Accumulation curves of signal-machines
Courbes d'accumulations des machines à signaux
Résumé
This thesis studies a geometric computational model: signal machines. We show how to draw function graphs using-binary trees. In the world of cellular automata, we often consider particles or signals: structures that are periodic in time and space, that is, structures that move at constant speed. When several signals meet, a collision occurs, and the incoming signals can continue, disappear, or give rise to new signals, depending on the rules of the cellular automaton. Signal-machines are a computational model that takes these signals as basic building blocks. Visualized in a space-time diagram, with space on the horizontal axis and time running upwards, this model consists of calculating by drawing segments and half-lines. We draw segments upwards until two or more intersect, and then start new segments, according to predefined rules. Compared to cellular automata, signal-machines allow for the emergence of a new phenomenon: the density of signals can be arbitrarily large, even infinite, even when starting from a finite initial configuration. Such points in the space-time diagram, whose neighborhoods contain an infinity of signals, are called accumulation points.This new phenomenon allows us to define new problems geometrically. For example, what are the isolated accumulation points that can be achieved using rational initial positions and rational velocities? Can we make so the set of accumulation points is a segment? A Cantor set? In this thesis, we tackle the problem of characterizing the function graphs that can be drawn using an accumulation set. This work fits into the exploration of the computational power of signal-machines, which in turn fits into the study of the computational power of non-standard models. We show that the functions from a compact segment of the line of Real numbers whose graph coincides with the accumulation set of a signal machine are exactly the continuous functions. More generally, we show how signal machines can draw any lower semicontinuous function. We also study the question under computational constraints, with the following result: if a computable signal-machine diagram coincides with the graph of a Lipschitz-function of sufficiently small Lipschitz coefficient, then that function is the limit of a growing and computable sequence of rational step functions.
Cette thèse s'inscrit dans l'étude d'un modèle de calcul géométrique : les machines à signaux. Nous y montrons comment tracer des graphes de fonctions à l'aide d'arbres unaire-binaires. Dans le monde des automates cellulaires, il est souvent question de particules ou signaux : des structures périodiques dans le temps et l'espace, autrement dit des structures qui se déplacent à vitesse constante. Lorsque plusieurs signaux se rencontrent, une collision a lieu, et les signaux entrant peuvent continuer, disparaître ou laisser place à d'autres signaux, en fonctions des règles de l'automate cellulaire. Les machines à signaux sont un modèle de calcul qui reprend ces signaux comme briques de base. Visualisées dans un diagramme espace-temps, l'espace en axe horizontal et le temps vertical s'écoulant vers le haut, ce modèle revient à calculer par le dessin de segments et demi-droites colorés. On trace, de bas en haut, des segments jusqu'à ce que deux ou plus s'intersectent, et l'on démarre alors de nouveau segments, en fonctions de règles prédéfinies. Par rapport aux automates cellulaires, les machines à signaux permettent l'émergence d'un nouveau phénomène : la densité des signaux peut être arbitrairement grande et même infinie, y compris en partant d'une configuration initiale de densité finie. De tels points du diagramme espace-temps, des points au voisinage desquels se trouvent une infinité de signaux, sont appelés points d'accumulation. Ce nouveau phénomène permet de définir de nouveau problèmes, géométriquement. Par exemple : quels sont les points d'accumulations isolés possibles en utilisant des positions initiales et des vitesses rationnelles ? Peut-on faire en sorte que l'ensemble des points d'accumulation forment un segment ? un ensemble de Cantor ? Dans cette thèse, nous nous attelons à caractériser des graphes de fonctions qu'il est possible de dessiner par un ensemble d'accumulation. Elle s'inscrit dans l'exploration de la puissance de calcul des machines à signaux, qui s'inscrit plus généralement dans l'étude de la puissance de calcul de modèles non standards. Nous y montrons que les fonctions d'un segment compact de la droite réelle dont le graphe coïncide avec l'ensemble d'accumulation d'une machine à signaux sont exactement les fonctions continues. Nous montrons plus généralement comment les machines à signaux peuvent dessiner n'importe quel fonction semi-continue inférieurement. Nous étudions aussi la question sous des contraintes de calculabilité, avec le résultat suivant : si un diagramme de machine à signaux calculable coïncide avec le graphe d'un fonction suffisamment lipschitzienne, cette fonction est limite calculable d'une suite croissante de fonctions en escalier rationnelles.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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