home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ C/C++ Users Group Library 1996 July / C-C++ Users Group Library July 1996.iso / vol_200 / 275_01 / lcau.doc < prev    next >
Text File  |  1980-01-01  |  15KB  |  283 lines

  1. LCAU.DOC 
  2.  
  3. This disk is a supplement to the disk "LCA.C" which was released in 
  4. Summer, 1987. The original disk contained 9 programs written in "C" to 
  5. calculate and display the evolution of linear cellular automata. 
  6. Although the programs represented a point in the evolution of the 
  7. course Fortran III offered during the past several semesters, and were 
  8. promoted at the XVI Feria de Puebla, they also had a strong 
  9. inspiration in an article in the December, 1986, issue of Byte magazine 
  10. which explained how cellular automata could lead to interesting 
  11. abstract mathematical art. 
  12.  
  13.     Kenneth E. Perry, Abstract mathematical art, Byte, 
  14.     December 1986, pages 181-192. 
  15.  
  16. The 9 programs in the LCAkr.C set ran through the range of 2, 3, and 4 
  17. states per cell, as well as interactions between first, second, or 
  18. third neighbors. The combinations (4,1) and (4,2) are probably the most 
  19. colorful, but the binary first neighbor version (2,1) is more amenable 
  20. to an exhaustive analysis.
  21.  
  22. Programs in the new series are named LCAU to distinguish them from 
  23. members of the old series. 
  24.  
  25. In the old series, In all cases except for (2,1), only totalistic rules 
  26. were considered. Totalistic rules are those for which the transition 
  27. depends only on the number of cells of different kinds in each 
  28. neighborhood, but not on their precise arrangement. More exactly, each 
  29. state gets assigned an integer in the range 0 to k-1 as a weight, the 
  30. actual transition being a function of the weighted sum of all the 
  31. neighbors (including the evolving cell). The artistic effects arise 
  32. from assigning colors to each of cell values. 
  33.  
  34. Although the use of totalistic rules serves to reduce the enormous 
  35. number of possible automata greatly, it excludes many interesting 
  36. possiblilities arising from a more detailed specification of the 
  37. evolutionary rules. When k, the number of states per cell is small, 
  38. there is not too much which is possible in the way of design, but once 
  39. it reaches 4 or beyond some interesting constructions become possible. 
  40. LCA41.C in particular, contains enhanced rule and line editing menus 
  41. which allow experimentation with the design of rules.
  42.  
  43. Certain of the demonstrations in LCAU41.C show how the design process 
  44. can be used. There is an example of a "binary counter'" which consists 
  45. of a glider gun together with bistable targets. In one state the target 
  46. absorbs the glider and changes to the other state. In the second state 
  47. the target passes the glider, reverting to the first state. Thus half 
  48. the gliders are lost to each target, whose state forms a binary counter 
  49. whose carry is represented by the gliders which are allowed to pass. 
  50.  
  51. Another demonstration shows how a bouncing glider may shuttle between 
  52. two obstacles - still lifes - drawing them ever closer together. Just 
  53. as the glider is about to be crushed, the walls coalesce but the glider 
  54. escapes to one side, seeking new walls to conquer. Multiple gliders may 
  55. go about their business, competing for the wall if they lie on opposite 
  56. sides or hastening the squeeze if they lie on the same side.
  57.  
  58. A third demonstration shows a slow glider propelled by an intrenal 
  59. glider or gliders bouncing back and forth - a sort of Mexican jumping 
  60. bean. When a fast glider overtakes a slower glider, they coalesce, 
  61. producing an even slower glider. 
  62.  
  63. A fourth demonstration shows gliders of two different velocities, which
  64. can be used to set up a remote still life whose reaction to further 
  65. gliders gives it a life of its own. 
  66.  
  67. Such constructions can be used to generate interesting patterns, but 
  68. they also serve theoretical ends as well. For example, the binary 
  69. counters establish the existence of structures with both exponentially 
  70. long transients and exponentially long cycles. Since they still use 
  71. several cells to establish the basic components and their spacings, 
  72. they still do not reach theoretical maxima; but they do lie within 
  73. certain factors of such maxima.
