home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Nebula 1994 June / NEBULA_SE.ISO / Documents / FAQ / Fractal-faq < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-08-18  |  57.8 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!gatech!howland.reston.ans.net!agate!sprite.berkeley.edu!shirriff
  2. From: shirriff@sprite.berkeley.edu (Ken Shirriff)
  3. Newsgroups: sci.fractals,news.answers,sci.answers
  4. Subject: Fractal FAQ
  5. Supersedes: <fractal-faq_744582100@sprite.Berkeley.EDU>
  6. Followup-To: sci.fractals
  7. Date: 17 Aug 1993 20:13:59 GMT
  8. Organization: University of California, Berkeley
  9. Lines: 1253
  10. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  11. Expires: 10 Sep 1993 20:16:15 GMT
  12. Message-ID: <fractal-faq_745618575@sprite.Berkeley.EDU>
  13. NNTP-Posting-Host: hijack.berkeley.edu
  14. Summary: Fractal software, algorithms, definitions, and references.
  15. Keywords: fractals, chaos, Mandelbrot
  16. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.fractals:1951 news.answers:11501 sci.answers:377
  17.  
  18. Archive-name: fractal-faq
  19. Last-modified: Aug 5, 1993
  20.  
  21. This file is a frequently asked questions file for sci.fractals.  The purpose
  22. of this file is to collect common fractal questions and answers into a con-
  23. venient file.  This file is normally posted about every two weeks.
  24.  
  25. Like most FAQs, the most recent copy of this FAQ is archived at various places
  26. such as rtfm.mit.edu [18.70.0.224]: /pub/usenet/news.answers/fractal-faq and
  27. ftp.uu.net [137.39.1.9 or 192.48.96.9]: /usenet/news.answers/fractal-faq.Z.
  28.  
  29. I am happy to receive more information to add to this file.  Also, if you can
  30. correct mistakes you find, let me know.
  31.  
  32. Please send additions, comments, errors, etc. to Ken Shirriff
  33. (shirriff@sprite.Berkeley.EDU).
  34.  
  35. This file is Copyright 1993 Ken Shirriff.  Permission is given for non-profit
  36. distribution of this file, as long as my name remains attached.  However, I
  37. would like to be informed if you distribute this file on other systems, so I
  38. have an idea of where it is.
  39.  
  40. Updated questions are marked with an asterisk.  The questions which are
  41. answered are:
  42. Q1a: What is fractint?
  43. Q1b: How does fractint achieve its speed?
  44. Q2a: Where can I obtain software packages to generate fractals?
  45. Q2b: Where can I obtain fractal papers?
  46. Q3: Where can I get fractal T-shirts and posters?
  47. Q4a: How does anonymous ftp work?
  48. Q4b: What if I can't use ftp to access files?
  49. *Q5: Where are fractal pictures archived?
  50. Q6: I want to learn about fractals.  What should I read first?
  51. Q7a: What is the Mandelbrot set?
  52. Q7b: How is the Mandelbrot set actually computed?
  53. Q7c: Why do you start with z=0?
  54. Q7d: What are the bounds of the Mandelbrot set?  When does it diverge?
  55. Q7e: How can I speed up Mandelbrot set generation?
  56. Q7f: What is the area of the Mandelbrot set?
  57. Q7g: What can you say about the structure of the Mandelbrot set?
  58. Q7h: Is the Mandelbrot set connected?
  59. Q8a: What is the difference between the Mandelbrot set and a Julia set?
  60. Q8b: What is the connection between the Mandelbrot set and Julia sets?
  61. Q8c: How is a Julia set actually computed?
  62. Q8d: What are some Julia set facts?
  63. Q9a: How does complex arithmetic work?
  64. Q9b: How does quaternion arithmetic work?
  65. Q10: What is Feigenbaum's constant?
  66. Q11a: What is an iterated function system (IFS)?
  67. Q11b: What is the state of fractal compression?
  68. Q12a: How can you make a chaotic oscillator?
  69. Q12b: What are laboratory demonstrations of chaos?
  70. Q13: What is some information on fractal music?
  71. Q14: How are fractal mountains generated?
  72. Q15: What are plasma clouds?
  73. Q16a: Where are the popular periodically-forced Lyapunov fractals described?
  74. Q16b: What are Lyapunov exponents?
  75. Q16c: How can Lyapunov exponents be calculated?
  76. Q17: What is the logistic equation?
  77. Q18: What is chaos?
  78. Q19: What is nonlinearity? What are nonlinear equations?
  79. Q20: What is a fractal? What are some examples of fractals?
  80. Q21a: What is fractal dimension? How is it calculated?
  81. Q21b: What is topological dimension?
  82. Q22: What is a strange attractor?
  83. Q23: How can I take photos of fractals?
  84. Q24: How can I join the BITNET fractal discussion?
  85. Q25: How can 3-D fractals be generated?
  86. Q26: What are some general references on fractals and chaos?
  87.  
  88. You can search for the question you're interested in in "rn" or "trn" using
  89. "g^Q11" (that's lower-case g, up-arrow, Q, and a number) where "11" is the
  90. question you wish.  Or you may browse forward using <control-G> to search for
  91. a Subject: line.
  92.  
  93. Questions and answers
  94.  
  95. ------------------------------
  96.  
  97. Subject: Fractint
  98.  
  99. Q1a: What is fractint?
  100. A1a: Fractint is a very popular freeware (not public domain) fractal genera-
  101. tor.  There are DOS, Windows, OS/2, and Unix/X versions.  The DOS version is
  102. the original version, and is the most up-to-date.
  103.  
  104. Please note: sci.fractals is not a product support newsgroup for fractint.
  105. Bugs in fractint/xfractint should usually go to the authors rather than being
  106. posted.
  107.  
  108. Fractint is on many ftp sites.  For example:
  109. DOS: ftp to wuarchive.wustl.edu [128.252.135.4].  The source is in the file
  110.     /mirrors/msdos/graphics/frasr181.zip.  The executable is in the file
  111.     /mirrors/msdos/graphics/fraint181.zip.  It is available on Compuserve: GO
  112.     GRAPHDEV and look for FRAINT.EXE and FRASRC.EXE in LIB 4.
  113. There is a collection of map, parameter, etc. files for Fractint, called
  114.     FracXtra.  Ftp from wuarchive.wustl.edu in
  115.     /pub/MSDOS_UPLOADS/graphics/fracxtr5.zip.
  116. Windows: ftp to wuarchive.wustl.edu.  The source is in the file
  117.     /mirrors/msdos/windows3/winsr173.zip.  The executable is in the file
  118.     /mirrors/msdos/windows3/winfr173.zip.
  119. OS/2: available on Compuserve in its GRAPHDEV forum.  The files are PM*.ZIP.
  120.     These files are also available from ftp-os2.nmsu.edu in
  121.     /pub/os2/2.0/graphics/pmfra2.zip.
  122. Unix: ftp to sprite.berkeley.edu [128.32.150.27].  The source is in the file
  123.     xfract200.shar.Z.  Note: sprite is an unreliable machine; if you can't
  124.     connect to it, try again in a few hours, or try hijack.berkeley.edu.
  125. Macintosh: there is no Macintosh version of fractint, although there are
  126.     several people working on a port. It is possible to run fractint on the
  127.     Macintosh if you use Insignia Software's SoftAT, which is a PC AT emula-
  128.     tor.
  129.  
  130. For European users, these files are available from ftp.uni-koeln.de.  If you
  131. can't use ftp, see the mail server info in Q3.
  132.  
  133. Q1b: How does fractint achieve its speed?
  134. A1b: Fractint's speed (such as it is) is due to a combination of:
  135.  
  136. 1. using fixed point math rather than floating point where possible (huge im-
  137. provement for non-coprocessor machine, small for 486's).
  138.  
  139. 2. exploiting symmetry of fractal.
  140.  
  141. 3. detecting nearly repeating orbits, avoid useless iteration (e.g. repeatedly
  142. iterating 0^2+0 etc. etc.).
  143.  
  144. 4. reducing computation by guessing solid areas (especially the "lake" area).
  145.  
  146. 5. using hand-coded assembler in many places.
  147.  
  148. 6. obtaining both sin and cos from one 387 math coprocessor instruction.
  149.  
  150. 7. using good direct memory graphics writing in 256-color modes.
  151.  
  152. The first four are probably the most important. Some of these introduce er-
  153. rors, usually quite acceptable.
  154.  
  155. ------------------------------
  156.  
  157. Subject: Other fractal software
  158.  
  159. Q2a: Where can I obtain software packages to generate fractals?
  160. A2a:
  161. For X windows:
  162.     xmntns and xlmntn: these generate fractal mountains.  They can be obtained
  163.         from ftp.uu.net [137.39.1.9] in the directory
  164.         /usenet/comp.sources.x/volume8/xmntns.
  165.     xfroot: generates a fractal root window.
  166.     xmartin: generates a Martin hopalong root window.
  167.     xmandel: generates Mandelbrot/Julia sets.
  168.     xfroot, xmartin, xmandel are part of the X11 distribution.
