]> AND Private Git Repository - 16dcc.git/blob - hamilton.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
espace
[16dcc.git] / hamilton.tex
1 Many approaches have been developed to solve the problem of building
2 a Gray code in a $\mathsf{N}$ cube~\cite{Robinson:1981:CS,DBLP:journals/combinatorics/BhatS96,ZanSup04,Bykov2016}, according to properties 
3 the produced code has to verify.
4 For instance,~\cite{DBLP:journals/combinatorics/BhatS96,ZanSup04} focus on
5 balanced Gray codes. In the transition sequence of these codes, 
6 the number of transitions of each element must differ
7 at most by 2.
8 This uniformity is a global property on the cycle, \textit{i.e.}
9 a property that is established while traversing the whole cycle.
10 On the opposite side, when the objective is to follow a subpart 
11 of the Gray code and to switch each element approximately the 
12 same amount of times,
13 local properties are wished.
14 For instance, the locally balanced property is studied in~\cite{Bykov2016} 
15 and an algorithm that establishes locally balanced Gray codes is given.
16  
17 The current context is to provide a function 
18 $f:\Bool^{\mathsf{N}} \rightarrow \Bool^{\mathsf{N}}$ by removing a Hamiltonian 
19 cycle in the $\mathsf{N}$ cube. Such a function is going to be iterated
20 $b$ time to produce a pseudo random number, \textit{i.e.} a vertex in the 
21 $\mathsf{N}$ cube.
22 Obviously, the number of iterations $b$ has to be sufficiently large 
23 to provide a uniform output distribution.
24 To reduced the number of iterations, the provided Gray code
25 should ideally possess the both balanced and locally balanced properties.
26 However, none of the two algorithms is compatible with the second one:
27 balanced Gray codes that are generated by state of the art works~\cite{ZanSup04,DBLP:journals/combinatorics/BhatS96} are not locally balanced. Conversely,
28 locally balanced Gray codes yielded by Igor Bykov approach~\cite{Bykov2016}
29 are not globally balanced.
30 This section thus shows how the non deterministic approach 
31 presented in~\cite{ZanSup04} has been automatized to provide balanced 
32 Hamiltonian paths such that, for each subpart, 
33 the number of switches of each element is as uniform as possible.
34
35 \subsection{Analysis of the Robinson-Cohn extension algorithm}
36 As far as we know three works, 
37 namely~\cite{Robinson:1981:CS},~\cite{DBLP:journals/combinatorics/BhatS96}, 
38 and~\cite{ZanSup04} have adressed the probem of providing an approach
39 to produce balanced gray code.
40 The authors of~\cite{Robinson:1981:CS} introduced an inductive approach
41 aiming at producing balanced Gray codes, provided the user gives 
42 a special subsequence of the transition sequence at each induction step.
43 This work have been strengthened in~\cite{DBLP:journals/combinatorics/BhatS96}
44 where the authors have explicitely shown how to construct such a subsequence.
45 Finally the authors of~\cite{ZanSup04} have presented 
46 the \emph{Robinson-Cohn extension} 
47 algorithm. There rigourous presentation of this one 
48 have mainly allowed them to prove two properties.
49 The former states that if 
50 $\mathsf{N}$ is a 2-power, a balanced Gray code is always totally balanced.
51 The latter states that for every $\mathsf{N}$ there 
52 exists a Gray code such that all transition count numbers are 
53 are 2-powers whose exponents are either equal
54 or differ from each other by 1.
55 However, the authors do not prove that the approach allows to build 
56 (totally balanced) Gray code. 
57 What follows shows that this fact is established and first recalls the approach.
58
59
60 Let be given a $\mathsf{N}-2$-bit Gray code whose transition sequence is
61 $S_{\mathsf{N}-2}$. What follows is the 
62  \emph{Robinson-Cohn extension} method~\cite{ZanSup04}
63 which produces a $n$-bits Gray code.
64
65 \begin{enumerate}
66 \item \label{item:nondet}Let $l$ be an even positive integer. Find 
67 $u_1, u_2, \dots , u_{l-2}, v$ (maybe empty) subsequences of $S_{\mathsf{N}-2}$ 
68 such that $S_{\mathsf{N}-2}$ is the concatenation of 
69 $$
70 s_{i_1}, u_0, s_{i_2}, u_1, s_{i_3}, u_2, . . . , s_{i_l-1}, u_{l-2}, s_{i_l}, v
71 $$
72 where $i_1 = 1$, $i_2 = 2$, and $u_0 = \emptyset$ (the empty sequence).
73 \item Replace in $S_{\mathsf{N}-2}$ the sequences $u_0, u_1, u_2, \ldots, u_{l-2}$ 
74   by 
75   $\mathsf{N} - 1,  u'(u_1,\mathsf{N} - 1, \mathsf{N}) , u'(u_2,\mathsf{N}, \mathsf{N} - 1), u'(u_3,\mathsf{N} - 1,\mathsf{N}), \dots, u'(u_{l-2},\mathsf{N}, \mathsf{N} - 1)$
76   respectively, where $u'(u,x,y)$ is the sequence $u,x,u^R,y,u$ such that 
77   $u^R$ is $u$ in reversed order. 
78   The obtained sequence is further denoted as $U$.
79 \item Construct the sequences $V=v^R,\mathsf{N},v$, $W=\mathsf{N}-1,S_{\mathsf{N}-2},\mathsf{N}$, and let $W'$ be $W$ where the first 
80 two elements have been exchanged.
81 \item The transition sequence $S_{\mathsf{N}}$ is thus the concatenation $U^R, V, W'$.
82 \end{enumerate} 
83
84 It has been proven in~\cite{ZanSup04} that 
85 $S_{\mathsf{N}}$ is transition sequence of a cyclic $\mathsf{N}$-bits Gray code 
86 if $S_{\mathsf{N}-2}$ is. 
87 However, the step~(\ref{item:nondet}) is not a constructive 
88 step that precises how to select the subsequences which ensures that 
89 yielded Gray code is balanced.
90 Next section shows how to choose the sequence $l$ to have the balancy property.
91
92 \subsection{Balanced Codes}
93 Let us first recall how to formalize the balancy property of a Gray code.
94 Let  $L = w_1, w_2, \dots, w_{2^\mathsf{N}}$ be the sequence 
95 of a $\mathsf{N}$-bits cyclic Gray code. 
96 The  transition sequence 
97 $S = s_1, s_2, \dots, s_{2^n}$, $s_i$, $1 \le i \le 2^\mathsf{N}$,
98 indicates which bit position changes between 
99 codewords at index $i$ and $i+1$ modulo $2^\mathsf{N}$. 
100 The \emph{transition count} function  
101 $\textit{TC}_{\mathsf{N}} : \{1,\dots, \mathsf{N}\} \rightarrow \{0, \ldots, 2^{\mathsf{N}}\}$ 
102 gives the number of times $i$ occurs in $S$,
103 \textit{i.e.}, the number of times 
104 the bit $i$ has been switched in $L$.   
105
106 The Gray code is \emph{totally balanced} if $\textit{TC}_{\mathsf{N}}$ 
107 is constant (and equal to $\frac{2^{\mathsf{N}}}{\mathsf{N}}$).
108 It is \emph{balanced} if for any two bit indices $i$ and $j$, 
109 $|\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i) - \textit{TC}_{\mathsf{N}}(j)| \le  2$.
110
111
112    
113 \begin{xpl}
114 Let $L^*=000,100,101,001,011,111,110,010$ be the Gray code that corresponds to 
115 the Hamiltonian cycle that has been removed in $f^*$.
116 Its transition sequence is $S=3,1,3,2,3,1,3,2$ and its transition count function is 
117 $\textit{TC}_3(1)= \textit{TC}_3(2)=2$ and  $\textit{TC}_3(3)=4$. Such a Gray code is balanced. 
118
119 Let now  
120 $L^4=0000, 0010, 0110, 1110, 1111, 0111, 0011, 0001, 0101,$
121 $0100, 1100, 1101, 1001, 1011, 1010, 1000$
122 be a cyclic Gray code. Since $S=2,3,4,1,4,3,2,3,1,4,1,3,2,1,2,4$ $\textit{TC}_4$ is equal to 4 everywhere, this code
123 is thus totally balanced.
