Исследовательский проект “Муравей Лэнгтона”

Автор(ы)

Завалов Илья Владимирович

Аффилиация

ГУО «Волковысский районный центр технического творчества детей и молодежи» Гродненской области Республики Беларусь

Руководитель

Кулаков Валерий Владимирович

Аннотация

Предпосылкой к данному исследованию послужило чтение книги «Наука Плоского мира» математика Йена Стюарта и популяризатора науки Джека Коэна в соавторстве с известным литератором Терри Пратчеттом. Книга описывает множество теорий, взглядов и фактов из мира физики, математики и биологии. В одной из глав данной книги встречено описание абстрактного существа «Муравей Лэнгтона», на примере которого демонстрируются и поясняются многие научные принципы. Вселенная  Муравья Лэнгтона имеет вид бесконечного клеточного поля. В начальный момент времени все клетки имеют белый цвет. Муравей двигается по своей вселенной, руководствуясь двумя простыми правилами: если клетка белая, перекрасить ее в черный и повернуть направо; если клетка черная, перекрасить ее в белый и повернуть налево.

Актуальность темы заключается в следующих аспектах:

  • одним из широких и важных направлений информатики является компьютерное и математическое моделирование, в том числе и программирование клеточных автоматов [3];
  • таким образом, основы знаний и умений моделирования необходимы для успешного изучения программирования;
  • данная тема интересна, так как поведение Муравья Лэнгтона непредсказуемо, но абсолютно детерминировано [6];
  • тема объединяет в себе несколько наук (информатика, математика, физика, биология, философия), о чем пойдет речь далее [6];
  • для изучения как моделирования в общем, так и поведения Муравья Лэнгтона необходимо реализовать собственный алгоритм, чтобы иметь возможность совершенствовать его, создавать обобщения, анализировать поведение, в том числе и при различных начальных условиях.

Новизна в исследовании выражена в создании алгоритма обобщенного муравья, а также исследовании его поведения при различных начальных условиях (в различных вселенных).

Цель: исследование формы движения клеточного автомата «Муравей Лэнгтона».

Задачи исследования:

  1. Изучить основы методов компьютерного моделирования;
  2. Реализовать алгоритм и код на языке программирования, реализующий движение Муравья Лэнгтона;
  3. Проанализировать движение Муравья Лэнгтона;
  4. Исследовать модели поведения Муравья во вселенных, отличных от пустой;
  5. Изучить основы теории клеточных автоматов и других наук, связанных с темой исследования (математика, физика, философия);
  6. Исследовать возможности применения клеточного автомата «Муравей Лэнгтона» в науке;
  7. Изучить основы ООП с использованием типа данных RECORD в ЯП Pascal;
  8. Обобщить алгоритм и создать обобщенный автомат с бесконечно возможным набором правил;
  9. Проанализировать принципы движения обобщенного автомата.

Объект исследования: клеточные автоматы.

Предмет исследования: клеточный автомат «Муравей Лэнгтона».

Гипотеза исследования: при помощи ЯП “Pascal” можно имитировать движение Муравья Лэнгтона и изучить его поведение.

Предполагаемые результаты:

  1. Реализация программы, демонстрирующей поведение Муравья Лэнгтона;
  2. Анализ области применения абстракции «Муравей Лэнгтона»;
  3. Реализация программы, демонстрирующей поведение обобщенного Муравья Лэнгтона.

Выбраны следующие методы реализации исследования:

  • анализ данных;
  • работа с литературой;
  • программирование и алгоритмизация;
  • компьютерное моделирование и опыты.

Этапы реализации исследования:

  1. исследование и анализ темы;
  2. работа с литературой иинтернет-источниками;
  3. анализ и выбор среды программирования;
  4. разработка простейшего алгоритма;
  5. исследование поведения Муравья Лэнгтона;
  6. разработка объектно-ориентированного алгоритма;
  7. разработка алгоритма обобщенного автомата на основе Муравья Лэнгтона;
  8. исследование поведения обобщенного автомата на основе муравья Лэнгтона.

В процессе исследования получены следующие результаты:

  1. Изучены основы метода компьютерного моделирования;
  2. Реализованы алгоритмы движения Муравья Лэнгтона и обобщенного автомата на его основе;
  3. Проанализировано движение созданных автоматов;
  4. Получены новые знания из литературных источников в части основ теории клеточных автоматов, моделирования, математики, физики, биологии, философии;
  5. Исследованы возможности применения клеточного автомата «Муравей Лэнгтона» в науке;
  6. Изучены основы ООП с использованием типа данных RECORD в ЯП Pascal.

Содержание работы

Скачать (DOCX, 453KB)

Конкурс, в котором автор работы принял участие: Древо жизни: I Открытый международный конкурс междисциплинарных исследовательских проектов школьников
Отрасль наук: Технические науки
Форма представления работы: Исследовательский проект
Дата публикации работы: 15.03.2019

Занятое место: 1

Период подведения промежуточного результата: 11.03.2019-17.03.2019