Cette thèse a eu pour objectif d'étudier des questions naturelles de définissabilité autour des transducteurs bidirectionnels.Il est bien connu que les transducteurs bidirectionnels définissent une plus grande classe de transductions que celles des transducteurs unidirectionnels. La première question que nous avons étudiée est donc de décider si un transducteur bidirectionnel est définissable par un transducteur unidirectionnel. Il a été montré en 2013 que cette question est décidable pour des transducteurs fonctionnels (nous montrons aussi en paralèlle que cette question devient indécidable si les transducteurs ne sont plus fonctionnels) mais la complexité de la procédure de décision était non-élémentaire.Nous proposons une caractérisation de la "définissabilité par transducteur unidirectionnel" décidable en espace doublement exponentiel. Cette caractérisation est effective en ce sens qu'elle produit en temps triplement exponentiel le transducteur équivalent. De plus, nous avons étudié ce problème aussi pour les transducteurs "sweeping", pour lesquels la procédure de décision et la construction du transducteur équivalent requièrent une exponentielle de moins. Comme nous avons par ailleurs montré qu'il existe des familles de fonctions réalisables de façon unidirectionnelle avec au minimum deux sauts exponentiels, notre procédure est optimale dans le cas "sweeping".Le fait d'avoir particulièrement étudié les transducteurs"sweeping" nous a poussé à étudier d'autres questions dedéfinissabilité~: est-ce qu'un transducteur donné estréalisable par un transducteur sweeping ? Et par un transducteursweeping réalisant au maximum k passages ? Nous montrons que cesquestions sont décidables avec les mêmes complexitésobtenues précédemment. Comme nous avons montré qu'ilexiste une borne sur le nombre de passages nécéssaires pourréaliser avec un transducteur sweeping une transductiondonnée, cela nous permet aussi de minimiser le nombre de passages d'untransducteur sweeping.Enfin nous avons cherché à caractériser la classe destransductions sweeping dans d'autres modèles de transductions,les Streaming String Transducers (SST) et lestransductions MSO. Cela a en autres permis, en établissant unecorrespondance entre le nombre de passages des transducteurssweeping et le nombre de registres d'une sous-classe de SST, deminimiser le nombre de registres pour une classe intéressantede SST. Dans l'ensemble, notre travail a permis de couvrir l'ensembledes relations entre ces modèles, et les questions dedéfinissabilité qui se posent naturellement. / The goal of this thesis was to study definability questionsabout finite-state transducers and in particular two-waytransducers. It is known that two-way transducers cover a larger classof transductions than one-way transducers. Then the first question wetackled is the one-way definability problem: is it possible torealize a given two-way transduction by a one-way transducer? Thisproblem was shown to be decidable for functionaltransducers (we also show as a side result that one-way definability becomes undecidable for non-functional transducers) but the decision procedure had non-elementary complexity.We proposed a characterization of one-way definability thatallows us to decide it in double-exponential space, and provide anequivalent one-way transducer of triple-exponential size. We firststudied this question for a restricted class, namely sweepingtransducers, for which the decision procedure and the construction ofthe one-way transducer take one less exponential. For suchtransducers, our procedure is optimal in the sense that we have shownthat there exists a family of functions that are one-way definable andfor which an equivalent one-way transducer requires doubly exponentialsize.The study of sweeping transducers raised other definability questions: Is a given transducer equivalent to some sweeping transducer? And to some sweeping transducer that performs at most k passes? We showed that those questions are decidable and the decision procedure, as well as the equivalent transducer, have the same complexity as in the one-way case. Moreover, as we have shown that there exists a bound on the number of passes required to realize a transduction by a sweeping transducer, we managed to obtain a procedure to minimize the number of passes of a sweeping transducer.Finally we tried to characterize sweeping transducers in other models for regular transductions such as Streaming String transducers (SST) and MSO transductions. As we obtained an equivalence between the number of passes of a sweeping transducer and the number of registers of the equivalent SST we provided a minimization procedure for the number of registers of a large class of SST's. To conclude, our work allowed us to provide a good overall understanding of the definability questions between the models for regular transductions and in particular regarding the resources, whether it is the number of passes (and of course one-way definability is crucial in that aspect) or the number of registers.

