Pattern matching on large graphs is the foundation for a variety of application domains. The continuously increasing size of the underlying graphs requires highly parallel in-memory graph processing engines that need to consider non-uniform memory access (NUMA) and concurrency issues to scale up on modern multiprocessor systems. To tackle these aspects, a fine-grained graph partitioning becomes increasingly important. Hence, we present a classification of graph partitioning strategies and evaluate representative algorithms on medium and large-scale NUMA systems in this paper. As a scalable pattern matching processing infrastructure, we leverage a data-oriented architecture that preserves data locality and minimizes concurrency-related bottlenecks on NUMA systems. Our in-depth evaluation reveals that the optimal partitioning strategy depends on a variety of factors and consequently, we derive a set of indicators for selecting the optimal partitioning strategy suitable for a given graph and workload.

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Avec l'avènement du « big data », de nombreuses répercussions ont eu lieu dans tous les domaines de la technologie de l'information, préconisant des solutions innovantes remportant le meilleur compromis entre coûts et précision. En théorie des graphes, où les graphes constituent un support de modélisation puissant qui permet de formaliser des problèmes allant des plus simples aux plus complexes, la recherche pour des problèmes NP-complet ou NP-difficils se tourne plutôt vers des solutions approchées, mettant ainsi en avant les algorithmes d'approximations et les heuristiques alors que les solutions exactes deviennent extrêmement coûteuses et impossible d'utilisation.Nous abordons dans cette thèse deux problématiques principales: dans un premier temps, le problème du partitionnement des graphes est abordé d'une perspective « big data », où les graphes massifs sont partitionnés en streaming. Nous étudions et proposons plusieurs modèles de partitionnement en streaming et nous évaluons leurs performances autant sur le plan théorique qu'empirique. Dans un second temps, nous nous intéressons au requêtage des graphes distribués/partitionnés. Dans ce cadre, nous étudions la problématique de la « recherche agrégative dans les graphes » qui a pour but de répondre à des requêtes interrogeant plusieurs fragments de graphes et qui se charge de la reconstruction de la réponse finale tel que l'on obtient un « matching approché » avec la requête initiale / With the advent of the "big data", many repercussions have taken place in all fields of information technology, advocating innovative solutions with the best compromise between cost and accuracy. In graph theory, where graphs provide a powerful modeling support for formalizing problems ranging from the simplest to the most complex, the search for NP-complete or NP-difficult problems is rather directed towards approximate solutions, thus Forward approximation algorithms and heuristics while exact solutions become extremely expensive and impossible to use. In this thesis we discuss two main problems: first, the problem of partitioning graphs is approached from a perspective big data, where massive graphs are partitioned in streaming. We study and propose several models of streaming partitioning and we evaluate their performances both theoretically and empirically. In a second step, we are interested in querying distributed / partitioned graphs. In this context, we study the problem of aggregative search in graphs, which aims to answer queries that interrogate several fragments of graphs and which is responsible for reconstructing the final response such that a Matching approached with the initial query

Sejam GI = (VI ,AI) e GM = (VM,AM) dois grafos simples. Um mapeamento de GI para GM é um conjunto de associações, tal que cada vértice de VI está associado a um vértice de VM, e cada aresta de AI está associada a um par de vértices de VM. A cada possível associação é atribuído um custo. O problema de correspondência inexata entre grafos (PCIG) consiste em encontrar um mapeamento de GI para GM, tal que a soma dos custos de suas associações seja mínima. Nesta dissertação, resumimos os resultados encontrados na literatura sobre o PCIG e algumas de suas variações. Os resultados que incluímos aqui tratam sobre a questão de como formular o PCIG e algumas de suas variações, através de programação linear inteira. Provamos alguns resultados de complexidade computacional que relacionam variações do PCIG a problemas clássicos, como isomorfismo e partição de grafos. Fornecemos uma formulação através de programação linear inteira para o PCCA (uma variante do PCIG com conexidade e cobertura de arestas). Mostramos que o PCCA é NP-difícil quando os grafos de entrada são completos ou árvores (chamamos o segundo caso de PCCA para árvores). Apresentamos uma formulação linear inteira e um algoritmo - que é polinomial se o grau máximo dos vértices de VM for limitado por uma constante - para o PCCA para árvores. Mostramos um caso especia em que o PCCA para árvores pode ser resolvido em tempo polinomial. Por último, exibimos alguns resultados experimentais, inclusive com instâncias reais de uma aplicação do problema. / Let GI = (VI ,AI) and GM = (VM,AM) be two simple graphs. A mapping from GI to GM is an association set, such that each vertex in VI is associated to a vertex in VM, and each edge in AI is associated to a pair of vertices of VM. A cost is defined to each possible association. The inexact graph correspondence problem (IGCP) consists in finding a mapping from GI to GM, such that the sum of its associations costs is minimized. In this dissertation, we summarize the results found in the literature about the IGCP and some variations. The results included here address the question of how to formulate the IGCP and some variations, using integer linear programming. We prove some computational complexity results which relate IGCP variations with classical problems, like graph isomorphism and partitioning. We give an integer linear programming formulation to the ICEC (IGCP with connectivity and edges cover). We show that the ICEC is NP-hard when the input graphs are complete or trees (we call the second case ICEC for trees). We introduce an integer linear formulation and an algorithm - which has polynomial running time if the vertices of VM have maximum degree bounded by a constant - to the ICEC for trees. We show a especial case in which the ICEC for trees can be solved in polynomial time. Finally, we present some experimental results, also with instances of a real application of the problem.

