научная статья по теме ПОСТРОЕНИЕ ВЕСОВОГО МНОГОЧЛЕНА АВТОКОРРЕЛЯЦИИ Q-АРНЫХ СЛОВ Математика

Текст научной статьи на тему «ПОСТРОЕНИЕ ВЕСОВОГО МНОГОЧЛЕНА АВТОКОРРЕЛЯЦИИ Q-АРНЫХ СЛОВ»

ПРОГРАММИРОВАНИЕ, 2011, No 2, с. 61-70

КОМПЬЮТЕРНАЯ АЛГЕБРА -

УДК 681.3.06

ПОСТРОЕНИЕ ВЕСОВОГО МНОГОЧЛЕНА АВТОКОРРЕЛЯЦИИ Q-АРНЫХ СЛОВ

© 2011 г. Н. Гогин, А. Мюлляри Университет г. Турку, Финляндия 20014 Turun yliopisto, Finland

E-mail: alemio@utu.fi Поступила в редакцию 10.10.2010 г.

В статье получена явная формула для весового многочлена автокорреляции q-арных слов, позволяющая легко вычислять ее весовые коэффициенты стандартными алгоритмическими средствами компьютерной алгебры.

1. ВВЕДЕНИЕ

Основной целью настоящей работы, как сказано в ее названии, является получение компактной и удобной для программирования формулы для весового многочлена автокорреляции q-арных слов, при развертывании которой по степеням неизвестных, набор коэффициентов при этих неизвестных совпадает с весовым спектром указанной автокорреляции. Задача изучения такой автокорреляции возникает при исследовании перекрытия строк (см., например, [1]), а в качестве примера ее практического применения можно привести задачу о времени ожидания появления данного слова в игре Penney Ante (по-русски также называемой "Орлянка"), описание которой можно найти, например, в [2, 3]. Хотя игра выглядит простой, результаты ее изучения (после соответствующих видоизменений) находят применения в реальных ситуациях, например, при игре на бирже, где прежде чем сделать "ход" (купить, продать акции) игроки ждут появления некой последовательности скачков цен интересующих их акций [4]).

Современые системы компьютерной алгебры, такие, как Mathematica или Maple, предоставляют хорошие возможности для символьных и численных вычислений, а также хорошие графические возможности для иллюстраций их результатов. Применение этих систем позволяет также достаточно быстро проверять гипотезы, появляющиеся в ходе ис-

следования. В данной работе мы использовали МаЬНвтаЫса 7.

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ

В данной работе мы рассматриваем слова и = £0^1 •••£п-1 длины п, п > 2 над алфавитом, являющимся кольцом вычетов Zq = {0,1, • • •, д — 1} по модулю д > 2, которые мы будем отождествлять с элементами абелевой группы Уп = Zq ф ■ ■ ■ ф Zq (п слагаемых) и поэтому использовать для них также и векторную запись и = (е0,е1, • • • , £п-1), £к € Zq• Кроме того, каждому такому вектору ставится во взаимно-однозначное соответствие натуральное число, обозначаемое нами также через и (совпадение обозначений не приводит здесь к путанице) по формуле:

п- 1

и = 1] £к дп-1-к = (£о£1 • • • £п-1),, (2.1) к=0

где £к € Zq рассматриваются здесь как разряды д-ичного разложения числа и, и, таким образом, ясно, что 0 < и < дп — 1 Например, при этих соглашениях для д = 6, п = 7, и = (0, 0,1, 0, 2, 3, 4) справедливы равенства:

и = (0, 0,1, 0, 2, 3, 4) = (10234)б = 0 ■ 66 + 0 ■ 65 + +1 ■ 64 + 0 ■ 63 + 2 ■ 62 + 3 ■ 61 + 4 ■ 60 = 1390^

Далее, следуя [1], мы будем говорить, что вектор (слово) и = (е0, £1, • • •, £п-1) перекрывает

вектор v = (по, Пъ • • •, Пп-i) со сдвигом к, 0 < к < n—1 (или кратко: "u к-перекрывает v"), если (£к ,£fc+i, ...,en-i) = (по, П1, • • • ,nn-k-i) и будем записывать это отношение в виде u =к = v^ Ясно, что u =о= v означает обычное равенство u = v^ Снова следуя [1], мы называем строковой корреляцией (string correlation) пары векторов (слов) u и v число

n-1

c (u,v) = ^ qn-1-k||u =к = v||, k=о

где ||u =к = v|| равно 1 (соотв. 0), если отношение u =к = v истинно (соотв. ложно).

