- / -

Το κύριο στοιχείο της διατριβής είναι οι Εξελικτικοί Αλγόριθμοι. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζονται οι Μιμιδικοί Αλγόριθμοι. Οι Μιμιδικοί Αλγόριθμοι είναι υβριδικά σχήματα που συνδυάζουν τους Εξελιτκικούς Αλγορίθμους με μεθόδους τοπικής αναζήτησης. Οι Μιμιδικοί Αλγόριθμοι συγκρίθηκαν με τους Εξελικτικούς Αλγορίθμους σε πληθώρα προβλημάτων ολικής βελτιστοποίησης και είχαν καλύτερα αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος μελετήθηκαν προβλήματα μη γραμμικής δυναμικής. Αυτά ήταν η εκτίμηση της περιοχής ευστάθειας διατηρητικών απεικονίσεων, η ανίχνευση συντονισμών και ο υπολογισμός περιοδικών τροχιών. Τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά. / The main objective of the thesis was the study of Evolutionary Algorithms. At the first part, Memetic Algorithms were introduced. Memetic Algorithms are hybrid schemes that combine Evolutionary Algorithms and local search methods. Memetic Algorithms were compared to Evolutionary Algorithms in various problems of global optimization and they had better performance. At the second part, problems from nonlinear dynamics were studied. These were the estimation of the stability region of conservative maps, the detection of resonances and the computation of periodic orbits. The results were satisfactory.

Στην παρούσα διατριβή ασχολούμαστε με την μελέτη περιοδικών και ασυμπτωτικών λύσεων στο περιορισμένο πρόβλημα των τεσσάρων σωμάτων. Πιο συγκεκριμένα: Στο κεφάλαιο 1 περιγράφουμε το πρόβλημα των τριών και των τεσσάρων σωμάτων, κάνοντας μια ιστορική αναδρομή και παραθέτουμε τις αρχικές εξισώσεις της κίνησης. Στο κεφάλαιο 2 μελετάμε αριθμητικά το περιορισμένο πρόβλημα των τεσσάρων σωμάτων, στην Lagrangian διαμόρφωση. Υπολογίζουμε τα σημεία ισορροπίας, καθώς και τις επιτρεπτές περιοχές κίνησης του τέταρτου σώματος. Στο κεφάλαιο 3 μελετάμε την ευστάθεια των σημείων ισορροπίας. Επίσης υπολογίζουμε και παρουσιάζουμε τις περιοχές έλξης, για το δυναμικό σύστημα των τεσσάρων σωμάτων. Στο κεφάλαιο 4 μελετάμε οικογένειες απλών συμμετρικών και μη συμμετρικών περιοδικών τροχιών του περιορισμένου προβλήματος των τεσσάρων σωμάτων. Υπολογίζουμε για κάθε περίπτωση τιμών των μαζών, σειρές κρίσιμων περιοδικών τροχιών κάθε οικογένειας ξεχωριστά. Τέλος στο κεφάλαιο 5 μελετάμε αριθμητικά οικογένειες απλών ασύμμετρων περιοδικών τροχιών στο περιορισμένο πρόβλημα των τεσσάρων σωμάτων, έχοντας θέσει ως πρωτεύοντα σώματα τους ΄Ηλιο - Δία και έναν Τρωικό Αστεροειδή και θεωρώντας ως τέταρτο αμελητέας μάζας σώμα ένα διαστημόπλοιο. Τα πρωτεύοντα σώματα υπακούουν στην ευσταθή Lagrangian τριγωνική διαμόρφωση. Μελετήσαμε επίσης αναλυτικά και αριθμητικά τις λύσεις στην περιοχή των ευσταθών σημείων ισορροπίας του συστήματος, βρήκαmε οικογένειες περιοδικών λύσεων και μελετήσαμε την γραμμική ευστάθεια τους. Τα αποτελέσματα των κεφαλαίων 2,3,4 και 5 έχουν δημοσιευτεί σε τρία διεθνή περιοδικά και ένα κομμάτι του κεφαλαίου 5 παρουσιάστηκε σε διεθνές συνέδριο (με συγγραφείς τους Μπαλταγιάννη Α. και Παπαδάκη Κ.). Πιο συγκεκριμένα η μελέτη των κεφαλαίων 2 και 3 έχει δημοσιευτεί στο περιοδικό “International Journal of Bifurcation and Chaos, 21, 2011, pp. 2179-2193” με τον τίτλο: “Equilibrium Points and their stability in the restricted four-body problem”. Τα αποτελέσματα του κεφαλαίου 4 δημοσιεύτηκαν