Последовательность Туэ – Морса - Thue–Morse sequence
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:
Последовательность названа в честь Аксель Туэ и Марстон Морс.
Определение
Есть несколько эквивалентных способов определения последовательности Туэ – Морса.
Прямое определение
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 - 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
- ^ а б Аллуш и Шаллит (2003), п. 15)
- ^ Арндт (2011).
- ^ Lothaire (2011 г.), п. 11)
- ^ Брлек (1989).
- ^ Lothaire (2011 г.), п. 113)
- ^ Пифей Фогг (2002), п. 103)
- ^ Кригер (2006).
- ^ Lothaire (2011 г.), п. 30)
- ^ Берте и Риго (2010).
- ^ Lothaire (2011 г.), п. 31)
- ^ Berstel et al. (2009 г., п. 70)
- ^ Berstel et al. (2009 г., п. 80)
- ^ Bolker et al. (2016).
- ^ Ма и Холденер (2005).
- ^ Абель, Захари (23 января 2012 г.). "Плавучие черепахи Туэ-Морса". Трехсторонние вещи.
- ^ Брамс и Тейлор (1999).
- ^ Левин и Штанге (2012).
- ^ а б c Ричман (2001)
- ^ Абрахамс (2010).
- ^ а б Купер и Датл (2013)
- ^ Паласиос-Уэрта (2012).
- ^ Паласиос-Уэрта (2014).
- ^ Коэн-Зада, Крумер и Шапир (2018).
- ^ Курган (2010).
- ^ «Типы фэнтези-драфт». NFL.com. Архивировано из оригинал 12 октября 2018 г.
- ^ Аллан, Ян (16 июля 2014 г.). «Драфты с разворотом третьего раунда». Индекс фантазии. Получено 1 сентября, 2020.
- ^ Вездесущая последовательность Пруэ-Туэ-Морса Жан-Поля Аллуша и Джеффри Шаллита
Рекомендации
- Абрахамс, Марк (12 июля 2010 г.). «Как налить идеальную чашку кофе». Хранитель.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Арндт, Йорг (2011). «1.16.4 Последовательность Туэ – Морса» (PDF). Имеет значение вычислительные: идеи, алгоритмы, исходный код. Springer. п. 44.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Аллуш, Жан-Поль; Шаллит, Джеффри (2003). Автоматические последовательности: теория, приложения, обобщения. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-82332-6. Zbl 1086.11015.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Барроу, Джон Д. (2010). «Гребля и задача с одинаковой суммой имеют свои моменты». Американский журнал физики. 78 (7): 728–732. arXiv:0911.3551. Bibcode:2010AmJPh..78..728B. Дои:10.1119/1.3318808.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Берстель, Жан; Лаув, Аарон; Ройтенауэр, Кристоф; Салиола, Франко В. (2009). Комбинаторика слов. Кристоффель слова и повторы словами. Серия монографий CRM. 27. Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. ISBN 978-0-8218-4480-9. Zbl 1161.68043.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Берте, Валери; Риго, Мишель, ред. (2010). Комбинаторика, автоматы и теория чисел. Энциклопедия математики и ее приложений. 135. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 7. ISBN 978-0-521-51597-9. Zbl 1197.68006.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- 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)}
- Брамс, Стивен Дж .; Тейлор, Алан Д. (1999). Беспроигрышное решение: гарантия справедливой доли участия для всех. W. W. Norton & Co., Inc., стр.36–44. ISBN 978-0-393-04729-5.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Брлек, Сречко (1989). «Перечень факторов в слове Туэ-Морзе». Дискретная прикладная математика. 24 (1–3): 83–96. Дои:10.1016 / 0166-218x (92) 90274-э.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Коэн-Зада, Дэнни; Крумер, Алекс; Шапир, Предложение Моше (2018). «Тестирование эффекта порядка подачи в теннисном тай-брейке». Журнал экономического поведения и организации. 146: 106–115.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Купер, Джошуа; Датл, Аарон (2013). "Жадные игры Галуа" (PDF). Американский математический ежемесячный журнал. 120 (5): 441–451. arXiv:1110.1137. Дои:10.4169 / amer.math.monthly.120.05.441.