In this work we use a graph-theoretic representation of secondary RNA structure found in the database RAG: RNA-As-Graphs. We model the bonding of two RNA secondary structures to form a larger structure with a graph operation called merge. The resulting data from each tree merge operation is summarized and represented by a vector. We use these vectors as input values for a neural network and train the network to recognize a tree as RNA-like or not based on the merge data vector. The network correctly assigned a high probability of RNA-likeness to trees identified as RNA-like in the RAG database, and a low probability of RNA-likeness to those classified as not RNA-like in the RAG database. We then used the neural network to predict the RNA-likeness of all the trees of order 9. The use of a graph operation to theoretically describe the bonding of secondary RNA is novel.

<p dir="ltr">We present first order asymptotic estimates for the divisor function problem, the set of lists (restricted number of divisors) problem, and a generalization of the overpartition problem. In particular, we prove Kotesovec's conjecture for A294363 from the OEIS and also extend his conjecture to a full asymptotic treatment by providing an estimate in terms of elementary functions for the EGF coefficients directly rather than the log of the coefficients. We also provide asymptotic estimates for generalizations of the set of lists and overpartition problem, while making comparisons to any existing Kotesovec conjectures. We perform the asymptotic analysis via Mellin transforms, residue analysis, and the saddle point method. These families of generating functions have potential application to families of randomly generated partitions in which ordered subsets of a partition that exceed a certain fixed size may be one of two different objects and to overpartitions with potential heading labels.</p>

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Attention, ce résumé comporte un peu d'ironie et d'humour. Dans ce mémoire, nous défendons l'idée selon laquelle, pour tout modèle de calcul raisonnable, ce n'est plus tant le modèle qui compte pour caractériser les classes de complexité importantes que la complexité de la structure combinatoire sous-jacente et en définitive d'un graphe sous-jacent. Pour prendre l'exemple des circuits booléens ou algébriques comme modèles, tout ce qui importe est la complexité du graphe orienté sous-jacent au circuit. Par modèle de calcul raisonnable, nous entendons, comme il se doit, un modèle qui étudié sur une classe de graphes standard nous donne la classe de complexité standard attendue afin de satisfaire aux règles élémentaires des tautologies. On pourrait aussi choisir comme modèles raisonnables les modèles Turing-complet (ou une autre notion de complétude plus adaptée selon les objets calculés), formalisables dans une logique simple (afin d'éviter les "tricheries" et les modèles conçus spécialement pour faire échouer la belle idée défendue). Néanmoins, cette seconde option n'étant pas sans risque, nous nous contentons de la proposer. La thèse défendue est une version un peu plus formalisée et précise mathématiquement de cette idée aux contours un peu flous et qui est donc nécessairement un peu fausse telle quelle.

Cette thèse porte principalement sur l'équilibrage de charge dans de grands graphes aléatoires. En informatique, un problème d'équilibrage de charge survient lorsque différentes tâches ont besoin d'accéder à un même ensemble de points de ressources. Il faut alors décider quelles ressources spécifiques seront allouées à quelles tâches. Suivant le contexte, les notions de "tâche" et de "ressource" peuvent avoir différentes interprétations. Afin de prendre des exemples concrets, on se concentrera sur deux applications en particulier: - un système de hachage à choix multiples (plus précisément, le "cuckoo hashing"). L'objectif est ici d'allouer des cellules d'un tableau à des objets, afin de pouvoir ensuite vérifier facilement la présence d'un objet et récupérer les données associées. Les tâches sont liées aux objets à stocker, et les ressources sont les cellules du tableau. - un réseau de distribution de contenu distribué, au sens où les contenus peuvent être stockés sur une multitude de petits serveurs aux capacités individuelles très limitées. Ici, les tâches sont des demandes de téléchargement (ou requêtes) pour un contenu et les ressources sont liées aux serveurs et à la façon dont leurs espaces de stockage sont utilisés. Le problème d'équilibrage de charge consiste à décider quel serveur va servir quelle requête. Les contraintes locales portant sur chaque ressource (en quelle quantité est-elle disponible et pour quelles tâches est-elle convenable?) ainsi que la charge de travail associée avec chaque tâche peuvent être représentées efficacement sur un graphe biparti, avec des contraintes de capacité sur ses sommets et ses arêtes. De plus, en pratique, les systèmes considérés sont souvent de très grande taille (avec parfois des milliers de tâches et de points de ressources différents) et relativement aléatoires (que ce soit par choix ou une conséquence de leur grande taille). Une modélisation à l'aide de grands graphes aléatoires est donc souvent pertinente. L'ensemble des solutions envisageables pour un problème d'équilibrage de charge donné étant vaste, il est primordial de commencer par déterminer des bornes sur les performances que l'on peut espérer. Ainsi, on considérera dans un premier temps une solution optimale du problème (même si elle ne serait pas réalisable avec des contraintes pratiques). Les performances d'une telle solution peuvent être obtenues en étudiant les appariements de taille maximum dans un grand graphe aléatoire, ce que l'on réalisera à l'aide de la méthode de la cavité. Cette méthode vient de l'étude des systèmes désordonnés en physique statistique, et on s'attachera ici à l'appliquer de manière rigoureuse dans le cadre que l'on considère. Dans le contexte du cuckoo hashing, les résultats obtenus permettent de calculer le seuil sur la charge du système (le nombre d'objets à insérer par rapport à la taille du tableau) en-dessous duquel on peut construire une table de hachage correcte avec grande probabilité dans un grand système, et également de traiter de manière similaire de variantes de la méthode de hachage basique qui tentent de diminuer la quantité d'aléa nécessaire au système. Au-delà du problème d'équilibrage de charge, dans le cadre des réseaux de distributions de contenu distribués, un second problème se pose: comment décider quel contenu stocker et en quelle quantité, autrement dit comment répliquer les contenus? On appelle ce second problème un problème d'allocation de ressources. A nouveau, l'étude déjà réalisée permet de quantifier l'efficacité d'une politique de réplication fixée en supposant que la politique d'équilibrage de charge fonctionne de manière optimale. Il reste cependant à optimiser la politique de réplication de contenus utilisée, ce que l'on effectue dans un régime où l'espace de stockage disponible au niveau de chaque serveur est important par rapport à la taille d'un contenu. Finalement, afin de quantifier maintenant les performances minimales atteignables en pratique, on s'intéressera aux mêmes questions lorsque la politique d'équilibrage de charge utilisée est un simple algorithme glouton. Cette étude est réalisée à l'aide d'approximations de champs moyen. On utilisera également les résultats obtenus afin de concevoir des politiques de réplication de contenus adaptatives.

Un automate cellulaire probabiliste (ACP) est une chaîne de Markov sur un espace symbolique. Le temps est discret, les cellules évoluent de manière synchrone, et le nouvel état de chaque cellule est choisi de manière aléatoire, indépendamment des autres cellules, selon une distribution déterminée par les états d'un nombre fini de cellules situées dans le voisinage. Les ACP sont utilisés en informatique comme modèle de calcul, ainsi qu'en biologie et en physique. Ils interviennent aussi dans différents contextes en probabilités et en combinatoire. Un ACP est ergodique s'il a une unique mesure invariante qui est attractive. Nous prouvons que pour les AC déterministes, l'ergodicité est équivalente à la nilpotence, ce qui fournit une nouvelle preuve de l'indécidabilité de l'ergodicité pour les ACP. Alors que la mesure invariante d'un AC ergodique est triviale, la mesure invariante d'un ACP ergodique peut être très complexe. Nous proposons un algorithme pour échantillonner parfaitement cette mesure. Nous nous intéressons à des familles spécifiques d'ACP, ayant des mesures de Bernoulli ou des mesures markoviennes invariantes, et étudions les propriétés de leurs diagrammes espace-temps. Nous résolvons le problème de classification de la densité sur les grilles de dimension supérieure ou égale à 2 et sur les arbres. Enfin, nous nous intéressons à d'autres types de problèmes. Nous donnons une caractérisation combinatoire des mesures limites pour des marches aléatoires sur des produits libres de groupes. Nous étudions les mesures d'entropie maximale de sous-décalages de type fini sur les réseaux et sur les arbres. Les ACP interviennent à nouveau dans ce dernier travail.

Cette thèse étudie les urnes de Pólya à travers le prisme de la combinatoire analytique. Les urnes sont des modèles, conceptuellement très simples, de dynamique de croissance ou d'extinction dont les comportements limites sont extrêmement variés. Ces modèles sont largement étudiés par des approches probabilistes mais la compréhension précise des diverses lois limites reste une question ouverte. Les travaux de Flajolet et al. en 2005 ont illustré que pour ces questions, une approche par combinatoire analytique peut se révéler très fructueuse: l'étude des propriétés (nature, singularités) des séries génératrices associées aux urnes donne accès à des lois limites avec grande précision. Cette thèse s'inscrit dans la continuité de ces travaux et commence par identifier les séries des urnes de nature algébrique, grâce à un algorithme sophistiqué issu du calcul formel (Divination/Preuve automatique). Pour les classes d'urnes algébriques, nous menons des analyses, exacte et asymptotique, afin de connaître avec précision les comportements limites (structures des moments, vitesse de convergence, aspects limites locaux). Puis, l'étude d'urnes non algébriques est faite au travers d'exemples concrets portant sur la modélisation de réseaux sociaux, ainsi que sur la combinatoire des formules booléennes. Enfin, à travers des modèles d'urnes plus généraux (absence d'équilibre, présence d'aléa au sein des règles de substitution), nous montrons que l'approche symbolique de la combinatoire analytique est robuste. En particulier, une étude combinatoire générale des urnes sans condition d'équilibre est réalisée pour la première fois, unissant toute urne à une équation aux dérivées partielles.