В дальнейшем нас будет интересовать только автокорреляция c(u, u) (в той же статье [1] показано, что c(u, u) пропорционально так называемому "времени ожидания" появления слова u в игре Penney Ante с q-гранной костью), которую мы будем обозначать для краткости т(u) :

n-1

т(u) = c(u,u) = J^ 5п-1-к||u =к = u|| (2.2) к=о

n-1

„п-1 I \ ^ „n-1-кц,,, „,11

= q +2q ||u =к = u| к= 1

Таким образом, т (u) представляет собой положительную целозначную функцию на Vn, для которой выполняются очевидные соотношения т(0) = и qn-1 < т(u) < ^ •

Однако, следует сразу же отметить, что в целом поведение функции т (u), 0 < u < qn — 1 весьма нерегулярно (см. рис. 1 для q = 2, n = 8), поэтому все вопросы, связанные с конкретными деталями ее поведения оказываются как правило весьма сложными. (См. по этому поводу, например, статью [5].)

Таким образом, в силу указанной нерегулярности возникает естественная идея рассматривать подходящие усреднения значений этой функции с целью найти некоторые "стабильные" характеристики ее поведения. Настоящая работа посвящена одной из возможных реализаций такого усреднения, а именно, вычислению коэффициентов весового спектра Хэмминга значений этой функции.

Здесь необходимо отметить, что аналогичная двумерная задача о вычислении весового спектра функции c(u, v) оказывается алгоритмически проще: в этом случае, как показано нами

в статьях [9] и [10], построение матриц весовых коэффициентов может быть осуществлено с помощью простого рекурсивного алгоритма по размерности матрицы.

Но для функции т(и) (т.е. в "одномерном случае") явные выражения ее весовых коэффициентов оказываются весьма сложными (см. Предложение 1, формула (3.7)) и неудобными для программирования, поскольку вряд ли для них возможна какая-либо простая рекурсия. Поэтому в разделе 4 настоящей работы, мы как это обычно делается в алгебраической теории кодирования, находим в явном виде производящий многочлен (называемый также "весовым многочленом", см. [6]) для этих коэффициентов, что, как было сказано выше, и составляет основную цель настоящей статьи. Этот результат, представленный в Предложении 4, насколько нам известно, является новым, и как видно из полученной нами формулы (5.9), нахождение коэффициентов этого многочлена представляет собой весьма простую алгоритмическую задачу в любой системе программирования, содержащей стандартные функции компьютерной полиномиальной алгебры.

Основным инструментом наших исследований служит аппарат, стандартно применяемый в алгебраической теории кодирования, а именно, преобразование Фурье на конечных абелевых группах, которое используется нами в разделе 3, и формула Мак-Вильямс для весовых многочленов взаимно дуальных кодов, используемая нами в разделе 4.

3. УСРЕДНЕНИЕ ПО ВЕСУ ХЭММИНГА

Вес Хэмминга -ш£(и) вектора и = (во, £ъ ..., еп_1) € Уп определяется здесь обычным образом (см. [6]):

■ш£(и) = количество ненулевых компонент в и. Ясно, что 0 < -ш£(и) < п для любого и € Уп и что

количество векторов веса m в Vn = (q — 1)r

n

шу (3.1)

Как обычно, весовой спектр функции т определяется нами

Ат(т) = т(и), 0 < т < п (3.2)

Рис. 1. График функции т(и) для д =1, п =

(см. [6]) и нашей ближайшей целью будет сейчас явное их выражение через д, п и т- Ясно, что А0(т) = т(0) = ||-~11, поэтому далее мы полагаем т = 0^

Прежде всего здесь следует указать на следующий легко доказываемый факт (см. [5], стр. 21):

Лемма 1. 1. ||и =к = и|| = 1 для некоторого 1 < к < п — 1 т. и т.т., когда слово и имеет следующий вид:

и = (а|а|а| • • • |а|г(а)),

(3.3)

#{и € Уп, ||и =к = и|| = 1} = дп

(3.4)

Доказательство.

