Search and broadcast in stochastic environments, a biological perspective. - TEL - Thèses en ligne
Theses Year : 2018

Search and broadcast in stochastic environments, a biological perspective.

Recherche et diffusion d'informations dans un environnement bruité, une perspective biologique.

Abstract

This thesis is built around two series of works, each motivated by experiments on ants. We derive and analyse new models, that use computer science concepts and methodology, despite their biological roots and motivation. The first model studied in this thesis takes its inspiration in collaborative transport of food in the P. Longicornis species. We find that some key aspects of the process are well described by a graph search problem with noisy advice. The advice corresponds to characteristic short scent marks laid in front of the load in order to facilitate its navigation. In this thesis, we provide detailed analysis of the model on trees, which are relevant graph structures from a computer science standpoint. In particular our model may be viewed as a noisy extension of binary search to trees. Tight results in expectation and high probability are derived with matching upper and lower bounds. Interestingly, there is a sharp phase transition phenomenon for the expected runtime, but not when the algorithms are only required to succeed with high probability. The second model we work with was initially designed to capture information broadcast amongst desert ants. The model uses a stochastic meeting pattern and noise in the interactions, in a way that matches experimental data. Within this theoretical model, we present in this document a strong lower bound on the number of interactions required before information can be spread reliably. Experimentally, we see that the time required for the recruitment process of even few ants increases sharply with the group size, in accordance with our result. A theoretical consequence of the lower bound is a separation between the uniform noisy PUSH and PULL models of interaction. We also study a close variant of broadcast, without noise this time but under more strict convergence requirements and show that in this case, the problem can be solved efficiently, even with very limited exchange of information on each interaction.
Cette thèse s’articule autour de deux séries de travaux motivés par des expériences sur des fourmis. Bien qu’inspirés par la biologie, les modèles que nous développons utilisent une terminologie et une approche typique de l’informatique théorique. Le premier modèle s’inspire du transport collaboratif de nourriture au sein de l’espèce P. Longicornis. Certains aspects fondamentaux du processus peuvent être décrits par un problème de recherche sur un graphe augmenté d'un certain type d’indications bruitées à chaque noeud. Ces indications représentent de courtes traces de phéromones déposées devant l’objet transporté afin de faciliter la navigation. Dans cette thèse, nous donnons une analyse complète du problème lorsque le graphe sous-jacent est un arbre, une hypothèse pertinente dans un cadre informatique. En particulier, notre modèle peut être vu comme une généralisation de la recherche binaire aux arbres en présence de bruit. De manière surprenante, les comportements des algorithmes optimaux dans ce cadre diffèrent suivant le type de garantie que l’on étudie : convergence en moyenne ou avec grande probabilité. Le deuxième modèle présenté dans cette thèse décrit la diffusion d’informations au sein de fourmis du désert. Dans notre modèle, les échanges ont lieu uniformément au hasard, et sont sujets à du bruit. Nous prouvons une borne inférieure sur le nombre d’interactions requis en fonction de la taille du groupe. La borne, de même que les hypothèses du modèle, semblent compatible avec les données expérimentales. Une conséquence théorique de ce résultat est une séparation dans ce cadre des variantes PUSH et PULL pour le problème du broadcast avec bruit. Nous étudions aussi une version du problème avec des garanties de convergence plus fortes. Dans ce cas, le problème peut être résolu efficacement, même si les messages échangés au cours de chaque interaction sont très limités.
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tel-01963290 , version 1 (21-12-2018)

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  • HAL Id : tel-01963290 , version 1

Cite

Lucas Boczkowski. Search and broadcast in stochastic environments, a biological perspective.. Computer Science [cs]. Université Paris 7, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01963290⟩
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