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

Private GIT Repository
Ajout diapos présentation PRNG
[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 an Hamiltonian 
19 cycle in the $\mathsf{N}$-cube. Such a function is going to be iterated
20 $b$ times to produce a pseudorandom number,
21 \textit{i.e.}, a vertex in the 
22 $\mathsf{N}$-cube.
23 Obviously, the number of iterations $b$ has to be sufficiently large 
24 to provide an uniform output distribution.
25 To reduce the number of iterations, it can be claimed
26 that the provided Gray code
27 should ideally possess both balanced and locally balanced properties.
28 However, none of the two algorithms is compatible with the second one:
29 balanced Gray codes that are generated by state of the art works~\cite{ZanSup04,DBLP:journals/combinatorics/BhatS96} are not locally balanced. Conversely,
30 locally balanced Gray codes yielded by Igor Bykov approach~\cite{Bykov2016}
31 are not globally balanced.
32 This section thus shows how the non deterministic approach 
33 presented in~\cite{ZanSup04} has been automatized to provide balanced 
34 Hamiltonian paths such that, for each subpart, 
35 the number of switches of each element is as uniform as possible.
36
37 \subsection{Analysis of the Robinson-Cohn extension algorithm}
38 As far as we know three works, 
39 namely~\cite{Robinson:1981:CS},~\cite{DBLP:journals/combinatorics/BhatS96}, 
40 and~\cite{ZanSup04} have addressed the problem of providing an approach
41 to produce balanced gray code.
42 The authors of~\cite{Robinson:1981:CS} introduced an inductive approach
43 aiming at producing balanced Gray codes, provided the user gives 
44 a special subsequence of the transition sequence at each induction step.
45 This work have been strengthened in~\cite{DBLP:journals/combinatorics/BhatS96}
46 where the authors have explicitly shown how to construct such a subsequence.
47 Finally the authors of~\cite{ZanSup04} have presented 
48 the \emph{Robinson-Cohn extension} 
49 algorithm. Their rigorous presentation of this one 
50 has mainly allowed them to prove two properties.
51 The former states that if 
52 $\mathsf{N}$ is a 2-power, a balanced Gray code is always totally balanced.
53 The latter states that for every $\mathsf{N}$ there 
54 exists a Gray code such that all transition count numbers 
55 are 2-powers whose exponents are either equal
56 or differ from each other by 1.
57 However, the authors do not prove that the approach allows to build 
58 (totally balanced) Gray code. 
59 What follows shows that this fact is established and first recalls the approach.
60
61
62 Let be given a $\mathsf{N}-2$-bit Gray code whose transition sequence is
63 $S_{\mathsf{N}-2}$. What follows is the 
64  \emph{Robinson-Cohn extension} method~\cite{ZanSup04}
65 which produces a $\mathsf{N}$-bits Gray code.
66
67 \begin{enumerate}
68 \item \label{item:nondet}Let $l$ be an even positive integer. Find 
69 $u_1, u_2, \dots , u_{l-2}, v$ (maybe empty) subsequences of $S_{\mathsf{N}-2}$ 
70 such that $S_{\mathsf{N}-2}$ is the concatenation of 
71 $$
72 s_{i_1}, u_0, s_{i_2}, u_1, s_{i_3}, u_2, \dots , s_{i_l-1}, u_{l-2}, s_{i_l}, v
73 $$
74 where $i_1 = 1$, $i_2 = 2$, and $u_0 = \emptyset$ (the empty sequence).
75 \item\label{item:u'}Replace in $S_{\mathsf{N}-2}$ the sequences $u_0, u_1, u_2, \ldots, u_{l-2}$ 
76   by 
77   $\mathsf{N} - 1,  u'(u_1,\mathsf{N} - 1, \mathsf{N}) , u'(u_2,\mathsf{N}, \mathsf{N} - 1), u'(u_3,\mathsf{N} - 1,\mathsf{N}), \dots, u'(u_{l-2},\mathsf{N}, \mathsf{N} - 1)$
78   respectively, where $u'(u,x,y)$ is the sequence $u,x,u^R,y,u$ such that 
79   $u^R$ is $u$ in reversed order. 
80   The obtained sequence is further denoted as $U$.
81 \item\label{item:VW} 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 
82 two elements have been exchanged.
83 \item The transition sequence $S_{\mathsf{N}}$ is thus the concatenation $U^R, V, W'$.
84 \end{enumerate} 
85
86 It has been proven in~\cite{ZanSup04} that 
87 $S_{\mathsf{N}}$ is the transition sequence of a cyclic $\mathsf{N}$-bits Gray code 
88 if $S_{\mathsf{N}-2}$ is. 