  169.     lyap: generates Lyapunov exponent images.  Ftp from: ftp.uu.net in
  170.         /usenet/comp.sources.x/volume17/lyapunov-xlib.
  171.     spider: Uses Thurston's algorithm for computing postcritically finite po-
  172.         lynomials, draws Mandelbrot and Julia sets using the Koebe algorithm,
  173.         and draws Julia set external angles.  Ftp from: lyapunov.ucsd.edu in
  174.         pub/inls-ucsd/spider.
  175.  
  176. Distributed X systems:
  177.     MandelSpawn: computes Mandelbrot/Julia sets on a network of machines.  Ftp
  178.         from: export.lcs.mit.edu [18.24.0.12]: /contrib/mandelspawn-0.06.tar.Z
  179.         or funic.funet.fi[128.214.6.100]: /pub/X11/contrib/mandelspawn-
  180.         0.06.tar.Z.
  181.     gnumandel: computes Mandelbrot images on a network.  Ftp from:
  182.         informatik.tu-muenchen.de [131.159.0.110] in /pub/GNU/gnumandel.
  183.  
  184. For Unix/C:
  185.     lsys: generates L-systems as PostScript or other textual output. No graph-
  186.         ical interface at present. (in C++) Ftp from: ftp.cs.unc.edu in
  187.         pub/lsys.tar.Z.
  188.     lyapunov: generates PGM Lyapunov exponent images.  Ftp from: ftp.uu.net in
  189.         /usenet/comp.sources.misc/volume23/lyapuov.  SPD: contains generators
  190.         for fractal mountain, tree, recursive tetrahedron.  Ftp from:
  191.         princeton.edu [128.112.128.1] in /pub/Graphics.
  192.  
  193. For Mac:
  194.     fractal, L-System, 3DL-System, IFS, FracHill are available from
  195.         ftphost.aukuni.ac.nz [130.216.1.5] in the architec directory.
  196.     fractal-wizard-15.hqx, julias-dream-107.hqx, mandel-net.hqx, mandel-zot-
  197.         304.hqx, and mandella-70.hqx are available from sumex.stanford.edu in
  198.         /info-mac/app.
  199.     mandel-tv: a very fast Mandelbrot generator.  Ftp from: oswego.oswego.edu
  200.         [129.3.1.1] in /pub/mac/da/mandel-tv.hqx.
  201.     There are also commercial programs, such as IFS Explorer and Fractal Clip
  202.     Art, which are published by Koyn Software (314) 878-9125.
  203.  
  204. For NeXT:
  205.     Lyapunov: generates Lyapunov exponent images.  Ftp from:
  206.         nova.cc.purdue.edu in /pub/next/2.0-release/source.
  207.  
  208. For MSDOS:
  209.     Fractal WitchCraft: a very fast fractal design program.  Ftp from:
  210.         garbo.uwasa.fi [128.214.87.1] in /pc/demo/fw1-08.zip.
  211.     CAL: generates more than 15 types of fractals including Mandelbrot,
  212.         Lyapunov, IFS, user-defined formulas, logistic equation, and quatern-
  213.         ion julia sets.  Ftp from: oak.oakland.edu [141.210.10.117] (or any
  214.         other Simtel mirror) in pub/msdos/graphics/frcal035.zip.
  215.     Fractal Discovery Laboratory: designed for use in a science museum or
  216.         school setting.  The Lab has five sections: Art Gallery ( 72 images --
  217.         Mandelbrots, Julias, Lyapunovs), Microscope ( 85 images -- Biomorph,
  218.         Mandelbrot, Lyapunov, ...), Movies (165 images, 6 "movies":  Mandel-
  219.         brot Evolution, Splitting a Mini-Mandelbrot, Fractal UFO, ...), Tools
  220.         (Gingerbreadman, Lorentz Equations, Fractal Ferns, von Koch Snowflake,
  221.         Sierpinski Gasket), and Library (Dictionary, Books and Articles).
  222.         Sampler available from Compuserver GRAPHDEV Lib 4 in DISCOV.ZIP, or
  223.         send high-density disk and self-addressed, stamped envelope to: Earl
  224.         F. Glynn, 10808 West 105th Street, Overland Park, Kansas 66214-3057.
  225.     WL-Plot: plots functions including bifurcations and recursive relations.
  226.         Ftp from wuarchive.wustl.edu in /pub/msdos_uploads/misc/wlplt231.zip.
  227.     For windows: dy-syst.zip.  This program explores Newton's method, Mandel-
  228.         brot set, and Julia sets.  Ftp from mathcs.emory.edu in pub/riddle.
  229. There are a whole bunch of fractal programs available from wsmr-
  230. simtel20.army.mil [192.88.110.20] in the directory "pd1:<msdos.graphics>":
  231.     forb01a.zip: Displays orbits of Mandelbrot mapping. C/E/VGA
  232.     fract30.arc: Mandelbrot/Julia set 2D/3D EGA/VGA Fractal Gen
  233.     fractfly.zip: Create Fractal flythroughs with FRACTINT
  234.     frain181.zip: FRACTINT v18.1 EGA/VGA/XGA fractal generator
  235.     frasr181.zip: C & ASM src for FRACTINT v18.1 fractal gen.
  236.     frcal030.zip: Fractal drawing program: 15 formulae available
  237.     frcaldmo.zip: 800x600x256 demo images for FRCAL030.ZIP
  238.     fdesign.zip: Program to visually design IFS fractals
  239.  
  240. For Amiga: (all entries marked "ff###" are .lzh files in the Fish Disk set
  241.     available at ux1.cso.uiuc.edu and other sites in /amiga/fish)
  242.     General Mandelbrot generators with many features: Mandelbrot (ff030), Man-
  243.         del (ff218), Mandelbrot (ff239), TurboMandel (ff302), MandelBltiz
  244.         (ff387), SMan (ff447), MandelMountains (ff383, in 3-D), MandelPAUG
  245.         (ff452, MandFXP movies), MandAnim (ff461, anims),  ApfelKiste (ff566,
  246.         very fast), MandelSquare (ff588, anims)
  247.     Mandelbrot and Julia sets generators: MandelVroom (ff215), Fractals
  248.         (ff371, also Newton-R and other sets)
  249.     With different algorithmic approaches (shown): FastGro (ff188, DLA),
  250.         IceFrac (ff303, DLA), DEM (ff303, DEM), CPM (ff303, CPM in 3-D), Frac-
  251.         talLab (ff391, any equation)
  252.     Iterated Function System generators (make ferns, etc): FracGen (ff188,
  253.         uses "seeds"), FCS (ff465), IFSgen (ff554), IFSLab (ff696, "Collage
  254.         Theorem")
  255.     Unique fractal types: Cloud (ff216, cloud surfaces), Fractal (ff052, ter-
  256.         rain), IMandelVroom (strange attractor contours?), Landscape (ff554,
  257.         scenery), Scenery (ff155, scenery), Plasma (ff573, plasma clouds)
  258.     Fractal generators (I do not know their features): PolyFractals (ff015),
  259.         FFEX (ff549)
  260.     Lyapunov fractals: Ftp /pub/aminet/new/lyapunovia.lha from ftp.luth.se.
  261.     Commercial packages: Fractal Pro 5.0, Scenery Animator 2.0, Vista Profes-
  262.         sional, Fractuality (reviewed in April '93 Amiga User International).
  263.  
  264. Please inform me of any other programs you know of.
  265.  
  266. Q2b: Where can I obtain fractal papers?
  267. A2b: There are several sites with fractal papers:
  268.  
  269. There is an archive site for preprints and programs on nonlinear dynamics and
  270. related subjects at lyapunov.ucsd.edu [132.239.86.10].  There are also arti-
  271. cles on dynamics, including the IMS preprint series, available from
  272. math.sunysb.edu [129.49.31.57].
  273.  
  274. A collection of short papers on fractal formulas, drawing methods, and
  275. transforms is available from ftp.coe.montana.edu in /pub/fractals.
  276.  
  277. The site life.anu.edu.au [150.203.38.74] has a collection of fractal programs,
  278. papers, information related to complex systems, and gopher and World Wide Web
  279. connections.  The ftp path is /pub/complex_systems; look in fractals, tutori-
  280. al, and anu92.  The Word Wide Web access is "http://life.anu.edu.au/".  The
  281. gopher path is:
  282. Name=BioInformatics gopher at ANU
  283. Host=life.anu.edu.au
  284. Type=1
  285. Port=70
  286. Path=1/complex_systems/fractals
  287.  
  288. ------------------------------
  289.  
  290. Subject: Fractal items
  291.  
  292. Q3: Where can I get fractal T-shirts and posters?
  293. A3: One source is Art Matrix, P.O. box 880, Ithaca, New York, 14851, 1-800-
  294. PAX-DUTY.  Another source is Media Magic; they sell many fractal posters,
  295. calendars, videos, software, t-shirts, ties, and a huge variety of books on
  296. fractals, chaos, graphics, etc.  Media Magic is at PO Box 598 Nicasio, CA
  297. 94946, 415-662-2426.  A third source is Ultimate Image; they sell fractal t-
  298. shirts, posters, gift cards, and stickers.  Ultimate Image is at PO Box 7464,
  299. Nashua, NH 03060-7464.
  300.  
