Rozprawy doktorskie na temat „Jeux sur graphes”

Chacun d'entre nous s'est déjà essayé à un jeu combinatoire, tel que les dames ou les échecs. Les jeux les plus connus présentent le double avantage de mêler plaisir ludique et réflexion. L'intérêt que les mathématiciens leur porte réside souvent autour de la recherche d'une stratégie gagnante pour l'un des deux joueurs. Du jeu de Nim jusqu'aux échecs, la complexité de cette recherche est très variable. Dans cette thèse, nous donnons tout d'abord un aperçu des principales étapes du développement de ce domaine, qui a commencé au début des années 1900, et soulignons son étroite corrélation avec des domaines connexes tels que la théorie des nombres, des codes correcteurs d'erreur ou des graphes. Nous nous intéressons ensuite à des variantes de jeux bien connus : le Wythoff's game et le Dots and Boxes. Nous présentons et expliquons les stratégies et positions de jeu favorables au premier et au second joueur. Enfin, nous regardons une version solitaire d'un jeu récent à deux joueurs : le Clobber. Il s'agit d'un casse-tête qui se joue en posant des pierres sur les sommets d'un graphe, et dont le but est de détruire le plus de pierres possibles. Nous donnons des résultats structurels et algorithmiques sur les grilles, les arbres, ou encore les hypercubes
Everyone has ever played a combinatorial game, such as chess or checkers. The interest of mathematicians about this subject is often related to the search of a winning strategy for one of both players. From the game of Nim to chess, the complexity of this search is very variable. In this manuscript, we firstly give a short view of the main stages of the topic, who really started in the beginning of the XXth century. Besides, we emphasize the correlation between combinatorial games and number theory, error-correcting codes, or graph theory. We then investigate some variations of « classical » combinatorial games : Wythoff's game and Dots and Boxes. We detail the strategy and « good » game positions for the first and the second player. We then consider a solitaire variation of a recent two-player game : Clobber. It is a one-player game, where stones are placed on the vertices of a given graph. A move consisting in removing a stone (under some conditions), the goal is to minimize the number of remaining stones at the end. We give structural and algorithmic results about this game played on grids, trees or hypercubes

Dans cette thèse nous étudions trois jeux à objectif compétitif sur les graphes. Les jeux à objectif compétitif proposent une approche dynamique des problèmes d'optimisation discrètes. L'idée générale consiste à associer à un problème d'optimisation (coloration, domination, etc.) un jeu combinatoire partisan de la façon suivante. Deux joueurs construisent tour à tour la structure reliée au problème d'optimisation. L'un d'eux cherche à ce que cette structure soit le plus optimale possible, tandis que l'autre essaye de l'en empêcher. Sous l'hypothèse que les deux joueurs jouent optimalement, la taille de la structure obtenue définit un invariant ludique.Nous commençons par étudier une variante 1-impropre du jeu de coloration, qui est le premier et le plus étudié des jeux à objectif compétitif. Dans ce jeu, les joueurs colorient les sommets d'un graphe de sorte que deux sommets adjacents ne partagent jamais la même couleur. Dans la version 1-impropre, un sommet peut avoir au plus un voisin ayant la même couleur que lui. Nous considérons ensuite le jeu de domination, dans lequel les deux joueurs doivent construire un ensemble dominant, c'est-à-dire un ensemble de sommets du graphe tel que tout autre sommet est adjacent à l'un des membres de cet ensemble. Finalement, nous définissons un nouveau jeu à objectif compétitif, relié au problème de coloration distinguante. Dans ce jeu, il s'agit de construire une coloration qui n'est invariante par aucun des automorphismes du graphe. Nous soulevons plusieurs interrogations stimulantes concernant ce nouveau jeu, notamment sur la caractérisation des graphes ayant un invariant ludique infini, par l'existence d'automorphismes d'ordre deux
In this thesis, we study three competitive optimization graph games. These games allow a dynamic approach to discrete optimization problems, which is an advantageous alternative way to consider these questions. The global idea consists in defining a combinatorial partisan game, associated to the original optimization problem, like coloring, domination, etc. Two players alternatively build the structure related to the optimization problem. One of them tries to obtain a structure as optimal as possible, whereas his opponent wants to prevent him from doing it. Under the hypothesis that both players play optimally, the size of the obtained structure defines a game invariant of the graph.We start by studying a 1-improper variation of the coloring game, which is the first and the most studied competitive optimization graph game. In this game, the players colors the vertices of a graph, such that two adjacent vertices do not share the same color. In the 1-improper version, we allow a vertex to have at most one neighbor with the same color as it. Then, we study the domination game, in which the players have to build a domination set, that is a sub-set of vertices such that any other vertex is adjacent to one of the vertex in this set. Finally, we define a new game, related to the distinguishing coloring problem. This game is about building a vertex-coloring which is preserved by none of the graph automorphisms. We raise some challenging open questions about this new game, especially concerning the characterization of graphs with infinite game invariant, by the existence of order two automorphisms

