
Vitesse limite des vaisseaux : démonstration
Histoire d'avoir les
idées claires : un vaisseau (ou navire) est une structure
finie (de cellules vivantes) qui, après un certain nombre de générations
réapparaît, mais translatée dans une certaine direction
(et avec une distance non nulle). Le plus petit nombre de générations
au bout desquelles elle réapparaît translatée est sa
période.
On définit la vitesse d'un vaisseau
par la distance de translation (mesurée par la longueur du plus
court chemin entre deux cellules : deux cellules adjacentes (cote à
cote ou en diagonale) étant distantes de 1) divisée par la
période.
La vitesse d'une cellule par génération
est notée usuellement c, par analogie avec la vitesse
de la lumière.
En effet un vaisseau ne peut avoir une
vitesse égale ou supérieure à c.
Voici une démonstration.
Résultat préalable,
d'après J.H.Conway (lui-même).
L'idée est de montrer
que si une structure (groupe de cellules vivantes) est en dessous d'une
diagonale (d0) de cellules à la génération t=0, elle
sera en dessous de la diagonale suivante (d2) à la génération
t=2.
d0 |
d2 |
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d0 |
d2 |
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d0 |
d2 |
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d0 |
d2 |
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d0 |
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Choisissons les notations suivantes
(en correspondance avec la figure précédente) :
Hypothèse : A
t=0, toutes les cellules vivantes sont situées en dessous de d0.
Supposons que x est
vivante à t=2.
x est nécessairement
morte à t=1 (elle l'est à t=0, et elle ne peut naître
à t=1 car tous ses voisines sont mortes à t=0).
Pour que la cellule x soit
vivante à t=2, il faut donc qu'à t=1 elle ait eu exactement
trois voisines vivantes.
Ces voisines vivantes
à t=1 ne pouvaient être que u,c et v (les autres voisines
sont mortes à t=1).
C'est donc que u et v sont
nées à t=1. Puisqu'il leurs fallait trois voisines pour naître,
il faut qu'à t=0 b,c et m ainsi que c,n et d aient été
vivantes.
Or cela implique que c
meurt à t=1, car elle a plus de 3 voisines vivantes (b,m,n et
d) à t=0, on arrive donc à une contradiction.
Donc (puisque toutes les cellules
de d2 sont dans le cas de x) à t=2, toutes les cellules
vivantes sont en dessous de d2.
Bilan : si une structure est
en dessous d'une diagonale à une génération, elle
est en dessous de la diagonale suivante deux générations
plus tard. |
A partir de là,
supposons qu'en une période p, un vaisseau donné se déplace
de A cases horizontalement et de B cases verticalement. Supposons de plus
A et B positifs (au sens large, mais l'un des deux devant être non
nul).
A t=0 le vaisseau est précisement
en dessous de la diagonale d0.
D'après le résultat précédent
on sait qu'à t=2n, le vaisseau est nécessairement en dessous
de la diagonale d2n.
On suppose de plus que p est paire : on
peut toujours se ramener à ce cas, car 2p est toujours paire est
est aussi une période du vaisseau (pour un déplacement 2A,
2B).
La case grisée correspond
au deux positions d'une même cellule (une de celles qui sont le plus
en haut à droite du vaisseau) à t=0 et à t=P.
L'ombre correspond au vaisseau.
Il apparaît que la
diagonale d2(A+B) se trouve juste au dessus du vaisseau après son
déplacement de A cases horizontalement et de B cases verticalement.
On a donc qu'après son déplacement
le vaisseau est en dessous de dp. (on est obligé
de considérer p pair car dp n'est définie que
pour p pair).
Or (cf. figure) à t=p le vaisseau
est exactement en dessous de la droite d2(A+B) .
C'est donc que dp est au
dessus de d2(A+B).
C'est à dire que :
P 2(A+B) |
La vitesse du vaisseau étant : V =
D/P
Où D est la distance en nombre
de déplacement d'un roi sur un échiquier, c'est à
dire le plus grand de A et de B.
Donc D
(A+B).
On obtient alors : V
(A+B)/
(2 (A+B)) = 1/2.
En notant c la vitesse d'une
case par génération, le résultat se met sous la forme
:
V
c/2 |
Voilà.
Application : le remplisseur du
plan
Le remplisseur du plan est la structure
dont la vitesse de croissance est la plus élevée possible.
Cliquez
ici pour le voir évoluer (Applet Java de Paul Callahan)
ou sur l'image pour télécharger
le fichier correspondant.
Cette structure à la propriété
de s'agrandir indéfiniment en remplissant le plan de Conway de lignes
horizontales vivantes et mortes alternées. Celles-ci sont limitées
par 4 lignes diagonales se déplaçant précisément
à la vitesse c/2.
Cette structure remarquable réalise donc la
vitesse de croissance la plus élevée possible.
Retourner aux propriétés
remarquables.