  301. ------------------------------
  302.  
  303. Subject: Ftp questions
  304.  
  305. Q4a: How does anonymous ftp work?
  306. A4a: Anoynmous ftp is a method of making files available to anyone on the In-
  307. ternet.  In brief, if you are on a system with ftp (e.g. Unix), you type "ftp
  308. lyapunov.ucsd.edu", or whatever system you wish to access.  You are prompted
  309. for your name and you reply "anonymous".  You are prompted for your password
  310. and you reply with your email address.  You then use "ls" to list the files,
  311. "cd" to change directories, "get" to get files, and "quit" to exit.  For exam-
  312. ple, you could say "cd /pub", "ls", "get README", and "quit"; this would get
  313. you the file "README".
  314.  
  315. Q4b: What if I can't use ftp to access files?
  316. A4b: If you don't have access to ftp because you are on a uucp/Fidonet/etc
  317. network there is an e-mail gateway at ftpmail@decwrl.dec.com that can retrieve
  318. the files for you.  To get instructions on how to use the ftp gateway send a
  319. blank message to ftpmail@decwrl.dec.com with one line containing the word
  320. 'help'.
  321.  
  322. This is a sample message of how to retrieve xfractint from
  323. sprite.Berkeley.EDU:
  324. % mail ftpmail@decwrl.dec.com
  325. Subject:  <ignored>
  326. reply <yourname>@<yoursite>
  327. connect sprite.berkeley.edu anonymous
  328. dir         /* note: you can give a pathname here to list */
  329. binary
  330. uuencode    /* note: this command is optional and the default is btoa */
  331. get xfract200.shar.Z
  332. quit
  333.  
  334. That would retrieve a directory of the archive, then xfract108.shar.Z.  Note
  335. that the dir command is important to learn if the filename has changed.  To
  336. receive xfract108.shar.Z, you must set the server to "binary" mode because the
  337. file is compressed.  Compressed files are then either sent out uuencoded or
  338. btoa'd.  So, you must obtain copies of the programs will receive.  (Most Unix
  339. systems have uudecode and uncompress.) Ask your local computer guru for cla-
  340. rification on how to do this.
  341.  
  342. ------------------------------
  343.  
  344. Subject: Archived pictures
  345.  
  346. Q5: Where are fractal pictures archived?
  347. A5: Fractal images (GIFs, etc.) used to be posted to alt.fractals.pictures;
  348. this newsgroup has been replaced by alt.binaries.pictures.fractals.  Pictures
  349. from 1990 and 1991 are available via anonymous ftp from csus.edu [130.86.90.1]
  350. in /pub/alt.fractals.pictures.
  351.  
  352. Many Mandelbrot set images are available via anonymous ftp from ftp.ira.uka.de
  353. [129.13.10.93] in /pub/graphic/fractals.
  354.  
  355. Fractal images including some recent alt.binaries.pictures.fractals images are
  356. archived at spanky.triumf.ca [128.189.128.27].  Note that spanky is a VMS sys-
  357. tem with a strange directory structure.  To move into the FRACTALS.DIR sub-
  358. directory, for example, do "cd [.FRACTALS]", with square brackets and period.
  359.  
  360. ------------------------------
  361.  
  362. Subject: Learning about fractals
  363.  
  364. Q6: I want to learn about fractals.  What should I read first?
  365. A6: There is a book list at the end.  _Chaos_ is a good book to get a general
  366. overview and history.  _Fractals Everywhere_ is a textbook on fractals that
  367. describes what fractals are and how to generate them, but it requires knowing
  368. intermediate analysis.  _Chaos, Fractals, and Dynamics_ is also a good start.
  369.  
  370. ------------------------------
  371.  
  372. Subject: The Mandelbrot set
  373.  
  374. Q7a: What is the Mandelbrot set?
  375. A7a: The Mandelbrot set is the set of all complex c such that iterating z ->
  376. z^2+c does not go to infinity (starting with z=0).
  377.  
  378. Q7b: How is the Mandelbrot set actually computed?
  379. A7b: The basic algorithm is:
  380. For each pixel c, start with z=0.  Repeat z=z^2+c up to N times, exiting if
  381. the magnitude of z gets large.
  382. If you finish the loop, the point is probably inside the Mandelbrot set.  If
  383. you exit, the point is outside and can be colored according to how many
  384. iterating were completed.  You can exit if |z|>2, since if z gets this big it
  385. will go to infinity.  The maximum number of iterations, N, can be selected as
  386. desired, for instance 100.  Larger N will give sharper detail but take longer.
  387.  
  388. Q7c: Why do you start with z=0?
  389. A7c: Zero is the critical point of z^2+c, that is, a point where d/dz (z^2+c)
  390. = 0.  If you replace z^2+c with a different function, the starting value will
  391. have to be modified.  E.g. for z->z^2+z+c, the critical point is given by
  392. 2z+1=0, so start with z=-1/2.  In some cases, there may be multiple critical
  393. values, so they all should be tested.
  394.  
  395. Critical points are important because by a result of Fatou: every attracting
  396. cycle for a polynomial or rational function attracts at least one critical
  397. point.  Thus, testing the critical point shows if there is any stable attrac-
  398. tive cycle.  See also:
  399.  
  400. [1]  M. Frame and J. Robertson, A Generalized Mandelbrot Set and the Role of
  401. Critical Points, _Computers and Graphics, Vol. 16_ 16, 1 (1992), pp. 35-40.
  402.  
  403. Note that you can precompute the first Mandelbrot iteration by starting with
  404. z=c instead of z=0, since 0^2+c=c.
  405.  
  406. Q7d: What are the bounds of the Mandelbrot set?  When does it diverge?
  407. A7d: The Mandelbrot set lies within |c|<=2.  If |z| exceeds 2, the z sequence
  408. diverges.  Proof: if |z|>2, then |z^2+c| >= |z^2|-|c| > 2|z|-|c|.  If
  409. |z|>=|c|, then 2|z|-|c| > |z|.  So, if |z|>2 and |z|>=c, |z^2+c|>|z|, so the
  410. sequence is increasing.  (It takes a bit more work to prove it is unbounded
  411. and diverges.) Also, note that z1=c, so if |c|>2, the sequence diverges.
  412.  
  413. Q7e: How can I speed up Mandelbrot set generation?
  414. A7e: See:
  415.  
  416. 1.  R. Rojas, A Tutorial on Efficient Computer Graphic Representations of the
  417. Mandelbrot Set, _Computers and Graphics_ 15, 1 (1991), pp. 91-100.
  418.  
  419. Q7f: What is the area of the Mandelbrot set?
  420. A7f: Ewing and Schober computed an area estimate using 240,000 terms of the
  421. Laurent series.  The result is 1.7274...  The behavior of the approximations
  422. suggests that the limit is between 1.66 and 1.71.  However, the estimates of
  423. the area using pixel counting, suggest that the area is around 1.52.  The
  424. large gap between the pixel estimate 1.52 and the upper bound 1.72 may
  425. possibly be an indication that the boundary of the Mandelbrot set has positive
  426. area.  However, recent work suggests that the sequence converges very slowly
  427. and the area is closer to 1.5 than to the upper bound.  Reference:
  428.  
  429. 1.  J. H. Ewing and G. Schober, The Area of the Mandelbrot Set, _Numer. Math._
  430. 61 (1992), pp. 59-72.
  431.  
  432. There is currently a project to measure the area via counting pixels on a very
  433. dense grid.  Preliminary results show an area around 1.5066.  Contact
  434. mrob@world.std.com for more information.
  435.  
  436. Q7g: What can you say about the structure of the Mandelbrot set?
  437. A7g: Most of what you could want to know is in Branner's article in _Chaos and
  438. Fractals: The Mathematics Behind the Computer Graphics_.
  439.  
  440. Note that the Mandelbrot set in general is _not_ self-similar; the tiny copies
  441. of the Mandelbrot set are all slightly different, mainly because of the thin
  442. threads connecting them to the main body of the Mandelbrot set.  However, the
  443. Mandelbrot set is quasi-self-similar.  The Mandelbrot set is self-similar
  444. under magnification in neighborhoods of Misiurewicz points, however (e.g.
  445. -.1011+.9563i).  The Mandelbrot set is conjectured to be self-similar around
  446. generalized Feigenbaum points (e.g.  -1.401155 or -.1528+1.0397i), in the
  447. sense of converging to a limit set.  References:
  448.  
  449. 1.  T. Lei, Similarity between the Mandelbrot set and Julia Sets,
  450. _Communications in Mathematical Physics_ 134 (1990), pp. 587-617.
  451.  
  452. 2.  J. Milnor, Self-Similarity and Hairiness in the Mandelbrot Set, in
  453. _Computers in Geometry and Topology_, M. Tangora (editor), Dekker, New York,
  454. pp. 211-257.
  455.  
