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| 一維細胞自動機,與其規則(三) | ||
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在前兩個單元,筆者介紹了一維細胞自動機的規則,是以鄰居們可能狀態的所有排列組合來各自決定(中央)細胞下一代的狀態,但是我們也可以採取另一套規則定義,不需要知道這些鄰居的狀態的特定組合,我們只需要定義「總數」有多少存活的週遭鄰居,而如何決定(中央)細胞下一代的狀態,即可。這一套規則我們稱作「Outer
Totalistic Cellular Automata Rules」 在這個單元舉一個「Outer Totalistic Cellular Automata Rules」於一維細胞自動機的例子, 這個規則筆者稱作 Christmas Tree Rule,它所疊代出來的圖形很類似耶誕樹的樣子。關於規則,它只考慮左邊兩個鄰居、自己與右邊兩個鄰居,即 Nb=5 的狀況,只不過,我們必須把它自己在疊代前的狀態,特別挑出來作為規則分類的條件,茲敘述如下: ◆ 影響細胞疊代的四周鄰居有左邊兩個鄰居,與右邊兩個鄰居
我們可以將上述三個規則合起來表示成 Christmas Tree Rule=Nb/S/B=5/13/23,如果我們還要考慮 Ghosts 的話, 那麼完整的規則表示法便是 Christmas Tree Rule=Nb/S/B/G=5/13/23/0,其中值得注意的是 ,為了符合前兩個單元的 Nb 定義(≡影響細胞疊代的因素,這個因素除了四周的鄰居之外,其實還包括它自己), 所以「Outer Totalistic Cellular Automata Rules」的 Nb 也包括自己。同理, Conway 生命遊戲的 Nb=9,它完整的規則表示法便是 Conway's Life Rule= Nb/S/B/G=9/23/3/0,那麼生命遊戲中第三單元所提及的 Brain Rule 便寫成 Nb/S/B/G=9//2/1。 你可能會問:那二維細胞自動機的 Nb 能不能像一維細胞自動機那樣,作不同的考量呢?答案是可以的,其實當初 von Neumann 在研究二維細胞自動機時,他的規則的 Nb 除了細胞自己之外,只有上、下、左、右四個鄰居,那是 Nb=5 的狀況,後來 Conway 進一步考慮周遭八個鄰居,大家習慣了之後,Nb=9 才逐漸成為了二維細胞自動機的預設條件。 你可能又會問:那二維細胞自動機能不能像前兩個單元那樣,考慮四周鄰居與自己細胞狀態的各種排列組合呢 ? 答案也是可以的,只不過那就不屬於「Outer Totalistic Cellular Automata Rules」的範圍了,筆者將 Two-Dimensional von Neumann Binary Automaton 其四個鄰居與細胞自己狀態的可能的排列組合圖示如下,接下來,每一組還必須各自決定(中央)細胞下一代的狀態,這樣的規則才算是完整 ,你會發現這樣的規則種類總共有 232=4,294,967,296 種,而每一個規則種類都會有 32=25 組規則 。至於二維細胞自動機 Nb=9 時,其九個方格所可以排列組合的數目就相當可觀了,最後會有 512=29 組規則,所以很少人用排列組合的方式來討論二維細胞自動機,但是也只有用排列組合的方式才能夠真正定義出個別而特殊的規則。 Nb=5,States=2(or Ghosts=0) 最後 , Outer Totalistic 這類的規則還可以做一個變化 ,除了把細胞自己在疊代前的狀態,特別挑出來作為規則分類的條件之外,連它自己的狀態也再一次加入四周鄰居「總數」的計算裡,這樣的規則我們稱為「Outer Totalistic Cellular Automata Rules with Center Cell Included」,以 Nb=5 為例,Survivals 與 Births 裡,就有可能會出現 5,不像上面的 Christmas Tree Rule 最多只會到 4。這樣的規則變化,可以增加疊代圖形的可複雜性,從非線性混沌效應的觀點來看,這增加了自我饋代的機會,將使得 Wolfram 的第三與第四等級的範圍加大。 在這三個單元中,筆者大致介紹了一維細胞自動機的規則表示法,與其規則的可能變化,在下個單元中,你將看到幾十個範例,一維細胞自動機的迷人之處並不輸給生命遊戲。 |
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