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由计算机创始人John von Neumann提出的细胞自动机(Cellular Automata,CA)是一种时间、空间和状态都离散的数学模型.从数学角度看,CA是与连续Cantor映射动力学系统相对应的离散动力学系统.通过设计不同的局部规则,CA可以展现无限的多样性和复杂性,产生复杂的动态交互和自我复制现象,即使是最简单的基本细胞自动机(Elementary CA,ECA)也具有丰富而复杂的动力学性质.同时,CA又具有适合超大规模集成电路(VLSI)上实现的并行信息处理结构,被广泛应用于社会学、生物学、生态学、信息科学、计算机科学、数学、物理学、化学、军事学等不同领域.
符号动力学是研究动力系统动力学行为的一个重要工具.近年来基本细胞自动机全局映射的符号动力学行为的研究得到了发展,成果比较丰富.例如,关于加性的、满的、等度连续的、正扩张的以及置换的细胞自动机的动力学行为分析相对比较完整.但是,仍然有许多全局映射(尤其是具有普适性的细胞自动机)的符号动力学行为还知之甚少,特别是一些重要的拓扑性质,比如拓扑熵、敏感依赖性、拓扑混合性等.本文将细胞自动机的构形与双边无穷符号序列建立起联系,在符号动力系统的框架下研究细胞自动机的符号动力学性质.因此,本文选取了三个代表性Bernoulli移位规则119,88和25作为研究对象,利用符号动力系统理论,得到了适用于研究Bernoulli移位规则动力学性质的一些方法,并揭示了这类规则丰富复杂的动力学性质.
本文第二章首先从符号动力学角度讨论了119号规则的复杂动力学行为.借助于有限型子移位相关理论,证明了119号规则的全局映射f119具有一个Bernoulli移位的全局吸引子,并且f119在全局吸引子上是拓扑混合的,以及f119在全空间上的拓扑熵人于零.因而f119在全局吸引子上具有Li-Yorke意义和修改的Devaney意义下的混沌.其次考虑全局映射f88的符号动力学性质.不同于119号规则,第三章首先严格地找出f88在双边无穷符号序列空间中的三个不同Bernoulli移位行为的不变集以及它们之间的关系.随后构造反例,证明了这三个不变集的并集不是全局吸引子.利用转移矩阵和拓扑共轭关系,本章分析了三个子系统的拓扑熵、拓扑混合性等动力学性质,得到f88在Li-Yorke意义下混沌.第四章扼要地分析了f25的动力学行为.讨论了三个不同Bernoulli移位子系统的关系,同时计算出它们的拓扑熵.借助子系统的性质,得到f25在Li-Yorke意义下混沌.最后一章则对全文作一扼要总结和进一步研究作一展望.