)-x_k\over f_b(x_k,m)'-1 }$$, where possibly $x$ es entonces compleja.

Para usar la base de $b=\exp(0.4)$ I encontrar, por ejemplo (con k tales que k'th recorrer $x_k$ es convergente a un puñado de líderes decimales) $$\pequeño \begin{array} {l|l|l|llllll} & \text{m:cycle} \\ x_0& \text{length} & x_k & \text{sequential } & \text{values} \\ \hline \\ 0.2 & 1 & 1 & 1&1&1&1&\ldots \\ 0.2 & 2 & 0.306442378456 & 0.306442& 3.26326& 0.306442& 3.26326&\ldots \\ 0.2 & 3 & 0.0462856 & 0.0462856 & 7.33793 & 2.31467 & 0.0462856 & \ldots\\ & & + 0.0280356i & + 0.0280356 i & - 1.33348 i &- 0.884073 i & + 0.0280356 i & \ldots\\ 0.2 & 4 & 0.227918 &0.227918 & 3.92484& 0.506526& 2.20697& \\ & & &0.227918 & 3.92484& 0.506526& 2.20697& \ldots \\ & \vdots & \vdots & \end{array} $$

y así sucesivamente. Esto pone todo el tema con el que he tratado en cuestión Q2 lejos de que las cosas con las que estoy interesado en el problema inicial y se convierte en lo poco interesante para mí en este momento. Voy simplemente lo toman como dado, que para bases de $b \lt \sqrt e$ una evaluación significativa de la infinita producto tal como se describe en mi anterior pregunta es no existente.

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Jorrit Reedijk Puntos 129

Esta no es una respuesta, sólo datos adicionales para la aclaración. Me quedé con la base constante (aquí he utilizado: $b = \exp(0.3)$) y fue capaz de encontrar ciclos de lengthes 2 a 16 con la ayuda de Newton-Raphson. La resp. inicio-valores de simplemente seguir la una de la otra, empecé inicialmente con $x_0=0.3$ para el ciclo de longitud 2 y se utiliza entonces para el ciclo de longitud 3 el primero encontrado cíclico punto fijo como la nueva puesta en valor y así sucesivamente. La lista de los 16 primeros de la "primera cíclico-fixpoints"/"los valores de" a 30 dec lugares es el final.

El ciclo lengthes 2-6:

$ \qquad \qquad \pequeño \begin{array} {} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & \leftarrow \text{cyclelengthes } m\\ \hline . & 0.159041 & 0.0724444 & 0.107726 & 0.0921493 & 0.0987509 & \downarrow \text{trajectories}\\ . & 6.28768 & 8.82223 & 7.53494 & 8.03997 & 7.81593 \\ . & . & 1.56465 & 0.803103 & 1.09188 & 0.962052 \\ . & . & . & 1.53401 & 0.798869 & 1.09101 \\ . & . & . & . & 1.54740 & 0.800668 \\ . & . & . & . & . & 1.54170 \\ . & . & . & . & . & . \\ . & 0.159041 & 0.0724444 & 0.107726 & 0.0921493 & 0.0987509 \\ . & 6.28768 & 8.82223 & 7.53494 & 8.03997 & 7.81593 \\ . & . & 1.56465 & 0.803103 & 1.09188 & 0.962052 \\ . & . & . & 1.53401 & 0.798869 & 1.09101 \\ . & . & . & . & 1.54740 & 0.800668 \\ . & . & . & . & . & 1.54170 \\ . & . & . & . & . & . \end{array} $

El ciclo lengthes 7-12:

$\qquad \qquad \pequeño \begin{array} {} 7 & 8 & 9 & 10 & 11 & 12 & \leftarrow \text{cyclelengthes } m\\ \hline 0.0959073 & 0.0971234 & 0.0966017 & 0.0968252 & 0.0967294 & 0.0967705 \\ 7.91049 & 7.86970 & 7.88713 & 7.87965 & 7.88286 & 7.88148 \\ 1.01652 & 0.992967 & 1.00302 & 0.998706 & 1.00055 & 0.999762 \\ 0.961899 & 1.01649 & 0.992962 & 1.00302 & 0.998706 & 1.00055 \\ 1.09138 & 0.961965 & 1.01651 & 0.992964 & 1.00302 & 0.998706 \\ 0.799894 & 1.09122 & 0.961937 & 1.01650 & 0.992963 & 1.00302 \\ 1.54415 & 0.800225 & 1.09129 & 0.961949 & 1.01650 & 0.992963 \\ . & 1.54310 & 0.800083 & 1.09126 & 0.961943 & 1.01650 \\ . & . & 1.54355 & 0.800144 & 1.09128 & 0.961946 \\ . & . & . & 1.54336 & 0.800118 & 1.09127 \\ . & . & . & . & 1.54344 & 0.800129 \\ . & . & . & . & . & 1.54340 \\ . & . & . & . & . & . \\ 0.0959073 & 0.0971234 & 0.0966017 & 0.0968252 & 0.0967294 & 0.0967705 \\ 7.91049 & 7.86970 & 7.88713 & 7.87965 & 7.88286 & 7.88148 \\ 1.01652 & 0.992967 & 1.00302 & 0.998706 & 1.00055 & 0.999762 \\ 0.961899 & 1.01649 & 0.992962 & 1.00302 & 0.998706 & 1.00055 \\ 1.09138 & 0.961965 & 1.01651 & 0.992964 & 1.00302 & 0.998706 \\ 0.799894 & 1.09122 & 0.961937 & 1.01650 & 0.992963 & 1.00302 \\ 1.54415 & 0.800225 & 1.09129 & 0.961949 & 1.01650 & 0.992963 \\ . & 1.54310 & 0.800083 & 1.09126 & 0.961943 & 1.01650 \\ . & . & 1.54355 & 0.800144 & 1.09128 & 0.961946 \\ . & . & . & 1.54336 & 0.800118 & 1.09127 \\ . & . & . & . & 1.54344 & 0.800129 \\ . & . & . & . & . & 1.54340 \\ . & . & . & . & . & . \end{array} $

