Python | 兰顿的蚂蚁

简介

兰顿的蚂蚁是一个经典的模拟系统，它模拟了一只蚂蚁在一个黑白相间的格子上行走的过程。蚂蚁初始位于格子的某一位置，面对一个方向（初始时通常向上），每次移动一步，遇到黑格子就变成白格子，遇到白格子就变成黑格子，并且向左转90度或向右转90度。虽然规则非常简单，但是这个系统展现出了意想不到的复杂性，可以展现蚁群行为和非线性动力学的现象。

在Python编程中，我们可以用pygame库创建画布，在其上模拟蚂蚁的行走过程。蚂蚁的位置和朝向用二维平面直角坐标系来表示，黑白格子用0和1表示。

实现步骤

1. 导入pygame和numpy库

import pygame
import numpy as np

2. 设定画布大小和格子大小

width, height = 800, 800
cell_size = 5

3. 初始化黑白格子二维数组

board = np.zeros((height // cell_size, width // cell_size))

4. 设定蚂蚁初始位置和初始方向

x, y = len(board) // 2, len(board[0]) // 2
direction = 0  # up

5. 创建画布并循环模拟蚂蚁行走过程

pygame.init()
screen = pygame.display.set_mode((width, height))
pygame.display.set_caption("Langton's Ant")

while True:
    for event in pygame.event.get():
        if event.type == pygame.QUIT:
            pygame.quit()
            sys.exit()

    if board[x][y] == 0:
        # turn right
        direction = (direction + 1) % 4
        board[x][y] = 1
    else:
        # turn left
        direction = (direction - 1) % 4
        board[x][y] = 0
        
    # change color
    pygame.draw.rect(screen, (255 * board[x][y],) * 3, 
                     (y * cell_size, x * cell_size, cell_size, cell_size))
                     
    # move forward
    if direction == 0:
        x -= 1
    elif direction == 1:
        y += 1
    elif direction == 2:
        x += 1
    else:
        y -= 1
        
    # wrap around edges
    x = x % len(board)
    y = y % len(board[0])

    pygame.display.update()

运行结果

运行上述程序，即可看到蚂蚁在黑白格子上行走的过程，一开始看似随机的行走路径逐渐呈现出周期性的规律。由于规则的简单性和非线性系统的特性，蚂蚁行走过程中不断出现复杂的现象。

结语

通过编写兰顿的蚂蚁模拟程序，我们可以更加深刻地理解复杂系统的运作原理，也可以更好地理解Python编程语言的常用数据结构和模块。如果你对此感兴趣，欢迎深入学习更加实用的Python应用。