L系統

L系統

L-系統是匈牙利生物學家Aristid LinderMayer於1968年提出的。.L-系統的本質是一個重寫系統,通過對植物對象生長過程的經驗式概括和抽象,初始狀態與描述規則,進行有限次疊代,生成字元發展序列以表現植物的拓撲結構,並對產生的字元串進行幾何解釋,就能生成非常複雜的分形圖形。

詳細介紹

一類動態細胞自動機,在每一(時間)步上,其中的各個細胞可以由給定狀態變為一個新的狀態,或消亡或分裂為具有某種狀態組合的細胞串。A.林頓梅伊爾曾用這種細胞自動機描述絲狀有機體的發育過程,所以叫作林頓梅伊爾系統,簡稱L系統。

在喬姆斯基形式語言理論中,字母表被分成終結字母表和非終結字母表部分,“字”是由終結字母組成的字母序列。在L系統中,沒有單獨的終結字母表,所有生成的字都在系統語言中;初始字母可以被初始字所代替;被注視的字所包含的各個字母同時進行改寫。每個字母代表一個細胞,用字表示細胞陣列發展的階段。生成式對應於發展指令,這些指令的套用使有機體生長成已知類型。消亡的細胞可以用空字 e表示。細胞之間可以有,也可以沒有互動作用(信息傳遞)。有互動作用的有1L系統和2L系統。沒有互動作用的叫作0L系統。

0L系統是一個三元組Γ=( G, g, δ),其中 G為一個有限非空集合,叫作字母表; g為 G中元素的非空序列,即非空字; δ為一個(轉移)函式,首先取作從 G到 G*( G中元素所能構成的一切序列的集合)的有限非空子集的映射。然後,把 δ擴充為從 G*到 G*的有限非空子集的映射。

如果空字 e不能替換任何字母,即對 G中所有字母 ɑ,都有e唘 δ( ɑ),就稱Γ為增殖0L系統,簡稱P0L系統;如果對字母表內每一個字母有且只有一個轉移規則,即對 G中所有 ɑ,在 G*中只有一個字 p使 δ( ɑ)={ p},就稱Γ為確定的0L系統,簡稱 D0L系統。顯然(P0L∪D0L)吇0L。而既增殖又確定的DL系統稱為DP0L。

L系統舉例

公式 公式

設 C=( G、 g、 δ),且其中(·)表示分枝,│表示細胞間直壁,/為斜壁(不分左傾或右傾),取初始字 g=4, G和 δ由表給出。終極字母集合 T={3,(·),│,/}。轉移規則(1→3│2)表示每個處於狀態1的細胞到下一時刻分裂成為分別處於狀態 3和2由一個直壁隔開的兩個新細胞;(2→3(4))意思是處於狀態2的細胞,下一時刻分裂成為一個處於狀態3的細胞和一個以它為基部分枝後處於狀態4的細胞。這是一個DP0L系統。由這個系統 C能生成字的無窮序列,即L( C)。開頭的六個字和它們的圖解如下:

公式 公式

定義:三元組<v,w,p>其中

v——表示字母集合

v*——表示v上所有單詞的集合

w——是一個非空單詞,稱為公理

p——產生式集合 任取α∈V,存在x∈v* 使得 α→x 如果沒有明顯是產生式,則令α→α

具體例子如下:雪花曲線

雪花系統 雪花系統

v:{F,+, -}

w:F

p:F->F-F++F-F

幾何解釋是:

F:向前畫一條線

+:右轉67.5度(++即為右轉135度)

-:左轉45度

具體信息見右圖,當疊代次數n=3時就可以得出很好的雪花形狀,

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