Approches informatique et mathématique des dynamiques causales de graphes

Algorithmical and mathematical approaches of causal graph dynamics

• Auteur / Autrice : Simon Martiel
• Direction : Pablo Arrighi, Bruno Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 06/07/2015
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Informatique, signaux et systèmes (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Laboratoire d'Informatique, Signaux, et Systèmes de Sophia-Antipolis (I3S) / Equipe MC3
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Giavitto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Martin, Jean-Louis Giavitto, Vincent Danos, Emmanuel Jeandel, Jarkko Kari, Gilles Dowek, Eric Goles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Danos, Emmanuel Jeandel, Jarkko Kari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automates cellulaires

Théorie des graphes

Causalité

Mots clés libres

Causalité

Graphes

Automates cellulaires

Réversibilité

Universalité intrinsèque

Delta complexes

Causality

Graphs

Cellular automata

Reversibility

Universality

Delta complexes

Résumé

Le modèle des automates cellulaires constitue un des modèles le mieux établi de physique discrète sur espace euclidien. Ils implantent trois symétries fondamentales de la physique: la causalité, l'homogénéité et la densité finie de l'information. Bien que l'origine des automates cellulaires provienne de la physique, leur utilisation est très répandue comme modèles de calcul distribué dans l'espace (machines auto-réplicantes, problèmes de synchronisation,...), ou bien comme modèles de systèmes multi-agents (congestion du trafic routier, études démographiques,...). Bien qu'ils soient parmi les modèles de calcul distribué les plus étudiés, la rigidité de leur structure interdit toute extension triviale vers un modèle de topologie variant dans le temps, qui se trouve être un prérequis fondamental à la modélisation de certains phénomènes biologiques, sociaux ou physiques, comme par exemple la discrétisation de la relativité générale. Les dynamiques causales de graphes généralisent les automates cellulaires aux graphes arbitraires de degré borné et pouvant varier dans le temps. Dans cette thèse, nous nous attacherons à généraliser certains des résultats fondamentaux de la théorie des automates cellulaires. En munissant nos graphes d'une métrique compacte, nous présenterons deux approches différentes du modèle. Une première approche axiomatique basée sur les notions de continuité et d'invariance par translation, et une deuxième approche constructive, où une règle locale est appliquée en parallèle et de manière synchrone sur l'ensemble des sommets du graphe.

Cellular Automata constitute one of the most established model of discrete physical transformations that accounts for euclidean space. They implement three fundamental symmetries of physics: causality, homogeneity and finite density of information. Even though their origins lies in physics, they are widely used to model spatially distributed computation (self-replicating machines, synchronization problems,...), as well as a great variety of multi-agents phenomena (traffic jams, demographics,...). While being one of the most studied model of distributed computation, their rigidity forbids any trivial extension toward time-varying topology, which is a fundamental requirement when it comes to modelling phenomena in biology, sociology or physics: for instance when looking for a discrete formulation of general relativity. Causal graph dynamics generalize cellular automata to arbitrary, bounded degree, time-varying graphs. In this work, we generalize the fundamental structure results of cellular automata for this type of transformations. We endow our graphs with a compact metric space structure, and follow two approaches. An axiomatic approach based on the notions of continuity and shift-invariance, and a constructive approach, where a local rule is applied synchronously on every vertex of the graph. Compactness allows us to show the equivalence of these two definitions, extending the famous result of Curtis-Hedlund-Lyndon’s theorem. Another physics-inspired symmetry is then added to the model, namely reversibility.