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Кригер, Далия (2006). «О критических показателях в неподвижных точках нестираемых морфизмов». В Ибарре, Оскар Х .; Данг, Чжэ (ред.). Развитие теории языка: материалы 10-й Международной конференции, DLT 2006, Санта-Барбара, Калифорния, США, 26-29 июня 2006 г.. Конспект лекций по информатике. 4036. Springer-Verlag. С. 280–291. ISBN 978-3-540-35428-4. Zbl 1227.68074.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Левин, Лайонел; Штанге, Кэтрин Э. (2012). «Как извлечь максимальную пользу из общей еды: сначала спланируйте последний укус» (PDF). Американский математический ежемесячный журнал. 119 (7): 550–565. arXiv:1104.0961. Дои:10.4169 / amer.math.monthly.119.07.550.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Лотэр, М. (2011). Алгебраическая комбинаторика слов. Энциклопедия математики и ее приложений. 90. С предисловием Жана Берштеля и Доминика Перрена (Перепечатка изд. В твердом переплете 2002 г.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-18071-9. Zbl 1221.68183.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Ма, июнь; Холденер, Джуди (2005). «Когда Туэ-Морс встречает Коха» (PDF). Фракталы. 13 (3): 191–206. Дои:10.1142 / S0218348X05002908. МИСТЕР 2166279.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Паласиос-Уэрта, Игнасио (2012). «Турниры, справедливость и последовательность Пруэ – Туэ – Морса» (PDF). Экономический запрос. 50 (3): 848–849. Дои:10.1111 / j.1465-7295.2011.00435.x.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Паласиос-Уэрта, Игнасио (2014). Прекрасная теория игр. Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0691144023.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Пифей Фогг, Н. (2002). Подстановки в динамике, арифметике и комбинаторике. Конспект лекций по математике. 1794. Редакторы Берте, Валери; Ференци, Себастьен; Mauduit, Christian; Зигель, А. Берлин: Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-44141-0. Zbl 1014.11015.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
- Ричман, Роберт (2001). «Рекурсивные двоичные последовательности различий» (PDF). Сложные системы. 13 (4): 381–392.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
дальнейшее чтение
- Бюжо, Ян (2012). Распределение по модулю один и диофантово приближение. Кембриджские трактаты по математике. 193. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-11169-0. Zbl 1260.11001.
- Лотэр, М. (2005). Прикладная комбинаторика слов. Энциклопедия математики и ее приложений. 105. Коллективная работа Жана Берштеля, Доминика Перрена, Максима Крошмора, Эрика Ляпорта, Мериара Мори, Нади Пизанти, Мари-Франс Саго, Гезин Райнерт, Софи Шбат, Майкл Уотерман, Филипп Жаке, Войцех Шпанковски, Доминик Пулальон, Жиль Шеффер, Роман Колпаков, Грегори Кушеров, Жан-Поль Аллуш и Валери Берте. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-84802-2. Zbl 1133.68067.
внешняя ссылка
- "Последовательность Туэ-Морса", Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
- Вайсштейн, Эрик В. "Последовательность Туэ-Морса". MathWorld.
- Allouche, J.-P .; Шаллит, Дж. О. Вездесущая последовательность Пруэ-Туэ-Морса. (содержит много приложений и немного истории)
- Последовательность Туэ – Морса над (1,2) (последовательность A001285 в OEIS )
- OEIS последовательность A000069 (одиозные числа: числа с нечетным числом единиц в их двоичном расширении)
- OEIS последовательность A001969 (Злые числа: числа с четным числом единиц в их двоичном расширении)
- Уменьшение влияния дрейфа смещения постоянного тока в аналоговых IP-адресах с помощью последовательности Туэ-Морса. Техническое применение последовательности Туэ – Морзе
- MusiNum - Музыка в цифрах. Бесплатное ПО для создания самоподобной музыки на основе последовательности Туэ – Морса и связанных числовых последовательностей.
- Паркер, Мэтт. "Самая честная последовательность обмена когда-либо" (видео). математика. Получено 20 января 2016.