124
125 On the contrary, for the standard $4$-bits Gray code  
126 $L^{\textit{st}}=0000,0001,0011,0010,0110,0111,0101,0100,1100,$
127 $1101,1111,1110,1010,1011,1001,1000$,
128 we have $\textit{TC}_4(1)=8$ $\textit{TC}_4(2)=4$ $\textit{TC}_4(3)=\textit{TC}_4(4)=2$ and
129 the code is neither balanced nor totally balanced.
130 \end{xpl}
131
132
133 \begin{thrm}\label{prop:balanced}
134 Let $\mathsf{N}$ in $\Nats$, and $a_{\mathsf{N}}$ be defined by
135 $a_{\mathsf{N}}= 2 \lfloor \dfrac{2^{\mathsf{N}}}{2\mathsf{N}} \rfloor$. 
136 There exists then a sequence $l$ in 
137 step~(\ref{item:nondet}) of the \emph{Robinson-Cohn extension} algorithm
138 such that all the transition counts $\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i)$ 
139 are $a_{\mathsf{N}}$ or $a_{\mathsf{N}}+2$ 
140 for any $i$, $1 \le i \le \mathsf{N}$.
141 \end{thrm}
142
143
144
145
146
147 The proof is done by induction on $\mathsf{N}$. Let us imadialty verify 
148 that it is established for both odd and even smallest values, \textit{i.e.} 
149 $3$ and $4$.
150 For the initial case where $\mathsf{N}=3$, \textit{i.e.} $\mathsf{N-2}=1$ we successively have:  $S_1=1,1$, $l=2$,  $u_0 = \emptyset$, and $v=\emptyset$.
151 Thus again the algorithm successively produces 
152 $U= 1,2,1$, $V = 3$, $W= 2, 1, 1,3$, and $W' = 1,2,1,3$.
153 Finally, $S_3$ is $1,2,1,3,1,2,1,3$ which obviously verifies the theorem.    
154  For the initial case where $\mathsf{N}=4$, \textit{i.e.} $\mathsf{N-2}=2$ 
155 we successively have:  $S_1=1,2,1,2$, $l=4$, 
156 $u_0,u_1,u_2 = \emptyset,\emptyset,\emptyset$, and $v=\emptyset$.
157 Thus again the algorithm successively produces 
158 $U= 1,3,2,3,4,1,4,3,2$, $V = 4$, $W= 3, 1, 2, 1,2, 4$, and $W' = 1, 3, 2, 1,2, 4 $.
159 Finally, $S_4$ is 
160 $
161 2,3,4,1,4,3,2,3,1,4,1,3,2,1,2,4
162
163 such that $\textit{TC}_4(i) = 4$ and the theorem is established for 
164 odd and even initial values.
165
166
167 For the inductive case, let us first define some variables.
168 Let $c_{\mathsf{N}}$ (resp. $d_{\mathsf{N}}$) be the number of elements 
169 whose transistion count is exactly $a_{\mathsf{N}}$ (resp $a_{\mathsf{N}} +2$).
170 These two variables are defined by the system 
171  
172 $$
173 \left\{
174 \begin{array}{lcl}
175 c_{\mathsf{N}} + d_{\mathsf{N}} & = & \mathsf{N} \\
176 c_{\mathsf{N}}a_{\mathsf{N}} + d_{\mathsf{N}}(a_{\mathsf{N}}+2) & = & 2^{\mathsf{N}} 
177 \end{array}
178 \right.
179 \qquad 
180 \Leftrightarrow 
181 \qquad 
182 \left\{
183 \begin{array}{lcl}
184 d_{\mathsf{N}} & = & \dfrac{2^{\mathsf{N} -n.a_{\mathsf{N}}}{2} \\
185 c_{\mathsf{N}} = \mathsf{N} -  d_{\mathsf{N}}
186 \end{array}
187 \right.
188 $$
189
190 Since $a_{\mathsf{N}$ is even, $d_{\mathsf{N}}$ is defined.
191 Both $c_{\mathsf{N}}$ and  $d_{\mathsf{N}}$ are obviously positves.
192
193
194
195
196
197
198 \subsection{Toward a local uniform distribution of switches}