mε τον τίτλο: “Families of periodic orbits in the restricted four-body problem” στο περιοδικό “Astrophysics and Space Science, 336, 2011, pp. 357-367”. Επίσης το κεφάλαιο 5 υπό τον τίτλο “Periodic solutions in the Sun - Jupiter - Trojan Asteroid - Spacecraft system”, δημοσιεύτηκε στο περιοδικό ”Planetary and Space Science, 75, 2013, pp. 148-157”. Το διεθνές συνέδριο στο οποίο παρουσιάστηκε τμήμα του κεφαλαίου 5 ήταν το : “10th Hellenic Astronomical Conference, Proceedings of the conference held at Ioannina, Greece, 5-8 September 2011, pp. 23-24” και η εργασία είχε τίτλο: “Families of periodic orbits in the Sun - Jupiter - Trojan Asteroid system”. Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε με την οικονομική υποστήριξη του ερευνητικού προγράμματος του Πανεπιστημίου Πατρών: Κ. Καραθεοδωρή. / In this thesis we are concerned with the periodic and asymptotic solutions of the restricted four - body problem. In chapter 1 we describe the three - body and four - body problem, starting with historical information. We also present the needed equations of motion and integrals of the problem. In chapter 2 we study numerically the problem of four - bodies, according to the Lagrangian equilateral triangle configuration. We find the equilibrium points and the allowed regions of motion. In chapter 3 we study the stability of the relative equibrium solutions. We also illustrate the regions of the basins of attraction for the equilibrium points of the present dynamical model. In chapter 4 we present families of simple symmetric and non-symmetric periodic orbits in the restricted four-body problem. Series of critical periodic orbits of each family and in any case of the mass parameters are also calculated. In chapter 5 we study, numerically, families of simple non-symmetric periodic orbits of the restricted four-body problem, where we consider the three primary bodies as Sun, Jupiter and a Trojan Asteroid and as a massless fourth body, a spacecraft. The primary bodies are set in the stable Lagrangian equilateral triangle configuration. We also study analytically the solutions in the neighborhood of the stable equilibrium points and the linear stability of each periodic solution. The results of the chapters 2,3,4 and 5 have been published in three journals and a part of chapter 5 has been presented in an international conference. Chapters 2 and 3 have been published in “International Journal of Bifurcation and Chaos, 21, 2011, pp. 2179-2193” under the title of “Equilibrium Points and their stability in the restricted four-body problem”. Chapter 4 has been titled “Families of periodic orbits in the restricted four- body problem” and published in “Astrophysics and Space Science, 336, 2011, pp. 357-367”. Chapter 5 has been titled “Periodic solutions in the Sun - Jupiter - Trojan Asteroid - Spacecraft system,” and published in “Planetary and Space Science, 75, 2013, pp. 148-157”. The conference was the “10th Hellenic Astronomical Conference, Proceedings of the conference held at Ioannina, Greece, 5-8 September 2011, pp. 23-24” and part of the chapter 5 was presented under the title of “Families of periodic orbits in the Sun - Jupiter - Trojan Asteroid system”. This thesis was compiled while the author was in receipt of “K.Karatheodory” research grant.

Η διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στη μελέτη νέων τεχνικών κρυπτογραφίας και κρυπτανάλυσης, αλλά και στην ανάπτυξη νέων πρωτοκόλλων για την ασφαλή ηλεκτρονική συγκέντρωση δεδομένων. Το πρώτο πρόβλημα το οποίο διερεύνησε η διατριβή ήταν η δυνατότητα εφαρμογής των μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην κρυπτολογία. Στόχος ήταν η ανίχνευση των κρίσιμων σημείων κατά την εφαρμογή των μεθόδων αυτών στον πολύ απαιτητικό αυτό τομέα προβλημάτων και η μελέτη της αποτελεσματικότητας και της αποδοτικότητάς τους σε διάφορα προβλήματα κρυπτολογίας. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα της διατριβής για την εφαρμογή μεθόδων Υπολογιστικής Νοημοσύνης στην κρυπτολογία υποδεικνύουν ότι παρά το γεγονός ότι η κατασκευή των αντικειμενικών συναρτήσεων είναι πολύ κρίσιμη για την αποδοτικότητα των μεθόδων, η Υπολογιστική Νοημοσύνη μπορεί να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στον κλάδο αυτό όπως είναι η αυτοματοποίηση κάποιων διαδικασιών κρυπτανάλυσης ή κρυπτογράφησης, ο γρήγορος έλεγχος της σθεναρότητας νέων κρυπτοσυστημάτων αλλά και ο συνδυασμός τους με τυπικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα για την αξιοποίηση της απλότητας και της αποδοτικότητάς τους. Το δεύτερο πρόβλημα που μελετάται στην διατριβή είναι η εφαρμογή μεθόδων αντίστροφης πολυωνυμικής παρεμβολής για την εύρεση της τιμής του διακριτού λογαρίθμου αλλά και του λογαρίθμου του Lucas. Για την μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν δύο υπολογιστικές μέθοδοι αντίστροφης πολυωνυμικής παρεμβολής, οι μέθοδοι Aitken και Neville, οι οποίες είναι κατασκευαστικές και επιτρέπουν την πρόσθεση νέων σημείων παρεμβολής για καλύτερη προσέγγιση του πολυωνύμου με μικρό υπολογιστικό κόστος. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι και με την προτεινόμενη μεθοδολογία το συνολικό κόστος υπολογισμού της τιμής των λογαρίθμων παραμένει υψηλό, ωστόσο η κατανομή των πολυωνύμων που έδωσαν την λύση των προβλημάτων δείχνει ότι η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε είτε εντόπισε την λύση στα πρώτα στάδια κατασκευής των πολυωνύμων είτε εντόπισε πολυώνυμα μικρού σχετικά βαθμού που προσεγγίζουν την αντίστοιχη λύση. Το τρίτο πρόβλημα που πραγματεύεται η παρούσα διατριβή είναι η δημιουργία νέων σθεναρών κρυπτοσυστημάτων με την χρήση μη-γραμμικών δυναμικών απεικονίσεων. Η αξιοποίηση των ιδιοτήτων του χάους στην κρυπτογραφία έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης τα τελευταία χρόνια από τους ερευνητές λόγω της αποδεδειγμένης πολυπλοκότητας των συστημάτων του και των ιδιαίτερων στατιστικών ιδιοτήτων τους. Η διατριβή συνεισφέρει προτείνοντας ένα νέο συμμετρικό κρυπτοσύστημα που βασίζεται σε περιοδικές δυναμικές τροχιές και παρουσιάζει και τρεις τροποποιήσεις του που το καθιστούν ιδιαίτερα σθεναρό απέναντι στις συνήθεις κρυπταναλυτικές επιθέσεις. Δίνεται επίσης το υπολογιστικό κόστος κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφης του προτεινόμενου σχήματος και παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα που δείχνουν ότι η δομή των κρυπτογραφημάτων του κρυπτοσυστήματος δεν παρέχει πληροφορία για την ύπαρξη τυχόν μοτίβων στο αρχικό κείμενο. Τέλος, στην διατριβή αυτή προτείνονται δύο πρωτόκολλα για την ασφαλή ηλεκτρονική συγκέντρωση δεδομένων. Η συγκέντρωση δεδομένων από διαφορετικές βάσεις με ασφάλεια και ιδιωτικότητα θα ήταν σημαντική για την μελέτη των γνώσεων που ενυπάρχουν στα δεδομένα αυτά, με διάφορες μεθόδους εξόρυξης δεδομένων και ανάλυσης, καθώς οι γνώσεις αυτές ενδεχομένως δεν θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν από την επιμέρους μελέτη των δεδομένων χωριστά από κάθε βάση. Τα δύο πρωτόκολλα που προτείνονται βασίζονται σε τροποποιήσεις πρωτοκόλλων ηλεκτρονικών εκλογών με τρόπο τέτοιο ώστε να ικανοποιούνται τα απαραίτητα κριτήρια ασφάλειας και ιδιωτικότητας που απαιτούνται για την συγκέντρωση των δεδομένων. Η βασική διαφορά των δύο πρωτοκόλλων είναι ότι στο ένα γίνεται χρήση έμπιστου τρίτου μέλους για την συγκέντρωση των δεδομένων, ενώ στο δεύτερο όχι. Και στις δύο περιπτώσεις, παρουσιάζεται ανάλυση της ασφάλειας των σχημάτων αλλά και της πολυπλοκότητάς τους αναφορικά με το υπολογιστικό τους κόστος. / In this PhD thesis we study problems of cryptography and cryptanalysis through Computational Intelligence methods and computational mathematics. Furthermore, we examine the establishment and security of new privacy preserving protocols for electronic data gathering. Part I is dedicated to the application of Computational Intelligence (CI) methods, namely Evolutionary Computation (EC) methods and Artificial Neural Networks (ANNs), for solving problems of cryptology. Initially, three problems of cryptanalysis are formulated as discrete optimization tasks and Evolutionary Computation methods are utilized to address them. The first conclusion derived by these experiments is that when EC methods are applied to cryptanalysis special attention must be paid to the design of the fitness function so as to include as much information as possible for the target problem. The second conclusion is that when EC methods (and CI methods in general) can be used as a quick practical assessment for the efficiency and the effectiveness of proposed cryptographic systems. We also apply EC methods for the cryptanalysis of Feistel ciphers and for designing strong Substitution boxes. The results show that the proposed methods are able to tackle theses problem efficiently and effectively with low cost and in automated way. Then, ANNs are employed for classical problems of cryptography as a measure of their robustness. The results show that although different topologies, training methods and formulation of the problems were tested, ANNs were able to obtain the solution of the problems at hand only for small values of their parameters. The performance of ANNs is also studied on the computation of a Boolean function derived from the use of elliptic curves in cryptographic applications. The results indicate that ANNs are able to adapt to the data presented with high accuracy, while their response to unknown data is slightly better than a random selection. Another important finding is that ANNs require a small amount of storage for the known patterns in contrast to the storage needed of the data itself. Finally, a theoretical study of the application of Ridge Polynomial Networks for the computation of the least significant bit of the discrete logarithm is presented. In Part II, computational mathematics are utilized for different cryptographic problems. Initially, we consider the Aitken and Neville inverse interpolation methods for a discrete exponential function and the Lucas logarithm function. The results indicate that the computational cost for addressing the problems through this approach is high; however interesting features regarding the degree of the resulting interpolation polynomials are reported. Next, a new symmetric key cryptosystem that exploits the idea of nonlinear mappings and their fixed points to encrypt information is presented. Furthermore, a measure of the quality of the keys used is introduced. The experimental results indicate that the proposed cryptosystem is efficient and secure to ciphertext-only attacks. Finally, three modifications of the basic cryptosystem that render it more robust are presented and efficiency issues are discussed. Finally, at Part III of the thesis, two protocols for privacy preserving electronic data gathering are proposed. The security requirements that must be met for data gathering with privacy are presented and then two protocols, based on electronic voting protocols, are analytically described. Security and complexity issues are also discussed.