Dans ce travail, nous considérons le problème suivant : étant donné un graphe orienté D, contient-il une subdivision d’un digraphe fixé F ? Nous pensons qu’il existe une dichotomie entre les instances polynomiales et NP-complètes. Nous donnons plusieurs exemples pour les deux cas. En particulier, sauf pour cinq instances, nous sommes capable de classer tous les digraphes d’ordre 4. Alors que toutes les preuves NP-complétude sont faites par réduction de une version du problème 2-linkage en digraphes, nous utilisons différents outils algorithmiques pour prouver la solvabilité en temps polynomial de certains cas, certains d’entre eux impliquant des algorithmes relativement complexes. Les techniques varient des simples algorithmes de force brute, aux algorithmes basés sur des calculs maximale de flot, et aux décompositions en anses des digraphes fortement connexes, entre autres. Pour terminer, nous traitons le cas particulier où F étant une union disjointe de cycles dirigés. En particulier, nous montrons que les cycles dirigés de longueur au moins 3 possède la Propriété d’Erdos-Pósa : pour tout n, il existe un entier tn tel que pour tout digraphe D, soit D a n cycles dirigés disjoints de longueur au moins 3, soit il y a un ensemble T d’au plus tn sommets qui intersecte tous les cycles dirigés de longueur au moins 3. De ce résultat, nous déduisons que si F est l’union disjointe de cycles dirigés de longueur au plus 3, alors on peut décider en temps polynomial si un digraphe contient une subdivision de F. / In this work, we consider the following problem: Given a directed graph D, does it contain a subdivision of a prescribed digraph F? We believe that there is a dichotomy between NP-complete and polynomial-time solvable instances of this problem. We present many examples of both cases. In particular, except for five instances, we are able to classify all the digraphs F of order 4.While all NP-hardness proofs are made by reduction from some version of the 2-linkage problem in digraphs, we use different algorithmic tools for proving polynomial-time solvability of certain instances, some of them involving relatively complicated algorithms. The techniques vary from easy brute force algorithms, algorithms based on maximum-flow calculations, handle decompositions of strongly connected digraphs, among others. Finally, we treat the very special case of F being the disjoint union of directed cycles. In particular, we show that the directed cycles of length at least 3 have the Erdos-Pósa Property: for every n, there exists an integer tn such that for every digraph D, either D contains n disjoint directed cycles of length at least 3, or there is a set T of tn vertices that meets every directed cycle of length at least 3. From this result, we deduce that if F is the disjoint union of directed cycles of length at most 3, then one can decide in polynomial time if a digraph contains a subdivision of F.

Dans la nature existent de nomreux exemples de systèmes dynamiques complexes: systèmes neuronaux, communautés, écosystèmes, réseaux de régulation génétiques, etc. Ces derniers, en particulier, sont de notre intérêt et sont souvent modélisés par des réseaux booléens. Un réseau booléenne peut être considérée comme un digraphe, où les sommets correspondent à des gènes ou de produits de gènes, tandis que les arcs indiquent les interactions entre eux. Une niveau d'expression des gènes est modélisé par des valeurs binaires, 0 ou 1, indiquant deux états de la transcription, soit activité, soit inactivité, respectivement, et ce niveau change dans le temps selon certains fonction locaux d'activation qui dépend des états d'un ensemble de nœuds (les gènes). L'effet conjoint des fonctions d'activation locale définit une fonction de transition globale: ainsi, le autre élément nécessaire dans la description du modèle est fonction de mise à jour, qui détermine quand chaque nœud doit être mis à jour, et donc, comme les fonctions local se combinent dans une fonction globale (en d'autres termes, il doit décrire les temps relative de les activités régulatoires). Comme un réseau booléen avec n sommets a 2 ^ n états globaux, à partir d'un état ​​de départ, et dans un nombre fini de mises à jour, le réseau atteindra un fixe point ou un cycle limite, appelée attracteurs qui sont souvent associées à des phénotypes distincts (états-cellulaire) définis par les patrons d'activité des gènes. Un réseau de régulation Booléenne (REBN) est un réseau Booléen où chaque interaction entre les éléments de la réseau correspond soit à une interaction positif ou d'une interaction négative. Ainsi, le digraphe interaction associée à une REBN est un digraphe signé où un circuit est appelé positif (négatif) si le nombre de ses arcs négative est pair (impair). Dans ce contexte, il y a diverses études sur l'importance du les circuits positif et négatifs dans le comportement dynamique de différents systèmes en Biologie. En effet le point de départ de cette thèse est basée sur un résultat en disant que le nombre maximal de points fixes d'une REBN dépend d'un ensemble de cardinalité minimale qu'intersecte tous les cycles positifs (également dénommés positive feedback vertex set) du digraphe signé associé. D'autre part, un autre aspect important de circuits est leur rôle dans la robustesse des réseaux booléens par rapport différents types de mise à jour déterministe. Dans ce contexte, un élément clé mathématique est le update digraphe qui est un digraphe étiqueté associé à la réseau dont les étiquettes sur les arcs sont définies comme suit: un arc (u,v) est dit être positif si l'état de sommet u est mis à jour en même temps ou après que celle de v, et négative sinon. Ainsi, un cycle dans le digraphe étiqueté est dite positive (négative) si tous ses arcs sont positifs (négatifs). Cela laisse en évidence que parler de "positif" et "négatif" a des significations différentes selon le contex: digraphes signé ou digraphes étiquetés. Ainsi, nous allons voir dans cette thèse, les relations entre les feedback sets et la dynamique des réseaux Booléens à travers l'étude analytique de ces deux fondamentaux objets mathématiques: le digraphe (de connexion) signé et l'update digraphe.

