home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ C/C++ Users Group Library 1996 July / C-C++ Users Group Library July 1996.iso / vol_200 / 245_01 / lca.doc < prev    next >
Text File  |  1987-10-26  |  32KB  |  546 lines

  1.  
  2. [LCA.DOC]
  3. [Harold V. McIntosh, 20 May 1987]
  4.  
  5. 1. History.
  6.  
  7. Cellular Automata have been studied as a part of the abstract theory of
  8. computation since the time that John von Neumann became interested in the
  9. possibility of constructing self-reproducing automatic factories. Since
  10. actual factories and physical machinery involve a myriad of practical but
  11. non-essential details, he eventually followed a suggestion of Stanislaw Ulam
  12. that an abstract mathematical model would be more amenable to a demonstration
  13. of the possibilities of universal construction and self reproduction. He
  14. worked out a scheme for such an automaton, in terms of a cellular space
  15. occupying a two dimensional grid, in which each cell would be found in
  16. one of twenty eight states.
  17.  
  18. The details of von Neumann's construction remained unpublished at the time
  19. of his death, but were subsequently edited and published by A. W. Burks.
  20. Ulam's work on functional iteration and his experiments on nonlinear mappings
  21. was reported in conference proceedings, and cellular automata became a topic
  22. in the theory of abstract machines, along with the work of Edward. F. Moore,
  23. Claude Shannon, and others. Of course there were even earlier beginnings, in
  24. the studies of Warren S. McCulloch and Walter Pitts in 1943 on neural nets,
  25. followed in 1951 by a certain mathematical abstraction by S. C. Kleene, and
  26. even in the general ideas on Cybernetics introduced by Norbert Wiener in his
  27. famous book.
  28.  
  29. Public awareness of cellular automata can mostly be attributed to John Horton
  30. Conway's interest in finding a simpler configuration than von Neumann's
  31. and exploring its capabilities. Some of his results were presented in 1970 as
  32. an ecological game called Life, at a time when such concerns were popular, in
  33. Martin Gardner's monthly Mathematical Games column in Scientific American.
  34. For a period of about three years Robert T. Wainwright maintained a quarterly
  35. newsletter disseminating discoveries made by Martin Gardner's readers, some
  36. of which were followed up in later columns in Scientific American. Many of the more
  37. interesting results were obtained with the help of the graphics facilities 
  38. of a PDP-6 computer in MIT's Artificial Intelligence Laboratory.
  39.  
  40. When microcomputers began to attract popular attention, Conway's game of Life
  41. became one of the early inspirations for an application; Cromemco's "Dazzler,"
  42. a color video controller and one of the earliest peripherals, was frequently
  43. used to display the evolution of Life configurations. An early issue of Byte
  44. magazine summarized many results which had appeared in Wainwright's newsletter
  45. a decade earlier, but had still not reached mass circulation. Some other
  46. magazines, such as Omni, revived the topic, and in recent years Scientific
  47. American has returned to the subject, most recently in A. K. Dewdney's 
  48. Computer Recreations, the current successor to Martin Gardner's column.
  49.  
  50. Professional scientific interest has received a considerable impetus from
  51. the investigations of Stephen Wolfram, who undertook a computer based
  52. search through the properties of one dimensional automata, guided by some
  53. concepts from the realm of nonlinear dynamics and statistical mechanics.
  54. In any event, the microcomputers, programming languages, and video displays
  55. which are currently available are sufficient for many experimental studies
  56. of cellular automata, many of whose results have considerable artistic merit.
  57.  
  58. A recent article exploring the aesthetic side of automata theory was one
  59. entitled Abstract Mathematical Art, by Kenneth E. Perry, which appeared in
  60. the December, 1986, issue of Byte. The article included a Basic program for
  61. use on IBM/PC compatible computers, with indications that a Pascal version
  62. was available from the magazine, and a statement that the author himself
  63. had used machine language to quickly seek out the examples enumerated in his
  64. article. Several of them were shown in striking color photographs.
  65.  
  66. The idea of a one dimensional cellular automaton is quite simple, an its
  67. evolution in time is ideal for a two dimensional presentation, as on a video
  68. screen. To start with, a cell is a region, even a point, with differing forms,
  69. called states. For convenience, these states are usually numbered with small
  70. integers beginning with zero, rather than described. For the purposes of
  71. automata theory the nature of the states does not matter, only their relation
  72. to one another, and the way they change with time according to their 
  73. envoironment. Since they are abstract, they can just as well be represented
  74. by colored dots on a video screen, which is what leads to interpreting them
  75. as part of an abstract artistic design.
  76.  
  77. To make a one dimensional automaton, a series of cells is strung out in a
  78. line, the simplest assumption being that all the cells have the same number
  79. of similar states, and that the rules of evolution will be the same for all
  80. of them. The idea of forming the cells into a line implies a linear order,
  81. but of course other arrangements are possible, both in terms of the dimension
  82. and the connectivity of the cells. This is the second element of definition
  83. for a cellular automaton - the relationship between the cells, or the kinds
  84. of neighborhoods which they form. Again, the simplest neighborhood would
  85. consist of a cell and its nearest two neighbors, and generally speaking we
  86. would take a neighbborhood to consist of r neighbors on each side, giving
  87. 2r+1 for the total number of cells in a neighborhood.
  88.  
  89. There are some small quibbles to be made. If a chain is finite, it has ends,
  90. which surely do not have the same neighborhoods as the interior cells. Either
  91. they can be treated differently, or the chain can be imagined to close into
  92. a ring, which would preserve the uniformity of all the neighborhoods. Also,
  93. it is considered preferable to work with symmetric neighborhoods, each one
  94. centered on its own cell, rather than worrying about irregular neighborhoods.
  95. An exception occurs because there are times when only one neighbor would be
  96. desired, always on the same side.
  97.  
  98. Thus there arises the notation (k,r) for a linear cellular automaton which
  99. has k states within each cell, and such that it, together with r cells on
  100. either side, is considered to form a neighborhood.
  101.  
  102. There is one final ingredient in the definition of a cellular automaton,
  103. which is the rule of transition by which the cell changes state from one
  104. generation to the next, conventionally assumed to be the same rule for each
  105. neighborhood. It is the judicious selection of a rule as much as anything
  106. that makes a particular automaton interesting or not.
  107.  
  108. Conway's game of Life was the result of a particular choice of rule for a
  109. two dimensional binary automaton - two states per cell - whose neighborhoods
  110. contained the cell in the center and the eight cells touching it, four of
  111. them laterally and four of them diagonally. The announced critera by which
  112. that particular rule was chosen were that a field of cells should neither
  113. dwindle away to nothing - all zeroes - or eventually fill up completely -
  114. all ones. Reportedly, he examined many different rules before choosing the
  115.  particular one which gave us his famous game; even so, so much variety was
  116. encountered with that one particular rule that years passed before many
  117. others were studied.
  118.  
  119. Wolfram's recent work, mostly done at the Institute for Advanced Studies in
  120. Princeton, systematically examined all the possible rules for one dimensional
  121. automata. His recent book summarizes his and some other results in an extensive
  122. appendix. In two dimensions there are far too many possibilities - more so
  123. even than in one dimension - for there to be a chance to try everything, even
  124. with a very fast computer. Notwithstanding, Dewdney's column in a recent issue
  125. of Scientific American describes a three dimensional variant of Life examined
  126. by Carter Bays. However, the one dimensional automata of type (2,1) represent
  127. a reasonable starting point for systematic studies.
  128.  
  129. For such an automaton, a neighborhood contains three cells, while each can
  130. have two states, so altogether there