On considère des jeux à deux joueurs sur des familles de graphes infinis. Notre but est de déterminer le gagnant et de calculer une stratégie gagnante. Nous avons considéré différentes conditions de gain : accessibilité, Büchi (récurrence), Sigma3, parité, et différentes classes de graphes depuis les graphes de transition des automates à pile jusqu'aux graphes de la hiérarchie de Caucal et aux automates à pile d'ordre supérieur. Deux types de méthodes ont été proposées : une approche symbolique fondée sur des automates finis, et des techniques de jeu-simulation. L'approche symbolique permet de représenter et de manipuler des ensembles infinis de configurations. La jeu-simulation consiste à réduire un jeu donné à un autre jeu plus simple que l'on sait résoudre, puis d'en déduire le gagnant et une stratégie gagnante dans le jeu initial. À chaque fois des algorithmes ont été donnés pour calculer le gagnant et une stratégie gagnante (à coup sûr).

Les jeux à deux joueurs sur des graphes finis ou infinis permettent de modéliser de nombreux problèmes liés à la vérification des systèmes. Le système spécifié dépend de la nature du graphe de jeu considéré tandis que la propriété à vérifier est décrite par la condition de gain. Le premier joueur, Eve, représente un programme qui évolue dans un environnement hostile représenté par le second joueur, Adam. Dans ce formalisme, Eve possède une stratégie gagnante si et seulement si le programme peut être contrôlé de sorte à satisfaire la propriété spécifiée par la condition de gain. On souhaite alors décider si Eve possède une stratégie gagnante et si oui la déterminer, afin de synthétiser ensuite un contrôleur.

Dans cette thèse, les graphes de jeu considérés sont des graphes de processus à pile qui offrent une représentation finie simple de systèmes infinis relativement complexes. Sur de tels graphes, on peut considérer des conditions de gain classiques (accessibilité, Büchi ou parité) mais aussi des conditions plus spécifiques au modèle comme celles portant sur le bornage de la pile. On peut également combiner ces dernières entre elles.

Une première contribution a été de fournir une représentation des ensembles de positions gagnantes pour les jeux de parité ainsi qu'une nouvelle présentation des résultats connus pour ces derniers. On a alors pu étendre de façon naturelle les techniques de preuves à d'autres conditions de gain, notamment à celles portant sur le bornage de la pile.

Une autre contribution a été la description d'une famille de conditions de gain de complexité borélienne arbitraire finie pour lesquelles les jeux (sur des graphes finis ou sur des graphes de processus à pile) restent décidables.

L'étude des jeux sur les graphes de BPA et sur les graphes de processus à compteur a permis de proposer des techniques propres à ces modèles qui fournissent alors des bornes de complexité meilleures que celles obtenues dans le cas général des graphes de processus à pile.

Enfin, une dernière contribution a été de proposer une solution pour les jeux sur des graphes de processus à pile munis de conditions combinant des conditions régulières et des conditions sur la hauteur de pile et pour des conditions décrites par des automates à pile avec visibilité.

Au sein de la communauté scientifique, l’étude des réseaux d’énergie suscite un vif intérêt puisque ces infrastructures deviennent de plus en plus importantes dans notre monde moderne. Des outils mathématiques avancés et complexes sont nécessaires afin de bien concevoir et mettre en œuvre ces réseaux. La précision et l’optimalité sont deux caractéristiques essentielles pour leur conception. Bien que ces deux aspects soient au cœur des méthodes formelles, leur application effective reste largement inexplorée aux réseaux d’énergie. Cela motive fortement le travail développé dans cette thèse. Un accent particulier est placé sur le problème général de planification de la consommation d'énergie. Il s'agit d'un scénario dans lequel les consommateurs ont besoin d’une certaine quantité d’énergie et souhaitent que cette demande soit satisfaite dans une période spécifique (e.g., un Véhicule Électrique (VE) doit être rechargé dans une fenêtre de temps définie par son propriétaire). Par conséquent, chaque consommateur doit choisir une puissance de consommation à chaque instant (par un système informatisé), afin que l'énergie finale accumulée atteigne un niveau souhaité. La manière dont les puissances sont choisies est obtenue par l’application d’une « stratégie » qui prend en compte à chaque instant les informations pertinentes d'un consommateur afin de choisir un niveau de consommation approprié (e.g., l’énergie accumulée pour recharge le VE). Les stratégies peuvent être conçues selon une approche centralisée (dans laquelle il n'y a qu'un seul décideur qui contrôle toutes les stratégies des consommateurs) ou décentralisée (dans laquelle il y a plusieurs contrôleurs, chacun représentant un consommateur). Nous analysons ces deux scénarios dans cette thèse en utilisant des méthodes formelles, la théorie des jeux et l’optimisation. Plus précisément, nous modélisons le problème de planification de la consommation d'énergie à l'aide des processus de décision de Markov et des jeux stochastiques. Par exemple, l’environnement du système électrique, à savoir : la partie non contrôlable de la consommation totale (e.g., la consommation hors VEs), peut être représentée par un modèle stochastique. La partie contrôlable de la consommation totale peut s’adapter aux contraintes du réseau de distribution (e.g., pour ne pas dépasser la température maximale d'arrêt du transformateur électrique) et à leurs objectifs (e.g., tous les VEs soient rechargés). Cela peut être vu comme un système stochastique avec des multi-objectifs sous contraintes. Par conséquent, cette thèse concerne également une contribution aux modèles avec des objectives multicritères, ce qui permet de poursuivre plusieurs objectifs à la fois et une conception des stratégies qui sont fonctionnellement correctes et robustes aux changements de l'environnement
Within the research community, there is a great interest in exploring many applications of energy grids since these become more and more important in our modern world. To properly design and implement these networks, advanced and complex mathematical tools are necessary. Two key features for their design are correctness and optimality. While these last two properties are in the core of formal methods, their effective application to energy networks remains largely unexploited. This constitutes one strong motivation for the work developed in this thesis. A special emphasis is made on the generic problem of scheduling power consumption. This is a scenario in which the consumers have a certain energy demand and want to have this demand fulfilled before a set deadline (e.g., an Electric Vehicle (EV) has to be recharged within a given time window set by the EV owner). Therefore, each consumer has to choose at each time the consumption power (by a computerized system) so that the final accumulated energy reaches a desired level. The way in which the power levels are chosen is according to a ``strategy’’ mapping at any time the relevant information of a consumer (e.g., the current accumulated energy for EV-charging) to a suitable power consumption level. The design of such strategies may be either centralized (in which there is a single decision-maker controlling all strategies of consumers), or decentralized (in which there are several decision-makers, each of them representing a consumer). We analyze both scenarios by exploiting ideas originating from formal methods, game theory and optimization. More specifically, the power consumption scheduling problem can be modelled using Markov decision processes and stochastic games. For instance, probabilities provide a way to model the environment of the electrical system, namely: the noncontrollable part of the total consumption (e.g., the non-EV consumption). The controllable consumption can be adapted to the constraints of the distribution network (e.g., to the maximum shutdown temperature of the electrical transformer), and to their objectives (e.g., all EVs are recharged). At first glance, this can be seen as a stochastic system with multi-constraints objectives. Therefore, the contributions of this thesis also concern the area of multi-criteria objective models, which allows one to pursue several objectives at a time such as having strategy designs functionally correct and robust against changes of the environment

Cette thèse porte sur un certain nombre de problèmes algorithmiques motivés par la planification temporelle automatisée et la vérification formelle des systèmes réactifs et finis. Nous nous sommes concentrés sur les méthodes théoriques des jeux pour obtenir de nouvelles connaissances, des limites de complexité améliorées et des algorithmes plus rapides pour les modèles suivants: réseaux temporels hyper, réseaux conditionnels Simples / Hyper temporels, jeux de mise à jour, jeux Muller McNaughton et jeux Mean Payoff
This dissertation deals with a number of algorithmic problems motivated by automated temporal planning and formal verification of reactive and finite state systems. We focused on game theoretical methods to obtain novel insights, improved complexity bounds, and faster algorithms for the following models: Hyper Temporal Networks, Conditional Simple/Hyper Temporal Networks, Update Games, Muller McNaughton Games, and Mean Payoff Games