Les applications réelles liées aux problèmes de satisfaction partielle de contraintes (PCSP : Partial Constraints Satisfaction Problem) sont de plus en plus nombreuses, ce qui justifie l’intérêt croissant des chercheurs pour cette classe de problèmes. La résolution d’un PCSP revient à affecter des valeurs à toutes ses variables tout en maximisant (ou minimisant) une fonction objectif prédéfinie. Ces problèmes sont NP-difficiles, par conséquent il n’existe aucune approche aussi bien exacte qu’heuristique efficace sur les grandes instances. Pour résoudre efficacement les instances difficiles, une multitude de solutions sont proposées, allant de l’hybridation à l’apprentissage en passant par la décomposition. Dans notre travail, nous nous intéressons à cette dernière proposition, qui consiste à fractionner le problème PCSP en plusieurs sous-problèmes PCSP de tailles raisonnables, puis proposer des algorithmes de résolution pour les problèmes décomposés. Cette approche a pour but de bénéficier de la structure du problème afin d’accélérer sa résolution tout en garantissant des solutions optimales ou sous-optimales. Deux grand axes sont explorés : les approches basées sur la décomposition et celles guidées par la décomposition. Les approches basées sur la décomposition consistent à résoudre séparément les parties difficiles du problème décomposé, puis combiner les solutions partielles obtenues en vue d’atteindre une solution globale du problème d’origine. Les approches guidées par la décomposition consistent à développer des métaheuristiques qui tiennent compte de la structure du problème décomposé. Les algorithmes proposés sont testés et validés sur des instances réelles des problèmes PSCP, comme le problème d’affectation de fréquences et le problème de coloration de graphes / The wide range of potential applications concerned by the resolution of Partial Constraints Satisfaction Problems (PCSP) justifies the growing interest of scientists in this class of problems. Solving a PCSP means searching for values to assign to the decision variables in order to maximize (or minimize) a predefined objective function. These problems are NP-hard, so there isn’t an exact approach nor an efficient heuristic able to provide the optimal solution for large instances. In order to solve effectively the difficult instances, numerous approaches based on hybridization, learning or decomposition are proposed. In the present work, we focus on the latter proposal, which consists in splitting the PCSP into several smaller size PCSPs and we propose some methods to solve the decomposed problem. Two wide axes are explored : the resolution based on the decomposition and the one guided by decomposition. The former solves separately the difficult parts of the decomposed problem (cuts or clusters) and then combines partial solutions obtained in order to achieve a global solution for the original problem. The latter aims at benefiting from the structure of the problem to be decomposed in order to accelerate its resolution while ensuring optimal or near optimal solutions. All the proposed algorithms are tested and validated on the well-known benchmarks of PCSP problems such as Frequency Assignment Problem (FAP) and graph coloring problem

