Multi-limited Lindenmayer Systems

Seemann, Markus

Der Biologe und Mathematiker Aristide Lindenmayer begründete die Theorie der L-Systeme. Das ursprüngliche Ziel dieser Theorie ist die Bereitstellung mathematischer Modelle zur Untersuchung des simultanen Zellwachstums fadenartiger Organismen. Da L-Systeme als eine Art von Ersetzungssystemen definiert sind, sind ihre erzeugten Sprachen, d.h. die Mengen der durch Zeichenketten beschriebenen Organismen, ebenfalls Gegenstand der Theorie der formalen Sprachen. Diese Theorie klassifiziert formale Sprachen sowie ihre Erzeugungsmechanismen gemäß ihrer Eigenschaften, wie z.B. Erzeugungsmächtigkeit oder Entscheidbarkeit. Als ein Sprachen-erzeugender Mechanismus, der zwischen der rein sequentiellen Ersetzung kontextfreier Grammatiken und der rein parallelen Ersetzung von L-Systemen liegt, sind k-limitierte L-Systeme von D. Wätjen eingeführt und untersucht worden. In der Biologie können diese Systeme als Organismen interpretiert werden, deren simultanes Zellwachstum beschränkt ist durch individuelle Nahrungsvorräte mit einer einheitlichen endlichen Kapazität k. Die in dieser Arbeit betrachteten mehrfach-limitierten L-Systeme bilden eine Verallgemeinerung der k-limitierten L-Systeme, indem sie für jeden Zelltyp a einen individuellen Nahrungsvorrat mit einer spezifischen Kapazität k(a) anstelle der einheitlichen Kapazität k vorsehen. Diese Arbeit führt mehrfach-limitierte L-Systeme ein und definiert eine geeignete Kategorisierung der von ihnen erzeugten Sprachfamilien anhand der erlaubten Mengen von Limits k(a). Zunächst wird ein intuitiver Zugang zu den verschiedenen Mechanismen der L-System-Varianten ermöglicht, indem eine Methode zur grafischen Interpretation von L-Systemen, die sogenannte Turtle-Interpretation, vorgestellt wird. Hierzu werden geeignete Computer-Programme für einen Turtle-Interpreter sowie für frei programmierbare Simulatoren von mehrfach-limitierten, k-limitierten sowie uniform k-limitierten L-Systemen erstellt und ihr Quell-Code zur Verfügung gestellt. Die von mehrfach-limitierten L-Systemen erzeugten Sprachfamilien werden bzgl. ihrer Inklusionseigenschaften untereinander, mit Wätjens k-limitierten Sprachfamilien, mit den nicht-limitierten Sprachfamilien sowie mit der Chomsky Hierarchie verglichen. Die Erzeugungsmächtigkeit von mehrfach-limitierten L-Systemen wird asymptotisch verglichen mit den jeweils unterliegenden nicht-limitierten L-Systemen. Des weiteren werden die Abschlusseigenschaften der mehrfach-limitierten L-Systeme untersucht.

The theory of L systems originated with the biologist and mathematician Aristide Lindenmayer. His original goal was to provide mathematical models for the simultaneous development of cells in filamentous organisms. Since L systems may be viewed as rewriting systems, their generated languages, i.e., sets of organisms encoded by strings, are also subject to formal language theory, which aims to classify formal languages as well as their generating mechanisms according to various properties, such as generative power, decidability, etc. D. Wätjen introduced and studied k-limited L systems in order to combine the purely sequential mode of rewriting and the purely parallel mode of rewriting in context-free grammars, respectively, L systems. In biology, these systems may be interpreted as organisms, for which the simultaneous growth of cells is restricted by the supply of some resources of food being limited by some finite value k. In this thesis the constraint of a common limit k is relaxed in favor of individual resource limits k(a) for every cell-type a, which yields the new notion of multi-limited L system. The language families generated by such systems are then classified according to their sets of limits k(a). At first, an intuitive approach to the different mechanisms of the L system variants is provided by presenting a method for the graphical interpretation of L systems, the so-called turtle interpretation. Suitable computer programs implementing a turtle interpreter as well as free-programmable simulators for multi-limited, k-limited, and uniformly k-limited L systems, are developed and their source-code is appended. Subsequently, language families generated by multi-limited L systems are compared to each other, to Wätjen's k-limited as well as to non-limited language families, and to the families of the Chomsky Hierarchy. Besides asymptotically comparing the generative power of multi-limited L systems to that of the underlying non-limited L systems, also their closure properties are investigated.

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Seemann, Markus: Multi-limited Lindenmayer Systems. 2007.

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