  456. The boundary of the Mandelbrot set and the Julia set of a generic c in M have
  457. Hausdorff dimension 2 and have topological dimension 1.  The proof is based on
  458. the study of the bifurcation of parabolic periodic points.  (Since the
  459. boundary has empty interior, the topological dimension is less than 2, and
  460. thus is 1.) Reference:
  461.  
  462. 1.  M. Shishikura, The Hausdorff Dimension of the Boundary of the Mandelbrot
  463. Set and Julia Sets, The paper is available from anonymous ftp to
  464. math.sunysb.edu [129.49.18.1] in /preprints/ims91-7.ps.Z.
  465.  
  466. The "external angles" of the Mandelbrot set (see Douady and Hubbard or brief
  467. sketch in "Beauty of Fractals") induce a Fibonacci partition onto it.
  468.  
  469. Q7h: Is the Mandelbrot set connected?
  470. A7h: The Mandelbrot set is simply connected.  This follows from a theorem of
  471. Douady and Hubbard that there is a conformal isomorphism from the complement
  472. of the Mandelbrot set to the complement of the unit disk.  (In other words,
  473. all equipotential curves are simple closed curves.) It is conjectured that the
  474. Mandelbrot set is locally connected, and thus pathwise connected, but this is
  475. currently unproved.
  476.  
  477. Connectedness definitions:
  478.  
  479. Connected: X is connected if there are no proper closed subsets A and B of X
  480. such that A union B = X, but A intersect B is empty.  I.e. X is connected if
  481. it is a single piece.
  482.  
  483. Simply connected: X is simply connected if it is connected and every closed
  484. curve in X can be deformed in X to some constant closed curve.  I.e. X is
  485. simply connected if it has no holes.
  486.  
  487. Locally connected: X is locally connected if for every point p in X, for every
  488. open set U containing p, there is an open set V containing p and contained in
  489. the connected component of p in U.  I.e. X is locally connected if every
  490. connected component of every open subset is open in X.
  491.  
  492. Arcwise (or path) connected: X is arcwise connected if every two points in X
  493. are joined by an arc in X.
  494.  
  495. (The definitions are from _Encyclopedic Dictionary of Mathematics_.)
  496.  
  497. ------------------------------
  498.  
  499. Subject: Julia sets
  500.  
  501. Q8a: What is the difference between the Mandelbrot set and a Julia set?
  502. A8a: The Mandelbrot set iterates z^2+c with z starting at 0 and varying c.
  503. The Julia set iterates z^2+c for fixed c and varying starting z values.  That
  504. is, the Mandelbrot set is in parameter space (c-plane) while the Julia set is
  505. in dynamical or variable space (z-plane).
  506.  
  507. Q8b: What is the connection between the Mandelbrot set and Julia sets?
  508. A8b: Each point c in the Mandelbrot set specifies the geometric structure of
  509. the corresponding Julia set.  If c is in the Mandelbrot set, the Julia set
  510. will be connected.  If c is not in the Mandelbrot set, the Julia set will be a
  511. Cantor dust.
  512.  
  513. Q8c: How is a Julia set actually computed?
  514. A8c: The Julia set can be computed by iteration similar to the Mandelbrot
  515. computation.  Alternatively, points on the boundary of the Julia set can be
  516. computed quickly by using inverse iterations.  This technique is particularly
  517. useful when the Julia set is a Cantor Set.
  518.  
  519. Q8d: What are some Julia set facts?
  520. A8d: The Julia set of any rational map of degree greater than one is perfect
  521. (hence in particular uncountable and nonempty), completely invariant, equal to
  522. the Julia set of any iterate of the function, and also is the boundary of the
  523. basin of attraction of every attractor for the map.
  524.  
  525. Julia set references:
  526.  
  527. 1.  A. F. Beardon, _Iteration of Rational Functions : Complex Analytic
  528. Dynamical Systems_, Springer-Verlag, New York, 1991.
  529.  
  530. 2.  P. Blanchard, Complex Analytic Dynamics on the Riemann Sphere, _Bull. of
  531. the Amer. Math. Soc_ 11, 1 (July 1984), pp. 85-141.  This article is a
  532. detailed discussion of the mathematics of iterated complex functions. It
  533. covers most things about Julia sets of rational polynomial functions.
  534.  
  535. ------------------------------
  536.  
  537. Subject: Complex arithmetic and quaternion arithmetic
  538.  
  539. Q9a: How does complex arithmetic work?
  540. A9a: It works mostly like regular algebra with a couple additional formulas:
  541. (note: a,b are reals, x,y are complex, i is the square root of -1)
  542. Powers of i: i^2 = -1
  543. Addition: (a+i*b)+(c+i*d) = (a+c)+i*(b+d)
  544. Multiplication: (a+i*b)*(c+i*d) = a*c-b*d + i*(a*d+b*c)
  545. Division: (a+i*b)/(c+i*d) = (a+i*b)*(c-i*d)/(c^2+d^2)
  546. Exponentiation: exp(a+i*b) = exp(a)(cos(b)+i*sin(b))
  547. Sine: sin(x) = (exp(i*x)-exp(-i*x))/(2*i)
  548. Cosine: cos(x) = (exp(i*x)+exp(-i*x)/2
  549. Magnitude: |a+i*b| = sqrt(a^2+b^2)
  550. Log: log(a+i*b) = log(|a+i*b|)+i*arctan(b/a)  (Note: log is multivalued.)
  551. Complex powers: x^y = exp(y*log(x))
  552. DeMoivre's theorem: x^a = r^a * [cos(a*theta) + i * sin(a*theta)]
  553. More details can be found in any complex analysis book.
  554.  
  555. Q9b: How does quaternion arithmetic work?
  556. A9b: Quaternions have 4 components (a+ib+jc+kd) compared to the two of complex
  557. numbers.  Operations such as addition and multiplication can be performed on
  558. quaternions, but multiplication is not commutative.  Quaternions satisfy the
  559. rules i^2=j^2=k^2=-1, ij=-ji=k, jk=-kj=i, ki=-ik=j.
  560.  
  561. ------------------------------
  562.  
  563. Subject: Feigenbaum's constant
  564.  
  565. Q10: What is Feigenbaum's constant?
  566. A10: In a period doubling cascade, consider the parameter values where
  567. period-doubling events occur.  The limit of the ratio of distances between
  568. consecutive doubling values is Feigenbaum's constant.  It has the value
  569. 4.669201660910...
  570.  
  571. References:
  572.  
  573. 1.  K. Briggs, How to calculate the Feigenbaum constants on your PC, _Aust.
  574. Math.  Soc.  Gazette_ 16 (1989), p. 89.
  575.  
  576. 2.  K. Briggs, A precise calculation of the Feigenbaum constants, _Mathematics
  577. of Computation_ 57 (1991), pp. 435-439.
  578.  
  579. 3.  K. Briggs, G. R. W. Quispel and C. Thompson, Feigenvalues for Mandelsets,
  580. _J. Phys._ A24 (1991), pp. 3363-3368.
  581.  
  582. ------------------------------
  583.  
  584. Subject: Iterated function systems
  585.  
  586. Q11a: What is an iterated function system (IFS)?
  587. A11a: If a fractal is self-similar, you can specify various mappings that map
  588. the whole onto the parts.  By taking a point and repeatedly applying these
  589. mappings you end up with a collection of points on the fractal.  In other
  590. words, instead of a single mapping x -> F(x), there is a collection of
  591. (usually linear) mappings, and random selection chooses which mapping is used.
  592.  
  593. Iterated function systems can be used to make things such as fractal ferns and
  594. trees and are also used in fractal image compression.  _Fractals Everywhere_
  595. by Barnsley is mostly about iterated function systems.
  596.  
  597. Q11b: What is the state of fractal compression?
  598. A11b: (Much of this information comes from the comp.compression FAQ, available
  599. from FAQ archive sites as compression-faq.  That FAQ has more information and
  600. a long list of references.  The state of fractal compression seems to be quite
  601. controversial, with some people claiming it doesn't work well, and others
  602. claiming it works wonderfully.)
  603.  
  604. Tal Kubo <kubo@zariski.harvard.edu> states:
  605.  
  606. According to Barnsley's book 'Fractals Everywhere', this method is based on a
  607. measure of deviation between a given image and its approximation by an IFS
  608. code.  The Collage Theorem states that there is a convergent process to
  609. minimize this deviation.  Unfortunately, according to an article Barnsley
  610. wrote for BYTE a few years ago, this convergence was rather slow, about 100
  611. hours on a Cray, unless assisted by a person.
  612.  
  613. Barnsley et al are not divulging any technical information beyond the meager
  614. bit in 'Fractals Everywhere'.  The book explains the idea of IFS codes at
  615. length, but is vague about the application of the Collage theorem to specific
  616. compression problems.
  617.  
  618. There is reason to believe that Barnsley's company has *no algorithm* which
  619. takes a given reasonable image and achieves the compression ratios initially
  620. claimed for their fractal methods.  The 1000-to-1 compression advertised was
  621. achieved only for a 'rigged' class of images, with human assistance. The best
  622. unaided performance I've heard of is good lossy compression of about 80-1.
