Привет, Вы узнаете о том , что такое введение в клеточные автоматы, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое
введение в клеточные автоматы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Моделирование и Моделирование систем.
Идея клеточных автоматов появилась в конце сороковых годов 20 века. Она
была задумана и сформулирована Джоном фон Нейманом и Конрадом Цусе
независимо друг от друга как универсальная вычислительная среда для построения,
анализа и сравнения характеристик алгоритмов.
В книге [1] приводится следующее определение клеточных автоматов.
«Клеточные автоматы являются дискретными динамическими системами, поведение
которых полностью определяется в терминах локальных зависимостей. В
значительной степени также обстоит дело для большого класса непрерывных
динамических систем, определенных уравнениями в частных производных. В этом
смысле клеточные автоматы в информатике являются аналогом физического понятия
«поля»… клеточный автомат может мыслиться как стилизованный мир. Пространство
представлено равномерной сеткой, каждая ячейка или клетка которой содержит
несколько битов данных; время идет вперед дискретными шагами, а законы мира
выражаются единственным набором правил, скажем, небольшой справочной
таблицей, по которой любая клетка на каждом шаге вычисляет свое новое состояние
по состояниям ее близких соседей. Таким образом, законы системы являются
локальными и повсюду одинаковыми. «Локальный» означает, что для того, чтобы
узнать, что произойдет здесь мгновение спустя, достаточно посмотреть на состояние
ближайшего окружения: никакое дальнодействие не допускается. «Одинаковость»
означает, что законы везде одни и те же: я могу отличить одно место от другого
только по форме ландшафта, а не по какой-то разнице в законах.»
Следует отметить, что клеточные автоматы – это не просто машины,
работающие с разбитым на клетки полем. Область применение клеточных автоматов
почти безгранична: от простейших «крестиков-ноликов» до искусственного
интеллекта. Тема клеточных автоматов очень актуальна, так как может привести к
разгадкам многих вопросов в окружающем мире. Создатель игры «Жизнь» Конуэй,
считал, что нашу вселенную можно представить клеточным автоматом, который
управляет движением элементарных частиц в соответствии с некоторыми правилами
(кстати, сейчас Конуэй придумал еще одно применение клеточных автоматов в этой
области: представим себе достаточно большое количество «первичного бульона» из
хаотически распределенных клеток, если можно ожидать появления из такого хаоса
структур, способных самовоспроизводить себя, то это еще одно подтверждение
теории зарождения жизни на Земле).
Клеточные автоматы используются для моделирования гидродинамических и
газодинамических течений [2, 3]. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Уравнения гидродинамики соответствуют
математической модели, описывающей поведение решетчатого газа, одного из
клеточных автоматов, на макроуровне. Структуры, возникающие в этих клеточных
автоматах, похожи на возмущение поведения поверхности потока жидкости
механическим препятствием. Примитивные одномерные клеточные автоматы могут
моделировать процесс горения различного характера. В настоящее время теория
клеточных автоматов наиболее перспективно прилагаема к вопросу о разработке
самовосстанавливаемых электронных цепей [4].
Клеточные автоматы применимы не только в математике и физике, а также в
биологии [5], экономике, социологии, информатике и т.д. С помощью клеточных
автоматов успешно решались задачи моделирования течений со свободной
4
границей [6], распространения тепловых потоков [7], роста и динамики доменов [8],
роста дендритов [9], описания движения толпы [10]. Их можно использовать при
составлении генетических алгоритмов. Представим себе клеточный автомат, для
клеток которого дополнительным условием выживания является выработка
некоторой последовательности выходных данных (назовем ее условно реакцией) в
ответ на последовательность входных данных (раздражение, являющееся свойством
среды), предсказывающее последующее состояние среды. Чтобы такой автомат
функционировал, добавляется также механизм случайного изменения правил
выработки реакции (мутации) и передачи вновь возникающим клеткам информации о
правилах реагирования соседей (наследования). Помимо исследования условий
развития моделей живых систем, такой подход позволяет решать и некоторые
практические задачи, в частности поиск кратчайшего пути на графе. Структура графа
кодируется некоторым образом в хромосомах клеток. Предполагается, что
алгоритмы, приобретенные вследствие мутаций и наследования, будут
соответствовать решениям задачи.
