Systems biology is an emergent field focused on developing a system-level understanding of biological systems. In the last decade advances in genomics, transcriptomics and proteomics have gathered a remarkable amount data enabling the possibility of a system-level analysis to be grounded at a molecular level. The reverse-engineering of biochemical networks from experimental data has become a central focus in systems biology. A variety of methods have been proposed for the study and identification of the system's structure and/or dynamics. The objective of this dissertation is to introduce and propose solutions to some of the challenges inherent in reverse-engineering of biological systems. First, previously developed reverse engineering algorithms are studied and compared using data from a simulated network. This study draws attention to the necessity for a uniform benchmark that enables an ob jective comparison and performance evaluation of reverse engineering methods. Since several reverse-engineering algorithms require discrete data as input (e.g. dynamic Bayesian network methods, Boolean networks), discretization methods are being used for this purpose. Through a comparison of the performance of two network inference algorithms that use discrete data (from several different discretization methods) in this work, it has been shown that data discretization is an important step in applying network inference methods to experimental data. Next, a reverse-engineering algorithm is proposed within the framework of polynomial dynamical systems over finite fields. This algorithm is built for the identification of the underlying network structure and dynamics; it uses as input gene expression data and, when available, a priori knowledge of the system. An evolutionary algorithm is used as the heuristic search method for an exploration of the solution space. Computational algebra tools delimit the search space, enabling also a description of model complexity. The performance and robustness of the algorithm are explored via an artificial network of the segment polarity genes in the D. melanogaster. Once a mathematical model has been built, it can be used to run simulations of the biological system under study. Comparison of simulated dynamics with experimental measurements can help refine the model or provide insight into qualitative properties of the systems dynamical behavior. Within this work, we propose an efficient algorithm to describe the phase space, in particular to compute the number and length of all limit cycles of linear systems over a general finite field. This research has been partially supported by NIH Grant Nr. RO1GM068947-01. / Ph. D.

Les problèmes d'optimisation combinatoire sont généralement NP-difficiles et les méthodes exactes demeurent inefficaces pour les résoudre rapidement. Les métaheuristiques sont des méthodes génériques de résolution connues et utilisées pour leur efficacité. Elles possèdent souvent plusieurs paramètres qui s'avèrent fastidieux à régler pour obtenir de bonnes performances. Il est alors intéressant de chercher à rendre plus évident, voire à automatiser, ce réglage des paramètres. Le paysage d'un problème d'optimisation combinatoire est une structure, basée sur la notion de voisinage, permettant de caractériser le problème puis de suivre la dynamique d'une méthode d'optimisation pour comprendre son efficacité. Les travaux de cette thèse portent sur l'analyse de paysage de problèmes d'optimisation combinatoire et le lien étroit avec certaines classes de métaheuristiques, basées sur une exploration du voisinage des solutions. Ainsi, nous montrons l'influence de la structure de paysage sur la dynamique d'une métaheuristique, pour deux problèmes issus de la logistique. Ensuite, nous analysons les caractéristiques du paysage qui permettent de concevoir et/ou paramétrer des métaheuristiques, principalement des recherches locales, efficaces. La neutralité est, en particulier, une caractéristique structurelle importante des paysages. De tels paysages présentent de nombreux plateaux bloquant la progression d'une recherche locale. Après une analyse fine des plateaux, nous prouvons que cette structure neutre ne doit pas être ignorée. Puis, nous utilisons plusieurs informations liées à la neutralité, et plus particulièrement aux plateaux bloquants, pour concevoir une première recherche locale simple à mettre en œuvre et efficace. Enfin, pour approfondir nos travaux sur les structures neutres, nous avons choisi d'exploiter la neutralité à tous les niveaux du paysage pour concevoir une nouvelle recherche locale basée sur la capacité des solutions d'un même plateau à produire une amélioration. Une stratégie de guidage vers cette solution est alors proposée. La thèse se termine par l'analyse comparative des deux méthodes d'optimisation proposées pour les problèmes neutres afin d'en exploiter de nouvelles caractéristiques, et ainsi, renforcer le lien entre l'analyse de paysage et la conception de méthodes efficaces.