  623.  
  624. But Yuval Fisher <fisher@inls1.ucsd.edu> disagrees:
  625.  
  626. Their performance has improved dramatically beyond what they were talking
  627. about in BYTE a few years ago.  Human assistance to the compression is no
  628. longer needed and the compression time is reasonable, although the more time
  629. and compute power you throw at the compression, the smaller the resulting file
  630. for the same level of quality.
  631.  
  632. Kevin Ring provided information on Iterated Systems, Inc.'s products.  They
  633. have a Windows viewer, compressor, and magnifier program, as well as a
  634. hardware assist board.  They claim compression ratios such as 80:1, 154:1,
  635. 614:1, and 2546:1.
  636.  
  637. An introductory paper is:
  638.  
  639. 1.  A. E. Jacquin, Image Coding Based on a Fractal Theory of Iterated
  640. Contractive Image Transformation, _IEEE Transactions on Image Processing_,
  641. January 1992.
  642.  
  643. A fractal decompression demo program is available by anonymous ftp to
  644. lyapunov.ucsd.edu [132.239.86.10] in /pub/inls-ucsd/fractal-2.0.
  645.  
  646. Another MS-DOS compression demonstration program is available by anonymous ftp
  647. to lyapunov.ucsd.edu in /pub/young-fractal.
  648.  
  649. ------------------------------
  650.  
  651. Subject: Chaotic demonstrations
  652.  
  653. Q12a: How can you make a chaotic oscillator?
  654. A12a: Two references are:
  655.  
  656. 1.  T. S. Parker and L. O. Chua, Chaos: a tutorial for engineers, _Proceedings
  657. IEEE_ 75 (1987), pp. 982-1008.
  658.  
  659. 2.  _New Scientist_, June 30, 1990, p. 37.
  660.  
  661. Q12b: What are laboratory demonstrations of chaos?
  662. A12b: Two references are:
  663.  
  664. 1.  K. Briggs, Simple Experiments in Chaotic Dynamics, _American Journal of
  665. Physics_ 55, 12 (Dec 1987), pp. 1083-1089.
  666.  
  667. 2.  J. L. Snider, Simple Demonstration of Coupled Oscillations, _American
  668. Journal of Physics_ 56, 3 (Mar 1988), p. 200.
  669.  
  670. ------------------------------
  671.  
  672. Subject: Fractal music
  673.  
  674. Q13: What is some information on fractal music?
  675. A13: Some references, many from an unpublished article by Stephanie Mason,
  676. are:
  677.  
  678. 1.  C. Dodge, A Musical Fractal, _Computer Music Journal_ 12, 13 (Fall 1988),
  679. p. 10.
  680.  
  681. 2.  K. J. Hsu and A. Hsu, Fractal Geometry of Music, _Proceedings of the
  682. National Academy of Science, USA_ 87 (1990), pp. 938-941.
  683.  
  684. 3.  K. J. Hsu and A. Hsu, Self-similatrity of the '1/f noise' called music.,
  685. _Proceedings of the National Academy of Science USA_ 88 (1991), pp. 3507-3509.
  686.  
  687. 4.  C. Pickover, _Mazes for the Mind: Computers and the Unexpected_, St.
  688. Martin's Press, New York, 1992.
  689.  
  690. 5.  P. Prusinkiewicz, Score Generation with L-Systems, _International Computer
  691. Music Conference 86 Proceedings_, 1986, pp. 455-457.
  692.  
  693. 6.  P. Prusinkiewicz and A. Lindenmayer, _The Algorithmic Beauty of Plants_,
  694. Springer-Verlag, NY, 1990.  ISBN 0-387-97297-8. A very good book L-systems,
  695. which can be used to model plants in a VERY realistic fashion (the book
  696. contains a lot of pictures).
  697.  
  698. 7.  P. Przemyslaw and J. Hanan, _Lindenmayer Systems, Fractals, and Plants._,
  699. Springer-Verlag, New York, 1989.
  700.  
  701. 8.  _Byte_ 11, 6 (June 1986), pp. 185-196.
  702.  
  703. Basically, L-Systems create music from space filling curves by interpreting
  704. the curves lateral and vertical motion as pitch and duration.  L-System curves
  705. are recursively defined, and hence show fractal similarity.
  706.  
  707. ------------------------------
  708.  
  709. Subject: Fractal mountains
  710.  
  711. Q14: How are fractal mountains generated?
  712. A14: Usually by a method such as taking a triangle, dividing it into 3
  713. subtriangles, and perturbing the center point.  This process is then repeated
  714. on the subtriangles.  This results in a 2-d table of heights, which can then
  715. be rendered as a 3-d image.  One reference is:
  716.  
  717. 1.  M. Ausloos, _Proc. R. Soc. Lond. A_ 400 (1985), pp. 331-350.
  718.  
  719. ------------------------------
  720.  
  721. Subject: Plasma clouds
  722.  
  723. Q15: What are plasma clouds?
  724. A15: They are a fractint fractal and are similar to fractal mountains.
  725. Instead of a 2-d table of heights, the result is a 2-d table of intensities.
  726. They are formed by repeatedly subdividing squares.
  727.  
  728. ------------------------------
  729.  
  730. Subject: Lyapunov fractals
  731.  
  732. Q16a: Where are the popular periodically-forced Lyapunov fractals described?
  733. A16a: See:
  734.  
  735. 1.  A. K. Dewdney, Leaping into Lyapunov Space, _Scientific American_, Sept.
  736. 1991, pp. 178-180.
  737.  
  738. 2.  M. Markus and B. Hess, Lyapunov Exponents of the Logistic Map with
  739. Periodic Forcing, _Computers and Graphics_ 13, 4 (1989), pp. 553-558.
  740.  
  741. 3.  M. Markus, Chaos in Maps with Continuous and Discontinuous Maxima,
  742. _Computers in Physics_, Sep/Oct 1990, pp. 481-493.
  743.  
  744. Q16b: What are Lyapunov exponents?
  745. A16b:
  746.  
  747. Lyapunov exponents quantify the amount of linear stability or instability of
  748. an attractor, or an asymptotically long orbit of a dynamical system.  There
  749. are as many lyapunov exponents as there are dimensions in the state space of
  750. the system, but the largest is usually the most important.
  751.  
  752. Given two initial conditions for a chaotic system, a and b, which are close
  753. together, the average values obtained in successive iterations for a and b
  754. will differ by an exponentially increasing amount.  In other words, the two
  755. sets of numbers drift apart exponentially.  If this is written e^(n*(lambda))
  756. for n iterations, then e^(lambda) is the factor by which the distance between
  757. closely related points becomes stretched or contracted in one iteration.
  758. Lambda is the Lyapunov exponent.  At least one Lyapunov exponent must be
  759. positive in a chaotic system.  A simple derivation is available in:
  760.  
  761. 1.  H. G. Schuster, _Deterministic Chaos: An Introduction_, Physics Verlag,
  762. 1984.
  763.  
  764. Q16c: How can Lyapunov exponents be calculated?
  765. A16c: For the common periodic forcing pictures, the lyapunov exponent is:
  766.  
  767. lambda = limit as N->infinity of 1/N times sum from n=1 to N of log2(abs(dx
  768. sub n+1 over dx sub n))
  769.  
  770. In other words, at each point in the sequence, the derivative of the iterated
  771. equation is evaluated.  The Lyapunov exponent is the average value of the log
  772. of the derivative.  If the value is negative, the iteration is stable.  Note
  773. that summing the logs corresponds to multiplying the derivatives; if the
  774. product of the derivatives has magnitude < 1, points will get pulled closer
  775. together as they go through the iteration.
  776.  
  777. MS-DOS and Unix programs for estimating Lyapunov exponents from short time
  778. series are available from lyapunov.ucsd.edu in /pub/ncsu.
  779.  
  780. Computing Lyapunov exponents in general is more difficult.  Some references
  781. are:
  782.  
  783. 1.  H. D. I. Abarbanel, R. Brown and M. B. Kennel, Lyapunov Exponents in
  784. Chaotic Systems: Their importance and their evaluation using observed data,
  785. _International Journal of Modern Physics B_ 56, 9 (1991), pp. 1347-1375.
  786.  
  787. 2.  A. K. Dewdney, Leaping into Lyapunov Space, _Scientific American_, Sept.
  788. 1991, pp. 178-180.
  789.  
  790. 3.  M. Frank and T. Stenges, _Journal of Economic Surveys_ 2 (1988), pp. 103-
  791. 133.
  792.  
  793. 4.  T. S. Parker and L. O. Chua, _Practical Numerical Algorithms for Chaotic
  794. Systems_, Springer Verlag, 1989.
  795.  
  796. ------------------------------
  797.  
  798. Subject: Logistic equation
  799.  
