home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #18 / NN_1992_18.iso / spool / sci / math / research / 407 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-08-17  |  9.9 KB  |  192 lines

  1. Newsgroups: sci.math.research
  2. Path: sparky!uunet!zaphod.mps.ohio-state.edu!moe.ksu.ksu.edu!ux1.cso.uiuc.edu!news.cso.uiuc.edu!usenet
  3. From: currie@uwpg02.uwinnipeg.ca
  4. Subject: CASH PROBLEMS
  5. Nntp-Posting-Host: uwpg02.uwinnipeg.ca
  6. Message-ID: <17AUG92.11150439@uwpg02.uwinnipeg.ca>
  7. Sender: Daniel Grayson <dan@math.uiuc.edu>
  8. X-Submissions-To: sci-math-research@uiuc.edu
  9. Organization: University of Winnipeg
  10. X-Administrivia-To: sci-math-research-request@uiuc.edu
  11. Approved: Daniel Grayson <dan@math.uiuc.edu>
  12. Date: Mon, 17 Aug 1992 17:15:04 GMT
  13. Lines: 177
  14.  
  15. Open Problems in Pattern Avoidance
  16.  
  17.  
  18. INTRODUCTION
  19.  
  20.  
  21. What makes a mathematical area interesting? The area should contain a 
  22. range of open problems: some very concrete and approachable, others "bigger". 
  23. These days it might help for the area to tie in with chaos and fractals. 
  24. Finally, it couldn't hurt for someone to offer cash for solutions to problems 
  25. in the area.
  26.  
  27. Consider the study of words avoiding patterns. A WORD is a finite sequence 
  28. of elements of some finite set S. We call the set S an ALPHABET, the elements 
  29. of S LETTERS. The set of all words over S is written S*. We take a naive 
  30. view of words as strings of symbols; thus the concatenation of two words 
  31. w and v, written wv, is simply the string consisting of the letters of 
  32. w followed by the letters of v. The empty word, denoted e, is the word 
  33. with no letters in it. The LENGTH of a word w, denoted len(w), is the 
  34. number of letters in w. For example, u=abcdcda is a word over the alphabet 
  35. S={a, b, c, d, e}, and len(u)=7.
  36.  
  37. Let S and T be alphabets. A SUBSTITUTION h:S*-->T* is a function generated 
  38. by its values on S. That is, suppose w in S*, w=w1 w2 ... wn with wi in 
  39. S, i=1, ..., n. Then h(w)=h(w1)h(w2)...h(wn). We do not allow h(wi)=e 
  40. for any i. As an example, we could give a substitution h:{1, 2, 3}*-->{1, 
  41. 2, 3}* by h(1)=123, h(2)=13, h(3)=2. In this case, h(123)=h(1)h(2)h(3)=123132. 
  42. An OMEGA-WORD over S is a countably infinite sequence of letters of S.
  43.  
  44. A word w over an alphabet S is NON-REPETITIVE (or square-free) if no two 
  45. adjacent blocks in w are identical. For example, the word v=abcacb is 
  46. non-repetitive. On the other hand, the word u=abcbcd is repetitive, since 
  47. bc occurs next to itself in u. Early in this century the Norwegian number 
  48. theorist Axel Thue showed that arbitrarily long non-repetitive words can 
  49. be formed using only three letters [20]. By Konig's infinity lemma, this 
  50. means that there is a non-repetitive omega-word over S={1, 2, 3}. This 
  51. result has been rediscovered and republished a dozen times or more. One 
  52. reason for this sequence of rediscoveries is that non-repetitive sequences 
  53. have been used to construct counter-examples in many areas of mathematics: 
  54. ergodic theory, formal language theory, universal algebra and group theory, 
  55. for example [11, 12, 6, 15].
  56.  
  57. We say that a non-repetitive word over S AVOIDS xx. Such a word cannot 
  58. be written ah(xx)b where a, b in S* and h:{x}*-->S* is a substitution. 
  59. Thue also showed that arbitrarily long CUBE-FREE words on two letters 
  60. exist [20]. Such words avoid xxx in the sense that they cannot be written 
  61. ah(xxx)b. The infinite cube-free word discovered by Thue is referred to 
  62. as the Morse-Thue sequence, and is an important example in symbolic dynamics 
  63. [15]. Symbolic dynamics is a key tool for studying chaotic dynamics.
  64.  