Les problèmes de recherche sur un graphe peuvent être exprimés sous la forme d’un jeu où un ensemble de chercheurs tentent de capturer un ensemble de fugitifs. Lorsqu’un tel jeu est joué en alternance par les deux ensembles de joueurs, nous parlons alors de jeux des policiers et des voleurs (« Cops and Robbers games ») ou plus simplement de jeux policiers-voleurs. Nowakowski et Winkler [28], et indépendamment Quilliot [45], ont introduit la première version des jeux policiers-voleurs dans laquelle un seul policier tente de capturer un seul voleur, les deux se déplaçant à tour de rôle vers des sommets adjacents de leurs positions courantes. Ils ont notamment proposé une jolie caractérisation des graphes gagnants pour le policier qui est basée sur l’existence d’un démantèlement particulier des sommets du graphe ; un démantèlement consistant à retirer un à un les sommets du graphe suivant une certaine règle. Cette caractérisation par démantèlement est par ailleurs intéressante puisqu’elle donne directement un algorithme polynomial de type diminuer pour régner pour résoudre le problème du policier et du voleur. Dans ce mémoire, nous proposons une nouvelle version d’un jeu policier-voleur dans laquelle le voleur se déplace arbitrairement vite dans le graphe et dans laquelle le policier possède une zone de surveillance qui limite le voleur dans ses déplacements. Nous caractérisons les graphes gagnants pour le policier dans ce nouveau jeu en utilisant un concept de démantèlement d’un graphe, similaire à celui de Nowakowski et Winkler [28], Quilliot [45], mais adapté aux conditions de notre nouveau jeu. Nous devons notamment généraliser la définition d’un graphe classique à celle d’un graphe clandestin, qui possède un ensemble de sommets clairs et un ensemble de sommets sombres, afin d’obtenir notre caractérisation par démantèlement. Nous donnons par ailleurs un algorithme qui permet de bâtir une stratégie monotone gagnante pour le policier en nous assurant que le policier sécurise de plus en plus de sommets à chaque tour.
Graph searching problems can be expressed as a game where a group of searchers is trying to capture a group of fugitives on a graph. When players move alternately in such a game, we are then referring to games of Cops and Robbers. Nowakowski and Winkler [28], and independently Quilliot [45], introduced the very first version of cops and robbers games in which a single cop tries to capture a single robber, both players moving alternately from their current positions to neighboring vertices. They notably proposed a very nice characterization of graphs that are winning for the cop, which is based on a particular dismantling scheme of the graph’s vertices; a dismantling scheme consisting in removing one by one each vertex of the graph by following a given rule. This dismantling-like characterization is furthermore interesting since it directly yields a divide-and-conquer algorithm that is polynomial, to solve the cop and robber problem. In this master thesis, we propose a new version of cops and robbers games in which the robber is able to move arbitrarily fast in the graph and in which the cop has a watching area that limits the robber’s moving capabilities. We characterize the cop-winning graphs for this new game by using some dismantling scheme similar to the one given by Nowakowski and Winkler [28], Quilliot [45], but that better fits our new game’s conditions. To obtain this dismantling-like characterization, we particularly need to generalize the definition of a classical graph to an undergrounded graph, whose vertices are split in a set of light vertices and a set of dark vertices. We also give an algorithm that provides a monotonous cop-winning strategy by making sure the cop is securing more and more vertices at each turn.