  800. Q17: What is the logistic equation?
  801. A17: It models animal populations.  The equation is x -> c*x*(1-x), where x is
  802. the population (between 0 and 1) and c is a growth constant.  Iteration of
  803. this equation yields the period doubling route to chaos.  For c between 1 and
  804. 3, the population will settle to a fixed value.  For larger c, the population
  805. will oscillate between two values, then four values, eight, sixteen, etc.  For
  806. still larger c (between 3.57 and 4), the population behavior is chaotic (for
  807. most c values).  See "An Introduction to Chaotic Dynamical Systems" for more
  808. information.)
  809.  
  810. ------------------------------
  811.  
  812. Subject: Chaos
  813.  
  814. Q18: What is chaos?
  815. A18: An attractor is chaotic if at least one of its Lyapunov exponents is
  816. positive.  Chaos results from the existence of a chaotic attractor.
  817.  
  818. Chaos is the recurrent behavior of a deterministic dynamical system in which
  819. the phase-space divergence of nearby trajectories at an exponential rate
  820. results in a limited predictability horizon.
  821.  
  822. In chaotic iterated systems of the form x_{i+1}=f(x_i), the result after
  823. iteration is extremely sensitive to the initial value such that
  824. f^n(x_0+(epsilon)) is nowhere near f^n(x_0).
  825.  
  826. Chaos results from our inability to predict the future behavior of a
  827. deterministic system from initial conditions because of its great sensitivity
  828. to initial conditions.
  829.  
  830. Chaos is apparently unpredictable behavior arising in a deterministic system.
  831.  
  832. ------------------------------
  833.  
  834. Subject: Nonlinearity
  835.  
  836. Q19: What is nonlinearity? What are nonlinear equations?
  837. A19: Nonlinear maps fail to satisfy the condition that f(ax+by)=af(x)+bf(y)
  838. where x and y are vectors, and a and b are scalars.  e.g. f(x)=ax is linear.
  839. f(x)=x^2 is nonlinear.  Nonlinearity is a map or term that is not linear.
  840.  
  841. A nonlinear system gives an output which is not proportional to the
  842. corresponding input.  Nonlinear dynamical systems possess nonlinear dynamical
  843. laws, which are functions of the system's state variables.
  844.  
  845. In linear systems, dy/dx is a constant, while in nonlinear systems dy/dx=some
  846. nonconstant function of x.
  847.  
  848. Nonlinear equations fail to exhibit linear superimposability.  Nonlinear
  849. equations can be categorized by differentiability, discontinuity, and "memory"
  850. (e.g. hysteresis in an electric circuit), etc.  This can be important to some
  851. types of nonlinear analysis such as the Popov hyperstability criterion.
  852.  
  853. Nonlinearity References:
  854.  
  855. 1.  W. A. Brock and E. G. Baek, Some Theory of Statistical Inference for
  856. Nonlinear Science, _Review of Economic Studies_ 58, 4 (1991), pp. 697-716.
  857.  
  858. 2.  J. Guckenheimer and P. Holmes, _Nonlinear Oscillations Dynamical Systems
  859. and Bifurcations of Vector Fields_, Springer-Verlag, New York, 1983.
  860.  
  861. 3.  D. Zelinsky, _A First Course in Linear Algebra_, Academic Press, 1973.
  862.  
  863. ------------------------------
  864.  
  865. Subject: What is a fractal?
  866.  
  867. Q20: What is a fractal? What are some examples of fractals?
  868. A20: A fractal is a rough or fragmented geometric shape that can be subdivided
  869. in parts, each of which is (at least approximately) a reduced-size copy of the
  870. whole.  (A definition from B. Mandelbrot)
  871.  
  872. A fractal is a set of points whose fractal (Hausdorff) dimension exceeds its
  873. topological dimension.
  874.  
  875. Examples of fractals: Sierpinski triangle, Koch snowflake, Peano curve,
  876. Mandelbrot set.
  877.  
  878. ------------------------------
  879.  
  880. Subject: Fractal dimension
  881.  
  882. Q21a: What is fractal dimension? How is it calculated?
  883. A21a: A common type of fractal dimension is the Hausdorff-Besikovich
  884. Dimension.
  885.  
  886. Roughly, fractal dimension can be calculated by taking the limit of the
  887. quotient of the log change in object size and the log change in measurement
  888. scale, as the measurement scale approaches zero.  The differences come in what
  889. is exactly meant by "object size" and what is meant by "measurement scale" and
  890. how to get an average number out of many different parts of a geometrical
  891. object.  Fractal dimensions quantify the static *geometry* of an object.
  892.  
  893. For example, consider a straight line.  Now blow up the line by a factor of
  894. two.  The line is now twice as long as before.  Log 2 / Log 2 = 1,
  895. corresponding to dimension 1.  Consider a square.  Now blow up the square by a
  896. factor of two.  The square is now 4 times as large as before (i.e. 4 original
  897. squares can be placed on the original square).  Log 4 / log 2 = 2,
  898. corresponding to dimension 2 for the square.  Consider a snowflake curve
  899. formed by repeatedly replacing ___ with _/\_, where each of the 4 new lines is
  900. 1/3 the length of the old line.  Blowing up the snowflake curve by a factor of
  901. 3 results in a snowflake curve 4 times as large (one of the old snowflake
  902. curves can be placed on each of the 4 segments _/\_).  Log 4 / log 3 =
  903. 1.261...  Since the dimension 1.261 is larger than the dimension 1 of the
  904. lines making up the curve, the snowflake curve is a fractal.
  905.  
  906. Fractal dimension references:
  907.  
  908. 1.  J. P. Eckmann and D. Ruelle, _Reviews of Modern Physics_ 57, 3 (1985), pp.
  909. 617-656.
  910.  
  911. 2.  K. J. Falconer, _The Geometry of Fractal Sets_, Cambridge Univ.  Press,
  912. 1985.
  913.  
  914. 3.  T. S. Parker and L. O. Chua, _Practical Numerical Algorithms for Chaotic
  915. Systems_, Springer Verlag, 1989.
  916.  
  917. 4.  H. Peitgen and D. Saupe, eds., _The Science of Fractal Images_, Springer-
  918. Verlag Inc., New York, 1988.  ISBN 0-387-96608-0.  This book contains many
  919. color and black and white photographs, high level math, and several
  920. pseudocoded algorithms.
  921.  
  922. 5.  G. Procaccia, _Physica D_ 9 (1983), pp. 189-208.
  923.  
  924. 6.  J. Theiler, _Physical Review A_ 41 (1990), pp. 3038-3051.
  925.  
  926. References on how to estimate fractal dimension:
  927.  
  928. 1.  E. Peters, _Chaos and Order in the Capital Markets_, New York, 1991.  ISBN
  929. 0-471-53372-6 Discusses methods of computing fractal dimension.  Includes
  930. several short programs for nonlinear analysis.
  931.  
  932. 2.  J. Theiler, Estimating Fractal Dimension, _Journal of the Optical Society
  933. of America A-Optics and Image Science_ 7, 6 (June 1990), pp. 1055-1073.
  934.  
  935. Fractal dimension software:
  936.  
  937. Fractal Dimension Calculator is a Macintosh program which uses the box-
  938. counting method to compute the fractal dimension of planar graphical objects.
  939. It is available by anonymous ftp from wuarchive.wustl.edu The path is:
  940. /mirrors4/architec/Fractals/FracDim.sit.hqx.
  941.  
  942. FD3: estimates capacity, information, and correlation dimension from a list of
  943. points.  It computes log cell sizes, counts, log counts, log of Shannon
  944. statistics based on counts, log of correlations based on counts, two-point
  945. estimates of the dimensions at all scales examined, and over-all least-square
  946. estimates of the dimensions.  Ftp from: lyapunov.ucsd.edu [132.239.86.10] in
  947. pub/cal-state-stan.  Also look in pub/inls-ucsd for an enhanced Grassberger-
  948. Procaccia algorithm for correlation dimension.  A MS-DOS version of FP3 is
  949. available by request to gentry@altair.csustan.edu.
  950.  
  951. Q21b: What is topological dimension?
  952. A21b: Topological dimension is the "normal" idea of dimension; a point has
  953. topological dimension 0, a line has topological dimension 1, a surface has
  954. topological dimension 2, etc.
  955.  
  956. For a rigorous definition:
  957.  
  958. A set has topological dimension 0 if every point has arbitrarily small
  959. neighborhoods whose boundaries do not intersect the set.
  960.  
  961. A set S has topological dimension k if each point in S has arbitrarily small
  962. neighborhoods whose boundaries meet S in a set of dimension k-1, and k is the
  963. least nonnegative integer for which this holds.
  964.  
  965. ------------------------------
  966.  
  967. Subject: Strange attractors
  968.  
  969. Q22: What is a strange attractor?
  970. A22: A strange attractor is the limit set of a chaotic trajectory.
  971.  
  972. A strange attractor is an indecomposable closed invariant set that "attracts"
  973. the points about it which contains a transversal homoclinic orbit.  (This
  974. orbit accounts for the strangeness.)
  975.  
  976. A strange attractor is a phase space locus of a bounded long-term dynamical
  977. behavior which has a nonzero probability of being observed - its basin of
  978. attraction has positive measure - and contains not a smooth manifold
  979. structure, but rather a self-similar or fractal structure.  Note: While all
  980. chaotic attractors are strange, not all strange attractors are chaotic.