El ciclo lengthes 13-16:

$ \qquad \qquad \pequeño \begin{array} {} 13 & 14 & 15 & 16 & \leftarrow \text{cyclelengthes } m\\ \hline 0.0967529 & 0.0967604 & 0.0967572 & 0.0967586 \\ 7.88207 & 7.88182 & 7.88193 & 7.88188 \\ 1.00010 & 0.999956 & 1.00002 & 0.999992 \\ 0.999762 & 1.00010 & 0.999956 & 1.00002 \\ 1.00055 & 0.999762 & 1.00010 & 0.999956 \\ 0.998706 & 1.00055 & 0.999762 & 1.00010 \\ 1.00302 & 0.998706 & 1.00055 & 0.999762 \\ 0.992963 & 1.00302 & 0.998706 & 1.00055 \\ 1.01650 & 0.992963 & 1.00302 & 0.998706 \\ 0.961945 & 1.01650 & 0.992963 & 1.00302 \\ 1.09127 & 0.961945 & 1.01650 & 0.992963 \\ 0.800124 & 1.09127 & 0.961945 & 1.01650 \\ 1.54342 & 0.800126 & 1.09127 & 0.961945 \\ . & 1.54341 & 0.800125 & 1.09127 \\ . & . & 1.54341 & 0.800126 \\ . & . & . & 1.54341 \\ 0.0967529 & 0.0967604 & 0.0967572 & 0.0967586 \\ 7.88207 & 7.88182 & 7.88193 & 7.88188 \\ 1.00010 & 0.999956 & 1.00002 & 0.999992 \\ 0.999762 & 1.00010 & 0.999956 & 1.00002 \\ 1.00055 & 0.999762 & 1.00010 & 0.999956 \\ 0.998706 & 1.00055 & 0.999762 & 1.00010 \\ 1.00302 & 0.998706 & 1.00055 & 0.999762 \\ 0.992963 & 1.00302 & 0.998706 & 1.00055 \\ 1.01650 & 0.992963 & 1.00302 & 0.998706 \\ 0.961945 & 1.01650 & 0.992963 & 1.00302 \\ 1.09127 & 0.961945 & 1.01650 & 0.992963 \\ 0.800124 & 1.09127 & 0.961945 & 1.01650 \\ 1.54342 & 0.800126 & 1.09127 & 0.961945 \\ . & 1.54341 & 0.800125 & 1.09127 \\ . & . & 1.54341 & 0.800126 \\ . & . & . & 1.54341 \end{array} $

El cíclico fixpoints para cada ciclo de longitud m a 30 dec dígitos son también los puntos de partida para el método de Newton-Raphson-procedimiento para el próximo ciclo de longitud $m+1$ . Curiosamente este esquema produce la alternancia de los límites para el estrechamiento de los intervalos, dando a esta reordenar la tabla:

$\qquad \qquad \pequeño \begin{array} {r|l} m & \text{first cyclic fixpoint } = x_0 \text{ for next cyclelength} \\ \hline \\ 2 & 0.159041084882895574495955752175 \\ 4 & 0.107726043781343669667867086903 \\ 6 & 0.0987509046403918254103678692724 \\ 8 & 0.0971233874469226325765131094510 \\ 10 & 0.0968252004874207495824556555046 \\ 12 & 0.0967704568098497621845207951468 \\ 14 & 0.0967604027054928413243617832173 \\ 16 & 0.0967585560621788196164841502410 \\ \vdots & \vdots \\ 15 & 0.0967571710855825604696049846966 \\ 13 & 0.0967528623017882811913815895871 \\ 11 & 0.0967294042250856722089645206781 \\ 9 & 0.0966017134595652725208751239797 \\ 7 & 0.0959072648993569832837545208329 \\ 5 & 0.0921492817018520819559288645547 \\ 3 & 0.0724443866103568737821362424132 \\ \end{array} $

El conjunto cíclico de la fixpoints consecutivo el ciclo lengthes como encontrado aquí se muestra una buena regularidad si reordenar adecuadamente. He clasificado en una hoja de excel-hoja de cálculo, de tal manera que el cyclelengthes indica las columnas y se ordenó, que el estrechamiento de los intervalos se hacen visibles. En el gris de la columna central creo que vamos a conseguir en el límite de la "caos" puntos donde cyclicitiness se pierde (ciclo infinito de longitud). Y también ordenó a las filas para enfocar la sistemática aparición. Todo lo que podría, posiblemente, incluso visualiza mejor en términos de diferencias para el punto fijo 1. Aquí está el mapa de bits bitmap

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