  65. Before posing our problems, we need a bit more background. Let w and p 
  66. be words. We say that w CONTAINS pattern p if we can write w=ah(p)b for 
  67. words a and b, and some substitution h. Otherwise, we say that w AVOIDS 
  68. p. Let a pattern p be fixed. Let S be an alphabet with k letters. If there 
  69. are arbitrarily long words over S avoiding p, we say that p is AVOIDABLE 
  70. ON S. Clearly, only the number k of letters in S is significant here, 
  71. so we also say that p is AVOIDABLE OB k LETTERS.
  72.  
  73. For example, xx is avoidable on 3 letters. If for some k, p is avoidable 
  74. on k letters, we say that p is AVOIDABLE. Otherwise, p is UNAVOIDABLE. 
  75. For example, xyx is unavoidable. According to a pretty result of Zimin 
  76. [21], a pattern p on n letters is avoidable if and only if Zn avoids p, 
  77. where Zn is the word on {1, 2, ..., n} defined by Z1=1, Zn=Z(n-1) n Z(n-1), 
  78. n>1. However, no method is known to determine the smallest alphabet on 
  79. which p is avoidable [2, 3]. In [2], a word U-delta is given which is 
  80. avoidable on 4 letters, but not on 3. Perhaps all avoidable words are 
  81. avoidable on 4 letters.
  82.  
  83. A word w is STRONGLY NON-REPETITIVE if no two adjacent blocks in w are 
  84. permutations of each other. For example, u=512341231416 is  not  strongly 
  85. non-repetitive since the adjacent blocks 12341 and 23141 are permutations 
  86. of each other. Let p be a word over an alphabet S, p=p1 p2 ... pn, pi 
  87. in S, i=1...n. Say that a word w STRONGLY AVOIDS p if we cannot write 
  88. w=a q1 q2 ... qn b where a, b are words, the qi are non-empty words, and 
  89. qi is a permutation of qj whenever pi=pj. Thus a word is strongly non-repetitive 
  90. if and only if it strongly avoids xx. We define what it means for a pattern 
  91. p to be STRONGLY AVOIDABLE (ON k LETTERS) in the obvious way.
  92.  
  93. It is known that xx is strongly avoidable on 5 letters, but not on 3 letters 
  94. [16]. Whether xx is strongly avoidable on 4 letters has long been open. 
  95. On the other hand, the smallest alphabet on which xxx can be strongly 
  96. avoided is the 3 letter alphabet and the smallest alphabet on which xxxx 
  97. can be strongly avoided is the 4 letter alphabet [10].
  98.  
  99. Let a=a1 a2 a3 ... and b=b1 b2 b3 ... be omega-words over some alphabet 
  100. S, with ai, bi in S. Define the distance between a and b to be r(a, b)=1/(k+1) 
  101. where k=min{i: ai, bi differ}. Thus the longer a and b go on agreeing, 
  102. the closer together a and b are. Let L be the set of non-repetitive omega-words 
  103. over S={1, 2, 3}. With respect to the metric r, L has no isolated points; 
  104. for any non-repetitive omega-word a over S, we can find distinct non-repetitive 
  105. omega-words over S agreeing with a to as many places as desired . [17, 
  106. 18, 19]  It follows that L is a PERFECT SET.
  107.  
  108. CONCRETE PROBLEMS
  109.  
  110.  1. Is there a pattern w which is avoidable on 5 letters but not on 4 
  111. letters? [2]
  112.  
  113.  2. Can xx be strongly avoided on 4 letters? [5, 10, 13, 16]
  114.  
  115.  3. Let L be the set of non-repetitive words over the 3 letter alphabet 
  116. {1, 2, 3}. It 
  117. is known that c(n), the number of words of L of length n, grows exponentially 
  118. [4]. Give an exact enumeration for L. For the solution to this problem 
  119. I offer US$100.
  120.  
  121.  4. Is the set of cube-free omega-words over a 2-letter alphabet perfect?
  122.  
  123. "BIGGER" PROBLEMS
  124.  
  125.  1. Is there an algorithm which decides, given a pattern p and a natural 
  126. number k, whether p is avoidable on k letters? [3] If so, give such an 
  127. algorithm. I offer US$100 for the solution to this problem.
  128.  
  129.  2. Is there an algorithm which decides, given a pattern p, whether p 
  130. is strongly avoidable on SOME fixed alphabet? If so, give such an algorithm. 
  131. Again, US$100 to the solver of this problem.
  132.  