1. Достаточность условия (3.3) очевидна. Необходимость этого условия также очевидна для случая к > п — к, а для случая к < п — к надо просто заметить, что здесь обязательно и = (а|и) = (и1|ад1) для некоторых а, € Ук, и1 € Уп-к и доказательство получается итерацией этого процесса.

2. Формула (3.4) очевидно следует из первой части леммы.

Переходя от векторов (слов) и € Уп и а € Ук к кодирующим их целым числам (см. выше, ф. (2.1)), мы сразу же получаем из (3.3)

Следствие 1. ||и =к = и|| = 1 для некоторого 1 < к < п — 1 т. и т.т., когда

и=

-1

д

гк-п

(3.5)

где 0 < а < дк — 1 и г = |~п~| есть верхняя целая

где а € Ук, и ¿(а) есть некоторый начальный отрезок (префикс) слова а (в статье [5] всякое слово а, для которого выполняется (3.3), называется периодом слова и^ 2.

часть числа ^ •

Замечание 1. Алгоритм, вычисляющий т(и) непосредственно по формуле (2.2) с использованием формулы (3.5) реализован авторами статьи в Mathematica 7 в виде программы ConwayAutocorrfrm2zwzd[g_, п_]^ Результат ее работы при д = 2, п = 8 иллюстрируется на рис. 1.

Если теперь положить в формуле (3.3) а = ¿(а) и а = ав, то ее можно переписать так:

и = (а в а в • • • а в а),

(3.6)

где а = (а в) € Ук, а € Уто<(п,к), в € Ук-то<1(п,к) = УmЫ(n,k), причем а входит в запись (3.6) г = [к] раз, а в входит в нее г = |_п] раз. (Здесь то^(п, к) означает остаток от деления п на к, а то^(п, к) = к — то^(п, к) - дополнение этого остатка до к^)

Теперь мы можем перейти к нахождению явного вида коэффициентов весового спектра Ат(т) для 1 < т < п :

|

а

Предложение 1.

Ат(т)= ^^ - 1)

п

т

+

(3.7)

+

п_ 1

Е

Г=1

то^(п,Г)=0

9

,п_1_Г

Е «

*=г ? 1

- 1)* X

/той(п, к)\ /той(п, кУ \ т — 2Г / — т

+

Е

«п-1_ 5|

х ?

— 1) Т

¿>1

( п/й \т/й

1 < т < п.

Доказательство. Согласно (2.2) и (3.2) имеем:

Ат(т) = £ т (и) = 9^(9 — 1)т( т)

ш4(и)=т

п_ 1

+ Е Е9П-1_' Ни =т = и»

ш4(и)=т Г=1

= 9п-1(9 — 1)г

п

т

+

п_ 1

+ £ *п_1_Г Е

|и =Г = и|

Г=1

ш4(и)=т

Внутреннюю сумму во втором из равенств в (3.8) (при фиксированном к > 1) ищем, используя представление (3.6):

Е

ш4(и)=т

|и =Г = и||

Е

1, (3.8)

а, в

ж,у,гж + гу = т

должно быть целым числом, и поэтому в этом случае (3.8) упрощается следующим образом:

Е

ш4(и)=т

|и =Г = и|| =

Е

1 = (3.9)

веУкМв)=2

тк / к

— 1) п тГ

(Напомним, что если тт не является целым числом, то (?к) =0 по определению.)

п

Записывая теперь п = йк, й > 1, тт = т и подставляя это в (3.9), получаем

Е

ш4(и)=т

1и =т=ин=(9—1) м т^т

т

= ( 9 — 1) 1

1) ? п/^ ^ = п> 1

\т/й/' к '

поэтому формулу (3.8) можно теперь записать так:

Ат(т) = 9п-1(9 — 1)т( п ) +(3.10)

т

+ Е

й|дсй(п, т) й > 1

+ Е 9

1 < к < п — 1 той(п, к) = 0

9п-1_П(

—1)т (т/й)+

,п_ 1_Г

£ Ни =г = и|

ш4(и)=т

Переходим к случаю (В): той(п,к) = 0. В этом случае г = г +1 и равенство (3.8) принимает вид:

£ Ни =г = и||

ш4(и)=т

где а € , в € УГ_той(п,Г) = УтОЙ^,^

х = -ш£(а), у = -ш£(в), т.е. эта сумма равна числу таких векторов а и в, веса ж и у которых являются решениями диофантова уравнения т = жг + уг, где г = |~п~| , Г = |_п1 , т

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком