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Combinatoire de mots récurrents de complexité n+2

TLDR
In this article, the notion of insertion k a k sur les mots infinis is introduced, i.e., the insertion of mots sturmiens into infinities.
Abstract
Nous etablissons quelques proprietes des mots sturmiens et classifions, ensuite, les mots infinis qui possedent, pour tout entier naturel non nul n , exactement n+2 facteurs de longueur n . Nous definissons egalement la notion d'insertion k a k sur les mots infinis puis nous calculons la complexite des mots obtenus en appliquant cette notion aux mots sturmiens. Enfin nous etudions l'equilibre et la palindromie d'une classe particuliere de mots de complexite n+2 que nous appelons mots quasi-sturmiens par insertion et que nous caracterisons a l'aide des vecteurs de Parikh.

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RAIRO-Theor. Inf. Appl. 41 (2007) 425–446
DOI: 10.1051/ita:2007027
COMBINATOIRE DE MOTS R
´
ECURRENTS
DE COMPLEXIT
´
E n +2
Idrissa Kabor
´
e
1
et Th
´
eodore Tapsoba
2
Abstract. Combinatorics on recurrent words with subword
complexity n+2. We state some new properties on Sturmian words
and classify words which have, for any nonnegative integer n,exactly
n + 2 subwords of length n.Wealsodenethenotionofk by k inser-
tion on infinite words and we give a formula for the complexity function
of words obtained by applying that notion to Sturmian words. Lastly
we study balance property and palindrome complexity of a subclass of
words with complexity n + 2 called quasi-Sturmian words by insertion;
w e give a characterization of this subclass with Parikh vectors.
esum´e. Nous ´etablissons quelques propri´et´es des mots sturmiens
et classifions, ensuite, les mots infinis qui poss`edent, pour tout entier
naturel non nul n, exactement n + 2 facteurs de longueur n.Nous
efinissons ´egalement la notion d’insertion k `a k sur les mots infinis
puis nous calculons la complexit´e des mots obtenus en appliquant cette
notion aux mots sturmiens. Enfin nous ´etudions l’´equilibre et la palin-
dromie d’une classe particuli`eredemotsdecomplexit´e n +2quenous
appelons mots quasi-sturmiens par insertion et que nous caract´erisons
`a l’aide des vecteurs de Parikh.
Classification Math´ematique. 68R15.
1. Introduction
La fonction de complexit´e p, qui calcule le nombre de facteurs de longueur
donn´ee dans un mot, est souvent utilis´ee pour caract´eriser certaines familles de
mots [3]. Ainsi on sait, depuis les esultats pr´ecurseurs de Morse et Hedlund [17,18],
Mots Cl´es. Mot sturmien, complexit´e, mot quasi-sturmien par insertion.
Sturmian word, complexity, quasi-Sturmian word by insertion.
1
Institut Sciences Exactes et Appliqu´ees, Univ. polytech. de Bobo-Dioulasso, 01 BP 1091
Bobo-Dioulasso 01, Burkina Faso ; ikaborei@yahoo.fr
2
´
Ecole Sup´erieure d’Informatique, Univ. polytech. de Bobo-Dioulasso, 01 BP 1091
Bobo-Dioulasso 01, Burkina Faso ; theo
tapsoba@univ-ouaga.bf
c
EDP Sciences 2007
Article published by EDP Sciences and available at http://www.rairo-ita.org or http://dx.doi.org/10.1051/ita:2007027