Nous considérons des graphes orientés pondérés dont l’énergie est paramétrée. Nous proposons dans un premier temps un algorithme qui, étant donné un graphe et un de ses sommets, renvoie des arbres, chaque arbre représentant les plus courtschemins depuis la source vers tous les autres sommets du graphe pour une zone particulière de l’espace des paramètres. De plus l’union de ces zones couvre l’espace des paramètres. Nous considérons ensuite l’accessibilité dans les graphes à énergie multidimensionnelle, avec un type de contraintes plus absolues qui imposent que l’énergie reste entre des bornes. Nous montrons la décidabilité et la complexité du problème quel que soit le nombre de paramètres et de dimensions lorsque les paramètres prennent des valeurs entières. Nous montrons également l’indécidabilité de ce problème avec au moins un paramètre lorsque la dimension est supérieure ou égale à deux. Nous étudions enfin des jeux de parité à un et deux joueurs sur les graphes paramétrés dont l’objectif est la conjonction d’une condition qualitative sur la parité et d’une condition quantitative : l’énergiedoit rester positive. Nous montrons la décidabilité et prouvons des bornes de la complexité du problème de la recherche d’une stratégie gagnante dans les cas à un et à deux joueurs
We are considering weighted oriented graphs with parametrized energy. Firstly we propose an algorithm that, given a graph and one of its vertices, returns trees, every tree representing shortest-paths from the source to every other vertex for a particular zone of the parameter space. Moreover, union of these zones is a covering of the parameter space. Then we consider reachability in graphs with multi-dimensional energy, with stricter constraints that enforce the energy to stay between bounds. We prove decidabilty and complexity of this problem regardless of the dimension and the number of parameters when parameters take integer values. We alsoprove the undecidability of this problem when there is at least one parameter and the dimension is at least two. Finally we study paritygames on parametrized graphs with one and two players whose objective is the conjunction of a qualitative condition on the parity andquantitative one : energy must stay positive. We show the decidability and prove bounds on the complexity of the problem of searchinga winning strategy in both cases with one and two players

