Autômatos celulares não-uniformes, com conexões não-locais, na classificação de densidade

Abstract

Autômatos celulares são sistemas dinâmicos discretos, formados por estruturas simples (as células) conectadas localmente entre si, gerais em termos de seu poder computacional, e que apresentam padrões de comportamento bastante complexos. O intuito deste trabalho foi expandir estudos anteriores de Zanon (2006), sobre autômatos celulares unidimensionais não-uniformes, com vizinhança não-local, visando verificar a existência de autômatos desse tipo na resolução da tarefa da classificação de densidade, isto é, a determinação do bit predominante em uma cadeia binária. Interessou-nos aqui descobrir soluções do problema principalmente por meio de buscas evolutivas, resolvê-lo de forma não trivial, isto é, sem a necessidade da regra da maioria sobre todo o reticulado, e objetivando inferir características necessárias para as soluções que viessem a resolver o problema. Os resultados obtidos levaram a uma expansão da quantidade de soluções perfeitas reportadas na literatura, mas observou-se que todas elas contém pelo menos uma das regras envolvidas tomando todo o reticulado como base de ação, uma evidência da impossibilidade de existir soluções sem regras individuais de ação global. Adicionalmente, as seguintes constatações foram feitas para os autômatos celulares do tipo considerado: mesmo autômatos distintos entre si podem ter a mesma evolução temporal; uma flexibilização do balanceamento total das regras na solução do problema da classificação de densidade é conseguida; e, em princípio, não há padrões nas soluções perfeitas para reticulados de 3 e 5 células, sugerindo a impossibilidade de se construir uma solução a partir de outra de menor tamanho de reticulado.Cellular automata are discrete dynamical systems composed of simple, locally connected structures (the cells), general in terms of their computational power, and that display complex patterns of behaviour. The purpose of this work was to expand previous studies by Zanon (2006), on non-uniform, one-dimensional cellular automata with nonlocal neighbourhood, in order to verify the existence of rules of these kinds of automata to solve the density classification task, that is, the determination of the predominant bit in a binary string. Our concern here was to look for solutions of the problem mainly by evolutionary computation means, to solve it in a non-trivial fashion, i.e., without including in the solution the majority rule over the entire lattice, and, at the same time, with the target of inferring common features for the solutions that would be found. The results achieved led to an expansion in the quantity of perfect solutions available in the literature, but it became clear that all of them have at least one of the rules involved able to account for the entire lattice at once, an evidence that solutions without rules with global action may not exist. Furthermore, the following observations have been made for the type of automata we considered: even distinct automata may have the same temporal evolution; a certain degree of flexibility is allowed in the total balancing of the rules present in a solution of the density classification task; and, in principle, no common patterns seem to exist between solutions for lattices with 3 and 5 cells, thereby suggesting the impossibility of constructing a solution to the problem from another of a smaller lattice