426 I. KABOR
´
EETT.TAPSOBA
qu’un mot dont la fonction de complexit´ev´erifie p(n) n pour un certain entier n
est ultimement eriodique, et que les mots sturmiens sont les mots de complexit´e
minimale parmi les mots infinis non ultimement eriodiques. Depuis ces travaux,
de nombreuses ´etudes comme par exemple [5,8,9,11,12,16,21] ont ´et´emen´ees sur
les mots sturmiens et ont conduit `adenombreusesg´en´eralisations parmi lesquelles
les mots quasi-sturmiens. Un mot infini est dit quasi-sturmien s’il existe des entiers
n
0
et k tels que p(n)=n + k pour tout n n
0
. Dans les ann´ees 1975 on ´etudiait
ej`a ces mots [8, 9, 19], mais c’est au milieu des ann´ees 1990 que l’expression
de (( mot quasi-sturmien )) et´e utilis´ee pour les esigner du fait qu’ils ont des
propri´et´es tr`es proches des mots sturmiens. En effet, les mots quasi-sturmiens ont
une combinatoire assez proche des mots sturmiens et leurs caract´erisations font
intervenir ces derniers [1,2, 7, 8, 10,13, 14].
Les palindromes et la fonction de complexit´e palindromique interviennent dans
l’´etude combinatoire des mots infinis. Des esultats int´eressants ont ´et´e obtenus
pour certaines classes de mots (voir par exemple [4]) et en particulier une ca-
ract´erisation des mots sturmiens [11].
Dans ce travail, apr`es avoir donn´e quelques notations et efinitions utiles
(sect. 3) nous ´etablissons des propri´et´es combinatoires des mots sturmiens (sect. 4)
puis nous classifions tous les mots quasi-sturmiens de complexit´e n + 2 (sect. 5).
Ensuite nous introduisons, dans la section 6, la notion (( d’insertion k `a k )) sur
les mots infinis puis nous calculons la complexit´e des mots obtenus en appliquant
l’insertion k `a k aux mots sturmiens. Enfin, `a la section 7, nous ´etudions l’´equilibre
et la palindromie d’une classe particuli`ere des mots de complexit´e n +2 quenous
appelons mots quasi-sturmiens par insertion et que nous caract´erisons `a l’aide des
vecteurs de Parikh.
2. Pr
´
eliminaires
La plupart des notations utilis´ees ici peuvent ˆetre retrouv´ees dans le livre de
Lothaire [15].
Soit A un alphabet fix´e. A
, l’ensemble des mots finis sur A,estlemono¨ıde libre
engendr´eparA, ε le mot vide ´etant l’´el´ement neutre. A
+
est l’ensemble des mots
finis non vides. Pour tout u A
, |u| esigne la longueur du mot u (|ε| =0)et
pour toute lettre x de A, |u|
x
est le nombre d’occurrences de x dans u.Unmotu de
longueur n fore d’une seule lettre x est simplement not´e u = x
n
;parextension
x
0
= ε.Soitu = u
1
u
2
···u
n
un mot tel que u
i
A pour tout i ∈{1, 2, ..., n}.
Le mot miroir de u que l’on note
u est le mot obtenu en lisant u de la droite vers
la gauche, c’est-`a-dire
u = u
n
u
n1
···u
1
.Siu et v sont deux mots de A
on a
uv = v u. On dit qu’un mot u est un palindrome s’il est identique `a son image
miroir, c’est-`a-dire
u = u. Par exemple les mots (( elle )) , (( ´et´e )) , (( ici )) et (( ot ))
sont des palindromes en fran¸cais.
Un mot infini est une suite de lettres de A index´ee par N.Ond´esigne par A
ω
l’ensemble des mots infinis sur A et on pose A
= A
A
ω
. Pour tout mot u A
,
on note alph(u) l’ensemble des lettres de A pr´esentes dans u.

COMBINATOIRE DE MOTS R
´
ECURRENTS DE COMPLEXIT
´
E N +2 427
Un mot infini u est dit ultimement p´eriodique s’il existe un entier non nul τ
et un entier n
0
tels que u
i+τ
= u
i
pour tout i n
0
. Ainsi un mot infini u est
ultimement eriodique s’il existe deux mots v A
et w A
+
tels que u = vw
ω
o`u w
ω
= www ··· est une concat´enation infinie de w.
On efinit la puissance n-i`eme d’un mot fini w comme ´etant la concat´enation
n fois de w ;onlanotew
n
.
Soient u A
et v A
.Lemotv est un facteur de u s’il existe u
1
A
et
u
2
A
tels que u = u
1
vu
2
; on dit aussi que u contient v.Lefacteurv est dit
pr´efixe (resp. suffixe) si u
1
(resp. u
2
)estlemotvide.
Soient u A
ω
, w un facteur de u et x une lettre de A. Le langage de longueur
n de u,not´e L
n
(u), est l’ensemble des facteurs de u de longueur n. L’ensemble de
tous les facteurs de u est simplement not´e L(u). La lettre x est un prolongement `a
gauche (resp. `adroite)dew si xw (resp. wx) appartient `a L(u). On note
w (resp.
+
w)lenombredeprolongements`a gauche (resp. `adroite)dew. On dira qu’un
facteur w est biprolongeable (resp. triprolongeable) `adroitesi
+
w =2(resp.
+
w =3).Delamˆeme mani`ere on efinit la notion de facteur biprolongeable
ou triprolongeable `a gauche. Un facteur est dit sp´ecial `a gauche (resp. `adroite)
s’il admet plusieurs prolongements `a gauche (resp. `adroite).Unfacteur`alafois
sp´ecial `a gauche et `a droite est dit bisp´ecial.
Un mot u est dit r´ecurrent si tout facteur de u apparaˆıt une infinit´e de fois dans
u. Un mot est dit uniforement ecurrent ou minimal si tout facteur apparaˆıt
avec des lacunes borees, c’est `a dire que pour tout n N,ilexisteN tel que tout
facteur de longueur N contient tous les facteurs de longueur n.
On appelle ecalage l’application S de A
ω
dans A
ω
qui consiste `a effacer la
premi`ere lettre.
La fonction de complexit´edeu est l’application de N dans N
efinie par
p
u
(n)=#L
n
(u), o`u#L
n
(u)d´esigne le cardinal de L
n
(u). Dans tout ce qui suit
la fonction de complexit´edunmotu sera simplement d´esign´ee par p.Lafonction
de complexit´eestli´ee aux facteurs sp´eciaux par la relation [6]
p(n +1) p(n)=
nL
n
(u)
+
(w) 1
.
Ainsi, le nombre de facteurs sp´eciaux `a droite est au plus p(n +1) p(n). Il y a
un unique facteur sp´ecial de longueur n, qui est biprolongeable si et seulement si
p(n +1) p(n)=1.
La fonction de complexit´e palindromique de u est l’application de N dans N
qui compte le nombre de palindromes de longueur n contenus dans u,cest-`a-dire
pal
u
(n)=#{v L
n
(u):v = v}.
Un morphisme f est une application de A
dans lui-eme telle que f(uv)=
f(u)f (v) pour tous u, v A
.
On dit qu’un mot infini u est engendr´e par un morphisme f s’il existe une lettre
a telle que les mots a, f (a), f
2
(a), ···, f
n
(a), ··· sont des pr´efixes de plus en plus
longs de u.Onnotealorsu = f
ω
(a).

428 I. KABOR
´
EETT.TAPSOBA
3. Mots sturmiens
Dans cette section, l’alphabet est A = {a, b}.
efinition 3.1. Un mot infini u sur A est un mot sturmien si pour tout entier n,
p(n)=n +1.
Exemple. Le mot sturmien le plus connu est le el`ebre mot de Fibonacci engendr´e
par le morphisme Φ d´efini par Φ(a)=ab et Φ(b)=a.
Remarque 3.2. (i) Les mots ab et ba sont facteurs de tout mot sturmien.
(ii) Tout mot sturmien a en facteur un et un seul des deux mots a
2
et b
2
.
efinition 3.3. Soit u un mot sturmien. On dit que u est a-sturmien (resp.
b-sturmien) lorsqu’il contient a
2
(resp. b
2
).
efinition 3.4. Soit u un mot infini sur A.Onditqueu est ´equilibr´esipour
tout entier n et tous v, w L
n
(u),
|v|
x
−|w|
x
1 pour tout x A.
Th´eor`eme 3.5. [9] Un mot infini u sur A est non ´equilibr´e si et seulement s’il
existe un unique mot t de longueur minimale tel que u contient ata et btb.Lemott
est alors un palindrome.
La caract´erisation suivante est fort utile.
Th´eor`eme 3.6. [9] Un mot infini u est sturmien si et seulement s’il est non
ultimement p´eriodique et ´equilibr´e.
Lemme 3.7. Soit u un mot a-sturmien. Alors il existe une suite sturmienne
(
i
)
i1
sur l’alphabet {0, 1} et un entier naturel non nul n tel que u s’´ecrit
u = a
n
0
ba
n+
1
ba
n+
2
ba
n+
3
b ···
avec n
0
n +1.
Preuve.Soitu un mot a-sturmien. Consid´erons alors n l’entier minimal tel que u
contient ba
n
b.Ainsi,u ne contient pas a
n+2
par le th´eor`eme 3.5. Donc u est de
la forme
u = a
n
0
ba
n+
1
ba
n+
2
ba
n+
3
b ···
o`u n
0
n +1 et (
i
)
i1
une suite sur l’alphabet {0, 1} [16].Ilrestedonc`aprouver
que la suite (
i
)
i1
est sturmienne.
Supposons (
i
)
i1
non sturmienne. Alors (
i
)
i1
est ultimement p´eriodique ou non
´equilibr´ee.
Si (
i
)
i1
´etait ultimement p´eriodique alors u le serait aussi, ce qui est impossible
car u est sturmien. Par suite, (
i
)
i1
est non ´equilibr´ee, et poss`ede de ce fait deux
facteurs de la forme 0t0et1t1. Consid´erons les facteurs de (
i
)
i1
;enleecrivant
de telle sorte que chaque lettre pr´ec`ede et succ`ede un b puis en rempla¸cant 0 par
a
n
et 1 par a
n+1
on retrouve certains facteurs de u.Ainsiu admet deux facteurs
de la forme ba
n
Ta
n
b et ba
n+1
Ta
n+1
b. En posant w = a
n
Ta
n
on remarque que les