Les transferts de chaleur et de masse sont deux phénomènes physiques à la base de nombreux systèmes thermiques employés dans des secteurs variés tels que l'industrie, le bâtiment ou encore les énergies renouvelables. Les présents travaux de recherche envisagent différentes méthodologies d'optimisation de configurations assurant le transfert de flux de chaleur, couplé ou non à un écoulement fluide, au sens topologique du terme. Les équations aux dérivées partielles décrivant les phénomènes physiques sont discrétisées avec la méthode des volumes finis. La première partie du manuscrit examine successivement trois classes différentes de méthodes: la théorie constructale, les automates cellulaires et les méthodes par pénalisation. Le même cas académique, portant sur le refroidissement d'un volume fini générant de la chaleur, est résolu au moyen de ces trois méthodes, ce qui permet ainsi de comparer les performances de chaque algorithme. Cette comparaison démontre l'ascendant des méthodes par pénalisation sur les deux premiers types, tant structurellement que quantitativement, et permet également d'établir des solutions basées sur des compromis dans le cadre d'optimisations multi-objectifs. Par conséquent, la seconde partie envisage l'application de cette approche à des configurations réalisant des transferts de chaleur conducto-convectifs en régime laminaire. L'utilisation de paramètres de pénalisation en conjonction avec les volumes finis requiert une régularisation de la dissipation visqueuse le long de l'interface fluide/solide. Une approche bi-objectif est développée visant à minimiser la puissance dissipée par le fluide, tout en maximisant l'énergie thermique récupérée sur le système. Les solutions obtenues adoptent des configurations non-triviales qui sont divisibles en quatre classes topologiques différentes. La thèse ouvre ainsi un nouveau champ d'investigation pour l'optimisation d'écoulements couplés à la problématique du transport de chaleur. / Heat and mass transfers are two physical phenomena at the base of many thermal systems involved in various fields, such as industries, buildings or renewable energies. The present researches tackle different optimization methodologies of structures subject to heat transfers, coupled with a fluid flow or not, in the topological sense of the term. The partial differential equations describing the physical phenomena are discretized thanks to the finite volume method. The first part of the thesis successively studies three different classes of approaches: constructal theory, cellular automaton, and the solid isotropic material with penalization method. The same academic case, aiming at the optimal cooling of a finite-size volume generating heat, is tackled by means of these three methods, allowing the comparison of the performances of each algorithm. This comparison shows that the method based on the material penalization performs better than the first two approaches, structurally and quantitatively, and also establishes solutions based on a trade-off in the frame multi-objective optimization. Consequently, the second part applies this method to configurations subject to heat and mass transfers with laminar flows. The use of penalization parameters in conjunction with the finite volume method requires a regularization of the viscous dissipation along the solid/fluid interfaces. A bi-objective approach is implemented in order to minimize the total power dissipated by the fluid, while maximizing the thermal energy recovered from the system. The solutions show non-trivial configurations that can be categorized in four different topological classes. The present researches open a new investigation field for fluid flows coupled with the problem of heat transport.