In this thesis we describe subclasses of a class of graphs with three types of edges, called loopless mixed graphs (LMGs). The class of LMGs contains almost all known classes of graphs used in the literature of graphical Markov models. We focus in particular on the subclass of ribbonless graphs (RGs), which as special cases include undirected graphs, bidirected graphs, and directed acyclic graphs, as well as ancestral graphs and summary graphs. We define a unifying interpretation of independence structure for LMGs and pairwise and global Markov properties for RGs, discuss their maximality, and, in particular, prove the equivalence of pairwise and global Markov properties for graphoids defined over the nodes of RGs. Three subclasses of LMGs (MC, summary, and ancestral graphs) capture the modified independence model after marginalisation over unobserved variables and conditioning on selection variables of variables satisfying independence restrictions represented by a directed acyclic graph (DAG). We derive algorithms to generate these graphs from a given DAG or from a graph of a specific subclass, and we study the relationships between these classes of graphs. Finally, a manual and codes are provided that explain methods and functions in R for implementing and generating various graphs studied in this thesis.

<div>The Subword Complexity of a character string refers to the number of distinct substrings of any length that occur as contiguous patterns in the string. The kth Subword Complexity in particular, refers to the number of distinct substrings of length k in a string of length n. In this work, we evaluate the expected value and the second factorial moment of the kth Subword Complexity for the binary strings over memory-less sources. We first take a combinatorial approach to derive a probability generating function for the number of occurrences of patterns in strings of finite length. This enables us to have an exact expression for the two moments in terms of patterns' auto-correlation and correlation polynomials. We then investigate the asymptotic behavior for values of k=a log n. In the proof, we compare the distribution of the kth Subword Complexity of binary strings to the distribution of distinct prefixes of independent strings stored in a trie. </div><div>The methodology that we use involves complex analysis, analytical poissonization and depoissonization, the Mellin transform, and saddle point analysis.</div>

<div> <div> <div> <p>The performance bottlenecks in modern data-intensive applications have induced database implementors to forsake high-level abstractions and trade-off simplicity and ease of reasoning for performance. Among the first casualties of this trade-off are the well-known ACID guarantees, which simplify the reasoning about concurrent database transactions. ACID semantics have become increasingly obsolete in practice due to serializable isolation – an integral aspect of ACID, being exorbitantly expensive. Databases, including the popular commercial offerings, default to weaker levels of isolation where effects of concurrent transactions are visible to each other. Such weak isolation guarantees, however, are extremely hard to reason about, and have led to serious safety violations in real applications. The problem is further complicated in a distributed setting with asynchronous state replications, where high availability and low latency requirements compel large-scale web applications to embrace weaker forms of consistency (e.g., eventual consistency) besides weak isolation. Given the serious practical implications of safety violations in data-intensive applications, there is a pressing need to extend the state-of-the-art in program verification to reach non- serializable data-intensive applications operating in a weakly-consistent distributed setting. </p> <p>This thesis sets out to do just that. It introduces new language abstractions, program logics, reasoning methods, and automated verification and synthesis techniques that collectively allow programmers to reason about non-serializable data-intensive applications in the same way as their serializable counterparts. The contributions </p> </div> </div> <div> <div> <p>xi </p> </div> </div> </div> <div> <div> <div> <p>made are broadly threefold. Firstly, the thesis introduces a uniform formal model to reason about weakly isolated (non-serializable) transactions on a sequentially consistent (SC) relational database machine. A reasoning method that relates the semantics of weak isolation to the semantics of the database program is presented, and an automation technique, implemented in a tool called ACIDifier is also described. The second contribution of this thesis is a relaxation of the machine model from sequential consistency to a specifiable level of weak consistency, and a generalization of the data model from relational to schema-less or key-value. A specification language to express weak consistency semantics at the machine level is described, and a bounded verification technique, implemented in a tool called Q9 is presented that bridges the gap between consistency specifications and program semantics, thus allowing high-level safety properties to be verified under arbitrary consistency levels. The final contribution of the thesis is a programming model inspired by version control systems that guarantees correct-by-construction <i>replicated data types</i> (RDTs) for building complex distributed applications with arbitrarily-structured replicated state. A technique based on decomposing inductively-defined data types into <i>characteristic relations</i> is presented, which is used to reason about the semantics of the data type under state replication, and eventually derive its correct-by-construction replicated variant automatically. An implementation of the programming model, called Quark, on top of a content-addressable storage is described, and the practicality of the programming model is demonstrated with help of various case studies. </p> </div> </div> </div>

In this thesis we will investigate how the SBP-SAT finite difference method behave with and without an interface. As model problem, we consider the heat equation with piecewise constant coefficients. The thesis is split in two main parts. In the first part we look at the heat equation in one-dimension, and in the second part we expand the problem to a two-dimensional domain. We show how the SAT-parameters are chosen such that the scheme is dual consistent and stable. Then, we perform numerical experiments, now looking at the static case. In the one-dimensional case we see that the second order SBP-SAT method with an interface converge with an order of two, while the second order SBP-SAT method without an interface converge with an order of one.

DNA graph structures can self-assemble from branched junction molecules to yield solutions to computational problems. Self-assembly of graphs have previously been shown to give polynomial time solutions to hard computational problems such as 3-SAT and k-colorability problems. Jonoska et al. have proposed studying self-assembly of graphs topologically, considering the boundary components of their thickened graphs, which allows for reading the solutions to computational problems through reporter strands. We discuss weighting algorithms and consider applications of self-assembly of graphs and the boundary components of their thickened graphs to problems involving minimal weight Eulerian walks such as the Chinese Postman Problem and the Windy Postman Problem.

Cette thèse vise à développer des stratégies permettant d'augmenter la puissance du calcul séquentiel et des systèmes distribués, elle traite en particulier, la décomposition séquentielle des opérations ainsi que des systèmes d'édition collaboratifs décentralisés. La croissance rapide de l'utilisation des nouvelles technologies informatiques résulte de la nécessité d'avoir des performances élevées, dans tout domaine lié au calcul informatique. Une telle quête de performances a abouti à une plus grande complexité dans les architectures informatiques, conduisant à un stress non négligeable dans la technologie des compilateurs. De puissants microprocesseurs se trouvent au cœur de toute machine informatique, allant des serveurs et ordinateurs personnels, aux ordinateurs portables, jusqu'aux téléphones cellulaires " iPhone ". En effet, l'augmentation incessante des performances constitue un défi permanent dans les sciences informatiques. Par ailleurs, le développement rapide des réseaux informatiques a conduit à un progrès vers une édition collaborative en temps réel (RCE). Cette dernière permet à des groupes d'utilisateurs l'édition simultanée de documents partagés résidant dans des sites physiques dispersés, mais interconnectés par un réseau informatique. Dans de tels systèmes distribués, les conflits liés aux communications sont un défi à relever. De ce fait, la communication indexée devient une nécessité absolue. Nous introduisons, une méthode d'indexage avec précision contrôlée. Celle-ci permet la génération d'identifiants uniques utilisés dans l'indexage des communications dans les systèmes distribués, plus particulièrement dans les systèmes d'édition collaboratifs décentralisés. Ces identifiants sont des nombres réels avec un motif de précision contrôlé. Un ensemble fini d'identifiants est conservé pour permettre le calcul de cardinalités locales et globales. Cette propriété joue un rôle prépondérant dans la gestion des communications indexées. De plus, d'autres propriétés incluant la préservation de l'ordre sont observées. La méthode d'indexage a été testée et vérifiée avec succès. Ceci a permis la conception d'un système d'édition collaboratif décentralisé. Aussi, nous explorons les stratégies existantes, relatives a la décomposition séquentielle d'opérations, que nous étendons à de nouvelles stratégies. Ces stratégies mènent à une optimisation (processeur, compilateur, mémoire, code). Ces styles de décomposition portent un intérêt majeur à la communauté scientifique. Des recherches et des implémentations de plus en plus rapides résultent de la conception d'unité arithmétique.

Concevoir et mettre en œuvre des méthodes pour la spécification, l'analyse et la vérification de logiciels et de systèmes sont les principaux moteurs des activités de recherche présentées dans ce manuscrit. Dans ce cadre, nos travaux se positionnent dans la catégorie dite des méthodes formelles appartenant à la communauté plus large du génie logiciel. A l'interface des travaux théoriques et applicatifs, notre objectif est de contribuer aux méthodes permettant d'assurer la correction et la sûreté des systèmes (fonctionnalité, sécurité, fiabilité, ...) en développant ou en améliorant des langages de spécification, des techniques et des outils permettant leur analyse formelle. Dans ce but, nous nous sommes attaché dans cette thèse à proposer et à étudier un cadre formel permettant la définition de politiques de sécurité et la vérification de leurs propriétés. A cet effet, nous avons proposé un cadre pour la spécification de politiques de sécurité basé sur une approche modulaire dans laquelle une politique est vue comme la composition d'un modèle de sécurité et d'une configuration. Nous avons investigué les possibilités offertes par de telles spécifications lorsque les modèles sont exprimés au moyen de contraintes du premier ordre et les configurations au moyen de programmes logiques. En particulier, nous avons proposé un algorithme permettant de transformer une politique exprimée dans un modèle donné vers une autre politique équivalente (au sens où elle engendre les mêmes autorisations) exprimée dans un autre modèle. Dans un second temps, nous nous sommes proposé de tenir compte des aspects dynamiques de la configuration d'une politique vue comme un état du système sur lequel la politique est mise en œuvre et où chaque action est associée à une procédure de modification des états. Nous avons proposé un langage formel simple pour spécifier séparément les systèmes et les politiques de sécurité puis avons donné une sémantique des spécifications exprimées dans ce cadre sous la forme de systèmes de réécriture. Nous nous sommes ensuite attachés à montrer que les systèmes de réécriture obtenus permettent l'étude de propriétés de sécurité. Dans une troisième partie, nous nous sommes focalisé sur les mécanismes permettant la mise en œuvre de politiques de sécurité dans les réseaux. Dans ce cadre, nous avons proposé une spécification des firewalls et de leurs compositions basée sur les automates d'arbres et les systèmes de réécriture puis avons montré en quoi ces spécifications nous permettent d'analyser de façon automatique les politiques de sécurité sous-jacentes.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à trois problèmes issus de l'informatique théorique, à savoir le placement de formes rectangulaires dans un conteneur (OPP), la coloration dite "forte" d'arêtes des graphes et les codes identifiants dans les graphes. L'OPP consiste à décider si un ensemble d'items rectangulaires peut être placé sans chevauchement dans un conteneur rectangulaire et sans dépassement des bords de celui-ci. Une contrainte supplémentaire est prise en compte, à savoir l'interdiction de rotation des items. Le problème est NP-difficile même dans le cas où le conteneur et les formes sont des carrés. Nous présentons un algorithme de résolution efficace basé sur une caractérisation du problème par des graphes d'intervalles, proposée par Fekete et Schepers. L'algorithme est exact et utilise les MPQ-arbres - structures de données qui encodent ces graphes de manière compacte tout en capturant leurs propriétés remarquables. Nous montrons les résultats expérimentaux de notre approche en les comparant aux performances d'autres algorithmes existants. L'étude de la coloration forte d'arêtes et des codes identifiants porte sur les aspects structurels et de calculabilité de ces deux problèmes. Dans le cas de la coloration forte d'arêtes nous nous intéressons plus particulièrement aux familles des graphes planaires et des graphes subcubiques. Nous montrons des bornes optimales pour l'indice chromatique fort des graphes subcubiques en fonction du degré moyen maximum et montrons que tout graphe planaire subcubique sans cycles induits de longueur 4 et 5 est coloriable avec neuf couleurs. Enfin nous confirmons la difficulté du problème de décision associé, en prouvant qu'il est NP-complet dans des sous-classes restreintes des graphes planaires subcubiques. La troisième partie de la thèse est consacrée aux codes identifiants. Nous proposons une caractérisation des graphes identifiables dont la cardinalité du code identifiant minimum est n − 1, où n est l'ordre du graphe. Nous étudions la classe des graphes adjoints et nous prouvons des bornes inférieures et supérieures serrées pour la cardinalité du code identifiant minimum dans cette classe. Finalement, nous montrons qu'il existe un algorithme linéaire de calcul de ce paramètre dans la classe des graphes adjoints L(G) où G a une largeur arborescente bornée par une constante. En revanche nous nous apercevons que le problème est NP-complet dans des sous-classes très restreintes des graphes parfaits.