Les jeux sur graphes à deux joueurs et à somme nulle constituent un modèle central en informatique théorique. De tels jeux modélisent une interaction potentiellement infinie entre un système dit réactif et son environnement. Le système est considéré comme un joueur et souhaite garantir une spécification (traduite en un objectif de jeu). Son environnement est considéré comme un joueur antagoniste. Le but est de synthétiser automatiquement un contrôleur pour le système qui garantit la spécification peu importe le comportement de l'environnement, ce qui correspond à construire une stratégie gagnante dans le jeu dérivé.Une question cruciale dans cette problématique de synthèse est celle de la complexité des stratégies : si des stratégies gagnantes existent, à quel point peuvent-elles être simples et à quel point doivent-elles être complexes ? Une mesure standard de complexité des stratégies est la quantité de mémoire nécessaire pour implémenter des stratégies gagnantes pour un objectif donné. En d'autres termes, quelle quantité d'information faut-il retenir au sujet du passé pour prendre des décisions optimales concernant le futur ? Des preuves de l'existence de bornes sur les besoins en mémoire ont historiquement eu un impact important. Par exemple, de telles bornes ont mené à des preuves de décidabilité de théories monadiques du second ordre, et sont au cœur de nombreux algorithmes efficaces pour la synthèse. Les objectifs déterminés à mémoire finie (c'est-à-dire ceux qui admettent des stratégies gagnantes se limitant à une mémoire finie) sont particulièrement pertinents, car ils mènent à l'existence de contrôleurs pouvant être implémentés en pratique. Dans cette thèse, nous cherchons à améliorer la compréhension de la détermination à mémoire finie. Nous distinguons deux axes dans nos contributions.Premièrement, nous introduisons le concept de détermination à mémoire finie indépendante de l'arène, qui décrit les objectifs pour lesquels une unique structure automatique de mémoire suffit pour implémenter des stratégies gagnantes dans tous les jeux. Nous caractérisons cette propriété via des propriétés algébriques et de langages dans différents contextes (jeux joués sur des graphes finis ou infinis). Nous montrons en particulier que la compréhension des besoins en mémoire dans les jeux à un joueur (c'est-à-dire les jeux plus simples dans lesquels le même joueur contrôle toutes les actions) mène généralement à des bornes sur les besoins en mémoire dans les jeux à deux joueurs et à somme nulle. Nous montrons également que si l'on considère les jeux joués sur des graphes infinis, les objectifs déterminés à mémoire finie indépendante de l'arène sont exactement les objectifs oméga-réguliers, ce qui fournit une réciproque au célèbre théorème de détermination à mémoire finie de ces objectifs. Ces résultats généralisent des travaux précédents au sujet des objectifs pour lesquels aucune mémoire n'est nécessaire pour les stratégies gagnantes.Deuxièmement, nous identifions des classes naturelles d'objectifs pour lesquels les besoins en mémoire ne sont pas complètement établis. Nous introduisons les objectifs réguliers (une sous-classe des oméga-réguliers), qui sont des objectifs dérivés de langages réguliers. Nous donnons une caractérisation effective des besoins en mémoire de ces objectifs pour chacun des joueurs, et nous étudions la complexité de décider de l'existence d'une petite structure de mémoire. Nous considérons ensuite des objectifs plus complexes définissables avec des automates de Büchi déterministes. Nous caractérisons ceux pour lesquels le premier joueur n'a besoin d'aucune mémoire pour implémenter des stratégies gagnantes (une propriété appelée semi-positionnalité). Grâce à cette caractérisation, nous montrons que la semi-positionnalité est décidable en temps polynomial pour ces objectifs. Ces résultats complètent des travaux fondateurs sur les besoins en mémoire des objectifs oméga-réguliers
We study two-player zero-sum turn-based games on graphs, a framework of choice in theoretical computer science. Such games model the possibly infinite interaction between a computer system (often called reactive) and its environment. The system, seen as a player, wants to guarantee a specification (translated to a game objective) based on the interaction; its environment is seen as an antagonistic opponent. The aim is to automatically synthesize a controller for the system that guarantees the specification no matter what happens in the environment, that is, a winning strategy in the derived game.A crucial question in this synthesis quest is the complexity of strategies: when winning strategies exist for a game objective, how simple can they be, and how complex must they be? A standard measure of strategy complexity is the amount of memory needed to implement winning strategies for a given game objective. In other words, how much information should be remembered about the past to make optimal decisions about the future? Proving the existence of bounds on memory requirements has historically had a significant impact. Such bounds were, for instance, used to show the decidability of monadic second-order theories, and they are at the core of state-of-the-art synthesis algorithms. Particularly relevant are the finite-memory-determined objectives (for which winning strategies can be implemented with finite memory), as they allow for implementable controllers. In this thesis, we seek to further the understanding of finite-memory determinacy. We divide our contributions into two axes.First, we introduce arena-independent finite-memory determinacy, describing the objectives for which a single automatic memory structure suffices to implement winning strategies in all games. We characterize this property through language-theoretic and algebraic properties of objectives in multiple contexts (games played on finite or infinite graphs). We show in particular that understanding the memory requirements in one-player game graphs (i.e., the simpler situation of games where the same player controls all the actions) usually leads to bounds on memory requirements in two-player zero-sum games. We also show that if we consider games played on infinite game graphs, the arena-independent-finite-memory-determined objectives are exactly the omega-regular objectives, providing a converse to the landmark result on finite-memory determinacy of omega-regular objectives. These results generalize previous works about the class of objectives requiring no memory to implement winning strategies.Second, we identify natural classes of objectives for which precise memory requirements are surprisingly not fully understood. We introduce regular objectives (a subclass of the omega-regular objectives), which are simple objectives derived from regular languages. We effectively characterize their memory requirements for each player, and we study the computational complexity of deciding the existence of a small memory structure. We then move a step up in the complexity of the objectives and consider objectives definable with deterministic Büchi automata. We characterize the ones for which the first player needs no memory to implement winning strategies (a property called half-positionality). Thanks to this characterization, we show that half-positionality is decidable in polynomial time for this class of objectives. These results complement seminal results about memory requirements of classes of omega-regular objectives

Depuis une dizaine d'années, l'étude des réseaux est une branche très active de la recherche en économie. Il est désormais largement admis que ceux-ci jouent un rôle central dans la transmission décentralisée des informations entre les individus. Les informations communiquées par ces derniers concernent aussi bien les opportunités d'emplois que l'état du marché dans lequel une équipe de travailleurs évolue. Cette thèse propose une nouvelle approche du lien entre la manière dont les agents transmettent stratégiquement leurs informations privées et la structure du réseau dont ils font partie. La théorie des jeux non coopérative a été appliquée à l'étude des réseaux sociaux et économiques dans les deux branches suivantes: d'une part, les Jeux en Réseaux considèrent que les joueurs sont les membres d'un réseau donné et analysent la manière dont les comportements stratégiques et les résultats économiques sont influencés par l'architecture de ce réseau ; d'autre part, les Jeux de Formation de Réseaux modélisent la construction stratégique des connections entre les individus. Ce travail apporte une contribution µa ces deux domaines de recherche. Dans la première partie de ma thèse, que forme le Chapitre 1 intitulé Centralisation des Informations dans les Réseaux, les joueurs appartiennent à un réseau qui affectent leur manière de transmettre leurs informations. Dans la seconde partie, constituée des Chapitres 2 et 3 et intitulée Réseaux de Communication Stratégique, la structure des liens entre les agents découle de leur communication stratégique.

