细胞自动机原理和应用

首页 > 经验 > 作者:YD1662023-03-16 19:13:19

一维

如上面描述的Life一样,二维细胞自动机太复杂,因而无法详细分析。

数学家斯蒂芬·沃尔夫拉姆 提出了解决方案,他对该理论的第一个重要贡献是将情况降低到可以分析的程度。他认为一维细胞自动机值得研究。

一维细胞自动机的概念与二维细胞自动机没有什么不同,但是当我们从一行细胞开始,在下一个标有记号的地方时,该行就会被一个遵循一定规则的新行替换。

因为这只是一个一维图,因此我们实际上不需要替换现有的行,只需在其下面显示新行,建立一个完整的细胞自动机开发模式。我们还可以根据细胞的颜色、与之相邻的其他两个细胞以及它下面新细胞的颜色来指定规则。

例如,模式:

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指定一个规则,如果某个细胞为白色且与之相邻的细胞中有两个为黑色,则此细胞下面的细胞也应为黑色。

由于相邻细胞只有八种可能的情况,我们只需要列出八个中每一个细胞是黑色还是白色,一个完整的规则就可以确定在任何情况下细胞可能出现的情况。

通过将黑色设为1,白色设为0,你可以为每个相邻模式标记从0到7之间的数字,然后将下一行的黑色或白色细胞看作八个0或八个1读取,即二进制数。 这可以用作指定规则的索引。

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这意味着你可以按编号引用一维细胞自动机中可能的256条规则中的任何一条。 这本身就是一个概念上的突破,因为现在你可以对每条可能规则的行为进行分类。

这正是生物学家在遇到新生物圈时会做的事情。一旦你对所看到的内容进行分类,你就可以掌握其中的模式并对看到的内容进行理论分析。

如果你没有对其进行分类,无论它有多么有趣,你看到的只是一个没有任何差别的混乱行为。

沃尔夫拉姆通过模拟这些行为来检查所有256条规则,并发现有四类行为。

· 第一类行为很无聊,只会导致打开或关闭状态。

· 第二类行为也相当无聊,此类行为会导致稳定状态,比第一类稍微有趣一点。

· 第三类行为是无序行为——随机三角形和“视频噪声”。

· 最后,第四类行为产生包含“类似Life”模式的复杂行为。第四类行为表明,即使是1d 细胞自动机也有足够的复杂性来产生有趣的行为。

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在这些1d 细胞自动机中,很多都产生了有趣的模式,这些模式玩起来也很有趣。从图形的角度看,这些模式或许没有分形图那样令人印象深刻,但考虑到你投入的数量,你似乎还是有所收获——这也是最重要的一点!

即使是1d 细胞自动机也足够复杂,使你相信简单中也能产生复杂的事物。实际上,规则30被提议作为一种加密方法。单向函数只是初始状态演化而来的——由于很难从最终配置反向工作到创建它的初始配置,因此信息不能被破解。

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