Universalité et complexité des automates cellulaires coagulants

Universality and complexity on freezing cellular automata

• Auteur / Autrice : Diego Maldonado
• Direction : Nicolas Ollinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 26/11/2018
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Informatique, Physique Théorique et Ingénierie des Systèmes (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique fondamentale d'Orléans (Orléans ; 1987-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Schabanel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Ollinger, Nicolas Schabanel, Julien Cervelle, Sylvain Sené, Inès Klimann, Eric Goles
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Julien Cervelle, Sylvain Sené

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Systèmes échantillonnés

Systèmes dynamiques

Automates cellulaires

Mots clés libres

Universalité

Automates cellulaires Coagulants

Systèmes dynamiques Discrets

Complexité

Universality

Complexity

Freezing Celular Automata

Discrete Dynamical System

Résumé

Les automates cellulaires forment une famille bien connue de modèles dynamiques discrets, introduits par S.Ulam et J. von Neumann dans les années 40. Ils ont été étudiés avec succès sous différents points de vue: modélisation, dynamique, ou encore complexité algorithmique. Dans ce travail, nous adoptons ce dernier point de vue pour étudier la famille des automates cellulaires coagulants, ceux dont l’état d’une cellule nepeut évoluer qu’en suivant une relation d’ordre prédéfinie sur l’ensemble de ses états. Nous étudions la complexité algorithmique de ces automates cellulaires de deux points de vue : la capacité de certains automates coagulants à simuler tous les autres automates cellulaires coagulants, appelée universalité intrinsèque, et la complexité temporelle de prédiction de l’évolution d’une cellule à partir d’une configuration finie, appelée complexité de prédiction. Nous montrons que malgré les sévères restrictions apportées par l’ordre sur les états,les automates cellulaires coagulants peuvent toujours exhiber des comportements de grande complexité.D’une part, nous démontrons qu’en dimension deux et supérieure il existe un automate cellulaire coagulants intrinsèquement universel pour les automates cellulaires coagulants en codant leurs états par des blocs de cellules ; cet automate cellulaire effectue au plus deux changements d’états par cellule. Ce résultat est minimal en dimension deux et peut être amélioré en passant à au plus un changement en dimensions supérieures.D’autre part, nous étudions la complexité algorithmique du problème de prédiction pour la famille des automates cellulaires totalistiques à deux états et voisinage de von Neumann en dimension deux. Dans cette famille de 32 automates, nous exhibons deux automates de complexité maximale dans le cas d’une mise à jour synchrone des cellules et nous montrons que dans le cas asynchrone cette complexité n’est atteinte qu’à partir de la dimension trois. Pour presque tous les autres automates de cette famille, nous montrons que leur complexité de prédiction est plus faible (sous l’hypothèse P 6≠NP).

Cellular automata are a well know family of discrete dynamic systems, defined by S. Ulam and J. von Neumannin the 40s. The have been successfully studied from the point of view of modeling, dynamics and computational complexity. In this work, we adopt this last point of view to study the family of freezing cellular automata, those where the state of a cell can only evolve following an order relation on the set of states. We study the complexity of these cellular automata from two points of view, the ability of some freezing cellular automata to simulate every other freezing cellular automata, called intrinsic universality, and the time complexity to predict the evolution of a cell starting from a given finite configuration, called prediction complexity. We show that despite the severe restriction of the ordering of states, freezing cellular automata can still exhibit highly complex behaviors.On the one hand, we show that in two or more dimensions there exists an intrinsically universal freezing cellular automaton, able to simulate any other freezing cellular automaton by encoding its states into blocks of cells, where each cell can change at most twice. This result is minimal in dimension two and can be even simplified to one change per cell in higher dimensions.On the other hand, we extensively study the computational complexity of the prediction problem for totalistic freezing cellular automata with two states and von Neumann neighborhood in dimension two. In this family of 32 cellular automata, we find two automata with the maximum complexity for classical synchronous cellular automata, while in the case of asynchronous evolution, the maximum complexity can only be achived in dimension three. For most of the other automata of this family, we show that they have a lower complexity (assuming P 6≠NP).