Cette thèse présente un modèle de traitement parallèle pour la mise en œuvre d'algorithmes de raisonnement dans le cadre d'un système temps-réel intelligent, et s'inscrit dans l'étude SATURNE menée au CERT-ONERA. Ce projet se fonde sur l'hypothèse que les tâches de traitement ont la capacité de s'adapter aux échéances temporelles. Pour satisfaire ce modèle, les solutions proposées sont la réduction de l'espace de recherche et l'accélération des traitements grâce au parallélisme. Ces changements devant intervenir durant l'exécution du processus, la gestion du parallélisme devient alors dynamique. Par ailleurs, les arbres de décision représentent une méthode fondamentale pour résoudre de nombreux problèmes d'intelligence artificielle, tels que la théorie des jeux à un joueur, les problèmes d'optimisation, la théorie des jeux à deux joueurs, les graphes Et/Ou et beaucoup d'autres problèmes NP-complets. Aussi, à partir de l'exemple de l'algorithme du minimax sur des arbres de jeux réels, une implémentation est réalisée sur Modulor, une machine à architecture distribuée à base de transputers développée au CERT-ONERA. La méthode de parallélisation se fonde sur une suppression du contrôle entre les processus de recherche, au profit d'un parallélisme spéculatif et du partage complet de l'information réalisé grâce à une mémoire physiquement distribuée mais virtuellement partagée. L’apport de notre approche pour les systèmes temps-réel distribués et tolérants aux fautes est évalué grâce aux résultats expérimentaux obtenus.

Cette thèse se situe au croisement de la vérification et de la synthèse des systèmes concurrents paramétrés. Le problème de la vérification de modèles paramétrés demande si un système satisfait une spécification donnée indépendamment du nombre de ses composants, alors que la synthèse vise la conception de protocoles pour ses composants afin que la spécification soit satisfaite.Nous étudions un modèle paramétré de réseaux où les processus sont distribués sur un graphe non orienté; ils exécutent le même protocole et communiquent par des diffusions sélectives de messages. Le problème de couverture demande si un état donné du protocole est peut être atteint. Nous montrons que pour les instances positives du problème de couverture, en supposant que la topologie de communication est reconfigurable, la taille et la longueur d'une exécution couvrante minimale sont bornées linéairement et quadratiquement, respectivement. Nous introduisons une sémantique de perte à l'envoi et montrons des bornes similaires pour la taille et la longueur d'une exécution couvrante.Les interactions entre différents agents peuvent être modélisées par des jeux. Nous introduisons et étudions deux cadres de ce que l'on appelle les jeux concurrents paramétrés, un modèle de jeux concurrents avec un nombre arbitraire d'agents. Tout d'abord, nous considérons le scénario où un joueur distingué Eve tente d'atteindre un objectif contre un nombre arbitraire d'adversaires, quelles que soient leurs stratégies. Nous prouvons que l'existence d'une stratégie gagnante pour Eve est décidable, et nous fournissons des bornes de complexité exactes pour ces jeux d'accessibilité. Deuxièmement, nous considérons un jeu de coalition où tous les joueurs essaient collectivement d'atteindre un objectif commun. Dans ce cadre, nous considérons des objectifs de sûreté et montrons que l'existence d'une stratégie de coalition gagnante est décidable, et nous établissons des bornes de complexité pour ce même problème
This thesis is at the crossroad of verification and synthesis of parameterized concurrent systems. The parameterized model checking problem asks whether a system satisfies a given specification independently of the number of its components, whereas synthesis requires an algorithmic design of protocols for its components so that the specification is satisfied.We study a parameterized model of networks where processes are distributed over an undirected graph, running the same broadcast protocol, and communicating via selective broadcasts of messages. The coverability problem asks whether a given state of the protocol is coverable. We show that for positive instances of the coverability problem in reconfigurable semantics, the size (cutoff) and the length (covering length) of a minimal covering execution is linearly and quadratically bounded, respectively. We introduce loss-on-broadcast semantics, and show similar bounds for the cutoff and the covering length.The interactions between agents can be modelled using games. We introduce and study two different settings of the so-called parameterized concurrent games, a model of concurrent games with arbitrarily many agents. First, we consider a scenario of a distinguished player Eve trying to achieve a goal against arbitrarily many opponents, irrespective of their strategies. We prove the existence of a winning strategy for Eve is decidable, and show tight complexity bounds for reachability objectives. Second, we consider a coalition game where all players collectively try to achieve a common goal. We consider safety objectives and show the existence of a winning coalition strategy is decidable, and prove complexity bounds for the same

