视觉|曼德尔球,分形几何中最伟大的突破之一,一场视觉盛宴

一个叫鲁迪·洛克是一位杰出的数学家、计算机科学家和科幻小说作家,也是赛博朋克文化运动的创始人之一,他一直走在STEM世界的前沿(STEM是一门课程,其思想是通过跨学科和应用的方法对四个特定学科(科学,技术,工程和数学)的学生进行教育)。因此,在伯努瓦最初发表之后,他就敏锐地意识到了曼德尔布罗特集。富有创造力的洛克欣赏曼德尔布罗特集合,但是他的小说想象力将他推进到下一个步骤:存在一个数学上等价的曼德尔布罗特集合的3D结构。
不幸的是,洛克了解硬件的计算极限(80年代),知道所需的数十亿次计算可能是不可能的。受当时技术的限制,洛克做了他最擅长的事:他把它写下来。1987年,洛克以一篇题为《如上所述,如下所述》的短篇小说首次以3D的形式写出了寻找圣杯(数学上等价的曼德尔布罗特集合的3D结构)的证据,这是理所当然的。在这篇小说中,他想象了曼德尔布罗特的发现,并将其命名为:曼德尔球。
寻找三维等价物的关键在于数字系统中的不确定性。曼德尔布罗特集适合二维空间,因为复数有两个分量。我们能在三维空间中找到类似的数字系统吗?
数字系统问题
遍历的曼德尔布罗特公式 (Z^2 + C)涉及两个操作:求和和复数的平方。创建一个可以进行加法运算的n元数组是很简单的,这就是线性代数中的向量空间。
但是,由于曼德尔布罗特公式还涉及到对数字进行平方,这需要在向量空间上使用乘法运算符(向量积),因此就产生了复杂性。具有向量乘积的向量空间称为域上的代数。为了了解为什么三维数字系统会有问题,让我们尝试创建一个。
我们从复数开始并引入第三个分量j。接下来,我们需要保证复数和实数的某些性质也适用于我们的新数字系统;因为我们需要加法和乘法,所以我们特别关注保持结合律(a?(b+c)=(a?b)+(a?c))和交换律(a?b=b?a)不变。
我们已经知道在向量空间中进行加法时分配律是成立的,所以我们只需要明确三个分量的单位是如何相乘的(我们会用乘法表来说明这一点)。当乘以1时,这两个性质意味着一致性,这意味着我们的矩阵必须是对称的:

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文章插图
对于任何泛函数系统,任何数乘以1仍然是1,如果我们现在要求实虚分量以一种特定的方式表现,我们只剩下三个分量——上面矩阵中的问号。
很遗憾,我们上面的系统显然没有关联性,这可以从方程 i?(i?j)=(i?i)?ji?x=?j看出,无论我们如何选择x,它都不能满足。
以上强调了在三维中创建一致的数字系统的最大障碍。然而,第一个突破在逻辑上绕过了这里列出的问题,利用了一个几十年前的定理:赫维茨定理。赫维茨定理是一个复杂的技术术语大杂烩,针对复杂性进行了优化: