The limits of Nečiporuk’s method and the power of programs over monoids taken from small varieties of finite monoids

Cette thèse porte sur des minorants pour des mesures de complexité liées à des sous-classes de la classe P de langages pouvant être décidés en temps polynomial par des machines de Turing. Nous considérons des modèles de calcul non uniformes tels que les programmes sur monoïdes et les programmes de branchement. Notre première contribution est un traitement abstrait de la méthode de Nečiporuk pour prouver des minorants, indépendamment de toute mesure de complexité spécifique. Cette méthode donne toujours les meilleurs minorants connus pour des mesures telles que la taille des programmes de branchements déterministes et non déterministes ou des formules avec des opérateurs booléens binaires arbitraires ; nous donnons une formulation abstraite de la méthode et utilisons ce cadre pour démontrer des limites au meilleur minorant obtenable en utilisant cette méthode pour plusieurs mesures de complexité. Par là, nous confirmons, dans ce cadre légèrement plus général, des résultats de limitation précédemment connus et exhibons de nouveaux résultats de limitation pour des mesures de complexité auxquelles la méthode de Nečiporuk n’avait jamais été appliquée. Notre seconde contribution est une meilleure compréhension de la puissance calculatoire des programmes sur monoïdes issus de petites variétés de monoïdes finis. Les programmes sur monoïdes furent introduits à la fin des années 1980 par Barrington et Thérien pour généraliser la reconnaissance par morphismes et ainsi obtenir une caractérisation en termes de semi-groupes finis de NC^1 et de ses sous-classes. Étant donné une variété V de monoïdes finis, on considère la classe P(V) de langages reconnus par une suite de programmes de longueur polynomiale sur un monoïde de V : lorsque l’on fait varier V parmi toutes les variétés de monoïdes finis, on obtient différentes sous-classes de NC^1, par exemple AC^0, ACC^0 et NC^1 quand V est respectivement la variété de tous les monoïdes apériodiques finis, résolubles finis et finis. Nous introduisons une nouvelle notion de docilité pour les variétés de monoïdes finis, renforçant une notion de Péladeau. L’intérêt principal de cette notion est que quand une variété V de monoïdes finis est docile, nous avons que P(V) contient seulement des langages réguliers qui sont quasi reconnus par morphisme par des monoïdes de V. De nombreuses questions ouvertes à propos de la structure interne de NC^1 seraient réglées en montrant qu’une variété de monoïdes finis appropriée est docile, et, dans cette thèse, nous débutons modestement une étude exhaustive de quelles variétés de monoïdes finis sont dociles. Plus précisément, nous portons notre attention sur deux petites variétés de monoïdes apériodiques finis bien connues : DA et J. D’une part, nous montrons que DA est docile en utilisant des arguments de théorie des semi-groupes finis. Cela nous permet de dériver une caractérisation algébrique exacte de la classe des langages réguliers dans P(DA). D’autre part, nous montrons que J n’est pas docile. Pour faire cela, nous présentons une astuce par laquelle des programmes sur monoïdes de J peuvent reconnaître beaucoup plus de langages réguliers que seulement ceux qui sont quasi reconnus par morphisme par des monoïdes de J. Cela nous amène à conjecturer une caractérisation algébrique exacte de la classe de langages réguliers dans P(J), et nous exposons quelques résultats partiels appuyant cette conjecture. Pour chacune des variétés DA et J, nous exhibons également une hiérarchie basée sur la longueur des programmes à l’intérieur de la classe des langages reconnus par programmes sur monoïdes de la variété, améliorant par là les résultats de Tesson et Thérien sur la propriété de longueur polynomiale pour les monoïdes de ces variétés.

Keyphrases: Complexité algorithmique, Minorants, Nečiporuk, Programmes sur monoïdes, DA, J