Chacun d'entre nous s'est déjà essayé à un jeu combinatoire, tel que les dames ou les échecs. Les jeux les plus connus présentent le double avantage de mêler plaisir ludique et réflexion. L'intérêt que les mathématiciens leur porte réside souvent autour de la recherche d'une stratégie gagnante pour l'un des deux joueurs. Du jeu de Nim jusqu'aux échecs, la complexité de cette recherche est très variable. Dans cette thèse, nous donnons tout d'abord un aperçu des principales étapes du développement de ce domaine, qui a commencé au début des années 1900, et soulignons son étroite corrélation avec des domaines connexes tels que la théorie des nombres, des codes correcteurs d'erreur ou des graphes. Nous nous intéressons ensuite à des variantes de jeux bien connus : le Wythoff's game et le Dots and Boxes. Nous présentons et expliquons les stratégies et positions de jeu favorables au premier et au second joueur. Enfin, nous regardons une version solitaire d'un jeu récent à deux joueurs : le Clobber. Il s'agit d'un casse-tête qui se joue en posant des pierres sur les sommets d'un graphe, et dont le but est de détruire le plus de pierres possibles. Nous donnons des résultats structurels et algorithmiques sur les grilles, les arbres, ou encore les hypercubes.

Réalisé avec le support financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et du Fonds de Recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT).
Ce mémoire étudie le jeu de policiers-voleur et contient trois articles, chacun portant sur une classe de graphes spécifique. Dans le premier chapitre, la notation et les définitions de base de la théorie de graphe qui nous serons utiles sont introduites. Bien que chaque article comporte une introduction citant les concepts et résultats pertinents, le premier chapitre de ce mémoire contient aussi une introduction générale au jeu de policiers-voleur et présente certains des résultats majeurs sur ce jeu. Le deuxième chapitre contient l’article écrit avec Seyyed Aliasghar Hosseini et Peter Bradshaw portant sur le jeu de policiers-voleurs sur les graphes de Cayley abéliens. Nous améliorons la borne supérieure sur le cop number de ces graphes en raffinant les méthodes utilisées précédemment par Hamidoune, Frankl et Bradshaw. Le troisième chapitre présente l’article concernant le cop number des graphes 2K2-libres. Plus précisément, il est prouvé que 2 policiers peuvent toujours capturer le voleur sur ces graphes, prouvant ainsi la conjecture de Sivaraman et Testa. Finalement, le quatrième chapitre est l’article écrit avec Samuel Yvon et porte sur les graphes qui ont cop number 4. Nous montrons que tous ces graphes ont au moins 19 sommets. En d’autres mots, 3 policiers peuvent toujours capturer le voleur sur tout graphe avec au plus 18 sommets, ce qui répond par la négative à une question de Andreae formulée en 1986. Un pan important de la preuve est faite par ordinateur; ce mémoire contient donc une annexe comprenant le code utilisé.
This thesis studies the game of cops and robbers and consists of three articles, each considering a specific class of graphs. In the first chapter, notation and basic definitions of graph theory are introduced. Al- though each article has an introduction citing the relevant concepts and results, the first chapter of this thesis also contains a general introduction to the game of cops and robbers and presents some of its major results. The second chapter contains the paper written with Seyyed Aliasghar Hosseini and Peter Bradshaw on the game of cops and robbers on abelian Cayley graphs. We improve the upper bound on the cop number of these graphs by refining the methods used previously by Hamidoune, Frankl and Bradshaw. The third chapter presents the paper concerning the cop number of 2K2-free graphs. More precisely, it is proved that 2 cops can always catch the robber on these graphs, proving a conjecture of Sivaraman and Testa. Finally, the fourth chapter is the paper written with Samuel Yvon which deals with graphs of cop number 4. We show that such graphs have at least 19 vertices. In other words, 3 cops can always catch the robber on any graph with at most 18 vertices, which answers in the negative a question by Andreae from 1986. An important part of the proof is by computer; this thesis thus has an appendix containing the code used.