Construction of cellular automata using machine learning models

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The paper is devoted to the development and study of cellular automata approximation methods using machine learning models. Cellular automata are models used to study the dynamics of complex systems based on simple interaction rules. In recent years, machine learning models have become powerful tools in the field of data processing. The paper examines approaches to predicting cellular automata rules using machine learning models, considers their advantages and limitations, and proposes metrics for assessing the quality of cellular automata state predictions and the dependence of cellular automata state prediction on the number of cellular automata rule models entering the input for training. The study aims to understand how machine learning models can be used to analyze and model complex systems based on cellular automata, as well as possible prospects for the development of this approach. Based on the proposed metrics, a comparative analysis of the effectiveness of various machine learning models in predicting cellular automata rules is carried out.

作者简介

Gleb Malmygin

Lomonosov Moscow State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: malmygingleb1@gmail.com
SPIN 代码: 7217-4880

Department of Computational Mathematics and Cybernetics

俄罗斯联邦, Moscow

Nikolay Ershov

Lomonosov Moscow State University

Email: ershov@cs.msu.ru
ORCID iD: 0000-0001-5963-0419

Cand. Sci. (Phys.-Math.), senior researcher, Department of Computational Mathematics and Cybernetics

俄罗斯联邦, Moscow

参考

  1. Hawkins J. The mathematics of cellular automata. American Mathematical Society, 2024.
  2. Toffoli T. Cellular automata as an alternative to (rather than an approximation of) differential equations in modeling physics. Physica D: Nonlinear Phenomena. 1984. Vol. 10. No. 1-2. Pp. 117–127.
  3. Richards F.C., Meyer T.P., Packard N.H. Extracting cellular automaton rules directly from experimental data. Physica D: Nonlinear Phenomena. 1990. Vol. 45. No. 1-3. Pp. 189–202.
  4. Yang Y., Billings S.A. Extracting Boolean rules from CA patterns. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B (Cybernetics). 2000. Vol. 30. No. 4. Pp. 573–580.
  5. Billings S.A., Yang Y. Identification of probabilistic cellular automata. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B (Cybernetics). 2003. Vol. 33. No. 2. Pp. 225–236.
  6. Zhao Y., Billings S.A. The identification of cellular automata. 2006.
  7. Mitchell M., Hraber P., Crutchfield J.P. Revisiting the edge of chaos: Evolving cellular automata to perform computations. arXiv. Preprint adap-org/9303003. 1993.
  8. Basanta D. et al. Evolving cellular automata to grow microstructures. In: Genetic programming. Proceedings 6 of the 6th European Conference, EuroGP 2003 (Essex, UK, April 14–16, 2003). Springer Berlin Heidelberg, 2003. Pp. 1–10.
  9. Gilpin W. Cellular automata as convolutional neural networks. Physical Review E. 2019. Vol. 100. No. 3. P. 032402.
  10. Springer J.M., Kenyon G.T. It's hard for neural networks to learn the game of life. In: International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN). IEEE, 2021. Pp. 1–8.
  11. Aach M., Göbbert J.H., Jitsev J. Generalization over different cellular automata rules learned by a deep feed-forward neural network. arXiv. Preprint arXiv:2103.14886. 2021.
  12. Malmygin G.A., Ershov N.M. Chemical reactions modeling using cellular automata. System Analysis in Science and Education. 2023. No. 3. Pp. 1–13.
  13. Von Neumann J., Burks A.W. Theory of self-reproducing automata. Urbana: University of Illinois Press, 1966.
  14. Wolfram S. A new kind of science. Wolfram Media, 2002.
  15. Toffoli T., Margolus N. Cellular automata machines: A new environment for modeling. MIT Press, 1987
  16. Delashmit W.H. et al. Recent developments in multilayer perceptron neural networks. In: Proceedings of the seventh annual Memphis area engineering and science conference, MAESC. 2005. Vol. 7. P. 33.
  17. Peterson L.E. K-nearest neighbor. Scholarpedia. 2009. Vol. 4. No. 2. P. 1883.
  18. Ying L.U. et al. Decision tree methods: Applications for classification and prediction. Shanghai Archives of Psychiatry. 2015. Vol. 27. No. 2. P. 130.
  19. Rigatti S.J. Random forest. Journal of Insurance Medicine. 2017. Vol. 47. No. 1. Pp. 31–39.
  20. Game of life cellular automata. A. Adamatzky (ed.). London. Springer, 2010. Vol. 1. P. 168.
  21. White S.H., Del Rey A.M., Sánchez G.R. Modeling epidemics using cellular automata. Applied Mathematics and Computation. 2007. Vol. 186. No. 1. Pp. 193–202.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2. Fig. 1. Examples of cellular spaces in cellular automata

下载 (146KB)
3. Fig. 2. Types of local neighborhoods of two-dimensional rectangular CA of ranks 1 and 2: von Neumann neighborhood (a), Moore neighborhood (b)

下载 (168KB)
4. Fig. 3. Multilayer perceptron architecture

下载 (219KB)
5. Fig. 4. Scheme of the nearest neighbor method

下载 (353KB)
6. Fig. 5. Scheme of the work of the method based on the decision tree

下载 (188KB)
7. Fig. 6. Scheme of operation of the random forest method

下载 (314KB)
8. Fig. 7. Examples of states of the cellular automata Life (a) and Cyclic (b)

下载 (1MB)
9. Fig. 8. Accuracy of models from the size of the training sample for the cellular automaton Life

下载 (350KB)
10. Fig. 9. Accuracy of models from the size of the training sample for the automaton Cyclic

下载 (356KB)
11. Fig. 10. Examples of states of the nondeterministic cellular automaton Epidemic (а) and Voting (b)

下载 (493KB)
12. Fig. 11. Accuracy of restoring the system of rules from the size of the training sample for non-deterministic automata Epidemic and Voting

下载 (179KB)


许可 URL: https://www.urvak.ru/contacts/

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».