COMBINATOIRE DE MOTS R
´
ECURRENTS DE COMPLEXIT
´
E N +2 429
mots awa et bwb sont dans u.Doncu est non ´equilibr´e. On obtient une contradic-
tion, car u est un mot sturmien. Par cons´equent (
i
)
i1
est une suite sturmienne.
Soient α ]0, 1[ et R la rotation d’angle α du cercle unit´e(identi´e`a l’intervalle
[0, 1[). On a R(ρ)=(ρ + α)mod1 = {ρ + α}, partie fractionnaire de ρ + α.
L’orbite d’un point ρ du cercle unit´e par la rotation d’angle α est l’ensemble des
points {{ρ + } ,n 0}. Le codage de l’orbite de ρ sous la rotation R d’angle α
sur le cercle unit´e partitionn´e en deux intervalles compl´ementaires I
0
=[0, 1 α[
et I
1
=[1α, 1[ (ou I
0
=]0, 1α]etI
1
=]1α, 1[∪{0})estlemotu
0
u
1
···u
n
···
efini sur l’alphabet {0, 1} par : u
n
=
1si{ρ + }∈I
1
0sinon
.
L’orbite d’un point ρ du cercle unit´e par une rotation d’angle irrationnel est
dense sur le cercle unit´e. Pour plus de etails sur les codages de rotations voir
par exemple [1, 2] et chapitre 6 section 6.1.2 de [20]. Rappelons la caract´erisation
classique des mots sturmiens due `a Morse et Hedlund [17,18].
Th´eor`eme 3.8. Un mot u est sturmien si et seulement s’il existe un nombre
irrationnel α ]0, 1[ et un nombre eel ρ tels que u estlecodagedelorbitedeρ
sous la rotation R d’angle α.
Soit u le mot codant l’orbite d’un point ρ sous la rotation d’angle irrationnel
α. Un mot fini w = w
1
w
2
···w
n
sur l’alphabet {0, 1} est un facteur de u si et
seulement s’il existe un entier naturel k tel que :
R
k
(ρ) I
w
=
n1
j=0
R
j
I
w
j+1
o`u I
w
j+1
=
I
0
si w
j+1
=0
I
1
sinon
([2,15], chap. 2 sect. 2.1).
La caract´erisation ci-dessus nous permet d’´etablir le r´esultat suivant.
Th´eor`eme 3.9. Soient u = u
0
u
1
u
2
··· un mot sturmien et k 1 un entier. Tout
facteur w de u, de longueur n quelconque, apparaˆıt dans u `a toutes les positions
modulo k,cest-`a-dire
i ∈{0, ··· ,k 1}∃l
i
N : w = u
kl
i
+i
u
kl
i
+i+1
···u
kl
i
+i+n1
.
Preuve.Soientu un mot sturmien et k 1unentier.Dapr`es le th´eor`eme 3.8, il
existe un nombre r´eel ρ et un nombre irrationnel α ]0, 1[ tel que u soit le codage
de l’orbite de ρ par la rotation d’angle α sur le cercle unit´e muni de la partition
P =([0, 1 α[, [1 α, 1[) ou P =(]0, 1 α], ]1 α, 1[∪{0}). Consid´erons w un
facteur de u de longueur n non nulle. Alors I
w
est un intervalle de longueur non
nulle. Pour tout i ∈{0, ··· ,k 1} posons ρ
= ρ + et α
= .Ilvientqueα
est irrationnel comme α.Parsuiteρ
est d’orbite dense dans [0, 1[ par la rotation
d’angle irrationnel α
.Parcons´equent, il existe l
i
0telqueρ
+l
i
α
mod 1 I
w
.
Autrement dit, il existe l
i
0telqueρ +(kl
i
+ i) α mod 1 I
w
et donc w ap-
paraˆıt dans u `a la position kl
i
+ i.

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Q1. What are the contributions in this paper?

Lastly the authors study balance property and palindrome complexity of a subclass of words with complexity n +2 called quasi-Sturmian words by insertion ; they give a characterization of this subclass with Parikh vectors. 

Un mot u est sturmien si et seulement s’il existe un nombre irrationnel α ∈]0, 1[ et un nombre réel ρ tels que u est le codage de l’orbite de ρ sous la rotation R d’angle α. 

Alors pour n ≥ n0 on a ui0+h+2(j−i0) = ui0+h pour tout h ∈ {0, 1, . . . , n− 1 − (j − i0)} et donc pour tout h ∈ {0, 1, . . . , τ − 1}.