Ein Golomb-Lineal oder Golomb-Maßstab (häufig auch englisch Golomb Ruler nach dem englischen Fachbegriff) ist in der Zahlentheorie ein Lineal, bei dem es keine zwei Markierungen an ganzzahligen Positionen mit dem gleichen Abstand zueinander gibt. Golomb-Lineale haben ihren Namen von Solomon W. Golomb, einem US-amerikanischen Professor für Mathematik und Elektrotechnik an der Universität von Südkalifornien.
Allgemeines
Golomb-Lineale werden anhand ihrer Ordnung und ihrer Länge kategorisiert. Die Ordnung eines Golomb-Lineals ist dabei definiert durch die Anzahl der Markierungen, die Länge durch den größten Abstand zweier Markierungen. Da Parallelverschiebung und Spiegelung bei Golomb-Linealen als triviale Operationen angesehen werden, wird die erste Markierung üblicherweise bei 0 gesetzt und diejenige, die einer der beiden Endmarkierungen am nächsten ist, an der kleineren der beiden möglichen positiven Positionen. Außerdem sollen die Abstände keinen gemeinsamen Teiler haben, sonst könnte man das Lineal um diesen Faktor verkürzen ([0,2,8,12] → [0,1,4,6]).
Ein Golomb-Lineal muss nicht alle Abstände bis zu seiner Länge messen können; es müssen nicht alle Abstände zwischen den Markierungen – aufsteigend geordnet – eine lückenlose Zahlenreihe (1,2,3,4,5,…) ergeben. Wenn das jedoch der Fall ist, wird es ein perfektes Golomb-Lineal genannt. Ein Golomb-Lineal ist optimal, wenn es keine kürzeren Lineale derselben Ordnung gibt. Optimale Golomb-Lineale für eine gegebene Ordnung zu finden ist, im Gegensatz zum Erstellen von Linealen mit Golomb-Eigenschaft, eine rechenintensive Aufgabe. Mittels verteilten Rechnens wurden bislang optimale Golomb-Lineale bis zur Ordnung 28 durch das distributed.net-Projekt bestätigt. Das Projekt bestätigte zuletzt nach einer Gesamtdauer von über 8 Jahren das bis dahin kürzeste bekannte Lineal für die Ordnung 28.
Die Suche nach einem optimalen Lineal der Ordnung 29 ist mit Stand 2022 von distributed.net nicht geplant, da der Aufwand zu hoch erscheint.
Anwendung
Golomb-Lineale finden Anwendung beim Entwurf von Gruppenantennen wie beispielsweise Radioteleskopen. Antennen in [0,1,4,6] Golomb-Anordnung findet man häufig bei Mobilfunkmasten. Auch die Anordnung von Feldsensoren in Kernspintomographie nutzt Eigenschaften von Golomb-Maßstäben.
Bei beiden Anwendungen ist das Ziel, mit einer Minimalzahl an Elementen (Antennen, Sensoren) eine Maximalzahl an unterschiedlichen Abständen und im Dreidimensionalen eine Maximalzahl an verschiedenen Abstrahl- und Empfangswinkeln zu erreichen. Sind die verwendeten Golomb-Lineale optimal, wird auch noch die Ausdehnung des Messsystems bzw. der Gruppenantenne minimiert, was die Handhabbarkeit verbessert oder einen Einsatz überhaupt erst ermöglicht.
Bekannte optimale Golomb-Lineale
Die Tabelle zeigt die Werte für alle derzeit bekannten optimalen Golomb-Lineale bis zur Ordnung 28, wobei äquivalente Lineale (das heißt in umgekehrter Reihenfolge zu einem der angegebenen) nicht enthalten sind. Die ersten Vier stellen dabei perfekte Golomb-Lineale dar.
