Στη διπλωματική εργασία προς παρουσίαση, πραγματευόμαστε ένα νέο είδος γραφημάτων, τα χρονικά γραφήματα, και διάφορες παραλλαγές τους. Ένα χρονικό γράφημα είναι μια διατεταγμενη τριάδα G={V,E,L}, όπου V ένα μη κενό πεπερασμένο σύνολο που καλείται σύνολο κορυφών, E ένα σύνολο m στοιχείων, καθένα από τα οποία είναι δισύνολο στοιχείων του V (καλείται σύνολο ακμών), και L= {L_e, για κάθε e στοιχείο του E} = {L_e_1, L_e_2, ..., L_e_m}, όπου L_e_i, i = 1,..., m, σύνολο θετικών ακεραίων τιμών που αντιστοιχίζονται στην ακμή e_i του συνόλου E (καλείται ανάθεση χρονικών ετικετών ή απλώς ανάθεση). Οι τιμές που αντιστοιχίζονται σε κάθε ακμή του γραφήματος καλούνται χρονικές ετικέτες της ακμής και δηλώνουν τις χρονικές στιγμές, κατά τις οποίες έχουμε τη δυνατότητα να τη διασχίσουμε (από το ένα της άκρο προς το άλλο). Για να αντιληφθεί κανείς το ενδιαφέρον των χρονικών γραφημάτων, μπορεί να σκεφτεί τη δυνατότητα εφαρμογής τους στην καθημερινότητα. Για παράδειγμα, οι χρονικές ετικέτες που ανατίθενται σε μία ακμή ενός κατευθυνόμενου χρονικού γραφήματος μπορούν να παραλληλιστούν με τις ώρες, στις οποίες γίνονται αναχωρήσεις αεροπλάνων από μία πόλη προς μια άλλη. Έτσι, η μελέτη των χρονικών γραφημάτων θα μπορούσε να συμβάλει στην οργάνωση των πτήσεων ενός αεροδρομίου. Ένα χρονικό μονοπάτι (ή «ταξίδι») σε ένα χρονικό γράφημα είναι ένα μονοπάτι, στις ακμές του οποίου μπορούμε να βρούμε αυστηρά αύξουσα σειρά χρονικών ετικετών. Στην εργασία, μεταξύ άλλων, γίνεται μελέτη της συνδετικότητας στα χρονικά γραφήματα, καθώς και κατασκευή και μελέτη αλγορίθμων εύρεσης χρονικών μονοπατιών («ταξιδίων») που φθάνουν το δυνατόν συντομότερα στον προορισμό τους (τελική κορυφή μονοπατιού). Επιπλέον, μελετώνται στατιστικά τα Χρονικά Γραφήματα, με επικέντρωση στο αναμενόμενο πλήθος χρονικών μονοπατιών σε ένα γράφημα, καθώς και στη Χρονική Διάμετρο ενός γραφήματος, όπως αυτή ορίζεται στην εργασία. / In the thesis, we are dealing with a new type of graphs,called Temporal Graphs, and several variants. A temporal graph is an ordered triplet G={V,E,L}, where V stands for a nonempty finite set (called set of vertices), E stands for a set of m elements, each of which are 2-element subsets of V (called set of edges), and L= {L_e, for all e in E} = {L_e_1, L_e_2, ..., L_e_m}, where L_e_i, i = 1, ..., m, is a set of positive integers mapped to edge e_i in E (called assignment of time labels or simply assignment). The values assigned to each edge of the graph are called time labels of the edge and indicate the times at which we can cross it (from one end to the other). In order to understand the interest of temporal graphs, one may think their applicability to everyday life. For example, the time labels assigned to an edge of a directed temporal graph can be paralleled to the flight departure times from one city to another. Therefore, the study of temporal graphs could contribute to the organization of flights at an airport. A temporal path (or «journey») in a temporal graph is a path, on the edges of which we can find strictly ascending time labels. In the thesis, among others, we study the connectivity of temporal graphs and we construct and study several algorithms that find temporal paths which arrive the soonest possible at their destination (final vertice of the path). Furthermore, we examine temporal graphs statistically, focusing on the expected number of temporal paths in a graph as well as in the Temporal Diameter of a graph, also defined in the thesis.

Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύξαμε δύο από τους πρώτους αλγορίθμους υπολογισμού μιας ε-προσεγγιστικής ισορροπίας Nash για την περίπτωση όπου το ε είναι κάποια σταθερά. Οι προσεγγίσεις που επιτυγχάνουν οι αλγόριθμοί μας είναι ε=3/4 και ε=(2+λ)/4 αντίστοιχα, όπου λ είναι το ελάχιστο, μεταξύ όλων των ισορροπιών Nash, κέρδος για έναν παίκτη. Επιπλέον, μελετήσαμε μια ευρεία κλάση τυχαίων παιγνίων δύο παικτών, για την οποία υπολογίσαμε μια πολύ καλή ε-προσεγγιστική ισορροπία Nash, με το ε να τείνει στο 0 καθώς το πλήθος των διαθέσιμων στρατηγικών των παικτών τείνει στο άπειρο. Οι αρχές της θεωρίας παιγνίων είναι χρήσιμες στην ανάλυση της επίδρασης που έχει στην καθολική απόδοση ενός συστήματος διαμοιραζόμενων πόρων η εγωιστική και ανταγωνιστική συμπεριφορά των χρηστών του. Προς την κατεύθυνση αυτή, εστιάσαμε στο πρόβλημα της εξισορρόπησης φορτίου. Μελετήσαμε διάφορα μοντέλα πληροφόρησης (π.χ. όταν όλα τα φορτία είναι άγνωστα ή όταν κάθε παίκτης γνωρίζει το μέγεθος του δικού του φορτίου) και αναλύσαμε για το καθένα το σύνολο και τις ιδιότητες των ισορροπιών Nash. Yπολογίσαμε επίσης φράγματα στο λόγο απόκλισης, ο οποίος εκφράζει την επίδραση που έχει στην απόδοση του συστήματος η εγωιστική συμπεριφορά των χρηστών του. Εκτός από τα υπολογιστικά θέματα που σχετίζονται με τη θεωρία παιγνίων, έχει ενδιαφέρον να μελετηθεί κατά πόσο μπορεί η θεωρία παιγνίων να βοηθήσει στην ανάπτυξη και ανάλυση αλγορίθμων για υπολογιστικά δύσκολα προβλήματα συνδυαστικής βελτιστοποίησης. Προς αυτήν την κατεύθυνση, μελετήσαμε από παιγνιοθεωρητική σκοπιά το πρόβλημα χρωματισμού των κορυφών ενός γραφήματος. Ορίσαμε κατάλληλα το παίγνιο χρωματισμού γραφήματος και αποδείξαμε ότι κάθε παίγνιο χρωματισμού γραφήματος έχει πάντα μια αγνή ισορροπία Nash, και ότι κάθε αγνή ισορροπία Nash αντιστοιχεί σε ορθό χρωματισμό του γραφήματος. Δείξαμε επίσης ότι υπάρχει πάντα μια αγνή ισορροπία Nash που χρησιμοποιεί βέλτιστο αριθμό χρωμάτων, δηλαδή ίσο με το χρωματικό αριθμό του γραφήματος. Επιπλέον, περιγράψαμε και αναλύσαμε έναν πολυωνυμικό αλγόριθμο που υπολογίζει μια αγνή ισορροπία Nash για ένα οποιοδήποτε παίγνιο χρωματισμού γραφήματος και χρησιμοποιεί συνολικά ένα πλήθος χρωμάτων που ικανοποιεί ταυτόχρονα τα περισσότερα κλασικά γνωστά φράγματα στο χρωματικό αριθμό. / We developed two algorithms for computing an e-approximate Nash equilibrium for the case where e is an absolute constant. The approximations achieved by our algorithms are e=3/4 and e=(2+l)/4 respectively, where $\lambda$ is the minimum, among all Nash equilibria, payoff of either player. Furthermore, we studied a wide class of random two player games, for which we showed how to compute an e-approximate Nash equilibrium, where e tends to zero as the number of strategies of the players tends to infinity. Game theoretic concepts are useful in determining the impact that selfish behavior plays on the global performance of a system involving selfish entities. Towards this direction, we focused on the problem of load balancing. We studied the case where the agents are not necessarily fully informed about the exact values of their loads. We focused on several models of information (e.g. when all agents know nothing about the loads, or when each agents knows her own load) and, for each model, we characterized the set of Nash equilibria and analyzed their properties. Moreover, we bounded the coordination ratio, a measure which captures the impact that selfish behavior has to the global performance of the system, in contrast to the performance achieved by an optimum centralized algorithm. Besides the computational issues related to game theory, it is interesting to investigate whether game theory can help us in developing and analyzing algorithms for computationally difficult combinatorial optimization problems. Towards this direction, we studied from a game theoretic point of view the problem of vertex coloring. In particular, we properly defined the graph coloring game and we proved that every graph coloring game has a pure Nash equilibrium, and each pure Nash equilibrium corresponds to a proper coloring of the graph. We also showed that there exists a pure Nash equilibrium that uses an optimum number of colors, i.e. equal to the chromatic number. Furthermore, we developed and analyzed a polynomial time algorithm that computes a pure Nash equilibrium for any graph coloring game, using a number of colors satisfying most of the known classical bounds on the chromatic number.