По своему поведению клеточные автоматы делятся на четыре класса. К
первому классу относятся автоматы, приходящие через определенное время к
устойчивому однородному состоянию. Автоматы второго класса через некоторое
время после пуска генерируют стационарные или периодические во времени
структуры. В автоматах третьего класса по прошествии некоторого времени перестает
наблюдаться корреляция процесса с начальными условиями. Наконец, поведение
автоматов четвертого класса сильно определяется начальными условиями и с их
помощью можно генерировать весьма различные шаблоны поведения. Такие
автоматы являются кандидатами на прототип клеточной вычислительной машины. В
частности, с помощью специфических клеточных конфигураций игры «Жизнь»,
которая как раз и является автоматом четвертого типа, можно построить все
дискретные элементы цифрового компьютера.
Отметим еще одно применение клеточных автоматов в информатике –
шифрование и сжатие данных.
Клеточные автоматы применимы при реализации эффективной системы
распознавания образов. Один из возможных путей ее создания – построение
динамической системы, аттракторами которой в ее конфигурационном пространстве
были бы типичные картины-образы. Начальные условия всегда окажутся в области
притяжения одной из картин, с течением времени система трансформирует начальные
параметры, приведя их к наиболее близкой структуре – аттрактору. То есть
произойдет автоматическое распознавание образа. Причем можно создавать
обучающиеся системы распознавания, в них законы эволюции имеют состояние
программирования. Использовать клеточные автоматы можно и при решении
оптимизационных задач. Часто в различных сферах деятельности возникают задачи
нахождения оптимального варианта из неограниченного числа возможных. Точного
решения, как правило, не требуется, но дискретный компьютер не способен даже
приблизительно дать оптимальный результат.
Таким образом, клеточные автоматы нашли и находят широкое применение во
многих сферах человеческой деятельности, многие задачи которых стало возможным
решить только с помощью компьютера. Рассмотрим несколько примеров клеточных
автоматов.
Содержание Шесть точек зрения на клеточные автоматы (КА) Творцы современной теории и практики КА Подходы к визуализации и аудизации КА КА в проектировании и реализации программно- аппаратных комплексов КА в проектировании и реализации программно- аппаратных комплексов Квантовые клеточные автоматы От игры к моделям, от моделей к мышлению 2 Лексическое уточнение: при переводе на английский – (cellular) automata во множ. числе, а в единственном – automaton (следуя правилам латыни)
3 I. Шесть точек зрения на клеточные автоматы Тезис Комментарий КА – это лишь не более чем математическая игрушка наподобие детского калейдоскопа и упражнение для молодых программистов Чтобы понять, что такое КА, нужно просто немного поиграть в игру «Жизнь» (Game of Life). Конечный автомат - фундаментальная абстракция для последовательных вычислений, КА – для параллельных Классический КА работает синхронно, однако возможны и асинхронные КА. Дж. Фон Нейман. КА – это лишь некий численный метод дискретизации модельного дифф. уравн. continuous valued cellular automata, КА Ооно-Кохомото для диффузии КА – это особый язык составления мат. моделей, описывающих пространственно распределенные системы Как же тогда находить локальные правила, чтобы система обладала желаемой динамикой? КА – раздел математики, где весьма значим вычислительный эксперимент Стивен Вольфрам, «Новый вид науки» Вся Вселенная есть гигантский КА, есть «вычисляющее пространство» Эдвард Фредкин, направление digital philosophy 3
4 Шестая точка зрения (продолжение): КА – «дискретный взгляд на мир» Для математики XXI-го века аппарат КА имеет такое же фундаментальное значение, как и дифференциальные уравнения в XVIII-XX вв. Значение КА сравнимо с теорией относительности Эйнштейна в физике, с теорией естественного отбора Дарвина в биологии. Фундаментальность КА подтверждается расширяющимся спектром приложений от квантовой хромодинамики до поведения толпы. Чтобы задать классический КА, нужно определить: Состояние ячейки (бит) Размерность поля и сетку КА (квадрат) Шаблон окрестности (Мура – 8 клеток плюс одна) Локальные правила перехода (local transition rules) Условия перехода для граничных ячеек (нет границ) Начальное состояние поля КА Режим работы (синхронный, не блочный) Степень однородности структуры Эти семь условий создают многообразие КА, не считая смысловой нагрузки 4
Представленные результаты и исследования подтверждают, что применение искусственного интеллекта в области введение в клеточные автоматы имеет потенциал
для революции в различных связанных с данной темой сферах. Надеюсь, что теперь ты понял что такое введение в клеточные автоматы
и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания,
то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории
Моделирование и Моделирование систем
Из статьи мы узнали кратко, но содержательно про введение в клеточные автоматы
Комментарии
Оставить комментарий
Моделирование и Моделирование систем
Термины: Моделирование и Моделирование систем