Dans la nature existent de nombreux exemples de systèmes dynamiques complexes: systèmes neuronaux, communautés, écosystèmes, réseaux de régulation génétiques, etc. Ces derniers, en particulier, sont de notre intérêt et sont souvent modélisés par des réseaux booléens. Un réseau booléenne peut être considérée comme un digraphe, où les sommets correspondent à des gènes ou de produits de gènes, tandis que les arcs indiquent les interactions entre eux. Une niveau d'expression des gènes est modélisé par des valeurs binaires, 0 ou 1, indiquant deux états de la transcription, soit activité, soit inactivité, respectivement, et ce niveau change dans le temps selon certains fonction locaux d'activation qui dépend des états d'un ensemble de nœuds (les gènes). L'effet conjoint des fonctions d'activation locale définit une fonction de transition globale: ainsi, le autre élément nécessaire dans la description du modèle est fonction de mise à jour, qui détermine quand chaque nœud doit être mis à jour, et donc, comme les fonctions local se combinent dans une fonction globale (en d'autres termes, il doit décrire les temps relative de les activités régulatoires). Comme un réseau booléen avec n sommets a 2 ^ n états globaux, à partir d'un état ​​de départ, et dans un nombre fini de mises à jour, le réseau atteindra un fixe point ou un cycle limite, appelée attracteurs qui sont souvent associées à des phénotypes distincts (états-cellulaire) définis par les patrons d'activité des gènes. Un réseau de régulation Booléenne (REBN) est un réseau Booléen où chaque interaction entre les éléments de la réseau correspond soit à une interaction positif ou d'une interaction négative. Ainsi, le digraphe interaction associée à une REBN est un digraphe signé où un circuit est appelé positif (négatif) si le nombre de ses arcs négative est pair (impair). Dans ce contexte, il y a diverses études sur l'importance du les circuits positif et négatifs dans le comportement dynamique de différents systèmes en Biologie. En effet le point de départ de cette thèse est basée sur un résultat en disant que le nombre maximal de points fixes d'une REBN dépend d'un ensemble de cardinalité minimale qu'intersecte tous les cycles positifs (également dénommés positive feedback vertex set) du digraphe signé associé. D'autre part, un autre aspect important de circuits est leur rôle dans la robustesse des réseaux booléens par rapport différents types de mise à jour déterministe. Dans ce contexte, un élément clé mathématique est le update digraphe qui est un digraphe étiqueté associé à la réseau dont les étiquettes sur les arcs sont définies comme suit: un arc (u,v) est dit être positif si l'état de sommet u est mis à jour en même temps ou après que celle de v, et négative sinon. Ainsi, un cycle dans le digraphe étiqueté est dite positive (négative) si tous ses arcs sont positifs (négatifs). Cela laisse en évidence que parler de "positif" et "négatif" a des significations différentes selon le contex: digraphes signé ou digraphes étiquetés. Ainsi, nous allons voir dans cette thèse, les relations entre les feedback sets et la dynamique des réseaux Booléens à travers l'étude analytique de ces deux fondamentaux objets mathématiques: le digraphe (de connexion) signé et l'update digraphe. / In the nature there exist numerous examples of complex dynamical systems: neural systems, communities, ecosystems, genetic regulatory networks, etc. These latest, in particular are of our interest and are often modeled by Boolean networks. A Boolean network can be viewed as a digraph, where the vertices correspond to genes or gene products, while the arcs denote interactions among them. A gene expression level is modeled by binary values, 0 or 1, indicating two transcriptional states, either active or inactive, respectively, and this level changes in time according to some local activation function which depends on the states of a set of nodes (genes). The joint effect of the local activation functions defines a global transition function; thus, the other element required in the description of the model is an update schedule which determines when each node has to be updated, and hence, how the local functions combine into the global one (in other words, it must describe the relative timings of the regulatory activities). Since a Boolean network with n vertices has 2^n global states, from a starting state, within a finite number of udpates, the network will reach a fixed point or a limit cycle, called attractors that are often associated to distinct phenotypes (cellular states) defined by patterns of gene activity. A regulatory Boolean network (REBN) is a Boolean network where each interaction between the elements of the network corresponds either to a positive or to a negative interaction. Thus, the interaction digraph associated to a REBN is a signed digraph where a circuit is called positive (negative) if the number of its negative arcs is even (odd). In this context, there are diverse studies about the importance of the positive and negative circuits in the dynamical behavior of different systems in Biology. Indeed the starting point of this Thesis is based on a result saying that the maximum number of fixed points of a REBN depends on a minimum cardinality vertex set whose elements intersects to all the positive cycles (also named a positive feedback vertex set) of the associated signed digraph. On the other hand, another important aspect of circuits is their role in the robustness of Boolean networks with respect to different deterministic update schedules. In this context a key mathematical element is the update digraph which is a labeled digraph associated to the network and whose labels on the arcs are defined as follows: an arc (u,v) is said to be positive if the state of vertex u is updated at the same time or after than that of v, and negative otherwise. Hence, a cycle in the labeled digraph is called positive (negative) if all its arcs are positive (negative). This leaves in evidence that talk of "positive" and "negative" has different meanings depending on the contex: signed digraphs or labeled digraphs. Thus, we will see in this thesis, relationships between feedback sets and the dynamics of Boolean networks through the analytical study of these two fundamental mathematical objects: the signed (connection) digraph and the update digraph.

Soit D un digraphe simple (sans cycle orienté de longueur 2 ). En 1990, P. Seymour a conjecturé que D a un sommet v avec un second voisinage extérieur au moins aussi grand que son (premier) voisinage extérieur [1]. Cette conjecture est connue sous le nom de la conjecture du second voisinage du Seymour (SNC). Cette conjecture, si elle est vraie, impliquerait, un cas spécial plus faible (mais important) de la conjecture de Caccetta et Häggkvist [2] proposé en 1978 : tout digraphe D avec un degré extérieur minimum au moins égale à jV (D)j=k a un cycle orienté de longueur au plus k. Le cas particulier est k = 3, et le cas faible exige les deux : le degré extérieur minimum et le degré intérieur minimum de D sont au moins égaux à jV (D)j=k. La conjecture de Seymour restreinte au tournoi est connue sous le nom de conjecture de Dean [1]. En 1996, Fisher [3] a prouvé la conjecture de Dean en utilisant un argument de probabilité. En 2003, Chen, Shen et Yuster [4] ont démontré que tout digraphe a un sommet v tel que d+(v) _ d++(v) où =0.657298..... est l'unique racine de l'équation 2x3 + x2 - 1 = 0. En 2000, Havet et Thomassé [5] ont donné une preuve combinatoire de la conjecture de Dean, en utilisant un outil appelé l'ordre médian. Ils ont démontré que le dernier sommet d'un tel ordre a toujours un second voisinage extérieur au moins aussi grand que son voisinage extérieur. En 2007, Fidler et Yuster [6] ont utilisé l'ordre médian et un autre outil qui s'appelle le digraphe de dépendance afin de prouver la conjecture de Seymour pour tout digraphe D ayant un degré minimum jV (D)j 2. Ils l'ont montré pour tout tournoi où manque un autre sous-tournoi. El Sahili a conjecturé que pour tout D, il existe un completion T de D et un ordre médian de T tel que le denier sommet a un second voisinage extérieur au moins aussi grand que son voisinage extérieur (EC). Il est clair que, EC implique SNC. Cependant, EC propose une méthode afin de résoudre la SNC. En général, on oriente les non arcs de D de manière appropriée, afin d'obtenir un tournoi T et on essaie de trouver un sommet particulier (le denier sommet d'un ordre médian) avec la propriété désirée. Clairement, grâce aux résultats de [5] et [6], la EC est valable pour tournoi, et tout tournoi où manque un autre sous-tournoi. Nous allons vérifier EC pour tout digraphe D ayant un degré minimum jV (D)j 2. Alors, EC est vraie pour tout digraphe où la SNC est déjà connue d'être vraie non trivialement. Nous sommes aussi intéressés à la version pondérée de SNC et EC. En réalité, Fidler et Yuster [6] ont utilisé les digraphes de dépendance comme un outil supplémentaire et le fait que la SNC pondérée est vraie pour les tournois afin de prouver la SNC pour tout digraphe D ayant un degré minimum1 jV (D)j 2. Nous allons définir le digraphe de dépendance de façon plus générale et qui convient à n'importe quel digraphe. Nous allons utiliser le digraphe de dépendance et l'ordre médian comme des outils dans nos contributions à cette conjecture. Suivant la méthode proposée par la EC, nous démontrons la version pondérée de EC, et par conséquent la SNC, pour les classes des digraphes suivants : Digraphes où manque une étoile généralisée, soleil, étoile, ou un graphe complété. En outre, nous prouvons la EC, et par conséquent la SNC, pour digraphes où manque un peigne et digraphe où manque un graphe complet moins 2 arêtes indépendantes ou moins les arêtes d'une cycle de longueur 5. Par ailleurs, nous prouvons la EC, et par conséquent la SNC, pour les digraphes où manque n étoiles disjointes, sous certaines conditions sur les deux degrés minimum du digraphe de dépendance. Des conditions plus faible sont exigées dans le cas n = 1; 2; 3. Dans certains cas, on trouve au moins deux sommets avec la propriété désirée.

Soit D un digraphe simple (sans cycle orienté de longueur 2 ). En 1990, P. Seymour a conjecturé que D a un sommet v avec un second voisinage extérieur au moins aussi grand que son (premier) voisinage extérieur [1]. Cette conjecture est connue sous le nom de la conjecture du second voisinage du Seymour (SNC). Cette conjecture, si elle est vraie, impliquerait, un cas spécial plus faible (mais important) de la conjecture de Caccetta et Häggkvist [2] proposé en 1978 : tout digraphe D avec un degré extérieur minimum au moins égale à jV (D)j=k a un cycle orienté de longueur au plus k. Le cas particulier est k = 3, et le cas faible exige les deux : le degré extérieur minimum et le degré intérieur minimum de D sont au moins égaux à jV (D)j=k. La conjecture de Seymour restreinte au tournoi est connue sous le nom de conjecture de Dean [1]. En 1996, Fisher [3] a prouvé la conjecture de Dean en utilisant un argument de probabilité. En 2003, Chen, Shen et Yuster [4] ont démontré que tout digraphe a un sommet v tel que d+(v) _ d++(v) où =0.657298..... est l'unique racine de l'équation 2x3 + x2 - 1 = 0. En 2000, Havet et Thomassé [5] ont donné une preuve combinatoire de la conjecture de Dean, en utilisant un outil appelé l'ordre médian. Ils ont démontré que le dernier sommet d'un tel ordre a toujours un second voisinage extérieur au moins aussi grand que son voisinage extérieur. En 2007, Fidler et Yuster [6] ont utilisé l'ordre médian et un autre outil qui s'appelle le digraphe de dépendance afin de prouver la conjecture de Seymour pour tout digraphe D ayant un degré minimum jV (D)j 2. Ils l'ont montré pour tout tournoi où manque un autre sous-tournoi. El Sahili a conjecturé que pour tout D, il existe un completion T de D et un ordre médian de T tel que le denier sommet a un second voisinage extérieur au moins aussi grand que son voisinage extérieur (EC). Il est clair que, EC implique SNC. Cependant, EC propose une méthode afin de résoudre la SNC. En général, on oriente les non arcs de D de manière appropriée, afin d'obtenir un tournoi T et on essaie de trouver un sommet particulier (le denier sommet d'un ordre médian) avec la propriété désirée. Clairement, grâce aux résultats de [5] et [6], la EC est valable pour tournoi, et tout tournoi où manque un autre sous-tournoi. Nous allons vérifier EC pour tout digraphe D ayant un degré minimum jV (D)j 2. Alors, EC est vraie pour tout digraphe où la SNC est déjà connue d'être vraie non trivialement. Nous sommes aussi intéressés à la version pondérée de SNC et EC. En réalité, Fidler et Yuster [6] ont utilisé les digraphes de dépendance comme un outil supplémentaire et le fait que la SNC pondérée est vraie pour les tournois afin de prouver la SNC pour tout digraphe D ayant un degré minimum1 jV (D)j 2. Nous allons définir le digraphe de dépendance de façon plus générale et qui convient à n'importe quel digraphe. Nous allons utiliser le digraphe de dépendance et l'ordre médian comme des outils dans nos contributions à cette conjecture. Suivant la méthode proposée par la EC, nous démontrons la version pondérée de EC, et par conséquent la SNC, pour les classes des digraphes suivants : Digraphes où manque une étoile généralisée, soleil, étoile, ou un graphe complété. En outre, nous prouvons la EC, et par conséquent la SNC, pour digraphes où manque un peigne et digraphe où manque un graphe complet moins 2 arêtes indépendantes ou moins les arêtes d'une cycle de longueur 5. Par ailleurs, nous prouvons la EC, et par conséquent la SNC, pour les digraphes où manque n étoiles disjointes, sous certaines conditions sur les deux degrés minimum du digraphe de dépendance. Des conditions plus faible sont exigées dans le cas n = 1; 2; 3. Dans certains cas, on trouve au moins deux sommets avec la propriété désirée. / Let D be a digraph without digons (directed cycles of length 2). In 1990, Seymour [1] conjectured that D has a vertex whose first out-neighborhood is at most as large as its second out-neighborhood. Such a vertex is said to have the second neighborhood property (SNP). This conjecture is known as the second neighborhood conjecture (SNC). This conjecture, if true, would imply a weakening of a particular case (but important) of a long standing conjecture proposed by Caccetta and H aggkvist in 1978, which states that every digraph D with minimum out-degree at least jV (D)j=k has a directed cycle of length at most k. The special case is when k = 3 and the weakening requires both minimum out-degree and minimum in-degree at least jV (D)j=k [2]. Seymour's conjecture restricted to tournaments is known as Dean's conjecture [1]. In 1996, Fisher [3] gave a probabilistic proof to Dean's conjecture. In 2003 Chen, Shen and Yuster [4] proved that every digraph contains a vertex v such that d+(v) _ d++(v), where = 0:657298::: is the unique real root of the equation 2x3 + x2 1 = 0. In 2000, another proof of Dean's conjecture was given by Havet and Thomassé using a tool called median order [5]. They proved that the last vertex of this order, called a feed vertex, has second out-neighborhood at least as large as its first out-neighborhood. Median order is found to be a useful tool not only for the class of tournaments but for other classes of digraphs. In 2007, Fidler and Yuster [6] used also median orders to prove Seymour's conjecture for the class of digraphs with minimum degree jV (D)j 2 (i.e. D is a digraph missing a matching) and tournaments minus another subtournament. El Sahili conjectured that for every digraph D there is a completion T of D and a median order of T whose feed vertex has the SNP in D. Clearly, El Sahili's conjecture (EC) implies SNC. However, as one can observe, EC suggests a method (an approach) for solving the SNC, which we will call the completion approach. In general, following this approach, we orient the missing edges of D in some 'proper' way, to obtain a tournament T. Then we consider a particular feed vertex (clearly, it has the SNP in T) and try to prove that it has the SNP in D as well. Clearly, the result of Havet and Thomassé shows that EC is true for tournaments and the result of Fidler and Yuster [6] shows that EC holds for tournaments minus another subtournament. We will verify EC for the class 1 of tournaments missing a matching. So EC is verified for all the classes of digraphs where the SNC is known to hold non trivially. We will be interested also in the weighted version of EC and SNC. In reality, Fidler and Yuster [6] used dependency digraphs as a supplementary tool for proving the SNC for digraphs missing a matching and the fact that the weighted SNC holds for tournaments. We define dependency digraphs in a more general way, which is suitable to any digraph, and use them in our contribution to Seymour's conjecture. We also use the median order as a tool in our contribution. Using these two tools, and following the completion approach, we prove the weighted version of EC, and consequently the SNC, for several classes of digraphs: Digraphs missing a generalized star, sun, star or a complete graph. In addition, we prove EC, and consequently the SNC for digraphs missing a comb, and digraphs whose missing graph is a complete graph minus two independent edges or the edges of a cycle of length five. Moreover, we prove it for digraphs missing n disjoint stars under some conditions. Weaker conditions are required for n = 1; 2; 3. In some cases, we exhibit at least two vertices with the SNP.