  74.  
  75. When k becomes larger still, universal Turing machines can be 
  76. programmed, but this probably requires a k of at least 6 or 8.
  77.  
  78. Another extensive addition which has been made to the programs is to be 
  79. found in the series PROB.C, which can be invoked by typing "t" in the 
  80. main menu (the old totalistic rule number can still be utilized by 
  81. typing "T"); in fact their inclusion more than doubles the size of the 
  82. programs. These new programs permit a statistical survey of the 
  83. properties of the automaton. Originally they calculated simple 
  84. probabilities on the basis of ideas which go by the name of "mean field 
  85. theory," whose results were plausible but not entirely convincing.
  86.  
  87. Since then two interesting articles have appeared [the second as a 
  88. preprint]:
  89.  
  90.     W. John Wilbur, David J. Lipman and Shihab A. Shamma, On the 
  91.     prediction of local patterns in cellular automata, Physica 
  92.     19D 397-410 (1986).
  93.  
  94.     Howard A. Gutowitz, Jonathan D. Victor and Bruce W. Knight,
  95.     Local structure theory for cellular automata, Physica 28D 
  96.     18-48 (1987). 
  97.  
  98. These articles, from differing points of view, show how to take 
  99. correlations between cells into account by calculating the 
  100. probabilities of strings of cells. Rather than taking individual 
  101. probabilties as fundamental and deducing the probabilities of 
  102. combinations, the process is inverted; self consistent probabilities 
  103. for strings (or blocks) of a certain length are found from which the 
  104. probabilities of individual cells are obtained by averaging.
  105.  
  106. The calculations of these articles have been included among the options 
  107. of the "t" submenu, so that probabilities derived from blocks of length 
  108. up to 6 can be compared with simpler estimates and with the actual 
  109. performance of the automaton.
  110.  
  111. A third feature of the new series is the incorporation of the de Bruijn 
  112. diagrams within the main program, together with a visual representation 
  113. in terms of chords of a circle. It is still not possible to transfer 
  114. the cycles obtained back to the main program without copying them on 
  115. paper and editing the initial line with the option "l". Limitations of 
  116. space and time severely restrict the lengths of periods which can be 
  117. analyzed. Although interesting gliders and cycles are found within the 
  118. accessible range of the program, there are many others of longer 
  119. periods which manifest themselves experimentally when the evolutions 
  120. are run. It would be nice if the exhaustive analysis afforded by the 
  121. de Bruijn diagrams were feasible for the longer periods that show up on 
  122. the screen, but they would really require a faster computer, more 
  123. memory, and probably programs incorporating finer details of the 
  124. algorithms used. 
  125.  
  126. The programs contain a bare minimum of help facilities, in the sense 
  127. that menus of one type or another are presented at various stages in 
  128. the evolution of the programs, and others are sometimes available by 
  129. typing a question mark, just as a slash will often clear portions of 
  130. the screen. 
  131.  
  132. A manual consisting of the lecture notes for Fortran III is in 
  133. preparation, for which chapters are planned describing the accompanying 
  134. programs. As is well known, the preparation of manuals always lags the 
  135. evolution of the programs which they are supposed to describe.
  136.  
  137. There are still some interesting problems of presentation - recall that 
  138. Fortran III is supposed to be dedicated to graphical techniques! 
  139. Presentation of simple evolution is easily solved, since the resolution 
  140. and velocity of the graphics controllers included as standard equimpent 
  141. in IBM PC's and clones is adequate. Unfortunately color monitors and 
  142. their controllers are sometimes seen as premium equipment which was not 
  143. included in a given installation, so that a monochromatic rendering of 
  144. the color displays must be endured.
  145.  
  146. Even so, the speed and screen resolution which is available in the 
  147. present generation of equipment is only marginally satisfactory, having 
  148. only a fraction of the resolution of pen and ink plotters which have 
  149. been commonly available. Once statistics pertaining to the evolution of 
  150. automata are to be presented,