  981. Reference:
  982.  
  983. 1.  Grebogi, et al., Strange Attractors that are not Chaotic, _Physica D_ 13
  984. (1984), pp. 261-268.
  985.  
  986. Consider a volume in phase space defined by all the initial conditions a
  987. system may have.  For a dissipative system, this volume will shrink as the
  988. system evolves in time (Liouville's Theorem).  If the system is sensitive to
  989. initial conditions, the trajectories of the points defining initial conditions
  990. will move apart in some directions, closer in others, but there will be a net
  991. shrinkage in volume.  Ultimately, all points will lie along a fine line of
  992. zero volume.  This is the strange attractor.  All initial points in phase
  993. space which ultimately land on the attractor form a Basin of Attraction.
  994. Note: A strange attractor results if a system is sensitive to initial
  995. conditions and is not conservative.
  996.  
  997. A strange attractor is the surfaces which the state of a chaotic system will
  998. be confined to, given time for transients to die out.
  999.  
  1000. ------------------------------
  1001.  
  1002. Subject: How can I take photos of fractals?
  1003.  
  1004. Q23: How can I take photos of fractals?
  1005. A23: Noel Giffin gets good results with the following setup:
  1006. Use 100 asa Kodak gold for prints or 64 asa for slides.
  1007. Use a long lens (100mm) to flatten out the field of view and minimize screen
  1008. curvature.  Use f4 stop.
  1009. Shutter speed must be longer than frame rate to get a complete image; 1/4
  1010. seconds works well.
  1011. Use a tripod and cable release or timer to get a stable picture.  The room
  1012. should be completely blackened, with no light, to prevent glare and to prevent
  1013. the monitor from showing up in the picture.
  1014.  
  1015. You can also obtain high quality images by sending your targa or gif images to
  1016. a commercial graphics imaging shop.  They can provide much higher resolution
  1017. images.  Prices are about $10 for a 35mm slide or negative and about $50 for a
  1018. high quality 4x5 negative.  to
  1019.  
  1020. ------------------------------
  1021.  
  1022. Subject: How can I join the BITNET fractal discussion?
  1023.  
  1024. Q24: How can I join the BITNET fractal discussion?
  1025. A24: There is a fractal discussion on BITNET that uses an automatic mail
  1026. server that sends mail to a distribution list.  (On some systems, the contents
  1027. of FRAC-L appear in the Usenet newsgroup bit.listserv.frac-l.) To join the
  1028. mailing list, send a message to listserv@gitvm1.gatech.edu with the following
  1029. as text:
  1030. SUBSCRIBE FRAC-L John Doe    (where John Doe is replaced by your name)
  1031. To unsubscribe, send the message:
  1032. UNSUBSCRIBE FRAC-L
  1033. If that doesn't unsubscribe you, you can try:
  1034. SIGNOFF FRAC-L (GLOBAL
  1035. If that doesn't work or you have other problems, you can contact the list
  1036. administrator.  You can obtain their name by sending the message:
  1037. REVIEW FRAC-L
  1038.  
  1039. ------------------------------
  1040.  
  1041. Subject: 3-D fractals
  1042.  
  1043. Q25: How can 3-D fractals be generated?
  1044. A25: A common source for 3-D fractals is to compute Julia sets with
  1045. quaternions instead of complex numbers.  The resulting Julia set is four
  1046. dimensional.  By taking a slice through the 4-D Julia set (e.g. by fixing one
  1047. of the coordinates), a 3-D object is obtained.  This object can then be
  1048. displayed using computer graphics techniques such as ray tracing.
  1049.  
  1050. The papers to read on this are:
  1051.  
  1052. 1.  J. Hart, D. Sandin and L. Kauffman, Ray Tracing Deterministic 3-D
  1053. Fractals, _SIGGRAPH_, 1989, pp. 289-296.
  1054.  
  1055. 2.  A. Norton, Generation and Display of Geometric Fractals in 3-D,
  1056. _SIGGRAPH_, 1982, pp. 61-67.
  1057.  
  1058. 3.  A. Norton, Julia Sets in the Quaternions, _Computers and Graphics,_ 13, 2
  1059. (1989), pp. 267-278.  Two papers on cubic polynomials, which can be used to
  1060. generate 4-D fractals:
  1061.  
  1062. 1.  B. Branner and J. Hubbard, The iteration of cubic polynomials, part I.,
  1063. _Acta Math_ 66 (1988), pp. 143-206.
  1064.  
  1065. 2.  J. Milnor, Remarks on iterated cubic maps, Ftp from math.sunysb.edu in
  1066. /preprints/ims90-6.ps.Z. Published in 1991 SIGGRAPH Course Notes #14: Fractal
  1067. Modeling in 3D Computer Graphics and Imaging.
  1068.  
  1069. Instead of quaternions, you can of course use other functions.  For instance,
  1070. you could use a map with more than one parameter, which would generate a
  1071. higher-dimensional fractal.
  1072.  
  1073. Another way of generating 3-D fractals is to use 3-D iterated function systems
  1074. (IFS).  These are analogous to 2-D IFS, except they generate points in a 3-D
  1075. space.
  1076.  
  1077. A third way of generating 3-D fractals is to take a 2-D fractal such as the
  1078. Mandelbrot set, and convert the pixel values to heights to generate a 3-D
  1079. "Mandelbrot mountain".  This 3-D object can then be rendered with normal
  1080. computer graphics techniques.
  1081.  
  1082. ------------------------------
  1083.  
  1084. Subject: What are some general references?
  1085.  
  1086. Q26: What are some general references on fractals and chaos?
  1087. A26: Some references are:
  1088.  
  1089. 1.  M. Barnsley, _Fractals Everywhere_, Academic Press Inc., 1988.  ISBN 0-
  1090. 12-079062-9.  This is an excellent text book on fractals.  This is probably
  1091. the best book for learning about the math underpinning fractals. It is also a
  1092. good source for new fractal types.
  1093.  
  1094. 2.  M. Barnsley and L. Hurd, _Fractal Image Compression_, Jones and Bartlett,
  1095. December, 1992.  ISBN 0-86720-457-5. This book explores the science of the
  1096. fractal transform in depth. The authors begin with a foundation in information
  1097. theory and present the technical background for fractal image compression. In
  1098. so doing, they explain the detailed workings of the fractal transform.
  1099. Algorithms are illustrated using source code in C.
  1100.  
  1101. 3.  M. Barnsley and L. Anson, _The Fractal Transform_, Jones and Bartlett,
  1102. April, 1993.  ISBN 0-86720-218-1. This book is a sequel to _Fractals
  1103. Everywhere_. Without assuming a great deal of technical knowledge, the authors
  1104. explain the workings of the Fractal Transform (tm). The Fractal Transform is
  1105. the compression tool for storing high-quality images in a minimal amount of
  1106. space on a computer. Barnsley uses examples and algorithms to explain how to
  1107. transform a stored pixel image into its fractal representation.
  1108.  
  1109. 4.  R. Devaney and L. Keen, eds., _Chaos and Fractals: The Mathematics Behind
  1110. the Computer Graphics_, American Mathematical Society, Providence, RI, 1989.
  1111. This book contains detailed mathematical descriptions of chaos, the Mandelbrot
  1112. set, etc.
  1113.  
  1114. 5.  R. L. Devaney, _An Introduction to Chaotic Dynamical Systems_, Addison-
  1115. Wesley, 1989.  ISBN 0-201-13046-7.  This book introduces many of the basic
  1116. concepts of modern dynamical systems theory and leads the reader to the point
  1117. of current research in several areas. It goes into great detail on the exact
  1118. structure of the logistic equation and other 1-D maps.  The book is fairly
  1119. mathematical using calculus and topology.
  1120.  
  1121. 6.  R. L. Devaney, _Chaos, Fractals, and Dynamics_, Addison-Wesley, 1990.
  1122. ISBN 0-201-23288-X.  This is a very readable book.  It introduces chaos
  1123. fractals and dynamics using a combination of hands-on computer experimentation
  1124. and precalculus math.  Numerous full-color and black and white images convey
  1125. the beauty of these mathematical ideas.
  1126.  
  1127. 7.  R. Devaney, _A First Course in Chaotic Dynamical Systems, Theory and
  1128. Experiment_, Addison Wesley, 1992.  A nice undergraduate introduction to chaos
  1129. and fractals.
  1130.  
  1131. 8.  G. A. Edgar, _Measure Topology and Fractal Geometry_, Springer- Verlag
  1132. Inc., 1990.  ISBN 0-387-97272-2.  This book provides the math necessary for
  1133. the study of fractal geometry.  It includes the background material on metric
  1134. topology and measure theory and also covers topological and fractal dimension,
  1135. including the Hausdorff dimension.
  1136.  
  1137. 9.  K. Falconer, _Fractal Geometry: Mathematical Foundations and
  1138. Applications_, Wiley, New York, 1990.
  1139.  
  1140. 10.  J. Feder, _Fractals_, Plenum Press, New York, 1988.  This book is
  1141. recommended as an introduction.  It introduces fractals from geometrical
  1142. ideas, covers a wide variety of topics, and covers things such as time series
  1143. and R/S analysis that aren't usually considered.
  1144.  
  1145. 11.  J. Gleick, _Chaos: Making a New Science_, Penguin, New York, 1987.
  1146.  
  1147. 12.  B. Hao, ed., _Chaos_, World Scientific, Singapore, 1984.  This is an
  1148. excellent collection of papers on chaos containing some of the most
  1149. significant reports on chaos such as ``Deterministic Nonperiodic Flow'' by
  1150. E.N.Lorenz.
  1151.  
  1152. 13.  S. Levy, _Artificial life : the quest for a new creation_, Pantheon
  1153. Books, New York, 1992.  This book takes off where Gleick left off.  It looks
  1154. at many of the same people and what they are doing post-Gleick.
  1155.  
  1156. 14.  B. Mandelbrot, _The Fractal Geometry of Nature_, W. H.  FreeMan and Co.,
  1157. New York.  ISBN 0-7167-1186-9.  In this book Mandelbrot attempts to show that
  1158. reality is fractal-like.  He also has pictures of many different fractals.
  1159.  
  1160. 15.  H. O. Peitgen and P. H. Richter, _The Beauty of Fractals_, Springer-
  1161. Verlag Inc., New York, 1986.  ISBN 0-387-15851-0.  Lots of neat pictures.
  1162. There is also an appendix giving the coordinates and constants for the color
  1163. plates and many of the other pictures.
  1164.  
  1165. 16.  H. Peitgen and D. Saupe, eds., _The Science of Fractal Images_,
  1166. Springer-Verlag Inc., New York, 1988.  ISBN 0-387-96608-0.  This book contains
  1167. many color and black and white photographs, high level math, and several
  1168. pseudocoded algorithms.
  1169.  
  1170. 17.  H. Peitgen, H. Juergens and D. Saupe, _Fractals for the Classroom_,
  1171. Springer-Verlag, New York, 1992.  These two volumes are aimed at advanced
  1172. secondary school students (but are appropriate for others too), have lots of
  1173. examples, explain the math well, and give BASIC programs.
  1174.  
  1175. 18.  H. Peitgen, H. Juergens and D. Saupe, _Chaos and Fractals: New Frontiers
  1176. of Science_, Springer-Verlag, New York, 1992.
  1177.  
  1178. 19.  C. Pickover, _Computers, Pattern, Chaos, and Beauty: Graphics from an
  1179. Unseen World_, St. Martin's Press, New York, 1990.  This book contains a bunch
  1180. of interesting explorations of different fractals.
  1181.  
  1182. 20.  J. Pritchard, _The Chaos Cookbook: A Practical Programming Guide_,
  1183. Butterworth-Heinemann, Oxford, 1992.  ISBN 0-7506-0304-6. It contains type-
  1184. in-and-go listings in BASIC and Pascal. It also eases you into some of the
  1185. mathematics of fractals and chaos in the context of graphical experimentation.
  1186. So it's more than just a type-and-see-pictures book, but rather a lab
  1187. tutorial, especially good for those with a weak or rusty (or even non-
  1188. existent) calculus background.
  1189.  
  1190. 21.  P. Prusinkiewicz and A. Lindenmayer, _The Algorithmic Beauty of Plants_,
  1191. Springer-Verlag, NY, 1990.  ISBN 0-387-97297-8. A very good book L-systems,
  1192. which can be used to model plants in a VERY realistic fashion (the book
  1193. contains a lot of pictures).
  1194.  
  1195. 22.  M. Schroeder, _Fractals, Chaos, and Power Laws: Minutes from an Infinite
  1196. Paradise_, W. H. Freeman, New York, 1991.  This book contains a clearly
  1197. written explanation of fractal geometry with lots of puns and word play.
  1198.  
  1199. 23.  D. Stein, ed., _Proceedings of the Santa Fe Institute's Complex Systems
  1200. Summer School_, Addison-Wesley, Redwood City, CA, 1988.  See esp. the first
  1201. article by David Campbell: ``Introduction to nonlinear phenomena''.
  1202.  
  1203. 24.  R. Stevens, _Fractal Programming in C_, M&T Publishing, 1989 ISBN 1-
  1204. 55851-038-9.  This is a good book for a beginner who wants to write a fractal
  1205. program.  Half the book is on fractal curves like the Hilbert curve and the
  1206. von Koch snow flake.  The other half covers the Mandelbrot, Julia, Newton, and
  1207. IFS fractals.
  1208.  
  1209. 25.  I. Stewart, _Does God Play Dice?: the Mathematics of Chaos_, B.
  1210. Blackwell, New York, 1989.
  1211.  
  1212. 26.  T. Wegner and M. Peterson, _Fractal Creations_, The Waite Group, 1991.
  1213. This is the book describing the Fractint program.
  1214.  
  1215. Journals:
  1216. "Chaos and Graphics" section in the quarterly journal _Computers and
  1217. Graphics_.  This contains recent work in fractals from the graphics
  1218. perspective, and usually contains several exciting new ideas.
  1219. "Mathematical Recreations" section by A. K. Dewdney in _Scientific American_.
  1220. Algorithms - The Personal Computer Newsletter.  P.O. Box 29237, Westmount
  1221. Postal Outlet, 785 Wonderland Road S., London, Ontario, Canada, N6K 1M6.
  1222. Mandala
  1223. Fractal Report.  Reeves Telecommunication Labs. West Towan House, Pothtowan,
  1224. TRURO, Cornwall TR4 8AX, U.K.
  1225. Amygdala.  P.O. Box 219 San Cristobal, NM  87564-0219.  This is a newsletter
  1226. about the Mandelbrot Set and other fractals.  A trial subscription for 6
  1227. issues is $15 to: Amygdala Box 219 / San Cristobal, NM 87564.  Contact Rollo
  1228. Silver (rsilver@lanl.gov) for more information.
  1229. FRAC'Cetera.  This is a gazetteer of the world of fractals and related areas,
  1230. supplied in IBM PC format.  For more information, contact:  Jon Horner, Editor
  1231. FRAC'Cetera, Le Mont Ardaine, Rue des Ardains, St. Peters, Guernsey, Channel
  1232. Islands, United Kingdom.
  1233. Fractals, An interdisciplinary Journal On The Complex Geometry of Nature.
  1234. This is a new journal published by World Scientific.  B.B Mandelbrot is the
  1235. Honorary Editor and T. Vicsek, M.F. Shlesinger, M.M Matsushita are the
  1236. Managing Editors).  The aim of this first international journal on fractals is
  1237. to bring together the most recent developments in the research of fractals so
  1238. that a fruitful interaction of the various approaches and scientific views on
  1239. the complex spatial and temporal behavior could take place.  Subscription
  1240. rates are 176 US$ for Institutions and Libraries and 88 US$ for Individuals
  1241. and Institutions in developing countries.
  1242.  
  1243. Articles:
  1244.  
  1245. 1.  P. Blanchard, Complex Analytic Dynamics on the Riemann Sphere, _Bull. of
  1246. the Amer. Math. Soc_ 11, 1 (July 1984), pp. 85-141.  This article is a
  1247. detailed discussion of the mathematics of iterated complex functions. It
  1248. covers most things about Julia sets of rational polynomial functions.
  1249.  
  1250. ------------------------------
  1251.  
  1252. Subject: Acknowledgements
  1253.  
  1254. For their help with this file, thanks go to:
  1255. Alex Antunes, Steve Bondeson, Erik Boman, Jacques Carette, John Corbit,
  1256. Abhijit Deshmukh, Robert Drake, Detlev Droege, Gerald Edgar, Gordon
  1257. Erlebacher, Duncan Foster, David Fowler, Murray Frank, Jean-loup Gailly, Noel
  1258. Giffin, Earl Glynn, Lamont Granquist, Luis Hernandez-Ure:a, Arto Hoikkala,
  1259. Carl Hommel, Robert Hood, Oleg Ivanov, Simon Juden, J. Kai-Mikael, Leon Katz,
  1260. Matt Kennel, Tal Kubo, Jon Leech, Brian Meloon, Tom Menten, Guy Metcalfe,
  1261. Eugene Miya, Lori Moore, Robert Munafo, Miriam Nadel, Ron Nelson, Tom Parker,
  1262. Dale Parson, Matt Perry, Cliff Pickover, Francois Pitt, Michael Rolenz, Tom
  1263. Scavo, Jeffrey Shallit, Rollo Silver, Gerolf Starke, Bruce Stewart, Dwight
  1264. Stolte, Tommy Vaske, Tim Wegner, Andrea Whitlock, Erick Wong, Wayne Young, and
  1265. others.
  1266.  
  1267. Special thanks to Matthew J. Bernhardt (mjb@acsu.buffalo.edu) for collecting
  1268. many of the chaos definitions.
  1269.  
  1270. Copyright 1993 Ken Shirriff (shirriff@sprite.Berkeley.EDU).
  1271.