89 However, the step~(\ref{item:nondet}) is not a constructive 
90 step that precises how to select the subsequences which ensures that 
91 yielded Gray code is balanced.
92 Next section shows how to choose the sequence $l$ to have the balance property.
93
94 \subsection{Balanced Codes}
95 Let us first recall how to formalize the balance property of a Gray code.
96 Let  $L = w_1, w_2, \dots, w_{2^\mathsf{N}}$ be the sequence 
97 of a $\mathsf{N}$-bits cyclic Gray code. 
98 The  transition sequence 
99 $S = s_1, s_2, \dots, s_{2^n}$, $s_i$, $1 \le i \le 2^\mathsf{N}$,
100 indicates which bit position changes between 
101 codewords at index $i$ and $i+1$ modulo $2^\mathsf{N}$. 
102 The \emph{transition count} function  
103 $\textit{TC}_{\mathsf{N}} : \{1,\dots, \mathsf{N}\} \rightarrow \{0, \ldots, 2^{\mathsf{N}}\}$ 
104 gives the number of times $i$ occurs in $S$,
105 \textit{i.e.}, the number of times 
106 the bit $i$ has been switched in $L$.   
107
108 The Gray code is \emph{totally balanced} if $\textit{TC}_{\mathsf{N}}$ 
109 is constant (and equal to $\frac{2^{\mathsf{N}}}{\mathsf{N}}$).
110 It is \emph{balanced} if for any two bit indices $i$ and $j$, 
111 $|\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i) - \textit{TC}_{\mathsf{N}}(j)| \le  2$.
112
113
114    
115 \begin{xpl}
116 Let $L^*=000,100,101,001,011,111,$ $110,010$ be the Gray code that corresponds to 
117 the Hamiltonian cycle that has been removed in $f^*$.
118 Its transition sequence is $S=3,1,3,2,3,1,3,2$ and its transition count function is 
119 $\textit{TC}_3(1)= \textit{TC}_3(2)=2$ and  $\textit{TC}_3(3)=4$. Such a Gray code is balanced. 
120
121 Let now  
122 $L^4=0000, 0010, 0110, 1110, 1111, 0111, 0011,$ $0001, 0101,0100,$ $1100, 1101, 1001, 1011, 1010, 1000$
123 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
124 is thus totally balanced.
125
126 On the contrary, for the standard $4$-bits Gray code  
127 $L^{\textit{st}}=0000,0001,0011,$ 
128 $0010,0110,0111,0101,0100,1100,1101,1111,1110,1010,1011,1001,1000$,
129 we have $\textit{TC}_4(1)=8$ $\textit{TC}_4(2)=4$ $\textit{TC}_4(3)=\textit{TC}_4(4)=2$ and
130 the code is neither balanced nor totally balanced.
131 \end{xpl}
132
133
134 \begin{thrm}\label{prop:balanced}
135 Let $\mathsf{N}$ in $\Nats^*$, and $a_{\mathsf{N}}$ be defined by
136 $a_{\mathsf{N}}= 2 \left\lfloor \dfrac{2^{\mathsf{N}}}{2\mathsf{N}} \right\rfloor$. 
137 There exists then a sequence $l$ in 
138 step~(\ref{item:nondet}) of the \emph{Robinson-Cohn extension} algorithm
139 such that all the transition counts $\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i)$ 
140 are $a_{\mathsf{N}}$ or $a_{\mathsf{N}}+2$ 
141 for any $i$, $1 \le i \le \mathsf{N}$.
142 \end{thrm}
143
144
145
146
147
148 The proof is done by induction on $\mathsf{N}$. Let us immediately verify 
149 that it is established for both odd and even smallest values, \textit{i.e.}, 
150 $3$ and $4$.
151 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 $v=\emptyset$.
152 Thus again the algorithm successively produces 
153 $U= 1,2,1$, $V = 3$, $W= 2, 1, 1,3$, and $W' = 1,2,1,3$.
154 Finally, $S_3$ is $1,2,1,3,1,2,1,3$ which obviously verifies the theorem.    
155  For the initial case where $\mathsf{N}=4$, \textit{i.e.}, $\mathsf{N-2}=2$ 
156 we successively have:  $S_1=1,2,1,2$, $l=4$, 
157 $u_0,u_1,u_2 = \emptyset,\emptyset,\emptyset$, and $v=\emptyset$.
158 Thus again the algorithm successively produces 
159 $U= 1,3,2,3,4,1,4,3,2$, $V = 4$, $W= 3, 1, 2, 1,2, 4$, and $W' = 1, 3, 2, 1,2, 4 $.
160 Finally, $S_4$ is 
161 $
162 2,3,4,1,4,3,2,3,1,4,1,3,2,1,2,4
163
164 such that $\textit{TC}_4(i) = 4$ and the theorem is established for 
165 odd and even initial values.