  133.  3. Is there an algorithm which decides, given a pattern p and a natural 
  134. number k, whether p is strongly avoidable on k letters? If so, give such 
  135. an algorithm. I offer US$500 for the solution to this problem! Note that 
  136. concrete problem 2 above is not necessarily a sub-problem of this problem.
  137.  
  138.  4. For US$100, decide the following conjecture: If pattern p is avoidable 
  139. on S, then the set of omega-words on S avoiding p is perfect.
  140.  
  141.  5. For US$100, decide the following conjecture: If the smallest alphabet 
  142. on which p is avoidable is {1, 2, ..., k}, then there exists a natural 
  143. number m, and substitutions f:{1, 2, ..., m}*--> {1, 2, ..., k}* and g:{1, 
  144. 2, ..., m}*-->{1, 2, ..., m}* such that f(g^n(1)) avoids p.
  145.  
  146. REFERENCES
  147.  
  148. [1] S. ARSHON, Demonstration de l'existence des suites asymetriques infinies, 
  149. Mat. Sb., 2 (44) (1937), 769-779.
  150. [2] K. A. BAKER, G. F. MCNULTY AND W. TAYLOR, Growth problems for avoidable 
  151. words, preprint.
  152. [3] D. BEAN, A. EHRENFEUCHT AND G. MCNULTY, Avoidable Patterns in Strings 
  153. of Symbols, Pacific J. Math. 85 (1979), 261-294.
  154. [4] J. BRINKHUIS, Non-repetitive sequences on three symbols, Quart. J. 
  155. Math. Oxford (2) 34 (1983), 145-149.
  156. [5] T. C. BROWN, Is there a sequence on four symbols in which no two adjacent 
  157. segments are permutations of each other?, Amer. Math. Monthly 78 (1971), 
  158. 886-888.
  159. [6] S. BURRIS AND E. NELSON, Embedding the dual of    in the lattice of 
  160. equational classes of semigroups, Algebra Universalis, 1 (1971), 248-253.
  161. [7] J. D. CURRIE, Non-repetitive walks in graphs and digraphs, Ph. D. 
  162. thesis, University of Calgary, Alberta, Canada (1987).
  163. [8] J. D. CURRIE, Which graphs allow infinite non-repetitive walks? Disc. 
  164. Math. 87 (1991), 249-260.
  165. [9] J. D. CURRIE, Subwords of non-repetitive words, J. Comb. Th. Ser. 
  166. A, to appear.
  167. [10] F. M. DEKKING, Strongly non-repetitive sequences and progression-free 
  168. sets, J. Comb. Th., Ser. A 27 (1979) 181-185.
  169. [11] A. DEL JUNCO, A transformation with simple spectrum which is not 
  170. rank one,  Canadian J. Math.  29 (1977) 655-663.
  171. [12] A. EHRENFEUCHT AND G. ROZENBURG, On the separating power of EOL systems, 
  172. RAIRO Informatique 17 (1983) 13-22.
  173. [13] P. ERDOS, Some unsolved problems, Magyar Tud. Akad. Mat. Kutato Int. 
  174. Kozl. 6 (1961), 221-254.
  175. [14] M. MORSE AND G. A. HEDLUND, Symbolic dynamics I and II, Amer. J. 
  176. Math. 60 (1938) 815866 and 62 (1940) 142
  177. [15] P. S. NOVIKOV AND S. I. ADJAN, Infinite periodic groups I, II, III, 
  178. Math. U.S.S.R. Izv. 2 (1968) I: 209-236, II: 241-479, III: 665-685.
  179. [16] P. A. B. PLEASANTS, Non-repetitive sequences, Proc. Camb. Phil. Soc., 
  180. 68 (1970) 267-274.
  181. [17] R. O. SHELTON AND R. P. SONI, Aperiodic words on three symbols, J. 
  182. reine agnew. Math. 321 (1981), 195-209.
  183. [18] R. O. SHELTON AND R. P. SONI, Aperiodic words on three symbols II, 
  184. J. reine agnew. Math. 327 (1981), 1-11.
  185. [19] R. O. SHELTON AND R. P. SONI, Aperiodic words on three symbols III, 
  186. J. reine agnew. Math. 330 (1981), 44-52.
  187. [20] A. THUE, Uber unendliche Zeichenreihen, Norske Vid. Selsk. Skr. I. 
  188. Mat. Nat. Kl. Christiana (1912) 1-67.
  189. [21] A. ZIMIN, Blocking sets of terms, Mat. Sb. 119 (161) (1982); Math. 
  190. USSR Sbornik 47 (1984) 353-364.
  191.  
  192.