Succesiunea Thue-Morse
Succesiunea lui Thue-Morse, a lui Prouhet-Thue-Morse numită și succesiune, este o succesiune de cifre binare care găsește aplicații în diferite domenii ale matematicii .
- 0110100110010110100101100110100110010110011010010110100110010110 ...
La 0 și 1, puteți înlocui orice altă pereche de simboluri, fără ca logica structurii secvenței să fie afectată [2] .
Istorie
Succesiunea lui Thue-Morse a fost studiată inițial de matematicianul Eugène Prouhet în 1851 , care a aplicat-o însă teoriei numerelor , fără a defini în mod explicit [3] . Primul care a făcut acest lucru a fost în 1906 , Axel Thue , care a folosit secvența pentru a fonda combinația de cuvinte [4] [5] . Cu toate acestea, succesiunea a fost adusă în atenția comunității internaționale abia în 1921 , grație lucrării Marston Morse care a aplicat-o geometriei diferențiale [6] .
Secvența Thue-Morse a fost redescoperită independent de mai multe ori, chiar și de matematicieni neprofesioniști. De exemplu, marele maestru de șah , fost campion mondial și profesor de matematică Max Euwe a descoperit în 1929 o modalitate de a folosi succesiunea pentru a ocoli o regulă de șah care consideră că meciul s-a încheiat într-o remiză în caz de repetare continuă secvențe de mișcări și putând extinde infinit jocul [7] , profitând de proprietățile sale pentru a fi lipsit de șiruri repetate de trei ori.
Definiție
Există mai multe moduri echivalente de definire a secvenței Thue-Morse.
Definiție directă
Al n-lea număr de secvență Thue-Morse este 0 dacă expresia lui n din baza 2 conține un număr egal de 1 și este una dacă conține o cantitate impară. De exemplu, expresia binară a numărului 5 este 101, care conține 2 cifre 1: atunci al cincilea simbol al secvenței Thue-Morse este 0. Matematicianul John Conway a definit numere odioase [8] numerele întregi n astfel încât t n = 1 și numere rele [9] acelea pentru care t n = 0 (acesta este un joc de cuvinte , în engleză , între sau ious și CE în continuare, adică „urăsc” și „rău”, și od d și ev en, adică „ciudat” și „egal”).
Ca o secvență recursivă
Succesiunea lui Thue-Morse este secvența care satisface proprietățile care, dacă t n este al n -lea element al secvenței Thue-Morse, atunci:
- t 0 = 0;
- 2 t n = t n și
- t 2 n +1 = t n-1
pentru orice număr natural n.
La fel ca sistemul L
Succesiunea lui Thue-Morse este rezultatul următorului sistem Lindenmayer :
variabile 0 1 nici o constantă începând cu 0 reguli (0 → 01), (1 → 10)
Aceasta înseamnă că poate fi obținut începând cu un 0 și înlocuind toate 0-urile cu 01 și toate 1-urile cu 10 și repetându-l la nesfârșit. Rețineți că această procedură lasă valorile inițiale ale șirului neschimbate, în timp ce fiecare iterație dublează numărul de cifre.
Definiție prin negare bitwise
Succesiunea lui Thue-Morse, dacă este considerată ca o secvență de biți, poate fi definită recursiv prin intermediul negației , adăugând fiecărei tranziții pentru a secvența exact opusul său. Când dețineți primele 2 n elemente ale șirului, puteți cunoaște 2 n succesive , care constau în bitul opus din prima jumătate. De exemplu, știind că primul bit este 0, deoarece negația sa este 1, următorul bit va fi 1; și întrucât negarea lui 01 este 10, următorii doi biți vor fi 10; si asa mai departe. Primii pași sunt după cum urmează:
- T 0 = 0.
- T 1 = 01.
- T 2 = 0110.
- T 3 = 01101001.
- T 4 = 0110100110010110.
- T 5 = 01101001100101101001011001101001.
- T 6 = 0110100110010110100101100110100110010110011010010110100110010110.
Ca produs infinit
Secvența Thue-Morse poate fi definită ca secvența 0 și 1 care satisface următoarea relație:
- ,
considerând întotdeauna t n ca al n -lea element al succesiunii.
