# Лабораторная работа: Клеточные автоматы

# Университет ИТМО
**Студент:** Владимиров Владислав Александрович  
**Группа:** P3322\
**Дата:** 15.05.2026

## Цель работы

Изучение принципов функционирования и приобретение навыков программной реализации клеточных автоматов как дискретных вычислительных моделей.

## Диаграмма классов

```
AppState
 |-- config: AppConfig
 |-- action: UiAction?

AppConfig (serializable)
 |-- mode: AutomatonMode
 |-- gridWidth: Int
 |-- gridHeight: Int
 |-- simulationSpeed: Int
 |-- probability: Double
 |-- oneDimensionalRule: OneDimensionalRule
 |-- killAtBoundary: Boolean

AutomatonMode: GAME_OF_LIFE | ONE_DIMENSIONAL
OneDimensionalRule: RULE_30 | RULE_90 | RULE_110 | RULE_184

GameOfLife
 |-- width: Int
 |-- height: Int
 |-- killAtBoundary: Boolean
 |-- initialize(probability): void
 |-- step(): Int
 |-- getGrid(): Array<Array<Boolean>>
 |-- getLiveCellCount(): Int
 |-- toggleCell(x, y): void

OneDimensionalCA
 |-- width: Int
 |-- rule: OneDimensionalRule
 |-- initialize(centerPosition): void
 |-- initializeRandom(probability): void
 |-- step(): BooleanArray
 |-- getGenerations(count): List<BooleanArray>

PatternClassifier
 |-- classifyPatterns(Array<Array<Boolean>>): List<PatternInfo>

ExperimentRunner
 |-- runExperiments(width, height): List<ExperimentResult>
 |-- generateGraph(results, outputPath): void
```

Взаимодействие: `Main.kt` -> `MainScreen` -> `Sidebar` + `GameOfLifeView` | `OneDimensionalView`. Конфигурация сохраняется в `config.json` через `ConfigRepository`.

## Визуализация эволюции автоматов

### Одномерный клеточный автомат (Rule 30, 90, 110)

Правило 30 генерирует хаотичный паттерн. Правило 90 создаёт фрактальный треугольник Серпинского. Правило 110 демонстрирует универсальные вычислительные свойства.

#### Rule 30
![img.png](img.png)
#### Rule 90
![img_1.png](img_1.png)
#### Rule 110
![img_2.png](img_2.png)

### Game of Life (Двумерный клеточный автомат)

Начальное заполнение: случайное (p = 0.3), поле 50x50, 100 поколений.
![img_3.png](img_3.png)
#### Стабилизация за 429 поколений
![gameoflifeend.png](gameoflifeend.png)
**Выявленные паттерны:**

| Тип | Название | Классификация |
|-----|----------|---------------|
| Block (2x2) | Блок | Устойчивая фигура |
| Beehive (3x3, 6 клеток) | Улей | Устойчивая фигура |
| Loaf (3x3, 5 клеток) | Буханка | Устойчивая фигура |
| Boat (3x2, 5 клеток) | Лодка | Устойчивая фигура |
| Glider (5 клеток) | Глайдер | Движущаяся фигура |

Глайдер перемещается по диагонали со скоростью c/4 (один шаг по диагонали каждые 4 поколения). Блок, улей, буханка и лодка остаются неизменными во всех поколениях. Бликер (3 клетки в линию, периодичность 2) — пример периодической фигуры.

## Результаты экспериментов

### Таблица времени стабилизации

| Плотность (p) | Среднее время стабилизации (поколений) |
|---------------|----------------------------------------|
| 0.10 | 460 |
| 0.15 | 580 |
| 0.20 | 618 |
| 0.25 | 634 |
| 0.30 | 621 |
| 0.35 | 642 |
| 0.40 | 622 |
| 0.45 | 632 |
| 0.50 | 639 |

Количество запусков на каждую плотность: 100. Размер поля: 50x50. Условие стабилизации: 10 поколений без изменения популяции (или циклические изменения между двумя значениями).

### График

![stabilization_graph.png](stabilization_graph.png)

График сохранён в файл `stabilization_graph.png`.

## Анализ результатов

При низкой плотности (p = 0.10) система стабилизируется быстро (460 поколений) из-за вымирания изолированных клеток. Большинство конфигураций умирает в первые 100-200 поколений.

Хаотическая фаза наблюдается при плотности p = 0.25-0.35, где время стабилизации достигает 620-640 поколений. При этих плотностях образуется максимальное количество взаимодействующих структур (глайдеры, ружья, блоки), что затягивает стабилизацию.

При высокой плотности (p = 0.45-0.50) время стабилизации остаётся высоким (630-640), однако причина отличается: образуются крупные устойчивые и периодические структуры (улей, блоки), которые переходят в стабильную фазу без вымирания. Система не "вымирает", а кристаллизуется в насыщенный паттерн.

Максимальное время стабилизации: p = 0.35 (642 поколения) и 0.5. Минимальное: p = 0.10 (460 поколений).

Исходный код доступен тут вот -> https://git.illegalfiles.icu/vlad.os/systems-lab2