Markov decision processes (MDPs) are finite-state probabilistic systems with both strategic and random choices, hence well-established to model the interactions between a controller and its randomly responding environment. An MDP can be mathematically viewed as a one and half player stochastic game played in rounds when the controller chooses an action, and the environment chooses a successor according to a fixed probability distribution.<p><p>There are two incomparable views on the behavior of an MDP, when the strategic choices are fixed. In the traditional view, an MDP is a generator of sequence of states, called the state-outcome; the winning condition of the player is thus expressed as a set of desired sequences of states that are visited during the game, e.g. Borel condition such as reachability. The computational complexity of related decision problems and memory requirement of winning strategies for the state-outcome conditions are well-studied.<p><p>Recently, MDPs have been viewed as generators of sequences of probability distributions over states, called the distribution-outcome. We introduce synchronizing conditions defined on distribution-outcomes, which intuitively requires that the probability mass accumulates in some (group of) state(s), possibly in limit. A probability distribution is p-synchronizing if the probability mass is at least p in some state, and a sequence of probability distributions is always, eventually, weakly, or strongly p-synchronizing if respectively all, some, infinitely many, or all but finitely many distributions in the sequence are p-synchronizing.<p><p>For each synchronizing mode, an MDP can be (i) sure winning if there is a strategy that produces a 1-synchronizing sequence; (ii) almost-sure winning if there is a strategy that produces a sequence that is, for all epsilon > 0, a (1-epsilon)-synchronizing sequence; (iii) limit-sure winning if for all epsilon > 0, there is a strategy that produces a (1-epsilon)-synchronizing sequence.<p><p>We consider the problem of deciding whether an MDP is winning, for each synchronizing and winning mode: we establish matching upper and lower complexity bounds of the problems, as well as the memory requirement for optimal winning strategies.<p><p>As a further contribution, we study synchronization in probabilistic automata (PAs), that are kind of MDPs where controllers are restricted to use only word-strategies; i.e. no ability to observe the history of the system execution, but the number of choices made so far. The synchronizing languages of a PA is then the set of all synchronizing word-strategies: we establish the computational complexity of the emptiness and universality problems for all synchronizing languages in all winning modes.<p><p>We carry over results for synchronizing problems from MDPs and PAs to two-player turn-based games and non-deterministic finite state automata. Along with the main results, we establish new complexity results for alternating finite automata over a one-letter alphabet. In addition, we study different variants of synchronization for timed and weighted automata, as two instances of infinite-state systems. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse revisite les algorithmes standards pour les problèmes d'accessibilité et de vivacité des automates temporisés. L'algorithme standard pour tester l'accessibilité consiste à utiliser l'inclusion de zones pour explorer efficacement un arbre de recherche abstrait. Cependant, l'ordre du parcours du graphe a une forte incidence sur l'efficacité de l'algorithme. Dans cette thèse nous introduisons deux stratégies, nommées ranking et waiting, et une combinaison des deux. De nombreux exemples montrent que la combinaison des deux stratégies aide l'algorithme d'accessibilité à éviter des explorations non nécessaires. Le problème de vivacité est couramment vérifiées par l'analyse des cycles dans l'automate temporisé. Contrairement à l'algorithme d'accessibilité, l'algorithme pour l'analyse de vivacité ne peut pas librement utiliser l'inclusion de zones. Par conséquent, il y a des situations où l'algorithme doit faire une longue exploration avant de conclure l'existence d'un cycle. Nous proposons une analyse accélérée des cycles, nommées w-iterability checking, qui permet d'améliorer la performance de l'algorithme de vivacité des automates temporisés. En plus, nous proposons une modélisation du mécanisme de démarrage du protocole FlexRay. La modélisation permet à vérifier le mécanisme dans configurations différents du réseau FlexRay. Nous présentons également un outil de visualisation qui aide à mieux comprendre le fonctionnement des algorithmes d'analyse. / This thesis revisits the standard algorithms for reachability and liveness analysis of timed automata. The standard algorithm for reachability analysis consists in using zone inclusion to efficiently explore a finite abstract zone graph of a timed automaton. It has been observed that the search order may strongly affect the performance of the algorithm. For the same algorithm, one search order may introduce a lot more exploration than another. In order to deal with the search order problem, we propose two strategies, named ranking strategy and waiting strategy, and a combination of the two. We show on a number of examples, the combining strategy helps to reduce unnecessary exploration in the standard algorithms. The standard algorithm for liveness analysis consists in looking for reachability of cycles in timed automata. But unlike the algorithm for safety analysis, the algorithm for liveness analysis cannot freely use zone inclusion. Consequently, there are situations where the algorithm has to perform a long exploration before reporting the result. In this thesis, we propose an accelerated checking for cycles in timed automata, named !-iterability checking, to improve the performance of the state-of-the-art algorithm for liveness analysis of timed automata. Furthermore, we present a new model for the startup procedure of FlexRay. The model allows to verify the procedure on different configurations of FlexRay networks. It also allows to evaluate the performance of our new strategies for safety analysis of timed automata. In addition, we present a methodology that uses visualization tools to get more insights into the execution of the algorithms.