| Ordnung | Länge | Markierungen | Bewiesen am | Bewiesen durch |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 1952 | Wallace Babcock |
| 2 | 1 | 0 1 | 1952 | Wallace Babcock |
| 3 | 3 | 0 1 3 | 1952 | Wallace Babcock |
| 4 | 6 | 0 1 4 6 | 1952 | Wallace Babcock |
| 5 | 11 | 0 1 4 9 11 0 2 7 8 11 | c. 1967 | John P. Robinson and Arthur J. Bernstein |
| 6 | 17 | 0 1 4 10 12 17 0 1 4 10 15 17 0 1 8 11 13 17 0 1 8 12 14 17 | c. 1967 | John P. Robinson and Arthur J. Bernstein |
| 7 | 25 | 0 1 4 10 18 23 25 0 1 7 11 20 23 25 0 1 11 16 19 23 25 0 2 3 10 16 21 25 0 2 7 13 21 22 25 | c. 1967 | John P. Robinson and Arthur J. Bernstein |
| 8 | 34 | 0 1 4 9 15 22 32 34 | 1972 | William Mixon |
| 9 | 44 | 0 1 5 12 25 27 35 41 44 | 1972 | William Mixon |
| 10 | 55 | 0 1 6 10 23 26 34 41 53 55 | 1972 | William Mixon |
| 11 | 72 | 0 1 4 13 28 33 47 54 64 70 72 0 1 9 19 24 31 52 56 58 69 72 | 1972 | William Mixon |
| 12 | 85 | 0 2 6 24 29 40 43 55 68 75 76 85 | 1979 | John P. Robinson |
| 13 | 106 | 0 2 5 25 37 43 59 70 85 89 98 99 106 | 1981 | John P. Robinson |
| 14 | 127 | 0 4 6 20 35 52 59 77 78 86 89 99 122 127 | 1985 | James B. Shearer |
| 15 | 151 | 0 4 20 30 57 59 62 76 100 111 123 136 144 145 151 | 1985 | James B. Shearer |
| 16 | 177 | 0 1 4 11 26 32 56 68 76 115 117 134 150 163 168 177 | 1986 | James B. Shearer |
| 17 | 199 | 0 5 7 17 52 56 67 80 81 100 122 138 159 165 168 191 199 | 1993 | W. Olin Sibert |
| 18 | 216 | 0 2 10 22 53 56 82 83 89 98 130 148 153 167 188 192 205 216 | 1993 | W. Olin Sibert |
| 19 | 246 | 0 1 6 25 32 72 100 108 120 130 153 169 187 190 204 231 233 242 246 | 1994 | Apostolos Dollas, William T. Rankin and David McCracken |
| 20 | 283 | 0 1 8 11 68 77 94 116 121 156 158 179 194 208 212 228 240 253 259 283 | 1997? | Mark Garry, David Vanderschel et al. (web project) |
| 21 | 333 | 0 2 24 56 77 82 83 95 129 144 179 186 195 255 265 285 293 296 310 329 333 | 8. Mai 1998 | Mark Garry, David Vanderschel et al. (web project) |
| 22 | 356 | 0 1 9 14 43 70 106 122 124 128 159 179 204 223 253 263 270 291 330 341 353 356 | 1999 | Mark Garry, David Vanderschel et al. (web project) |
| 23 | 372 | 0 3 7 17 61 66 91 99 114 159 171 199 200 226 235 246 277 316 329 348 350 366 372 | 1999 | Mark Garry, David Vanderschel et al. (web project) |
| 24 | 425 | 0 9 33 37 38 97 122 129 140 142 152 191 205 208 252 278 286 326 332 353 368 384 403 425 | 13. Oktober 2004 | distributed.net |
| 25 | 480 | 0 12 29 39 72 91 146 157 160 161 166 191 207 214 258 290 316 354 372 394 396 431 459 467 480 | 25. Oktober 2008 | distributed.net |
| 26 | 492 | 0 1 33 83 104 110 124 163 185 200 203 249 251 258 314 318 343 356 386 430 440 456 464 475 487 492 | 24. Februar 2009 | distributed.net |
| 27 | 553 | 0 3 15 41 66 95 97 106 142 152 220 221 225 242 295 330 338 354 382 388 402 415 486 504 523 546 553 | 19. Februar 2014 | distributed.net |
| 28 | 585 | 0 3 15 41 66 95 97 106 142 152 220 221 225 242 295 330 338 354 382 388 402 415 486 504 523 546 553 585 | 23. November 2022 | distributed.net |
Weblinks
- Was ist eigentlich ein Optimaler Golomb-Maßstab? (englisch)
- Golomb rulers (englisch)
- Folge A003022 in OEIS
Einzelnachweise
- 1 2 3 Completion of OGR-28 project. Abgerufen am 23. November 2022 (englisch).
- ↑ Paul Erdős, Paul Turan: On a problem of Sidon in additive number theory, and on some related problems. In: J. London Math. Soc. 16:212--215, 1941.
- 1 2 3 4 Rulers, Arrays, and Gracefulness Ed Pegg Jr. November 15, 2004. Math Games.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 James B Shearer: Table of lengths of shortest known Golomb rulers. IBM, 19. Februar 1998, archiviert vom am 25. Juni 2016 (englisch).
- ↑ In Search Of The Optimal 20 & 21 Mark Golomb Rulers (archived). Mark Garry, David Vanderschel, et al, 26. November 1998, archiviert vom am 6. Dezember 1998 (englisch).
- ↑ distributed.net - OGR-24 completion announcement. 1. November 2004 (englisch).
- ↑ distributed.net - OGR-25 completion announcement. 25. Oktober 2008 (englisch).
- ↑ distributed.net - OGR-26 completion announcement. 24. Februar 2009 (englisch).
- ↑ distributed.net - OGR-27 completion announcement. 25. Februar 2014 (englisch).