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ジュリア集合 — 「2乗して c を足す」だけの図形と、畑の渦の骨格

ドゥアディの兎と呼ばれるジュリア集合。濃紺の連結した形から3つずつ耳が生える
c = −0.1226 + 0.7449i(ドゥアディの兎)。電卓で「2乗して c を足す」を押し続け、逃げるか逃げないかで平面を塗り分けた。濃紺=逃げない点(充填ジュリア集合)

1991年の「ジュリア集合」

1991年、ストーンヘンジの近くの麦畑に、渦を巻いて円が151個並ぶ巨大図形が現れ、「ジュリア集合」と呼ばれた(⚠️経緯は伝聞)。ただし畑の図形の骨格はらせんに円を並べたもので、本物のジュリア集合とは別物である。ここでは両方を自分で作って並べ、それぞれの数理を測った。

本物の側の作り方は、このギャラリーでいちばん短い。z を2乗して c を足す。それを繰り返す。逃げれば外、逃げなければ中——それだけで左上の図形が出てくる(Julia 1918 / Fatou 1917)。図は厳密に180°回転対称で、これは (−z)² = z² だから初手で違いが消えるため——格子の全セルで検査した。

★つながるか塵になるかは、軌道1本が決める——そして見た目では分からない

連結なジュリア集合(兎)とカントール塵(c=0.66)の比較。臨界軌道の赤い折れ線を重ねてある
z = 0 から出る臨界軌道(赤い折れ線)が運命を決める。左=軌道は3周期に落ちて逃げない→連結。右=毎手 +0.41 以上ずつ滑り落ちて逃げる→塵(Fatou–Julia の二分法)

平面の全部の点の運命が、たった1本の軌道(z = 0 の行き先)で決まる——これが Fatou–Julia の二分法である。判定は独立2経路で突き合わせた: ①軌道を回す(兎は10万手逃げず、3周期に厳密に落ちる)と②主カージオイドの式 |1−√(1−4c)| が 1 未満(式の内側から200点取ると軌道は全部有界、|c| が 2 を超える200点は3手以内に全部逃げた)。c = 0.66 の「塵」は解析の経路もある: 実軸上で毎手 c−1/4 = 0.41 以上ずつ増える(単調増加の不等式と実測が一致)。

⚠️見た目では分からない。渦の壁紙で有名な c = −0.7269 + 0.1889i を追うと、臨界軌道は430手めで逃げる——つまりあの渦は連結に見えて実は塵である(画面の解像度では区別がつかない)。「否定も肯定も軌道1本で機械的に確かめる」が効いた例。境界そのものは逆像反復(反発固定点から z → ±√(z−c))でも作れて、6000点の 99.75% がエスケープ時間で見た境界の2セル以内に乗った=同じ集合への独立2経路。

畑の骨格——円の鎖を全部接させられるのは対数らせんだけ

対数らせんに沿って並べた円は全部接する。アルキメデスらせんでは隙間と食い込みが出る対照実験
半径を中心距離に比例させて円を並べると、対数らせんでは最初の一対で決めた比率が最後まで効いて全部接する(残差 10⁻¹⁶)。対照: アルキメデスらせんでは 8% の隙間・食い込みが出る

1991年の畑の図形の骨格は「らせんに沿って円を並べたもの」だった。円の鎖が全部同時に接するのは、隣の中心距離と半径の和が同じ比率 e^(bΔθ) で伸びる——つまり自己相似な対数らせんだけの特権である(対数螺旋の「回転=拡大」と同じ帳簿)。πのらせんのアルキメデス型で同じことをすると接し方が崩れる——対照まで含めて機械検査にした。似て見える2つのらせんが、円の鎖という「検査器」ではっきり分かれる。

どう作ったか

機械検査は18件: ①180°回転対称が全セルで厳密 ②★兎の臨界軌道は10万手有界・3周期に厳密に落ちる ③c = 0.66 は毎手 +0.41 以上の単調増加(不等式と実測)④カージオイドの式の内側200点が全部有界・|c|>2 の200点が3手以内に逃げる(判定の独立2経路)⑤反発固定点の残差 10⁻¹⁶・|f′|>1 ⑥★逆像反復6000点の99.75%が境界セルの2セル以内 ⑦⚠️渦で有名な c が430手で逃げる=塵 ⑧maxIter を4倍にしても「逃げない」セル数がほぼ動かない(解像度を振る作法)⑨★対数らせんの円の鎖: 接触残差 10⁻¹⁶・半径比が一定/対照のアルキメデスは 8% 崩れる ⑩箱数えの次元: ジュリアの境界 ≈1.25・らせんの曲線 ≈1.0(⚠️粗い物差し)⑪決まった乱数 ⑫出荷SVG3枚。

→ 対数螺旋(回転=拡大の自己相似)

→ アポロニウスのガスケット(円の詰まり方)

→ ドラゴン曲線(反復が作る自己相似)

→ πのらせん(アルキメデス型・同じ畑の幾何)

出典

数理
G. Julia (1918), P. Fatou (1917–1920)。二分法(臨界軌道の有界性⟺連結)は Fatou–Julia の定理。主カージオイドの式・逆像反復・ドゥアディの兎(A. Douady に因む)は複素力学系の標準。⚠️定理は引用で、こちらが確かめたのは数値の帰結(有界性・周期・一致率)
ミステリーサークルの扱い
1991年ストーンヘンジ脇の図形と「ジュリア集合」の呼び名は伝聞。畑の図形の図案は複製せず、骨格の数理(対数らせんの円の鎖)と本物のジュリア集合をこちらの図で引き直した。畑の図形はジュリア集合そのものではない、という区別ごと収蔵する
生成
generators/julia.js(エスケープ時間・臨界軌道・カージオイド判定・反発固定点・逆像反復・境界セル・箱数え・らせんの円の鎖・図3枚。依存ゼロ・乱数は mulberry32。塗りは行の走りをまとめた path=セル1つずつ描くと数MBに太る)