Proprietăți matematice
Fiind secvența Thue-Morse construibilă pentru negative și adăugiri ulterioare, prin metoda negării blocurilor de biți, conține multe pătrate: adică, șiruri repetate sub forma xx, unde x este o secvență de biți. Suntem cubici, adică șiruri sub forma xxx [11] . Există chiar pătrate suprapuse, adică șiruri 0 x 0 x 0 sau 1 x 1 x 1. [12]
Pentru toți , piesa succesiunii Thue-Morse de la început până la Este un palindrom . De asemenea, numărarea 1 între două 0 consecutive în (adică până la ) și chemare ca șirul obținut prin concatenarea acelor valori (de exemplu Și ), Este întotdeauna un șir palindrom și nu are pătrat [11] . Asta pentru că nu conține niciodată pătrate suprapuse e este întotdeauna palindrom.
Succesiunea lui Thue-Morse, deși nu este o secvență periodică , este un solicitant de secvență : aceasta înseamnă că, luând orice șir în el, există întotdeauna o lungime (de obicei mult mai mare decât lungimea ) astfel încât orice bucată din secvență să conțină întotdeauna cel puțin o dată. Exponentul critic al secvenței este 2. [13]
Prin definirea unei „ endofunții ” pe setul de secvențe binare, care operează pe o secvență prin înlocuirea tuturor 0s cu 01 și toate 1s cu 10, secvența Thue-Morse va rămâne neschimbată prin aplicarea lui f: adică , Și Prin urmare, este un punct fix al . Singurul alt punct fix este cel obținut prin negarea însăși a secvenței Thue-Morse, adică prin înlocuirea tuturor 0 cu 1 și invers; este, prin urmare, în esență, singurul punct fix al funcției .
Funcție generatoare
Definire ca funcție generatoare a secvenței Thue-Morse în câmpul finit :
se poate arăta că F îndeplinește „ ecuația pătratică :
Această ecuație are două soluții: secvența Thue-Morse și complementara sa, care se obține prin înlocuirea 0s cu 1s și 1s cu 0s.
Se leagă cu √2 și π
Am fost testate următoarele rapoarte: [14] [15]
Aplicații
În problema Prouhet - Tarry - Escott
Problema Prouhet-Tarry-Escott a cerut să găsească două date întregi Și , O partiție a setului de numere naturale de la 0 la în două subseturi disjuncte astfel încât fiecare dintre sumele de puteri până când p al elementelor respective este același, și anume:
pentru fiecare exponent întreg de la 1 la . Totuși, problema are întotdeauna cel puțin o soluție Este un multiplu al , care se obține prin introducerea subsetului numerele n pentru care - adică numerele rele - și în subset numerele n pentru care - numerele odioase -, sau invers.
Având în vedere orice set din elemente disponibile într-o progresie aritmetică , din teorema binomului rezultă și faptul că dacă Este un multiplu al există întotdeauna cel puțin o partiție a setului de elemente ale puterii p -esime în două subseturi ale căror sume ale elementelor sunt egale.
Secvența ca grafic Turtle
Un grafic Turtle este o curbă obținută pe baza unei secvențe și a unui model de instrucțiuni predeterminate. Succesiunea Thue-Morse care codifică curba Koch , folosind ca intrare și următoarele instrucțiuni:
- De sine , mergeți înainte cu o unitate de lungime;
- De sine , Se rotește în sens invers acelor de ceasornic cu 60 ° .
Aceasta ilustrează natura auto-similară a secvenței [16] .