166
167
168 For the inductive case, let us first define some variables.
169 Let $c_{\mathsf{N}}$ (resp. $d_{\mathsf{N}}$) be the number of elements 
170 whose transition count is exactly $a_{\mathsf{N}}$ (resp $a_{\mathsf{N}} +2$).
171 These two variables are defined by the system 
172  
173 \[
174 \left\{
175 \begin{array}{lcl}
176 c_{\mathsf{N}} + d_{\mathsf{N}} & = & \mathsf{N} \\
177 c_{\mathsf{N}}a_{\mathsf{N}} + d_{\mathsf{N}}(a_{\mathsf{N}}+2) & = & 2^{\mathsf{N}} 
178 \end{array}
179 \right.
180 \Leftrightarrow 
181 \left\{
182 \begin{array}{lcl}
183 d_{\mathsf{N}} & = & \dfrac{2^{\mathsf{N}} -\mathsf{N}.a_{\mathsf{N}}}{2} \\
184 c_{\mathsf{N}} &= &\mathsf{N} -  d_{\mathsf{N}}
185 \end{array}
186 \right.
187 \]
188
189 Since $a_{\mathsf{N}}$ is even, $d_{\mathsf{N}}$ is an integer.
190 Let us first prove that both $c_{\mathsf{N}}$ and  $d_{\mathsf{N}}$ are positive
191 integers.
192 Let $q_{\mathsf{N}}$ and $r_{\mathsf{N}}$, respectively, be  
193 the quotient and the remainder in the Euclidean division
194 of $2^{\mathsf{N}}$ by $2\mathsf{N}$, \textit{i.e.}, 
195 $2^{\mathsf{N}} = q_{\mathsf{N}}.2\mathsf{N} + r_{\mathsf{N}}$, with $0 \le r_{\mathsf{N}} <2\mathsf{N}$.
196 First of all, the integer $r$ is even since $r_{\mathsf{N}} = 2^{\mathsf{N}} - q_{\mathsf{N}}.2\mathsf{N}= 2(2^{\mathsf{N}-1} - q_{\mathsf{N}}.\mathsf{N})$. 
197 Next,  $a_{\mathsf{N}}$ is $\frac{2^{\mathsf{N}}-r_{\mathsf{N}}}{\mathsf{N}}$. Consequently 
198 $d_{\mathsf{N}}$ is $r_{\mathsf{N}}/2$ and is thus a positive integer s.t. 
199 $0 \le d_{\mathsf{N}} <\mathsf{N}$.
200 The proof for $c_{\mathsf{N}}$ is obvious.
201
202
203 For any $i$, $1 \le i \le \mathsf{N}$, let $zi_{\mathsf{N}}$ (resp. $ti_{\mathsf{N}}$ and $bi_{\mathsf{N}}$) 
204 be the occurrence number of element $i$ in the sequence $u_0, \dots, u_{l-2}$ 
205 (resp. in the sequences $s_{i_1}, \dots , s_{i_l}$ and $v$)
206 in step (\ref{item:nondet}) of the algorithm.
207
208 Due to the definition of $u'$ in step~(\ref{item:u'}), 
209 $3.zi_{\mathsf{N}} + ti_{\mathsf{N}}$ is the
210  number of element $i$ in the sequence $U$.
211 It is clear that the number of element $i$ in the sequence $V$ is 
212 $2bi_{\mathsf{N}}$ due to step (\ref{item:VW}). 
213 We thus have the following system:
214 $$
215 \left\{
216 \begin{array}{lcl}
217 3.zi_{\mathsf{N}} + ti_{\mathsf{N}} + 2.bi_{\mathsf{N}} + \textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i) &= &\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i) \\
218 zi_{\mathsf{N}} + ti_{\mathsf{N}}  + bi_{\mathsf{N}} & =& \textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i)
219 \end{array}
220 \right.
221 \qquad 
222 \Leftrightarrow 
223 $$
224
225 \begin{equation}
226 \left\{
227 \begin{array}{lcl}
228 zi_{\mathsf{N}} &= & 
229 \dfrac{\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i) - 2.\textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i) - bi_{\mathsf{N}}}{2}\\
230 ti_{\mathsf{N}} &= & \textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i)-zi_{\mathsf{N}}-bi_{\mathsf{N}}
231 \end{array}
232 \right.
233 \label{eq:sys:zt1}
234 \end{equation}
235
236 In this set of 2 equations with 3 unknown variables, let $b_i$ be set with 0.
237 In this case, since $\textit{TC}_{\mathsf{N}}$ is even (equal to $a_{\mathsf{N}}$ 
238 or to $a_{\mathsf{N}}+2$), the variable  $zi_{\mathsf{N}}$ is thus an integer.
