Последовательность Туэ – Морса - Thue–Morse sequence

Этот рисунок демонстрирует повторяющийся и дополняющий состав последовательности Туэ – Морзе.

В математика, то Последовательность Туэ – Морса, или же Последовательность Пруэ – Туэ – Морса, это двоичная последовательность (бесконечная последовательность нулей и единиц), полученная, начиная с 0 и последовательно добавляя Логическое дополнение последовательности, полученной на данный момент. Первые несколько шагов этой процедуры дают строки 0, затем 01, 0110, 01101001, 0110100110010110 и т. Д., Которые являются префиксами последовательности Туэ – Морзе. Полная последовательность начинается:

01101001100101101001011001101001 .... (последовательность A010060 в OEIS )

Последовательность названа в честь Аксель Туэ и Марстон Морс.

Определение

Есть несколько эквивалентных способов определения последовательности Туэ – Морса.

Прямое определение

При двоичном счете сумма цифр по модулю 2 представляет собой последовательность Туэ-Морса.

Чтобы вычислить пй элемент тп, написать номер п в двоичный. Если количество единиц в этом двоичном расширении нечетно, тогда тп = 1, если даже тогда тп = 0.[1] Именно по этой причине Джон Х. Конвей и другие. звонить по номерам п удовлетворение тп = 1 одиозный (за странный) числа и числа, для которых тп = 0 зло (за даже) числа. Другими словами, tп = 0, если п является злой номер и тп = 1, если п является одиозное число.

Генерация быстрой последовательности

Этот метод приводит к быстрому способу вычисления последовательности Туэ – Морса: начните с т0 = 0, а затем для каждого п, найти бит наивысшего порядка в двоичном представлении п который отличается от того же бита в представлении п − 1. (Этот бит можно изолировать, позволив Икс быть побитовым исключающим или из п и п − 1, смещение Икс вправо на один бит и вычисляя исключающее ИЛИ этого сдвинутого значения с помощью Икс.) Если этот бит имеет четный индекс, тп отличается от тп − 1, а в остальном это то же самое, что тп − 1.

В форме псевдокода:

generateSequence(seqLength):    ценить = 0    за п = 0 к seqLength-1 к 1:             Икс = п ^ (п-1)                                 если ((Икс ^ (Икс>>1)) & 0x55555555):            ценить = 1 - ценить        возвращаться ценить

Результирующий алгоритм требует постоянного времени для генерации каждого элемента последовательности, используя только логарифмическое количество бит (постоянное количество слов) памяти.[2]

Отношение рецидива

Последовательность Туэ – Морса - это последовательность тп удовлетворение отношение повторения

для всех неотрицательных целых чисел п.[1]

L-система

Последовательность Туэ – Морса, порожденная L-системой

Последовательность Туэ – Морса - это морфическое слово:[3] это результат следующих Система Линденмайера:

Переменные 0, 1
Константы Никто
Начинать 0
Правила (0 → 01), (1 → 10)

Характеризация с использованием побитового отрицания

Последовательность Туэ – Морса в приведенном выше виде как последовательность биты, можно определить рекурсивно используя операцию побитовое отрицание Итак, первый элемент равен 0, а затем, как только первые 2п элементы были указаны, образуя строку s, затем следующие 2п элементы должны формировать побитовое отрицание s.Теперь мы определили первые 2п+1 элементы, и мы рекурсивно.

Подробное изложение первых нескольких шагов:

  • Начнем с 0.
  • Поразрядное отрицание 0 равно 1.
  • Объединяя их, первые 2 элемента - 01.
  • Поразрядное отрицание 01 равно 10.
  • Объединяя их, получаем первые 4 элемента 0110.
  • Поразрядное отрицание 0110 равно 1001.
  • Объединяя их, получаем первые 8 элементов 01101001.
  • И так далее.

Так

  • Т0 = 0.
  • Т1 = 01.
  • Т2 = 0110.
  • Т3 = 01101001.
  • Т4 = 0110100110010110.
  • Т5 = 01101001100101101001011001101001.
  • Т6 = 0110100110010110100101100110100110010110011010010110100110010110.
  • И так далее.

Бесконечный продукт

Последовательность также может быть определена:

куда тj это jth элемент, если мы начнем с j = 0.

Некоторые свойства

Поскольку каждый новый блок в последовательности Туэ – Морса определяется путем побитового отрицания начала, и это повторяется в начале следующего блока, последовательность Туэ – Морса заполняется квадраты: последовательные строки, которые повторяются. то есть существует много экземпляров XX, куда Икс это какая-то строка. В самом деле, такая строка тогда и только тогда, когда или же куда для некоторых и обозначает побитовое отрицание (меняем местами 0 и 1).[4] Например, с , у нас есть , и квадрат появляется в начиная с 16-го бита. (Таким образом, квадраты в имеют длину, равную 2 или 3 степени 2). Однако нет кубики: экземпляры XXX.Также нет перекрывающиеся квадраты: экземпляры 0Икс0Икс0 или 1Икс1Икс1.[5][6] В критический показатель равно 2.[7]

Последовательность Т2п является палиндром для любого п. Далее, пусть qп быть словом, полученным из Т2п путем подсчета единиц между последовательными нулями. Например, q1 = 2 и q2 = 2102012 и так далее. Слова Тп не содержат перекрывающиеся квадраты в результате слова qп палиндром свободные слова.

Утверждение выше о том, что последовательность Туэ – Морса «заполнена квадратами», можно уточнить: это равномерно повторяющееся слово, что означает, что для любой конечной строки Икс в последовательности есть некоторая длина пИкс (часто намного длиннее, чем длина Икс) такие, что Икс появляется в каждый блок длины пИкс.[8][9]Самый простой способ сделать повторяющуюся последовательность - сформировать периодическая последовательность, тот, где последовательность полностью повторяется после заданного числа м шагов. Затем пИкс можно задать любое кратное м это больше, чем в два раза длиннее Икс.Но последовательность Морса равномерно рекуррентна. без быть периодическим, даже не в конечном итоге периодическим (то есть периодическим после некоторого непериодического начального сегмента).[10]

Мы определяем Морфизм Туэ – Морса быть функция ж от набор двоичных последовательностей на себя, заменив каждый 0 в последовательности на 01 и каждую 1 на 10.[11] Тогда если Т последовательность Туэ – Морса, то ж(Т) является Т опять таки; то есть, Т это фиксированная точка из ж. Функция ж это продолжительный морфизм на свободный моноид {0,1} с Т как фиксированная точка: действительно, Т по сути Только фиксированная точка ж; единственная другая фиксированная точка - побитовое отрицание Т, которая представляет собой просто последовательность Туэ – Морса на (1,0), а не на (0,1). Это свойство можно обобщить до концепции автоматическая последовательность.

В генерирующий ряд из Т над двоичное поле это формальный степенной ряд

Этот степенной ряд является алгебраическим над полем формальных степенных рядов, удовлетворяющих уравнению[12]

В комбинаторной теории игр

Набор злые числа (числа с ) образует подпространство целых неотрицательных чисел при добавление ним (побитовый Эксклюзивный или ). Для игры Kayles, зло ним-ценности происходят для нескольких (конечного числа) позиций в игре, а все оставшиеся позиции имеют одиозные ним-значения.

Проблема Пруэ – Тарри – Эскотта

В Проблема Пруэ – Тарри – Эскотта можно определить как: задано положительное целое число N и неотрицательное целое число k, раздел набор S = { 0, 1, ..., N-1} на два непересекающийся подмножества S0 и S1 которые имеют равные суммы степеней до k, то есть:

для всех целых чисел я от 1 до k.

У этого есть решение, если N делится на 2k+1, предоставленный:

  • S0 состоит из целых чисел п в S для которого тп = 0,
  • S1 состоит из целых чисел п в S для которого тп = 1.

Например, для N = 8 и k = 2,

0 + 3 + 5 + 6 = 1 + 2 + 4 + 7,
02 + 32 + 52 + 62 = 12 + 22 + 42 + 72.

Условие, требующее, чтобы N быть кратным 2k+1 не является строго необходимым: есть еще несколько случаев, для которых существует решение. Однако это гарантирует более сильное свойство: если условие выполняется, то набор kй степени любого набора N числа в арифметическая прогрессия можно разбить на два множества с равными суммами. Это непосредственно следует из разложения биномиальная теорема применяется к биному, представляющему п-й элемент арифметической прогрессии.

Об обобщении последовательности Туэ – Морса и проблемы Пруэ – Тарри – Эскотта на разбиение более чем на две части см. Болкер, Оффнер, Ричман и Зара, «Проблема Пруэ – Тарри – Эскотта и обобщенные последовательности Туэ – Морса».[13]

Фракталы и графика черепахи

С помощью черепаха графика, кривая может быть сгенерирована, если автомат запрограммирован с помощью последовательности. Когда члены последовательности Туэ – Морзе используются для выбора состояний программы:

  • Если т(п) = 0, продвинемся на единицу вперед,
  • Если т(п) = 1, повернуть на угол π / 3 радианы (60°)

Полученная кривая сходится к Кривая Коха, а фрактальная кривая бесконечной длины, содержащий конечную площадь. Это иллюстрирует фрактальную природу последовательности Туэ – Морса.[14]

Также можно точно нарисовать кривую, используя следующие инструкции:[15]

  • Если т(п) = 0, повернуть на угол π радиан (180 °),
  • Если т(п) = 1, продвинуться вперед на одну единицу, затем повернуть на угол π / 3 радиан.

Справедливая последовательность

В своей книге по проблеме справедливое деление, Стивен Брамс и Алан Тейлор активировал последовательность Туэ – Морса, но не идентифицировал ее как таковую. Распределяя оспариваемую кучу предметов между двумя сторонами, которые согласовывают относительную стоимость предметов, Брамс и Тейлор предложили метод, который они назвали сбалансированное чередование, или же по очереди по очереди. . . , как способ обойти фаворитизм, присущий, когда одна сторона делает выбор перед другой. Пример показал, как разводящаяся пара может достичь справедливого урегулирования при распределении вещей, находящихся в совместном владении. Стороны по очереди будут первыми выбирать на разных этапах процесса выбора: Энн выбирает один пункт, затем Бен, затем Бен выбирает один пункт, затем делает Энн.[16]

Лайонел Левин и Кэтрин Стэндж в своем обсуждении того, как справедливо распределить общий обед, например Эфиопский ужин, предложил последовательность Туэ – Морса как способ уменьшить преимущество движения первым. Они предположили, что «было бы интересно количественно оценить интуицию, согласно которой порядок Туэ-Морса имеет тенденцию давать справедливый результат».[17]

Роберт Ричман обратился к этой проблеме, но он тоже не идентифицировал последовательность Туэ – Морса как таковую на момент публикации.[18] Он представил последовательности Тп так как пошаговые функции на интервале [0,1] и описали их связь с Уолш и Радемахер функции. Он показал, что пth производная можно выразить через Тп. Как следствие, ступенчатая функция, возникающая из Тп является ортогональный к многочлены из порядок п - 1. Следствием этого результата является то, что ресурс, ценность которого выражается как монотонно уменьшение непрерывная функция наиболее справедливо распределяется с использованием последовательности, которая сходится к Туэ-Морсу, когда функция становится льстить. На примере показано, как разливать кофе равной крепости из графина с нелинейный концентрация градиент, натолкнувшись на причудливую статью в популярной прессе.[19]

Джошуа Купер и Аарон Датл показали, почему порядок Туэ-Морса обеспечивает справедливый исход для отдельных событий.[20] Они считали самый справедливый способ устроить Галуа дуэль, в которой у каждого из стрелков одинаково плохие стрелковые навыки. Купер и Датл постулировали, что каждый дуэлянт потребует возможности выстрелить, как только другой априори вероятность победы превысили их собственные. Они доказали, что по мере приближения вероятности попадания дуэлей к нулю последовательность увольнения сходится к последовательности Туэ – Морса. Тем самым они продемонстрировали, что порядок Туэ-Морзе дает справедливый результат не только для последовательностей. Тп длины 2п, но для последовательностей любой длины.

Таким образом, математика поддерживает использование последовательности Туэ – Морса вместо чередования поворотов, когда целью является честность, но более ранние повороты монотонно отличаются от более поздних ходов некоторым значимым качеством, независимо от того, постоянно ли это качество меняется[18] или дискретно.[20]

Спортивные соревнования образуют важный класс задач равной последовательности, потому что строгое чередование часто дает несправедливое преимущество одной команде. Игнасио Паласиос-Уэрта предложил изменить порядок следования на Туэ-Морс, чтобы улучшить Постфактум справедливость различных турнирных соревнований, таких как последовательность ударов ногами серия пенальти в футболе.[21] Он провел серию полевых экспериментов с профессиональными игроками и обнаружил, что команда, которая пинает первой, выигрывает 60% игр с использованием ABAB (или Т1), 54% используют ABBA (или Т2), а 51% - с использованием полной версии Thue-Morse (или Тп). В результате ABBA переживает обширные испытания в ФИФА (чемпионаты Европы и мира) и Английская федерация профессионального футбола (Кубок EFL ).[22] Также было обнаружено, что шаблон подачи ABBA улучшает справедливость теннисные тай-брейки.[23] В соревновательная гребля, Т2 это единственное расположение гребля по левому и правому борту членов экипажа, который устраняет поперечные силы (и, следовательно, покачивание вбок) на четырехчленной гоночной лодке без рулевого, в то время как Т3 один из четырех буровые установки чтобы не покачиваться на восьмичленной лодке.[24]

Справедливость особенно важна в драфты игроков. Многие профессиональные спортивные лиги пытаются добиться конкурентный паритет давая более ранние выборы в каждом раунде более слабым командам. Напротив, лиги фэнтези-футбола не имеют ранее существовавшего дисбаланса, который необходимо исправить, поэтому они часто используют «змейку» (вперед, назад и т. д.) или Т1).[25] Ян Аллан утверждал, что «разворот в третьем раунде» (вперед, назад, назад, вперед и т. Д .; или Т2) было бы еще справедливее.[26] Ричман предложил наиболее справедливый способ для «капитана А» и «капитана Б» выбирать стороны для игра в баскетбол зеркала Т3: капитан A может выбрать первый, четвертый, шестой и седьмой варианты, а капитан B - второй, третий, пятый и восьмой варианты.[18]

История

Последовательность Туэ – Морса впервые была изучена Эжен Пруэ в 1851 г.,[27] кто применил это к теория чисел Однако Пруэ не упомянул последовательность явно; это было оставлено Аксель Туэ в 1906 году, который использовал его, чтобы основать исследование комбинаторика слов Эта последовательность была доведена до всеобщего внимания только благодаря работе Марстон Морс в 1921 году, когда он применил его к дифференциальная геометрия.Последовательность была открыта независимо много раз, не всегда профессиональными математиками-исследователями; Например, Макс Эйве, а гроссмейстер, обладатель титула чемпиона мира с 1935 по 1937 год, и математика учитель, обнаружил его в 1929 году в приложении к шахматы: используя свойство отсутствия кубов (см. выше), он показал, как обойти правило направленная на предотвращение бесконечно затяжных игр путем объявления повторения ходов ничьей.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ а б Аллуш и Шаллит (2003), п. 15)
  2. ^ Арндт (2011).
  3. ^ Lothaire (2011 г.), п. 11)
  4. ^ Брлек (1989).
  5. ^ Lothaire (2011 г.), п. 113)
  6. ^ Пифей Фогг (2002), п. 103)
  7. ^ Кригер (2006).
  8. ^ Lothaire (2011 г.), п. 30)
  9. ^ Берте и Риго (2010).
  10. ^ Lothaire (2011 г.), п. 31)
  11. ^ Berstel et al. (2009 г., п. 70)
  12. ^ Berstel et al. (2009 г., п. 80)
  13. ^ Bolker et al. (2016).
  14. ^ Ма и Холденер (2005).
  15. ^ Абель, Захари (23 января 2012 г.). "Плавучие черепахи Туэ-Морса". Трехсторонние вещи.
  16. ^ Брамс и Тейлор (1999).
  17. ^ Левин и Штанге (2012).
  18. ^ а б c Ричман (2001)
  19. ^ Абрахамс (2010).
  20. ^ а б Купер и Датл (2013)
  21. ^ Паласиос-Уэрта (2012).
  22. ^ Паласиос-Уэрта (2014).
  23. ^ Коэн-Зада, Крумер и Шапир (2018).
  24. ^ Курган (2010).
  25. ^ «Типы фэнтези-драфт». NFL.com. Архивировано из оригинал 12 октября 2018 г.
  26. ^ Аллан, Ян (16 июля 2014 г.). «Драфты с разворотом третьего раунда». Индекс фантазии. Получено 1 сентября, 2020.
  27. ^ Вездесущая последовательность Пруэ-Туэ-Морса Жан-Поля Аллуша и Джеффри Шаллита

Рекомендации

  • Болкер, Итан; Оффнер, Карл; Ричман, Роберт; Зара, Каталин (2016). «Проблема Пруэ – Тарри – Эскотта и обобщенные последовательности Туэ – Морса». Журнал комбинаторики. 7 (1): 117–133. arXiv:1304.6756. Дои:10.4310 / JOC.2016.v7.n1.a5.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)}

дальнейшее чтение

внешняя ссылка