Le cadre générale de cette thèse est l'analyse quantitative des objets issus de la théorie des langages rationnels. On adapte des techniques d'analyse d'algorithmes (complexité en moyenne, complexité générique, génération aléatoire, ...) à des objets et à des algorithmes qui font intervenir des classes particulières d'automates. Dans une première partie nous étudions la complexité de l'algorithme de minimisation de Brzozowski. Bien qu'ayant une mauvaise complexité dans le pire des cas, cet algorithme a la réputation d'être efficace en pratique. En utilisant les propriétés typiques des applications et des permutations aléatoires, nous montrons que la complexité générique de l'algorithme de Brzozowski appliqué à un automate déterministe croît plus vite que tout polynôme en n, où n est le nombre d'états de l'automate. Dans une seconde partie nous nous intéressons à la génération aléatoire d'automates acycliques. Ces automates sont ceux qui reconnaissent les ensembles finis de mots et sont de ce fait utilisés dans de nombreuses applications, notamment en traitement automatique des langues. Nous proposons deux générateurs aléatoires. Le premier utilise le modèle des chaînes de Markov, et le second utilise la "méthode récursive", qui tire partie des décompositions combinatoires des objets pour faire de la génération. La première méthode est souple mais difficile à calibrer, la seconde s'avère plutôt efficace. Une fois implantée, cette dernière nous a notamment permis d'observer les propriétés typiques des grands automates acycliques aléatoires / The general context of this thesis is the quantitative analysis of objects coming from rational language theory. We adapt techniques from the field of analysis of algorithms (average-case complexity, generic complexity, random generation...) to objects and algorithms that involve particular classes of automata. In a first part we study the complexity of Brzozowski's minimisation algorithm. Although the worst-case complexity of this algorithm is bad, it is known to be efficient in practice. Using typical properties of random mappings and random permutations, we show that the generic complexityof Brzozowski's algorithm grows faster than any polynomial in n, where n is the number of states of the automaton. In a second part, we study the random generation of acyclic automata. These automata recognize the finite sets of words, and for this reason they are widely use in applications, especially in natural language processing. We present two random generators, one using a model of Markov chain, the other a ``recursive method", based on a cominatorics decomposition of structures. The first method can be applied in many situations cases but is very difficult to calibrate, the second method is more efficient. Once implemented, this second method allows to observe typical properties of acyclic automata of large size

La Qualité de Service (Quality of Service - QoS) est une garantie de paramètres réseau (bande passante élevée, délai court, etc.). Dans un réseaux inter-domaine, elle peut être assurée par des contrats entre domaines appelés Service Level Agreements (SLA). Dans cette thèse, nous nous intéressons d’abord à l’étape de négociation de SLA : la sélection des SLA proposés par un domaine. Nous proposons des méthodes exactes et approchées permettant aux domaines de proposer les SLA qui maximisent leurs revenus. Nous étudions également l'impact de la réputation des domaines sur cette négociation. Au niveau de l’instanciation des SLA, nous nous intéressons au calcul de chemins qui prennent en compte les encapsulations de protocoles (afin de pallier l’hétérogénéité technologique des domaines). En utilisant des outils de théorie des langages, nous proposons la première solution polynomiale au calcul de chemins dans un tel contexte / Quality of Service (QoS) is a guarantee of network parameters (high bandwidth, short delay, etc.). In an inter-domaine network, it can be provided by contracts between domains, called Service Level Agreements (SLAs). In this thesis, we first focus on the SLA negotiation step, i.e., the selection of SLAs proposed by a domain. We provide exact and approximate methods that allow the domains to propose the SLAs that maximize their revenues. We also study the impact of the domain reputation on the negotiation process. Regarding the SLA instantiation step, we focus on path computation processes that take into account the encapsulation of protocols (in order to overcome the domain technological heterogeneity). Using tools from Language Theory, we provide the first polynomial solution to the path computation problem in this context.

