科研成果論文

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1、論文題目:元胞自動(dòng)機(jī)的理論研究學(xué)院:金山學(xué)院專業(yè)年級(jí):電子信息工程2010級(jí)學(xué)號(hào):100201046姓名:潘江龍指導(dǎo)教師、職稱:程麗、副教授2012年12月26日元胞自動(dòng)機(jī)的理論研究摘要:元胞自動(dòng)機(jī)本來是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父———馮·諾伊曼(Von?Neumann)及其追隨者提出的想法,但是Wolfram卻將這種帶有強(qiáng)烈的純游戲色彩的原始想法從學(xué)術(shù)上加以分類整理,并使之最終上升到了科學(xué)方法論。元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)就在于“如果讓計(jì)算機(jī)反復(fù)地計(jì)算極其簡(jiǎn)單的運(yùn)算法則,那么就可以使之發(fā)展成為異常復(fù)雜的模型,并可以解釋自然界中的所

2、有現(xiàn)象”的觀點(diǎn)。最初用于模擬生命系統(tǒng)所特有的自復(fù)制現(xiàn)象,是描述自然界復(fù)雜現(xiàn)象的簡(jiǎn)化數(shù)字模型。關(guān)鍵詞:細(xì)胞自動(dòng)機(jī);生命游戲;平行計(jì)算;局部的;一致性一、緒論1.1元胞自動(dòng)機(jī)的形成與發(fā)展元胞自動(dòng)機(jī)本來是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父———馮·諾伊曼(Von?Neumann)及其追隨者提出的想法,但是Wolfram卻將這種帶有強(qiáng)烈的純游戲色彩的原始想法從學(xué)術(shù)上加以分類整理,并使之最終上升到了科學(xué)方法論。元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)就在于“如果讓計(jì)算機(jī)反復(fù)地計(jì)算極其簡(jiǎn)單的運(yùn)算法則,那么就可以使之發(fā)展成為異常復(fù)雜的模型,并可以解釋自然界中的所有現(xiàn)象

3、”的觀點(diǎn)。20世紀(jì)80年代這一理論成了人們議論的話題,比如“雪花的結(jié)晶”、“海螺的圖案”或者“基于相對(duì)論的扭曲時(shí)空”等自然界的各種各樣的模型都確實(shí)可以由這種“反復(fù)計(jì)算”而生成,這一切不斷地證明了Wolfram的觀點(diǎn)。但是他的觀點(diǎn)當(dāng)時(shí)卻被科學(xué)界中的主流斥為“異端”。??此后,Wolfram開發(fā)了名為Mathematica的、在工作站上使用的Calculus(以微積分為主的解析計(jì)算)工具,并在商業(yè)上獲得了成功,由此也積累了相當(dāng)?shù)呢?cái)富。他利用這筆財(cái)富成立了專用于科學(xué)計(jì)算的Mathematica軟件開發(fā)公司,該公司進(jìn)入

4、正常發(fā)展軌道后,他實(shí)際上就已經(jīng)脫離了經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域。?進(jìn)入90年代后Wolfram完全沉默了。悠然自得的他把生活中的全部時(shí)間都用在了思考和計(jì)算上,專心致志地從事闡明宇宙原理的工作。作為10年的努力成果而產(chǎn)生的就是這部《一種新科學(xué)》,甚至有人傳言就連Wolfram本人也自信地表示,這部著作是“與牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力基本原理相媲美的科學(xué)金字塔”。? 1.2元胞自動(dòng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)加通過運(yùn)用自組織、混沌、涌現(xiàn)和自適應(yīng)等來研究系統(tǒng)的復(fù)雜性,結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜性研究的分析和計(jì)算,相繼提出了演化計(jì)算、元胞自動(dòng)機(jī)等模型。元胞自