În distribuția resurselor
Succesiunea Thue-Morse oferă o soluție la problemele de distribuție a resurselor între doi concurenți. De exemplu, dacă A și B doresc să împartă un grup de elemente, dorind să găsească o modalitate de a împiedica unul dintre cei doi să aibă posibilitatea de a alege elemente de calitate superioară, este necesar ca lui A să i se atribuie primul, al patrulea , 6, 7 etc. alegere (unul plus numerele ordinale rele) și la B al 2-lea, al 3-lea, al 5-lea, al 8-lea etc. alegere (una plus numerele urâtoare). Această proprietate poate fi aplicată, de exemplu, pentru a împărți conținutul unui aparat de cafea într-un număr dat de căni de cafea cu concentrație egală de substanțe dizolvate și, prin urmare, cu aceeași aromă [17] [18] . Acest lucru a fost dovedit de matematicianul Robert Richman care, deși nu desemnează în mod explicit succesiunea, a descris relațiile funcțiilor pas descrise de T n în „ interval [0,1] cu funcția Walsh și funcția Rademacher . Richman a arătat că n -a derivată a acestora poate fi exprimată în termeni de T n, și atunci funcția pas descrisă de T n este ortogonală la polinoame de grad n -1 [17] .
În teoria jocurilor combinatorii
Notă
- ^ (EN) secvența A010060 , on -line Encyclopedia of Integer Sequences , Fundația OEIS.
- ^ De exemplu, secvența A001285 dell'OEIS constă din aceeași secvență cu simbolurile (1.2) în loc de (0,1).
- ^ (FR) Prouhet, E., Memoir sur quelques relations entre les puissances des nombres. , În CR Hadad. Schi. Paris Sér. 1, vol. 33, 1851, p. 225.
- ^ (DE) Thue, Axel , Über unendliche Zeichenreihen , în Norske vid. Selsk. Skr. Mat. Nat. Kl. , vol. 7, 1906, pp. 1-22.
- ^ (DE) Axel Thue , Über die Lage gegenseitige gleicher Teile gewisser Zeichenreihen. În Norske vid. Selsk. Skr. Mat. Nat. Kl. , vol. 1, 1912, pp. 1-67.
- ^(EN) Morse, Marston , Geodesics Recurrent on a Surface of Negur Curvature (PDF), în Tranzacțiile Societății Americane de Matematică, vol. 22, 1921, pp. 84-100.
- ^ (NL) Euwe, Max , Mengentheoretische Betrachtungen über das Schachspiel , în Proc. Konin. Akad. Wetenschappen (Amsterdam), 1929.
- ^ (EN) secvența A000069 , on -line Encyclopedia of Integer Sequences , Fundația OEIS.
- ^ (EN) secvența A001969 , on -line Encyclopedia of Integer Sequences , Fundația OEIS.
- ^ Asta în colțul din dreapta sus și din colțul din stânga jos.
- ^ A b(EN) Morse, M; Hedlund, GA, Șah fără sfârșit, dinamică simbolică și o problemă în semigrupuri , în Duke Mathematical Journal, vol. 11, 1944, pp. 1-7 (depus de „url original 4 martie 2016).
- ^ A b c(EN) Jean-Paul Allouche, Jeffrey Shallit, Automatic Sequences: Theory, Applications, Generalizations , Cambridge, Cambridge University Press, 21 iulie 2003, pp. 152-153, ISBN 0-521-82332-3 .
- ^ Dalia Krieger, Despre exponenți critici în puncte fixe de morfisme care nu se șterg în Oscar H. Ibarra, Zhe Dang (eds) Developments in Language Theory: Proceedings of 10th International Conference, DLT 2006, Santa Barbara, CA, SUA, 26 iunie 29, 2006, Note de curs în informatică, vol. 4036, Springer-Verlag , 2006, pp. 280-291, ISBN 3-540-35428-X .
- ^(EN) Woods, DR, Propunere de problemă E2692, în American Mathematical Monthly, vol. 85, 1978, p. 48.
- ^ Robbins, D., Soluție la problema E2692, în American Mathematical Monthly, vol. 86, 1979, pp. 394-295.
- ^(RO) Jun Ma, Judy Holdoner, Când Thue-Morse îl întâlnește pe Koch
- ^ A b(EN) (EN) Robert M. Richman, Recursive Binary Sequences of Differences (PDF), în Sisteme complexe, vol. 13, 2001, pp. 381–392.
- ^ Marc Abrahams, How to turn the perfect cup of coffee , în The Guardian, 12 iulie 2010. Accesat la 11 septembrie 2012.
