Слово Туэ-Морса

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
Определение:
Определим последовательность строк [math]T_n[/math] над двухбуквенным алфавитом [math]\{a, b\}[/math] следующим образом: [math]T_n = t_0 t_1 \dots t_{2^n-1}[/math], где:
  • [math]t_i = a[/math], если двоичная запись числа [math]i[/math] содержит чётное число единиц
  • [math]t_i = b[/math], иначе.
Строки этой последовательности называются строками Туэ-Морса (англ. Thue–Morse sequence).


Примеры[править]

Приведём первые пять строк Туэ-Морса:

  • [math]T_0 = a[/math]
  • [math]T_1 = ab[/math]
  • [math]T_2 = abba[/math]
  • [math]T_3 = abbabaab[/math]
  • [math]T_4 = abbabaabbaababba[/math]

Свойства и эквивалентные определения[править]

Свойство о получении следующей строки[править]

Как видно из определения, символ на [math]i[/math]-ой позиции не зависит от номера строки. Так как длина строк возрастает, каждая строка является собственным префиксом следующей, поэтому можно рассматривать получение следующей строки как приписывание к текущей строке некоторой другой строки.

Теорема:
Пусть [math]\varphi[/math] — морфизм, инвертирующий символы:

[math]\varphi(x) = \left\{ \begin{array}{rl} b, & x = a \\ a, & x = b, \\ \end{array} \right.[/math]

тогда для строк Туэ-Морса верно следующее соотношение: [math]T_{n + 1} = T_n \varphi(T_n)[/math]
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]
Заметим, что соответствующие индексы символов при приписывании новой строки к строке [math]T_n[/math] получаются добавлением к индексам [math]i = 0, 1, \dots, 2^n - 1[/math] числа [math]2^n[/math]. Количество единиц в двоичной записи числа [math]i + 2^n[/math] ([math]i \lt 2^n[/math]) ровно на один больше, чем в двоичной записи числа [math]i[/math]. Поэтому приписываемая строка есть ни что иное, как исходная строка с инвертированными символами.
[math]\triangleleft[/math]

Данная теорема позволяет определять последовательность строк Туэ-Морса следующим образом: [math]T_0 = a[/math], [math]T_{n + 1} = T_n \varphi(T_n)[/math].

Часто рассматривают предельный случай — бесконечную строку Туэ-Морса, любой символ которой можно получить из обычной строки Туэ-Морса с достаточно большим номером. Бесконечную строку также можно задать с помощью правил ассоциативного исчисления, клеточного автомата, рекурсивных соотношений.

Свойство о подстроках[править]

Теорема:
Не существует двух равных как строки подстрок строки [math]T_n[/math], имеющих пересекающиеся вхождения в [math]T_n[/math]
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Заметим, что [math]t_{2n}=t_n[/math] для [math]n \geqslant 0[/math], так как количество единиц числа [math]2n[/math] и [math]n[/math] одинаково. Так же заметим, что [math]t_{2n+1}=\varphi(t_n)[/math] для [math]n \geqslant 0[/math], потому что [math]2n[/math] и [math]2n+1[/math] одинаковы в двоичной системе, кроме последнего бита, а количество единиц числа [math]2n[/math] и [math]n[/math] одинаково.

Пусть существует две равные как строки подстрок строки [math]T_n[/math], имеющих пересекающиеся вхождения в [math]T_n[/math], тогда [math]T_n=ucxcxcv[/math], где [math]u,c,x,v[/math] — подстроки строки [math]T_n[/math], а строка [math]cxc[/math] — искомая подстрока.

Пусть [math]m=|cx|[/math] и [math]k=|u|[/math], тогда [math]t_{k+j}=t_{k+j+m}[/math] по предположению при [math]0 \leqslant j \leqslant m[/math].

Рассмотрим наименьшее [math]m\geqslant 1[/math]. Тогда возможны два случая: [math]m[/math] четно и нечетно:

  1. [math]m[/math] четно.
    Тогда пусть [math]m=2m'[/math]. Рассмотрю два случая: [math]k[/math] четно или нечетно:
    • [math]k[/math] четно:
      Пусть [math]k=2k'[/math]. Так как [math]t_{k+j}=t_{k+j+m}[/math] при [math]0 \leqslant j \leqslant m[/math], тогда очевидно, что [math]t_{2k'+2j'}=t_{2k'+2j'+2m'}[/math] для [math] 0 \leqslant j' \leqslant m'[/math]. Так как [math]t_{2k'+2j'}=t_{k'+j'}[/math] и [math]t_{2k'+2j'+2m'}=t_{k'+j'+m'}[/math] очевидно, что [math]t_{k'+j'}=t_{k'+j'+m'}[/math] для [math]0 \leqslant j' \leqslant m'[/math]. Это противоречие, так как [math]m[/math] минимально.
    • [math]k[/math] нечетно:
      Пусть [math]k=2k'+1[/math]. Тогда, как и в предыдущем случае [math]t_{2k'+2j'+1}=t_{2k'+2j'+2m'+1}[/math] для [math]0 \leqslant j' \leqslant m'[/math] и тогда [math]t_{k'+j'}=t_{k'+j'+m'}[/math] для [math]0 \leqslant j' \leqslant m'[/math], что является опять противоречием из-за минимальности [math]m[/math]
  2. [math]m[/math] нечетно.
    Тогда рассмотрю три случая: [math]m \geqslant 5[/math], [math]m=3[/math] и [math]m=1[/math]. Пусть [math]b_n=\left\{ \begin{array}{rl} a, & t_n=t_{n-1} \\ b, & t_n \ne t_{n-1} \\ \end{array} \right.[/math], для [math]n \geqslant 1[/math]. Заметим, что [math]b_{4n+2}=a[/math] так как [math]4n+2[/math] и [math]4n+1[/math] одинаково записываются в двоичной записи, кроме последних двух битов, которые равны [math]10[/math] и [math]01[/math] соответственно и значит [math]t_{4n+2}=t_{4n+1}[/math]. Так же заметим, что [math]b_{2n+1}=b[/math], так как [math]2n+1[/math] и [math]2n[/math] одинаково записываются в двоичной системе, кроме последнего бита и значит, что [math]t_{2n+1}=\varphi(t_{2n})[/math]
    • [math]m[/math] нечетно и [math]m \geqslant 5[/math].
      Тогда [math]b_{k+j}=b_{k+j+m}[/math] для [math]1 \leqslant j \leqslant m[/math]. С [math]m \geqslant 5[/math] существует [math]j[/math], такое что [math]k+j=2[/math] по модулю [math]4[/math]. Тогда для [math]k+j[/math] точно известно, что [math]b_{k+j}=0[/math], но с другой стороны [math]k+j+m[/math] — нечетно, значит [math]b_{k+j+m}=1[/math]. Противоречие.
    • [math]m=3[/math].
      Аналогично: [math]b_{k+j}=b_{k+j+3}[/math] для [math]1 \leqslant j \leqslant 3[/math]. Найдем [math]j[/math], чтобы [math]k+j=2[/math] или [math]k+j=3[/math] по модулю [math]4[/math]. Если [math]k+j=2[/math] по модулю [math]4[/math], то противоречие получается так же, как в предыдущем пункте. Рассмотрим [math]k+j=3[/math] по модулю [math]4[/math], тогда [math]b_{k+j}=1[/math], но [math]b_{k+j+3}=0[/math]. Это опять противоречие.
    • [math]m=1[/math].
      Тогда [math]t_k=t_{k+1}=t_{k+2}[/math] из чего следует, что [math]t_{2n}=t_{2n+1}[/math] для [math]n=\dfrac{k}{2}[/math], но [math]t_{2n}=\varphi(t_{2n+1}) \ne t_{2n+1}[/math]. Противоречие.
[math]\triangleleft[/math]

См. также[править]

Источники информации[править]