Cette thèse traite de la theorie de la preuve pour les logiques a points fixes, telles que le μ-calcul, lalogique lineaire a points fixes, etc. ces logiques sont souvent munies de systèmes de preuves finitairesavec des règles d’induction à la Park. Il existe néanmoins d’autres sytèmes de preuves pour leslogiques à points fixes, qui reposent sur la notion de preuve infinitaire, mais qui sont beaucoupmoins developpés dans la litterature. L’objectif de cette thèse est de pallier à cette lacune dansl’état de l’art, en developpant la théorie de la preuve infnitaire pour les logiques a points fixes,avec deux domaines d’application en vue: les langages de programmation avec types de données(co)inductifs et la vérification des systèmes réactifs.Cette thèse contient trois partie. Dans la première, on rappelle les deux principales approchespour obtenir des systèmes de preuves pour les logiques à points fixes: les systèmes finitaires avecrègle explicite d’induction et les systèmes finitaires, puis on montre comment les deux approchesse relient. Dans la deuxième partie, on argumente que les preuves infinitaires ont effectivement unréel statut preuve-theorique, en montrant que la logique lineaire additive multiplicative avec pointsfixes admet les propriétés d’élimination des coupures et de focalisation. Dans la troisième partie,on utilise nos developpements sur les preuves infinitaires pour monter de manière constructive lacomplétude du μ-calcul lineaire relativement à l’axiomatisation de Kozen. / The subject of this thesis is the proof theory of logics with fixed points, such as the μ-calculus,linear-logic with fixed points, etc. These logics are usually equipped with finitary deductive systemsthat rely on Park’s rules for induction. other proof systems for these logics exist, which relyon infinitary proofs, but they are much less developped. This thesis contributes to reduce thisdeficiency by developing the infinitary proof-theory of logics with fixed points, with two domainsof application in mind: programming languages with (co)inductive data types and verification ofreactive systems.This thesis contains three parts. In the first part, we recall the two main approaches to theproof theory for logics with fixed points: the finitary and the infinitary one, then we show theirrelationships. In the second part, we argue that infinitary proofs have a true proof-theoreticalstatus by showing that the multiplicative additive linear-logic with fixed points admits focalizationand cut-elimination. In the third part, we apply our proof-theoretical investigations to obtain aconstructive proof of completeness for the linear-time μ-calculus w.r.t. Kozen’s axiomatization.

Les systèmes hybrides sont au cœur des systèmes cyber-physiques. De tels systèmes représentent l’interaction de processus physiques continus modélisant généralement l'environnement avec des décisions discrètes issues d'un système de contrôle commande électronique. La vérification de ces systèmes est cruciale pour assurer leur sûreté dès la phase de modélisation. Les recherches sur les systèmes hybrides ont de nombreux domaines d’application, notamment le transport, l’aéronautique et la biologie. La thèse étudie des principes du raisonnement qualitatif et les applique à la vérification des systèmes hybrides. Le travail consiste à élaborer une méthode pour abstraire le système hybride en utilisant des principes qualitatifs. On recourt à une discrétisation finie de l'espace d'état tout en conservant des caractéristiques qualitatives du système. L'abstraction calculée permet de prouver des propriétés au niveau du système hybride concret et fournit une représentation du comportement global du système. Un outil développé en C++ permet de calculer l'abstraction d'un système hybride donné. Une évaluation de ses performances est établie. On s'intéresse particulièrement à une propriété de sûreté des systèmes appelée diagnosticabilité. Un modèle de système est dit diagnosticable s'il permet d'identifier sans ambiguïté la survenue de toute faute modélisée à partir des seules observations disponibles du système jusqu’à un certain délai après l’occurrence de la faute. Une méthode qui consiste à utiliser l'abstraction établie précédemment pour vérifier la diagnosticabilité d'un système hybride est proposée. / Hybrid systems are at the core of cyber-physical systems. Such systems represent the interaction between continuous physical processes generally modelling the environment with discrete decisions from control electronic signaling. The verification of these systems is crucial to ensure safety at the modeling stage. The application of hybrid systems is present in many fields such as transportation, biology and avionics. The thesis studies principals from the qualitative reasoning domain and applies them to the verification of hybrid systems. The accomplished work elaborates methods to abstract a hybrid system using qualitative principles. These methods consist in discretizing the state space to a finite number of states while conserving qualitative characteristics. The computed abstraction allows to prove properties at the level of the concrete hybrid system and presents a representation of the global behavior of the system. A tool developed in C++ computes the abstraction of a given hybrid system. An evaluation of its performance is performed. We are also interested in a particular property called diagnosability. The system is said to be diagnosable when it is capable to identify modeled faults using limited specified observations. A method that uses the computed abstraction to verify diagnosability of a given hybrid system is proposed.