Dans la présente thèse de doctorat je présente des résultats concernant des modèles désordonnés et frustrés venant de la physique statistique et de l'optimisation combinatoire. Comme application de la théorie des verres de spins, j'étudie le modèle de Blume, Emery et Griffiths désordonné et frustré. Ce modèle est traité dans l'approximation de champ moyen dans le cadre de la méthode des répliques A l'aide de l'Ansatz symétrique dans les répliques je présente une solution numérique complète puis je discute des effets de brisure de cette symétrie La stabilité de la solution symétrique a été Rudik et les régions instables identifiées Le diagramme de phase exhibe des transitions de premier et de second ordre. Le point tricritique persiste dans le modèle frustré, Ce qui est en accord avec des travaux antérieurs une version du modèle BEG avec un potentiel chimique désordonné a également été étudiée. les calculs confirment que le point tricritique apparaît à plus basse température quand il y a du désordre. Ensuite je considère le problème de la bipartition d'un graphe. Ce problème correspond du point de vue de la physique statistique h un verre de spins soumis h une contrainte d'aimantation totale nulle. je considère les propriétés statistiques des solutions de faible énergie engendrées par des algorithmes heuristiques. de tels algorithme sont en général conçus pour résoudre des problèmes d'optimisation combinatoire qui sont NP- difficiles. Plusieurs heuristiques ont 60 implémentées pour le problème de la bipartition de graphe. des lois d'échelle ont été obtenues : en particulier la moyenne et la variance du coût obéissent A une loi linéaire en N. Par conséquent le coût obtenu par des heuristiques est une quantité auto-moyennante. je suggère que cette propriété est générale valable aussi pour les solutions aléatoires pour les solutions quasi-optimales et pour les solutions optimales. En outre je propose une procédure pour comparer des algorithmes heuristiques. Cette procédure tient compte de la qualité de la solution aussi bien que du temps de calcul utilisé. Dans la troisième partie de ma thèse j'ai étudié en détail les propriétés h température nulle des verres de spins sur des graphes aléatoires lacunaires avec une coordination fixe. les verres de spins sur de tels graphes peuvent être considérés comme une approximation aux vrais verres de spins qui est plus réaliste que le modèle de Sherrington et Kirkpatrick. J'ai conçu un nouvel algorithme pour trouver les états fondamentaux. Aussi je teste numériquement une conjecture de Banavar, Sherrington et Sourlas qui donne la densité d'énergie du fondamental dans la limite de grande taille en fonction de la coordination. La distribution du paramètre d'ordre se révèle être non triviale et les données présentent une forte indication de la présence d'ultramétricité pour toutes les valeur de la coordination. Ces résultats confirment que les propriétés particulières des verres de spin, déduites an niveau de l'approximation de champ moyen dans le cadre du modèle de Sherrington et Kirkpatrick, sont aussi présentes pour des modèles plus réalistes comme les verres de spins sur des graphes aléatoires lacunaires avec une coordination fixe.

Sejam GI = (VI ,AI) e GM = (VM,AM) dois grafos simples. Um mapeamento de GI para GM é um conjunto de associações, tal que cada vértice de VI está associado a um vértice de VM, e cada aresta de AI está associada a um par de vértices de VM. A cada possível associação é atribuído um custo. O problema de correspondência inexata entre grafos (PCIG) consiste em encontrar um mapeamento de GI para GM, tal que a soma dos custos de suas associações seja mínima. Nesta dissertação, resumimos os resultados encontrados na literatura sobre o PCIG e algumas de suas variações. Os resultados que incluímos aqui tratam sobre a questão de como formular o PCIG e algumas de suas variações, através de programação linear inteira. Provamos alguns resultados de complexidade computacional que relacionam variações do PCIG a problemas clássicos, como isomorfismo e partição de grafos. Fornecemos uma formulação através de programação linear inteira para o PCCA (uma variante do PCIG com conexidade e cobertura de arestas). Mostramos que o PCCA é NP-difícil quando os grafos de entrada são completos ou árvores (chamamos o segundo caso de PCCA para árvores). Apresentamos uma formulação linear inteira e um algoritmo - que é polinomial se o grau máximo dos vértices de VM for limitado por uma constante - para o PCCA para árvores. Mostramos um caso especia em que o PCCA para árvores pode ser resolvido em tempo polinomial. Por último, exibimos alguns resultados experimentais, inclusive com instâncias reais de uma aplicação do problema. / Let GI = (VI ,AI) and GM = (VM,AM) be two simple graphs. A mapping from GI to GM is an association set, such that each vertex in VI is associated to a vertex in VM, and each edge in AI is associated to a pair of vertices of VM. A cost is defined to each possible association. The inexact graph correspondence problem (IGCP) consists in finding a mapping from GI to GM, such that the sum of its associations costs is minimized. In this dissertation, we summarize the results found in the literature about the IGCP and some variations. The results included here address the question of how to formulate the IGCP and some variations, using integer linear programming. We prove some computational complexity results which relate IGCP variations with classical problems, like graph isomorphism and partitioning. We give an integer linear programming formulation to the ICEC (IGCP with connectivity and edges cover). We show that the ICEC is NP-hard when the input graphs are complete or trees (we call the second case ICEC for trees). We introduce an integer linear formulation and an algorithm - which has polynomial running time if the vertices of VM have maximum degree bounded by a constant - to the ICEC for trees. We show a especial case in which the ICEC for trees can be solved in polynomial time. Finally, we present some experimental results, also with instances of a real application of the problem.