At the core of successful manipulation and computation over large geometric data is the notion of approximation, both structural and computational. The focus of this thesis will be on the combinatorial and algorithmic aspects of approximations of point-set data P in d-dimensional Euclidean space. It starts with a study of geometric data depth where the goal is to compute a point which is the 'combinatorial center' of P. Over the past 50 years several such measures of combinatorial centers have been proposed, and we will re-examine several of them: Tukey depth, Simplicial depth, Oja depth and Ray-Shooting depth. This can be generalized to approximations with a subset, leading to the notion of epsilon-nets. There we will study the problem of approximations with respect to convexity. Along the way, this requires re-visiting and generalizing some basic theorems of convex geometry, such as the Caratheodory's theorem. Finally we will turn to the algorithmic aspects of these problems. We present a polynomial-time approximation scheme for computing hitting-sets for disks in the plane. Of separate interest is the technique, an analysis of local-search via locality graphs. A further application of this technique is then presented in computing independent sets in intersection graphs of rectangles in the plane.

Ce travail présente des contributions théoriques et appliquées dans le contexte des systèmes dynamiques discrets vus comme modèles des réseaux de régulation biologique. En mettant en avant le fait qu'accroître les connaissances du vivant nécessite aujourd'hui de mieux comprendre les propriétés mathématiques qui le régissent, il développe diverses réflexions menées en bio-informatique théorique en se fondant sur le formalisme des réseaux d'automates, notamment booléens. Les trois principaux thèmes abordés sur ces réseaux sont la robustesse environnementale, la combinatoire comportementale et la robustesse structurelle. La robustesse environnementale est notamment évoquée à travers une étude de la manière dont les réseaux d'automates réagissent face à l'influence de conditions de bord fixées (on y retrouve une généralisation au cas non-linéaire d'un résultat connu dans le domaine des automates cellulaires). La combinatoire comportementale est quant à elle abordée par les cycles d'interaction dont on connaît l'importance sur la dynamique des réseaux. Pour ces motifs particuliers et leurs intersections sont présentées des caractérisations combinatoires de leur comportement asymptotique en parallèle, qui font ensuite l'objet de comparaisons. Enfin, le thème de la robustesse structurelle est traité au travers du concept de graphe de transition général, qui a mené à mettre en évidence tous les comportements possibles des cycles d'interaction, à donner une classification de la robustesse des réseaux vis-à-vis de leur asynchronisme/synchronisme, de laquelle se sont imposées des études plus précises sur le rôle de la non-monotonie dans ces réseaux.

<p dir="ltr">This work will introduce a channel conceptualization and possible coding scheme for Graph-and-Symbol (GS) Communication. While Claude Shannon’s mathematical model for communication employed graphs to describe relationships and confusability among traditional time-sequenced signals, little work as been done to describe non-linear communication <i>with</i> graphs where we transmit and receive physical structures of information. The principal contribution of this work is to introduce a mathematical framework for communication with graphs which have symbols assigned to vertices. This looks like a molecule, and so we may think of these messages as coded forms of molecular communication.</p><p dir="ltr">At this time, many problems in this area will (and may remain) computationally intractable, but as the field of graph theory continues to develop, new tools and techniques may emerge to solve standing problems in this new subfield of communication.</p><p dir="ltr">Graphs present two difficulties: first, they contain ambiguities among their vertices and do not have an <i>a priori</i> canonical ordering, and second, the relationships among graphs lack structural regularities which we see in traditional error control coding lattices. There are no Galois fields to exploit over graph-based codes as we have with cyclic codes, for example. Furthermore, the shear number of graphs of order n grows so rapidly that it is difficult to account for the neighborhoods around codewords and effectively reduce communication errors which may occur. The more asymmetric a graph is, the more orderings on symbols it can support. However, asymmetries complicate the computation of channel transition probabilities, which are the cornerstone of all communication theory.</p><p dir="ltr">In the prologue, the reader will be introduced to a new educational tool for designing traditional binary cyclic codes.</p><p dir="ltr">1 through 10 will detail the development of Graph-and-Symbol (GS) Commu- nication to date followed by two example codes which demonstrate the power of structuring information on graphs.</p><p dir="ltr">Chapter 13 onward will review the preliminary work in another area of research, disjoint from the main body. It is included here for posterity and special interests in applying graphs to solving other problems in signal processing. It begins with an introduction of spacetime raythic graphs. We propose a new chamfering paradigm for connecting neighboring pixels which approximates solutions to the eikonal equation. We show that some raythic graphs possess structures with multiple, differing solutions to eikonal wavefront propagation which are essential to the construction of the Umbral Transform. This umbral transform emulates ray casting effects, such as shadows and diffraction within an image space, from a network-flow algorithm.</p><p dir="ltr">This work may be duplicated in whole or in part for educational purposes only. All other rights of this work are reserved by the author, Timothy Arthur Terlep Jr., of Rose-Hulman Institute of Technology, Terre Haute, IN (effective August 2024), and subject to the rules and regulations of the Graduate School of Purdue University.</p><p dir="ltr">Readers may contact the author with any comments and questions at <b>taterlep@gmail.com</b></p>