5、動(dòng)機(jī)作為復(fù)雜系統(tǒng)的離散模型,是研究動(dòng)力學(xué)相互作用于時(shí)空演化過程的重要實(shí)驗(yàn)方法。它開啟了一條探索基礎(chǔ)科學(xué)研究與復(fù)雜性的新途徑。與傳統(tǒng)的方法比較,元胞自動(dòng)機(jī)能更好的模擬物理和化學(xué)過程,如雪花形成,流體以及湍流形成等難以解釋的復(fù)雜現(xiàn)象,甚至還能逼真的反應(yīng)大量相互作用于個(gè)體形成的精細(xì)結(jié)構(gòu)模型。元胞自動(dòng)機(jī)是描述復(fù)雜性的比較有效的方法之一,也是復(fù)雜系統(tǒng)建模的一種重要的方法。?元胞自動(dòng)機(jī)自產(chǎn)生以來,被廣泛地應(yīng)用到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域涉及社會(huì)學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料

6、學(xué)、化學(xué)、地理、環(huán)境科學(xué)、軍事學(xué)等。如在社會(huì)學(xué)中,元胞自動(dòng)機(jī)可以用于研究經(jīng)濟(jì)危機(jī)的形成與爆發(fā)過程,以及個(gè)人行為的社會(huì)性,或者傳播現(xiàn)象,如服裝流行色的形成,輿論的傳播等社會(huì)現(xiàn)象。除此之外,元胞自動(dòng)機(jī)還在超大規(guī)模集成電路,密碼學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用??梢哉f,元胞自動(dòng)機(jī)是計(jì)算機(jī)科學(xué)和多種科學(xué)共同發(fā)展和交叉的結(jié)果,元寶自動(dòng)幾已成為模擬復(fù)雜現(xiàn)象的一個(gè)不可缺少的重要工具。二、元胞自動(dòng)機(jī)的定義與組成81.1、元胞自動(dòng)機(jī)的定義元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular?Automaton,簡(jiǎn)稱CA,也有人譯為細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、點(diǎn)格自動(dòng)機(jī)、分子自

7、動(dòng)機(jī)或單元自動(dòng)機(jī))。是一時(shí)間和空間都離散的動(dòng)力系統(tǒng)。散布在規(guī)則格網(wǎng)?(Lattice?Grid)中的每一元胞(Cell)取有限的離散狀態(tài),遵循同樣的作用規(guī)則,依據(jù)確定的局部規(guī)則作同步更新。大量元胞通過簡(jiǎn)單的相互作用而構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化。不同于一般的動(dòng)力學(xué)模型,元胞自動(dòng)機(jī)不是由嚴(yán)格定義的物理方程或函數(shù)確定,而是用一系列模型構(gòu)造的規(guī)則構(gòu)成。凡是滿足這些規(guī)則的模型都可以算作是元胞自動(dòng)機(jī)模型。因此,元胞自動(dòng)機(jī)是一類模型的總稱,或者說是一個(gè)方法框架。1.2元胞自動(dòng)機(jī)的特征(1)同質(zhì)性、齊性:同質(zhì)性反映在元胞空間內(nèi)的每個(gè)元

8、胞的變化都服從相同的規(guī)律,即元胞自動(dòng)機(jī)的規(guī)則,或稱為轉(zhuǎn)換函數(shù);而齊性指的是元胞的分布方式相同,大小、形狀相同,空間分布規(guī)則整齊。(2)空間離散:元胞分布在按照一定規(guī)則劃分的離散的元胞空間上。(3)時(shí)間離散:系統(tǒng)的演化是按照等間隔時(shí)間分步進(jìn)行的,時(shí)間變量t只能取等步長(zhǎng)的時(shí)刻點(diǎn),形似整數(shù)形式的t0,t十l,t十2…,而且,t時(shí)刻的狀態(tài)構(gòu)形只對(duì)其下一時(shí)刻,即t+1時(shí)刻的狀態(tài)構(gòu)形產(chǎn)生影響,而t

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