Cette thèse a pour but d’étudier des propriétés structurelles d’automates étendant celle du déterminisme, et les langages pouvant être dénotés par une expression rationnelle dont l’automate des positions présente l’une de ces propriétés. Si Book et al. ont montré que tous les langages rationnels peuvent être reconnus par un automate des positions non-ambigu, Brüggemann-Klein et Wood ont montré que ceux pouvant l’être par un automate des positions déterministe forment une famille strictement incluse dans celle des rationnels. Nous nous intéressons aux extensions de cette famille, en cherchant à caractériser leurs langages, et à étudier leur hiérarchie interne et leur inclusion entre elles. / This thesis aims to study structural properties of automata extending determinism, and the languages that can be denoted by a regular expression of which the position automaton has one such property. If Book et al. showed that all regular languages can be recognized by an unambiguous position automaton, Brüggemann-Klein and Wood showed that only a proper subset of them can be recognized by a deterministic position automaton. We focus on extensions of this subfamily, by seeking to characterize their languages, and to study their internal hierarchy and how they relate to each other.

Durant leur exécution, les systèmes concurrents manipulent diverses ressources dynamiques en nombre : fichiers, liens de communication, mémoire, etc. Les propriétés comportementales de ces systèmes sont alors étroitement liées aux manipulations de ces ressources qu'ils allouent, utilisent, puis détruisent. Nous proposons dans cette thèse une analyse quantitative, effectuée de manière statique, de ce type de ressources pour les systèmes concurrents et dynamiques. Les systèmes que l'on considère peuvent être des programmes concurrents et parallèles (le langage Piccolo développé dans le cadre de ce travail en est un exemple), ou encore la modélisation de systèmes plus généraux. Pour atteindre cette généricité, notre travail repose fortement sur les algèbres de processus, et plus particulièrement sur le pi-calcul pour lequel nous proposons une variante sémantique ainsi que plusieurs abstractions adaptées à l'observation des ressources en particulier. Le socle théorique de notre analyse est présenté sous la forme d'un nouveau type d'automates nominaux : les nu-automates. Ils permettent de raisonner spécifiquement sur les ressources dynamiques, tant pour caractériser les notions quantitatives de consommation en ressources que pour de futures analyses qualitatives. À partir de ce formalisme nous réalisons ensuite un ensemble d'algorithmes ayant pour but de mettre en oeuvre les résultats introduits sur les nu-automates. Enfin, nous proposons plusieurs expérimentations, sur la base d'exemples classiques du pi-calcul, de notre prototype d'analyse de ressources. / Concurrent activities involve undoubtedly many dynamic resources manupulations: files, communication links, memory, etc. Then, the behavioral properties of such systems are closely linked to their usage of those resources that they allocate, use, and finally destroy. In this work, we develop a quantitative static analysis of concurrent and parallel systems for this kind of resources. Systems that we consider can be concurrent and parallel programs (written for example in the Piccolo programming language which was developped during this thesis), or models descriptions of more general systems. To be generic, our work lies on process algebra, specifically pi-calculs for which we propose a variant semantics in addition to several resources abstractions strategies. The underlying theory is developped as a nominal automata framework (namely the nu-automata). They allow one to reason about dynamic resources usage to charaterize both quantitative and qualitative properties. From this formalism we establish an algorithmic framework that enforce the qualitative results defined on nu-automata. Finally, our resources abstractions and resources analysis are tested experimentally on classical pi-calculus examples using our prototype analysis tool.