239 Let us now prove that the resulting system has always positive integer 
240 solutions $z_i$, $t_i$, $0 \le z_i, t_i \le \textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i)$ 
241 and s.t. their sum is equal to $\textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i)$. 
242 This latter constraint is obviously established if the system has a solution.
243 We thus have the following system.
244
245
246
247 \begin{equation}
248 \left\{
249 \begin{array}{lcl}
250 zi_{\mathsf{N}} &= & 
251 \dfrac{\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i) - 2.\textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i) }{2}\\
252 ti_{\mathsf{N}} &= & \textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i)-zi_{\mathsf{N}}
253 \end{array}
254 \right.
255 \label{eq:sys:zt2}
256 \end{equation}
257
258 The definition of $\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i)$ depends on the value of $\mathsf{N}$.
259 When $3 \le N \le 7$, values are defined as follows:
260 \begin{eqnarray*}
261 \textit{TC}_{3} & = & [2,2,4] \\
262 \textit{TC}_{5} & = & [6,6,8,6,6] \\
263 \textit{TC}_{7} & = & [18,18,20,18,18,18,18] \\
264 \\
265 \textit{TC}_{4} & = & [4,4,4,4] \\
266 \textit{TC}_{6} & = & [10,10,10,10,12,12] \\
267 \end{eqnarray*}
268 It is not hard to verify that all these instanciations verify the aformentioned contraints. 
269
270 When  $N  \ge 8$, $\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i)$ is defined as follows:
271 \begin{equation}
272 \textit{TC}_{\mathsf{N}}(i) = \left\{
273 \begin{array}{l} 
274 a_{\mathsf{N}} \textrm{ if } 1 \le i \le c_{\mathsf{N}} \\
275 a_{\mathsf{N}}+2 \textrm{ if } c_{\mathsf{N}} +1 \le i \le c_{\mathsf{N}} + d_{\mathsf{N}} 
276 \end{array}
277 \right.
278 \label{eq:TCN:def}
279 \end{equation}
280
281
282 We thus  have
283 \[
284 \begin{array}{rcl} 
285 \textit{TC}_{\mathsf{N}}(i) - 2.\textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i) 
286 &\ge& 
287 a_{\mathsf{N}} - 2(a_{\mathsf{N}-2}+2) \\
288 &\ge& 
289 \frac{2^{\mathsf{N}}-r_{\mathsf{N}}}{\mathsf{N}}
290 -2 \left( \frac{2^{\mathsf{N-2}}-r_{\mathsf{N-2}}}{\mathsf{N-2}}+2\right)\\
291 &\ge& 
292 \frac{2^{\mathsf{N}}-2N}{\mathsf{N}}
293 -2 \left( \frac{2^{\mathsf{N-2}}}{\mathsf{N-2}}+2\right)\\
294 &\ge& 
295 \frac{(\mathsf{N} -2).2^{\mathsf{N}}-2N.2^{\mathsf{N-2}}-6N(N-2)}{\mathsf{N.(N-2)}}\\
296 \end{array}
297 \]
298
299 A simple variation study of the function $t:\R \rightarrow \R$ such that 
300 $x \mapsto t(x) = (x -2).2^{x}-2x.2^{x-2}-6x(x-2)$ shows that 
301 its derivative is strictly positive if $x \ge 6$ and $t(8)=224$.
302 The integer $\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i) - 2.\textit{TC}_{\mathsf{N}-2}(i)$ is thus positive 
303 for any $\mathsf{N} \ge 8$ and the proof is established.
304
305
306 % \begin{table}[ht]
307 % $$
308 % \begin{array}{|l|l|l|l|l|l|}
309 % \hline
310 % \mathsf{N}     & 3 & 4 & 5 & 6  & 7\\
311 % \hline
312 % a_{\mathsf{N}} & 2 & 4 & 6 & 10 & 18\\
313 % \hline
314 % \end{array}
315 % $$
316 % \label{tab:an}
317 % \caption{First values of  $a_{\mathsf{N}}$}
318 % \end{table}
319
320 For each element $i$, we are then left to choose $zi_{\mathsf{N}}$ positions 
321 among $\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i)$, which leads to 
322 ${\textit{TC}_{\mathsf{N}}(i) \choose zi_{\mathsf{N}} }$ possibilities.
323 Notice that all such choices lead to an Hamiltonian path.
324
325
326
327
328
329 %%% Local Variables:
330 %%% mode: latex
331 %%% TeX-master: "main"
332 %%% ispell-dictionary: "american"
333 %%% mode: flyspell
334 %%% End: