1. Qualitative Determinacy and Decidability of Stochastic Games with Signals
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Hugo Gimbert, Nathalie Bertrand, Blaise Genest, SUpervision of large MOdular and distributed systems (SUMO), Inria Rennes – Bretagne Atlantique, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-LANGAGE ET GÉNIE LOGICIEL (IRISA-D4), Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA), Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique (LaBRI), Université de Bordeaux (UB)-École Nationale Supérieure d'Électronique, Informatique et Radiocommunications de Bordeaux (ENSEIRB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-13-BS02-0011,Stoch-MC,Modèles stochastiques: passage à l'échelle pour le Model Checking(2013), Université de Bretagne Sud (UBS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-CentraleSupélec-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Bordeaux (UB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale Supérieure d'Électronique, Informatique et Radiocommunications de Bordeaux (ENSEIRB), Gimbert, Hugo, Programme 'Sécurité et Informatique' - Systèmes distribués, ouverts et temporisés - - DOTS2006 - ANR-06-SETI-0003 - SETI - VALID, Verification models and techniques applied to testing and control of reactive systems (VERTECS), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Distributed and Iterative Algorithms for the Management of Telecommunications Systems (DISTRIBCOM), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), ANR-06-SETI-0003,DOTS,Systèmes distribués, ouverts et temporisés(2006), Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique
- Subjects
Mathematical optimization ,0209 industrial biotechnology ,Matching (statistics) ,Determinacy ,Computer Science::Computer Science and Game Theory ,Theoretical computer science ,EXPTIME ,0102 computer and information sciences ,02 engineering and technology ,Markov Processes ,Outcome (game theory) ,01 natural sciences ,parity games ,020901 industrial engineering & automation ,Security and privacy → Logic and verification ,Computing methodologies → Multi-agent systems ,Artificial Intelligence ,Reachability ,Software/Program Verification—Model checking ,partial observation ,Almost surely ,0101 mathematics ,Mathematics ,Standard model (cryptography) ,Discrete mathematics ,[INFO.INFO-GT]Computer Science [cs]/Computer Science and Game Theory [cs.GT] ,Imperfect information ,010102 general mathematics ,Perfect information ,ComputingMilieux_PERSONALCOMPUTING ,Controller Synthesis ,algorithmic game theory ,Additional Key Words and Phrases: Controller synthesis ,Applied computing → Economics ,Decidability ,Range (mathematics) ,Design Aids ,Hardware and Architecture ,Control and Systems Engineering ,010201 computation theory & mathematics ,[INFO.INFO-GT] Computer Science [cs]/Computer Science and Game Theory [cs.GT] ,Algorithmic game theory ,determinacy ,Mathematical economics ,Stochastic games ,Software ,Mathematics of computing → Markov processes ,Information Systems - Abstract
We consider two-person zero-sum stochastic games with signals, a standard model of stochastic games with imperfect information. The only source of information for the players consists of the signals they receive; they cannot directly observe the state of the game, nor the actions played by their opponent, nor their own actions. We are interested in the existence of almost-surely winning or positively winning strategies, under reachability, safety, Büchi, or co-Büchi winning objectives, and the computation of these strategies when the game has finitely many states and actions. We prove two qualitative determinacy results. First, in a reachability game, either player 1 can achieve almost surely the reachability objective, or player 2 can achieve surely the dual safety objective, or both players have positively winning strategies. Second, in a Büchi game, if player 1 cannot achieve almost surely the Büchi objective, then player 2 can ensure positively the dual co-Büchi objective. We prove that players only need strategies with finite memory . The number of memory states needed to win with finite-memory strategies ranges from one (corresponding to memoryless strategies) to doubly exponential, with matching upper and lower bounds. Together with the qualitative determinacy results, we also provide fix-point algorithms for deciding which player has an almost-surely winning or a positively winning strategy and for computing an associated finite-memory strategy. Complexity ranges from EXPTIME to 2EXPTIME, with matching lower bounds. Our fix-point algorithms also enjoy a better complexity in the cases where one of the players is better informed than their opponent. Our results hold even when players do not necessarily observe their own actions. The adequate class of strategies, in this case, is mixed or general strategies (they are equivalent). Behavioral strategies are too restrictive to guarantee determinacy: it may happen that one of the players has a winning general strategy but none of them has a winning behavioral strategy. On the other hand, if a player can observe their actions, then general, mixed, and behavioral strategies are equivalent. Finite-memory strategies are sufficient for determinacy to hold, provided that randomized memory updates are allowed.
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- 2017
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