Nous mettons en évidence un certain nombre de liens entre la théorie des nombres et celle des automates :<br>- étude de sous-suites de la suite "somme des chiffres", étude des itérées de cette suite ;<br>- utilisation de suites automatiques particulières (baptisées q-miroirs) dans le problème de l'itération des fonctions continues unimodales réelles ;<br>- étude d'un curieux ensemble de répartition modulo 1 de nombres réels ; <br>- propriétés arithmétiques d'un automate cellulaire ;<br>- répartition modulo 1 des puissances de séries formelles à coefficients automatiques (donc algébrique sur le corps des fractions rationnelles sur un corps fini).

Nous proposons une méthode pour aider les administrateurs des applications XML dans la tâche de faire évoluer des schémas en préservant la cohérence de la base de données sans la modifier.<br />L'utilisateur donne au système ce qu'il souhaite comme nouveau document devant être accepté par le schéma.<br />À partir de ce document, le système construit des schémas candidats, qui d'une part préservent la validité de la base de documents et, d'autre part augmentent la classe de documents acceptée par le schéma.<br />L'approche est implantée par un algorithme appelé GREC. <br />Cet algorithme utilise l'automate d'arbre A qui accepte le langage défini par le schéma pour trouver les informations nécessaires à la modification. <br />Plus précisément, il utilise les expressions régulières des règles de transitions de A pour proposer les candidats.<br />Ainsi, les modifications sont faites sur les graphes qui représentent les automates d'états finis construits à partir des expressions régulières concernées.<br />Les expressions régulières engendrées par GREC représentent des schémas présentés à l'utilisateur afin qu'il choisisse le plus adapté à la sémantique de son application.

Les langages formels sont des séquences sur un ensemble discret de symboles appelé alphabet. On les spécifie souvent par des formules dans une certaine logique, par des expressions rationnelles ou bien par des automates discrets de types variés. La théorie actuelle est principalement qualitative, dans le sens où ses objets sont des séquence sur un temps discret, non-métrique, dans le sens où l'acceptation d'une séquence sur un automate dépend du fait que l'on visite ou non un état accepteur, et enfin dans le sens où la comparaison de langages est plus souvent considérée en termes d'inclusion, plutôt qu'en termes de mesures quantitatives. Cette thèse contribue à l'étude de ces aspects souvent négligés en présentant des résultats fondamentaux dans trois nouvelles classes de problèmes quantitatifs sur les langages formels. Dans la première partie, nous étudions une classe de problèmes d'ordonnancement qui combine les aspects structurels associés aux dépendances entre tâches avec les aspects dynamiques liés au fait qu'un flux de requêtes arrive en continu pendant l'exécution. Nous montrons que, dans cette classe de problèmes, certains flux, pourtant admissibles dans le sens que les requêtes ne représentent pas plus de travail que ce que les machines peuvent traiter, ne peuvent pas être ordonnancé avec une latence bornée. Cependant nous développons une politique d'ordonnancement que peut garantir une accumulation de retard bornée pour tout flux de requêtes admissible, même sans le connaître à l'avance. Nous montrons que si les flux sont sous-critiques, alors cette même politique peut garantir une latence bornée. En vérification quantitative, les états et transitions d'un système peuvent être associés à des coûts, et ceux-ci utilisés pour associer des coûts moyens aux comportements infinis. Dans cette seconde partie, nous proposons de définir des omega-langages par des requêtes booléennes sur les coûts moyens. Des spécifications concernant des moyennes, tels que " le taux de perte moyen de messages est inférieur à un certain seuil " ne sont pas omega-régulières, mais exprimables dans notre modèle. Ainsi, nous étudions l'expressivité et la complexité de Borel de telles spécifications. Nous montrons que pour la clôture par intersection, il est nécessaire de considérer des coûts multi-dimensionnels. Nous mettons en évidence que dans le cas général, les conditions d'acceptation portent sur l'ensemble des points d'accumulation de la séquence des coûts moyens des préfixes d'une exécution, et nous donnons une caractérisation précise de tels ensembles. Nous proposons une classe de langages de coût moyen à seuils multiples, comparant les coordonnées minimales et minimales des points de cet ensemble à des constantes. Nous montrons enfin que cette classe est close par opérations booléennes et analysable. Enfin, dans le dernier volet, nous définissons deux mesures pour un langage temporisé : le volume de ses sous-langages de mots à nombre d'événements fixe et l'entropie (vitesse de croissance), mesure asymptotique pour un nombre non borné d'événements. Ces mesures peuvent être utilisées pour la comparaison quantitative de langages, et l'entropie peut être vue comme la quantité d'information par événement dans un mot typique du langage temporisé. Pour les langages acceptés par des automates temporisés déterministes, nous donnons une formule exacte pour le volume. Ensuite, nous caractérisons l'entropie, en utilisant des méthodes d'analyse fonctionnelle, en tant que logarithme du rayon spectral d'un opérateur intégral positif. Nous établissons plusieurs méthodes pour calculer l'entropie : une symbolique pour les automates que nos appelons " à une horloge et demie ", et deux numériques : une utilisant les techniques d'analyse fonctionnelle, l'autre basée sur la discrétisation. Nous donnons une interprétation de l'entropie en théorie de l'information en termes de complexité de Kolmogorov.

La vérification est maintenant une branche très connue des sciences informatiques. Elle est cruciale lorsque l'on a affaire à des programmes informatiques dans des systèmes automatiques : on veut vérifier si un système donné est correct et s'il satisfait des propriétés nécessaires à son bon fonctionnement. Une façon d'analyser ces systèmes se fait par la modélisation mathématique. La question est alors : peut-on vérifier si le modèle satisfait les propriétés requises ? C'est ce que l'on appelle le problème du model-checking. Plusieurs modèles ont été étudiés dans la littérature. Nous portons notre intérêt sur des modèles qui peuvent mêler des aspects temporels et des aspects probabilistes. Dans cette thèse, nous étudions donc le modèle des automates temporisés et stochastiques (ATS). Les contributions de ce document sont divisées en deux parties. Tout d'abord, nous étudions les problèmes de model-checking qualitatifs et quantitatifs des ATS. Les ATS sont, en particulier, des systèmes probabilistes généraux et avec de tels modèles, on est intéressé par des questions du type : « Une propriété est-elle satisfaite, au sein d'un modèle donné, avec probabilité 1 ? » (qualitatif) ou bien « Peut-on calculer une approximation de la probabilité que le modèle satisfait une propriété donnée ? » (quantitatif).Nous étudions ces questions dans des systèmes probabilistes généraux en utilisant, entre autres, la notion de decisiveness utilisée dans les chaînes de Markov infinie dans le but d'obtenir d'importants résultats qualitatifs et que nous étendons ici dans notre contexte plus général. Nous prouvons plusieurs résultats pour les problèmes de model-checking qualitatifs et quantitatifs de ces systèmes probabilistes, certains d'entre eux étant des extensions de travaux antérieurs sur les chaînes de Markov, d'autres étant nouveaux, et nous montrons comment l'on peut appliquer ces résultats sur des sous-classes des ATS. Nous étudions ensuite la vérification compositionnelle des ATS. En général, un système est le résultat de plusieurs plus petits systèmes fonctionnant ensemble. La vérification compositionnelle permet alors de réduire l'analyse de gros systèmes aux analyses des plus petits systèmes qui le composent. Il est donc crucial d'avoir une bonne structure compositionnelle au sein des modèles mathématiques, et cela manque aux ATS. Dans cette thèse, nous définissons un opérateur de composition pour les ATS. Nous faisons d'abord l'hypothèse que les ATS composés fonctionnent complètement indépendamment l'un de l'autre, c'est-à-dire les ATS ne communiquent pas entre eux. Nous prouvons que notre définition satisfait bien cette hypothèse d'indépendance. Un tel opérateur de composition n'est pas très intéressant puisque, généralement, les systèmes interagissent entre eux. Mais c'est une première étape nécessaire. Nous introduisons donc le nouveau modèle des ATS interactifs (ATSI) qui vont permettre des interactions entre les systèmes. Nous définissons un opérateur de composition dans les ATSI qui va rendre possible des synchronisations entre les systèmes et qui est construit sur la précédente composition dans les ATS. Nous finissons cette thèse par l'identification d'une sous-classe de ATSI dans laquelle tous les résultats qualitatifs et quantitatifs fournis dans cette thèse peuvent être appliqués, et qui est donc accompagnée d'une bonne structure compositionnelle au sein du modèle. / Verification is now a well-known branch in computer science. It is crucial when dealing with computer programs in automatic systems: we want to check if a given system is correct and satisfies some specifications that should be met. One way to analyse those systems is to model them mathematically. The question is then: can we check if the model satisfies the required specifications ? This is called the model-checking problem. Several models have been studied in the literature. We have an interest for models that can mix both timing and randomized aspects. In this thesis we thus study the stochastic timed automaton model (STA). The contributions of this document are twofold. First, we study the qualitative and quantitative model-checking problems of STA. STA are, in particular, general probabilistic systems and with such model, one is thus interested in questions like « Is a property satisfied, within a given model, with probability 1 ? » (qualitative) or « Can we compute an approximation of the probability that the model satisfies a given property ? » (quantitative).We study those questions for general stochastic systems using, amongst other, the notion of decisiveness used in infinite Markov chains in order to get strong qualitative and quantitative results, and that we extend here in or more general context. We prove several results for the qualitative and quantitative model-checking problems of those probabilistic systems, some of them being extensions of previous work on Markov chains, others being new, and we show how it can be applied to subclasses of STA. Then we study the compositional verification in STA. In general, a system is the result of several smaller systems working together. Compositional verification allows then one to reduce the analysis of a big system to the analyses of the smaller systems which compose it. It is then crucial to have a good compositional framework in mathematical models, and this lacks in STA. In this thesis, we define an operator of composition for STA. We first make the assumption that the STA composed run completely independently from each other, i.e. they do not communicate between them. We prove that our definition satisfies indeed this independence assumption. Such an operator of composition is not very interesting as in general, systems do communicate. But it is a necessary first step. We then introduce the new model of interactive STA (ISTA) that will allow for interactions between the systems. We define an operator of composition in ISTA that will make synchronisations possible between the systems and that is built on the previous composition in STA. We end this thesis with the identification of a subclass of ISTA in which all the qualitative and quantitative results provided in this thesis can be applied, and which thus comes with the nice compositional framework defined in the model.

Cette thèse porte sur certaines extensions des automates pondérés, et étudie les séries qu’ils réalisent en fonction de la nature des poids.Ces extensions se distinguent par les mouvements supplémentaires autorisés à la tête de lecture de l’automate : retour au début du mot pour les automates circulaires, changement de sens de lecture pour les automates boustrophédons.Dans le cas général, les automates pondérés circulaires sont plus puissants que les automates unidirectionnels classiques, et moins puissants que les boustrophédons.On introduit de plus les expressions de Hadamard, qui sont une extension des expressions rationnelles et qui permettent de dénoter le comportement des automates circulaires. Les aspects algorithmiques de cette conversion sont étudiés dans le cas où les poids appartiennent à un semi-anneau rationnellement additif.On montre que lorsque les poids sont des nombres rationnels, réels ou complexes, les automates circulaires sont aussi expressifs que les boustrophédons.Enfin, si les poids forment un bi-monoïde localement fini, les automates boustrophédons ne sont pas plus expressifs que les automates pondérés classsiques. / This thesis deals with some extensions of weighted automata,and studies the series they can realisedepending on the nature of their weigths.These extensions are characterised by howthe input head of the automaton is allowed to move:rotating automata can go back at the beginning of the word,and two-way automata can change the reading direction.In the general setting, weigthed rotating automata are morepowerful than classical one-way automata, and less powerfulthan two-way ones.Moreover, we introduce Hadamard expressions,which are an extension of rational expressions and can denotethe behaviour of rotating automata.The algorithms for this conversion are studied when the weights belong toa rationally additive semiring.Then, rotating automata are shown as expressive as two-way automatain the case of rational, real or complex numbers.It is also proved that two-way and one-way automataare equivalent when weighted on a locally finite bimonoid.

Cette thèse constitue une contribution au génie logiciel appliqué à la programmation d'automates. Elle est née d'abord du simple besoin concret d'une bonne librairie de manipulation d'automate ouverte, efficace, extensible et simple d'utilisation. A priori, la programmation générique en C++ semblant la plus adaptée à ces besoins (son originalité par rapport à la programmation purement objets, vient de ce qu'elle impose des contraintes sur les temps de calcul des opérations), le but était d'étendre ces techniques de programmation et leurs domaines d'application aux automates puis aux machines à états en général tout en rendant la librairie plus abordable grâce à la programmation générative et des composants actifs. Ce travail couvre de plus un besoin d'étude sur la programmation par patron en C++ : faisabilité, pouvoir d'expression et efficacité. Cette thèse espère apporter une solution viable à la programmation générique d'automates avec des concepts novateurs, une implémentation sous forme de librairie C++ ouverte et une expérimentation de programmation générative généralisant les résultats obtenus à l'ensemble des machines dont la structure est basée sur celle d'un graphe.

Les automates cellulaires sont un modèle de calcul massivement parallèle introduit dans les années 50. De nombreuses variantes peuvent être considérées par exemple en faisant varier la dimension de l’espace de calcul, ou les possibilités de communication entre les différentes cellules. En effet, chaque cellule ne peut communiquer qu’avec un nombre fini d’autres cellules que l’on appelle son voisinage. Mes travaux s’intéressent principalement à l’impact du choix du voisinage sur les capacités algorithmiques de ce modèle. Cet impact étant bien compris en une dimension, mes travaux portent majoritairement sur les automates cellulaires bidimensionnels. J’ai tout d’abord essayé de généraliser des propriétés classiques de certaines classes de complexité au plus de voisinages possibles. On arrive notamment à un théorème d’accélération linéaire valable pour tous les voisinages. J’ai ensuite étudié les différences entre les classes de faibles complexités en fonction du voisinage choisi. Ces travaux ont permis d’exhiber des voisinages définissant des classes incomparables, ainsi que des ensembles de voisinages définissant exactement les mêmes classes de complexité. Enfin, je présente aussi des travaux sur les différences de puissance de calcul entre les automates de dimensions différentes. / Cellular automata were introduced in the 50s by J. von Neumann and S. Ulamas an efficient way of modeling massively parallel computation. Many variations of the model can be considered such as varying the dimension of the computation space or the communication capabilities of the computing cells. In a cellular automaton each cell can communicate only with a finite number of other cells called its neighbors. My work focuses on the impact of the choice of the neighbors on the algorithmic properties of the model. My first goal was to generalize some classical properties of computation models to the widest possible class of neighborhoods, in particular I prove a linear speedup theorem for any two dimensional neighborhood. I then study the difference between the complexity classes defined by different neighborhoods, show the existence of neighborhoods defining incomparable classes, and some sets of neighborhoods defining identical classes. Finally, I also discuss the impact of the dimension of the automata on their computational power.

Dans cette thèse, nous nous intéressons au calcul d'ordonnanceurs pour les systèmes hybrides. En fait, nous considérons deux sous-classes des systèmes hybrides, les systèmes temps-réels où des tâches doivent se partager l'accès à une ressource commune, et les systèmes à commutations où un choix doit être fait sur les dynamiques à choisir en fonction d'objectifs à atteindre. Dans la première partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes d'ordonnancement et prenons comme étude de cas l'ordonnancement de tâches périodiques sur des architectures multiprocesseurs. Nous nous intéressons plus particulièrement à déterminer si l'on peut modifier certaines valeur des paramètres du système tout en respectant les contraintes temporelles sans changer d'ordonnanceur. La méthode inverse permet de prouver de manière formelle la robustesse des systèmes temporisés paramétriques. Nous introduisons une méthode de réduction du nombre d'états nécessaire à la vérification. Cette réduction nous permet de traîter des études de cas intéressantes telle que celle proposée par Astrium EADS pour le lanceur Ariane 6. Nous montrons également comment la Cartographie Comportementale, une extension de la méthode inverse, permet de trouver la zone de l'espace des paramètres où l'on a l'existence d'un ordonnancement satisfaisant les contraintes temporelles. Nous comparons cette approche avec une méthode analytique pour montrer l'intérêt de notre approche. Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons au contrôle de systèmes affines à commutation. Ces systèmes sont gouvernés par une famille d'équations différentielles linéaires et le contrôleur peut choisir laquelle va gouverner le système pendant le prochain pas de temps. Dans ce cadre, le contrôle peut être vu comme l'ordonnancement des dynamiques que le système va prendre. Le choix de la dynamique peut se faire pour des objectifs de stabilité ou d'accessibilité. Nous proposons une nouvelle méthode qui calcule un contrôleur dont la stratégie est la même pour des ensembles denses de points. Notre méthode utilise le calcul en avant, souvent préférable au calcul à rebours pour les systèmes contractants. Nous montrons que, sous certaines conditions, le système contrôlé évolue vers un comportement limite. Nous appliquons notre méthode sur plusieurs études de cas issues de la littérature ainsi qu'un exemple réel, un prototype de convertisseur de tension multiniveaux. Enfin, nous montrons que notre méthode s'étend aux systèmes comportant des perturbations ainsi qu'aux systèmes non linéaires. / In this thesis, we are interested in designing schedulers for hybrid systems. We consider two specific subclasses of hybrid systems, real-time systems where tasks are competing for the access to common resources, and sampled switched systems where a choice has to be made on dynamics of the system to reach goals. Scheduling consists in defining the order in which the tasks will be run on the processors in order to complete all the tasks before a given deadline. In the first part of this thesis, we are interested in the scheduling of periodic tasks on multiprocessor architectures. We are especially interested in the robustness of schedulers, i.e., to prove that some values of the system parameters can be modified, and until what value they can be extended while preserving the scheduling order and meeting the deadlines. The Inverse Method can be used to prove the robustness of parametric timed systems. In this thesis, we introduce a state space reduction technique which allows us to treat challenging case studies such as one provided by Astrium EADS for the launcher Ariane 6. We also present how an extension of the Inverse Method, the Behavioral Cartography, can solve the problem of schedulability, i.e., finding the area in the parametric space in which there exists a scheduler that satisfies all the deadlines. We compare this approach to an analytic method to illustrate the interest of our approach In the second part of this thesis, we are interested in the control of affine switched systems. These systems are governed by a finite family of affine differential equations. At each time step, a controller can choose which dynamics will govern the system for the next time step. Controlling in this sense can be seen as a scheduling on the order of dynamics the system will have to use. The objective for the controller can be to make the system stay in a given area of the state space (stability) or to reach a given region of the state space (reachability). In this thesis, we propose a novel approach that computes a scheduler where the strategy is uniform for dense subsets of the state space. Moreover, our approach only uses forward computation, which is better suited than backward computation for contractive systems. We show that our designed controllers, systems evolve to a limit cyclic behavior. We apply our method to several case studies from the literature and on a real-life prototype of a multilevel voltage converter. Moreover, we show that our approach can be extended to systems with perturbations and non-linear dynamics.

L'analyse des systèmes communiquant par file a fait l'objet d'études scientifiques nombreuses mais qui n'ont pu offrir des solutions totalement satisfaisantes. Nous proposons d'aborder ce problème dans le cadre de l'interprétation abstraite, en définissant des treillis abstraits adaptés à ce type de systèmes. Nous considérons d'abord le cas où les messages échangés sont assimilables à un alphabet fini, puis nous nous attaquons au cas, plus difficile, des messages portant des valeurs entières ou réelles. Ce problème nous amène à définir et à étudier un nouveau type d'automate, les automates de treillis. Ces automates de treillis peuvent également être utilisés pour l'analyses des programmes utilisant une pile d'appels.

Cette thèse s'inscrit dans l'étude de familles de graphes infinis de présentation finie, de leurs propriétés structurelles, ainsi que des comparaisons entre ces familles. Étant donné un alphabet fini Σ, un graphe infini étiqueté par Σ peut être caractérisé par un ensemble fini de relations binaires (Ra )a∈Σ sur un domaine dénombrable V quelconque. De multiples caractérisations finies de tels ensembles de relations existent, soit de façon explicite grâce à des systèmes de réécriture ou à divers formalismes de la théorie des automates, soit de façon implicite. Après un survol des principaux résultats existants, nous nous intéressons plus particulièrement à trois problèmes. Dans un premier temps, nous définissons trois familles de systèmes de réécriture de termes dont nous démontrons que la rela- tion de dérivation peut être représentée de façon finie. De ces résultats découlent plusieurs questions sur les familles de graphes infinis correspondantes. Dans un se- cond temps, nous étudions deux familles de graphes dont les ensembles de traces forment la famille des langages contextuels, à savoir les graphes rationnels et les graphes linéairement bornés. Nous nous intéressons en particulier au cas des langages contextuels déterministes, ainsi qu'à la comparaison structurelle de ces deux familles. Enfin, d'un point de vue plus proche du domaine de la vérifica- tion, nous proposons un algorithme de calcul des prédécesseurs pour une famille d'automates à pile d'ordre supérieur.