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1 CERMICS - Centre d-Enseignement et de Recherche en Mathématiques et Calcul Scientifique

Abstract : The colorful Carathéodory theorem, proved by Bárány in 1982, states the following. Given d Å1 sets of points S1, . . . ,SdÅ1 µ Rd , each of them containing 0 in its convex hull, there exists a colorful set T containing 0 in its convex hull, i.e. a set T µ SdÅ1 iÆ1 Si such that jT \Si j • 1 for all i and such that 0 2 convT . This result gave birth to several questions, some algorithmic and some more combinatorial. This thesis provides answers on both aspects. The algorithmic questions raised by the colorful Carathéodory theorem concern, among other things, the complexity of finding a colorful set under the condition of the theorem, and more generally of deciding whether there exists such a colorful set when the condition is not satisfied. In 1997, Bárány and Onn defined colorful linear programming as algorithmic questions related to the colorful Carathéodory theorem. The two questions we just mentioned come under colorful linear programming. This thesis aims at determining which are the polynomial cases of colorful linear programming and which are the harder ones. New complexity results are obtained, refining the sets of undetermined cases. In particular, we discuss some combinatorial versions of the colorful Carathéodory theorem from an algorithmic point of view. Furthermore, we show that computing a Nash equilibrium in a bimatrix game is polynomially reducible to a colorful linear programming problem. On our track, we found a new way to prove that a complementarity problem belongs to the PPAD class with the help of Sperner’s lemma. Finally, we present a variant of the -Bárány-Onn- algorithm, which is an algorithmcomputing a colorful set T containing 0 in its convex hull whose existence is ensured by the colorful Carathéodory theorem. Our algorithm makes a clear connection with the simplex algorithm. After a slight modification, it also coincides with the Lemke method, which computes a Nash equilibriumin a bimatrix game. The combinatorial question raised by the colorful Carathéodory theorem concerns the number of positively dependent colorful sets. Deza, Huang, Stephen, and Terlaky Colourful simplicial depth, Discrete Comput. Geom., 35, 597–604 2006 conjectured that, when jSi j Æ d Å1 for all i 2 {1, . . . ,d Å1}, there are always at least d2Å1 colourful sets containing 0 in their convex hulls. We prove this conjecture with the help of combinatorial objects, known as the octahedral systems. Moreover, we provide a thorough study of these objects

Résumé : Le théorème de Carathéodory coloré, prouvé en 1982 par Bárány, énonce le résultat suivant. Etant donnés d Å1 ensembles de points S1,SdÅ1 dans Rd , si chaque Si contient 0 dans son enveloppe convexe, alors il existe un sous-ensemble arc-en-ciel T µ SdÅ1 iÆ1 Si contenant 0 dans son enveloppe convexe, i.e. un sous-ensemble T tel que jT \Si j • 1 pour tout i et tel que 0 2 convT . Ce théorème a donné naissance à de nombreuses questions, certaines algorithmiques et d’autres plus combinatoires. Dans ce manuscrit, nous nous intéressons à ces deux aspects. En 1997, Bárány et Onn ont défini la programmation linéaire colorée comme l’ensemble des questions algorithmiques liées au théorème de Carathéodory coloré. Parmi ces questions, deux ont particulièrement retenu notre attention. La première concerne la complexité du calcul d’un sous-ensemble arc-en-ciel comme dans l’énoncé du théorème. La seconde, en un sens plus générale, concerne la complexité du problème de décision suivant. Etant donnés des ensembles de points dans Rd , correspondant aux couleurs, il s’agit de décider s’il existe un sous-ensemble arc-en-ciel contenant 0 dans son enveloppe convexe, et ce en dehors des conditions du théorème de Carathéodory coloré. L’objectif de cette thèse est de mieux délimiter les cas polynomiaux et les cas -difficiles- de la programmation linéaire colorée. Nous présentons de nouveaux résultats de complexités permettant effectivement de réduire l’ensemble des cas encore incertains. En particulier, des versions combinatoires du théorème de Carathéodory coloré sont présentées d’un point de vue algorithmique. D’autre part, nous montrons que le problème de calcul d’un équilibre de Nash dans un jeu bimatriciel peut être réduit polynomialement à la programmation linéaire coloré. En prouvant ce dernier résultat, nous montrons aussi comment l’appartenance des problèmes de complémentarité à la classe PPAD peut être obtenue à l’aide du lemme de Sperner. Enfin, nous proposons une variante de l’algorithme de Bárány et Onn, calculant un sous ensemble arc-en-ciel contenant 0 dans son enveloppe convexe sous les conditions du théorème de Carathéodory coloré. Notre algorithme est clairement relié à l’algorithme du simplexe. Après une légère modification, il coïncide également avec l’algorithme de Lemke, calculant un équilibre de Nash dans un jeu bimatriciel. La question combinatoire posée par le théorème de Carathéodory coloré concerne le nombre de sous-ensemble arc-en-ciel contenant 0 dans leurs enveloppes convexes. Deza, Huang, Stephen et Terlaky Colourful simplicial depth, Discrete Comput. Geom., 35, 597–604 2006 ont formulé la conjecture suivante. Si jSi j Æ d Å1 pour tout i 2 {1, . . . ,d Å1}, alors il y a au moins d2Å1 sous-ensemble arc-en-ciel contenant 0 dans leurs enveloppes convexes. Nous prouvons cette conjecture à l’aide d’objets combinatoires, connus sous le nom de systèmes octaédriques, dont nous présentons une étude plus approfondie

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Keywords : Linear programming Colourful Carathéodory theorem Octahedral systems Complexity Linear complementarity

Mots-clés : Programmation linéaire Théorème de Carathéodory coloré Systèmes octaériques Complexité algorithmique Complémentarité linéaire





Author: Pauline Sarrabezolles -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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