We consider the problem of maximizing the second smallest eigenvalue of the weighted Laplacian of a (simple) graph over all nonnegative edge weightings with bounded total weight. We generalize this problem by introducing node significances and edge lengths. We give a formulation of this generalized problem as a semidefinite program. The dual program can be equivalently written as embedding problem. This is fifinding an embedding of the n nodes of the graph in n-space so that their barycenter is at the origin, the distance between adjacent nodes is bounded by the respective edge length, and the embedded nodes are spread as much as possible. (The sum of the squared norms is maximized.) We proof the following necessary condition for optimal embeddings. For any separator of the graph at least one of the components fulfills the following property: Each straight-line segment between the origin and an embedded node of the component intersects the convex hull of the embedded nodes of the separator. There exists always an optimal embedding of the graph whose dimension is bounded by the tree-width of the graph plus one. We defifine the rotational dimension of a graph. This is the minimal dimension k such that for all choices of the node significances and edge lengths an optimal embedding of the graph can be found in k-space. The rotational dimension of a graph is a minor monotone graph parameter. We characterize the graphs with rotational dimension up to two.:1 Introduction 1.1 Notations and Preliminaries 1.2 The Algebraic Connectivity 1.3 Two applications 1.4 Outline 2 The Embedding Problem 2.1 Semidefinite formulation 2.2 The dual as geometric embedding problem 2.3 Physical interpretation and examples 2.4 Formulation without fifixed barycenter 3 Geometrical Operations 3.1 Congruent transformations 3.2 Folding a flat halfspace 3.3 Folding and Collapsing 4 Structural properties of optimal embeddings 4.1 Separator-Shadow 4.2 Separators containing the origin 4.3 The tree-width bound 4.4 Application to trees 5 The Rotational Dimension of a graph 5.1 Defifinition and basic properties 5.2 Characterization of graphs with small rotational dimension 5.3 The Colin de Verdi ere graph parameter List of Figures Bibliography Theses

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la recherche d’images similaires avec des descripteurs structurés par découpages d’images sur les graphes.Nous proposons une nouvelle approche appelée “bag-of-bags of words” (BBoW) pour la recherche d’images par le contenu (CBIR). Il s’agit d’une extension du modèle classique dit sac-de-mots (bag of words - BoW). Dans notre approche, une image est représentée par un graphe placé sur une grille régulière de pixels d’image. Les poids sur les arêtes dépendent de caractéristiques locales de couleur et texture. Le graphe est découpé en un nombre fixe de régions qui constituent une partition irrégulière de l’image. Enfin, chaque partition est représentée par sa propre signature suivant le même schéma que le BoW. Une image est donc décrite par un ensemble de signatures qui sont ensuite combinées pour la recherche d’images similaires dans une base de données. Contrairement aux méthodes existantes telles que Spatial Pyramid Matching (SPM), le modèle BBoW proposé ne repose pas sur l’hypothèse que des parties similaires d’une scène apparaissent toujours au même endroit dans des images d’une même catégorie. L’extension de cette méthode ` a une approche multi-échelle, appelée Irregular Pyramid Matching (IPM), est ´ également décrite. Les résultats montrent la qualité de notre approche lorsque les partitions obtenues sont stables au sein d’une même catégorie d’images. Une analyse statistique est menée pour définir concrètement la notion de partition stable.Nous donnons nos résultats sur des bases de données pour la reconnaissance d’objets, d’indexation et de recherche d’images par le contenu afin de montrer le caractère général de nos contributions / Image representation is a fundamental question for several computer vision tasks. The contributions discussed in this thesis extend the basic bag-of-words representations for the tasks of object recognition and image retrieval.In the present thesis, we are interested in image description by structural graph descriptors. We propose a model, named bag-of-bags of words (BBoW), to address the problems of object recognition (for object search by similarity), and especially Content-Based Image Retrieval (CBIR) from image databases. The proposed BBoW model, is an approach based on irregular pyramid partitions over the image. An image is first represented as a connected graph of local features on a regular grid of pixels. Irregular partitions (subgraphs) of the image are further built by using graph partitioning methods. Each subgraph in the partition is then represented by its own signature. The BBoW model with the aid of graphs, extends the classical bag-of-words (BoW) model by embedding color homogeneity and limited spatial information through irregular partitions of an image. Compared to existing methods for image retrieval, such as Spatial Pyramid Matching (SPM), the BBoW model does not assume that similar parts of a scene always appear at the same location in images of the same category. The extension of the proposed model to pyramid gives rise to a method we named irregular pyramid matching (IPM).The experiments demonstrate the strength of our approach for image retrieval when the partitions are stable across an image category. The statistical analysisof subgraphs is fulfilled in the thesis. To validate our contributions, we report results on three related computer vision datasets for object recognition, (localized)content-based image retrieval and image indexing. The experimental results in a database of 13,044 general-purposed images demonstrate the efficiency and effectiveness of the proposed BBoW framework.

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