Directed homotopy and homology theories for geometric models of true concurrency

par Jérémy Dubut

Thèse de doctorat en Mathématiques et Informatique

Sous la direction de Jean Goubault-Larrecq et de Éric Goubault.

  • Titre traduit

    Théories homotopiques et homologiques dirigées pour des modèles géométriques de la vraie concurrence


  • Résumé

    Le but principal de la topologie algébrique dirigée est d’étudier des systèmes qui évoluent avec le temps à travers leur géométrie. Ce sujet émergea en informatique, plus particulièrement en vraie concurrence, où Pratt introduisit les automates de dimension supérieure (HDA) en 1991 (en réalité, l’idée de la géométrie de la concurrence peut être retracée jusque Dijkstra en 1965). Ces automates sont géométriques par nature: chaque ensemble de n processus exécutant des actions indépendantes en parallèle peuvent être modélisées par un cube de dimension n, et un tel automate donne naissance à un espace topologique, obtenu en recollant ces cubes. Cet espace a naturellement une direction du temps provenant du flot d’exécution. Il semble alors totalement naturel d’utiliser des outils provenant de la topologie algébrique pour étudier ces espaces: les chemins modélisent les exécutions et les homotopies de chemins, c’est-à-dire les déformations continues de chemins, modélisent l’équivalence entre exécutions modulo ordonnancement d’actions indépendantes, mais ces notions géométriques doivent préserver la direction du temps, d’une façon ou d’une autre. Ce caractère dirigé apporte des complications et la théorie doit être refaite, essentiellement depuis le début. Dans cette thèse, j’ai développé des théories de l’homotopie et de l’homologie pour ces espaces dirigés. Premièrement, ma théorie de l’homotopie dirigée est basée sur la notion de rétracts par déformations, c’est-à-dire de déformations continues d’un gros espaces sur un espace plus petit, suivant des chemins inessentiels, c’est-à-dire qui ne changent pas le type d’homotopie des « espaces d’exécutions ». Cette théorie est reliée aux catégories de composantes et catégories de dimension supérieures. Deuxièmement, ma théorie de l’homologie dirigée suit l’idée que l’on doit regarder les « espaces d’exécutions » et comment ceux-ci évoluent avec le temps. Cette évolution temporelle est traitée en définissant cette homologie comme un diagramme des « espaces d’exécutions » et en comparant de tels diagrammes en utilisant une notion de bisimulation. Cette théorie homologique a de très bonnes propriétés: elle est calculable sur des espaces simples, elle est un invariant de notre théorie homotopique, elle est invariante par des raffinements d’actions simples et elle une théorie des suites exactes.


  • Résumé

    Studying a system that evolves with time through its geometry is the main purpose of directed algebraic topology. This topic emerged in computer science, more particularly in true concurrency, where Pratt introduced the higher dimensional automata (HDA) in 1991 (actually, the idea of geometry of concurrency can be tracked down Dijkstra in 1965). Those automata are geometric by nature: every set of n processes executing independent actions can be modeled by a n-cube, and such an automaton then gives rise to a topological space, obtained by glueing such cubes together. This space naturally has a specific direction of time coming from the execution flow. It then seems natural to use tools from algebraic topology to study those spaces: paths model executions, homotopies of paths, that is continuous deformations of paths, model equivalence of executions modulo scheduling of independent actions, and so on, but all those notions must preserve the direction. This brings many complications and the theory must be done again.In this thesis, we develop homotopy and homology theories for those spaces with a direction. First, my directed homotopy theory is based on deformation retracts, that is continuous deformation of a big space on a smaller space, following directed paths that are inessential, meaning that they do not change the homotopy type of spaces of executions. This theory is related to categories of components and higher categories. Secondly, my directed homology theory follows the idea that we must look at the spaces of executions and those evolves with time. This evolution of time is handled by defining such homology as a diagram of spaces of executions and comparing such diagrams using a notion of bisimulation. This homology theory has many nice properties: it is computable on simple spaces, it is an invariant of our homotopy theory, it is invariant under simple action refinements and it has a theory of exactness.


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