Bibliografie
- (EN) Jean-Paul Allouche și Jeffrey Shallit , Automatic Sequences: Theory, Applications, Generalizations, Cambridge University Press , 2003, ISBN 978-0-521-82332-6 , Zbl 1086.11015 .
- (EN) Jean Berstel, Aaron Lauve, Christophe Reutenauer și Franco V. Saliola, Combinatorics on words. Cuvinte Christoffel și repetări în cuvinte , CRM Monograph Series, vol. 27, Providence, RI, American Mathematical Society , 2009, ISBN 978-0-8218-4480-9 , Zbl 1161.68043 .
- Yann Bugeaud, Modulul de distribuție unu și Apropierea diofantină, Cambridge Tracts in Mathematics, vol. 193, Cambridge, Cambridge University Press, 2012, ISBN 978-0-521-11169-0 , Zbl pre06066616 .
- (EN) M. Lothaire, Combinatorie algebrică pe cuvinte, Berstel Cu prefață de Jean și Dominique Perrin, Enciclopedia matematicii și aplicațiile sale, vol. 90 Reprint of hardback 2002, Cambridge University Press, 2011, ISBN 978-0-521-18071-9 , Zbl 1221.68183 .
- ( EN ) M. Lothaire,Combinatorie aplicată pe cuvinte , O lucrare colectivă de Jean Berstel, Dominique Perrin, Maxime Crochemore, Eric Laporte, Mehryar Mohri, Nadia Pisanti, Marie-France Sagot, Gesine Reinert, Sophie Schbath, Michael Waterman, Philippe Jacquet , Wojciech Szpankowski, Dominique Poulalhon, Gilles Schaeffer, Roman Kolpakov, Gregory Koucherov, Jean-Paul Allouche și Valérie Berthé, Enciclopedia matematicii și aplicațiile sale, vol. 105, Cambridge, Cambridge University Press , 2005, ISBN 0-521-84802-4 , Zbl 1133.68067 .
- (EN) Fără Pytheas Fogg, Înlocuiri în dinamică, aritmetică și combinatorică, Editori Berthé, Valérie; Ferenczi, Sébastien; Mauduit, creștin; Siegel, A., Note de curs în matematică, vol. 1794, Berlin, Springer-Verlag , 2002, ISBN 3-540-44141-7 , Zbl 1014.11015 .
- (EN) Allouche, J.-P. și Cosnard, M. "Constanta Komornik-Loreti este transcendentală". Amer. Matematica. Lunar 107, 448-449, 2000.
- (EN) Allouche, J.-P. și Shallit, J. "Secvența omniprezentă Prouhet-Thue-Morse." În secvențe și aplicațiile lor, Proc. SETA'98 (Ed. C. Ding, T. Helleseth și H. Niederreiter). New York: Springer-Verlag, pp. 1-16, 1999.
- (EN) Allouche, J.-P. și Shallit, J. "Exemplul 5.1.2 (secvența Thue-Morse)." Secvențe automate: teorie, aplicații, generalizări. Cambridge, Anglia: Cambridge University Press, pp. 152-153, 2003.
Elemente conexe
- Constanta Prouhet-Thue-Morse
- Curba Koch
- Harta broasca testoasa
- Funcție generatoare
- Numărul palindromului
- Punct fix
- Succesiunea Rudin-Shapiro
Alte proiecte
- Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Succesiunea lui Thue-Morse
linkuri externe
- (EN) Eric W. Weisstein,secvența Thue-Morse , în MathWorld Wolfram Research.
- (EN) Allouche, J.-P.; Shallit, JO Secvența omniprezentă Prouhet-Thue-Morse
- (RO) Reducerea influenței derivei offset DC în IP-urile analogice utilizând secvența Thue-Morse .
- Popularizarea expunerii secvenței Thue-Morse , a xmau.wikispaces.com.
- (RO) Placări și modele ale secvenței Thue-Morse : imagini generate de succesiunea Thue-Morse
- (RO) MusiNum - The Music in the Numbers : Software pentru a crea muzică din secvența auto-similară a lui Thue-Morse și din alte secvențe similare