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L'organisation structurée (graphe avec hiérarchies et propriétés sémantiques) d'objets du plan implique plusieurs opérations complexes qui doivent être effectuées en toute sécurité de cohérence topologique. La précision inhérente d'une machine étant nécessairement limitée, il faut souvent recourir à une arithmétique exacte couteuse. Cette thèse présente, à partir de travaux liés à la réalisation du module de facettisation d'un simulateur de vol industriel, une solution permettant l'utilisation d'une arithmétique mixte, de précision arbitraire et de coût très inférieur statistiquement a la solution exacte. On y trouve aussi l'unification des méthodes de construction d'un diagramme de Voronoi, d'une triangulation de Delaunay pour un nuage de points dans le plan et de la triangulation contrainte de Delaunay de la représentation par segments d'un graphe planaire, autour d'une technique incrémentale optimale, fondamentalement plus simple que la méthode diviser-pour-résoudre classique. La technique incrémentale permet, par ailleurs, de donner un algorithme linéaire et très simple de construction du diagramme de Voronoi et de la triangulation de Delaunay d'un nuage de points situes sur la frontière d'un polygone monotone ou convexe.

Dans cette thèse, nous présentons trois problèmes concernant les graphes planaires.Nous travaillons tout d'abord sur les dessins planaires non-alignés, c'est-à-dire des dessins planaires de graphes sur une grille sans que deux sommets se trouvent sur la même ligne ou la même colonne.Nous caractérisons les graphes planaires possédant un tel dessin sur une grille de taille $n times n$, et nous présentons deux algorithmes générant un dessin planaire non-aligné avec arêtes brisées sur cette grille pour tout graphe planaire, avec $n-3$ ou $min(frac{2n-3}{5},$ $#{text{triangles s{'e}parateurs}}+1)$ brisures au total.Nous proposons également deux algorithmes dessinant un dessin planaire non-aligné sur des grilles d'aire $O(n^4)$. Nous donnons des résultats spécifiques concernant les graphes 4-connexes et de type triangle-emboîté.Le second sujet de cette thèse est la domination de puissance dans les graphes planaires. Nous exhibons une famille de graphes ayant un nombre de domination de puissance $gamma_P$ au moins égal à $frac{n}{6}$. Nous montrons aussi que pour tout graphe planaire maximal $G$ à $n geq 6$ sommets, $gamma_P(G) leq frac{n-2}{4}$. Enfin, nous étudions les grilles triangulaires $T_k$ à bord hexagonal de dimension $k$ et nous montrons que $frac{k}{3} - frac{1}{6} leq gamma_P(T_k) leq lceil frac{k}{3} rceil$.Nous étudions également l'énumération des orientations planaires Eulériennes. Nous proposons une nouvelle décomposition de ces cartes. En considérant les orientations des dernières $2k-1$ arêtes autour de la racine, nous définissons des sous- et sur-ensembles des orientations planaires Eulériennes paramétrés par $k$.Pour chaque classe, nous proposons un système d'équations fonctionnelles définissant leur série génératrice, et nous prouvons que celle-ci est toujours algébrique. Nous montrons ainsi que la constance de croissance des orientations planaires Eulériennes est entre 11.56 et 13.005. / In this thesis, we present results on three different problems concerning planar graphs.We first give some new results on planar non-aligned drawings, i.e. planar grid drawings where vertices are all on different rows and columns.We show that not every planar graph has a non-aligned drawing on an $n times n$-grid, but we present two algorithms generating a non-aligned polyline drawings on such a grid requiring either $n-3$ or $min(frac{2n-3}{5},$ $#{text{separating triangles}}+1)$ bends in total.Concerning non-minimal grids, we give two algorithms drawing a planar non-aligned drawing on grids with area of order $n^4$. We also give specific results for 4-connected graphs and nested-triangle graphs.The second topic is power domination in planar graphs. We present a family of graphs with power dominating number $gamma_P$ at least $frac{n}{6}$. We then prove that for every maximal planar graph $G$ of order $n$, $gamma_P(G) leq frac{n-2}{4}$, and we give a constructive algorithm.We also prove that for triangular grids $T_k$ of dimension $k$ with hexagonal-shape border, $frac{k}{3} - frac{1}{6} leq gamma_P(T_k) leq lceil frac{k}{3} rceil$.Finally, we focus on the enumeration of planar Eulerian orientations. After proposing a new decomposition for these maps, we define subsets and supersets of planar Eulerian orientations with parameter $k$, generated by looking at the orientations of the last $2k-1$ edges around the root vertex.For each set, we give a system of functional equations defining its generating function, and we prove that it is always algebraic.This way, we show that the growth rate of planar Eulerian orientations is between 11.56 and 13.005.

Cette thèse porte sur deux sujets d’algorithmique des graphes. Le premier sujet est l’inférence de réseaux. Quelle est la complexité pour déterminer un graphe inconnu à partir de requêtes de plus court chemin entre ses sommets ? Nous supposons que le graphe est de degré borné. Dans le problème de reconstruction, le but est de reconstruire le graphe ; tandis que dans le problème de vérification, le but est de vérifier qu’un graphe donné est correct. Nous développons des algorithmes probabilistes utilisant une décomposition en cellules de Voronoi. Ensuite, nous analysons des algorithmes de type glouton, et montrons qu’ils sont quasi-optimaux. Nous étudions aussi ces problèmes sur des familles particulières de graphes, démontrons des bornes inférieures, et étudions la reconstruction approximative. Le deuxième sujet est l’étude de deux problèmes d’optimisation sur les graphes planaires. Dans le problème de classification par corrélations, l’entrée est un graphe pondéré, où chaque arête a une étiquette h+i ou h-i, indiquant si ses extrémités sont ou non dans la même catégorie. Le but est de trouver une partition des sommets en catégories qui respecte au mieux les étiquettes. Dans le problème d’augmentation 2-arête-connexe, l’entrée est un graphe pondéré et un sous-ensemble R des arêtes. Le but est de trouver un sous-ensemble S des arêtes de poids minimum, tel que pour chaque arête de R, ses extrémités sont dans une composante 2-arête-connexe de l’union de R et S. Pour les graphes planaires, nous réduisons le premier problème au deuxième et montrons que les deux problèmes, bien que NP-durs, ont un schéma d’approximation en temps polynomial. Nous utilisons la technique récente de décomposition en briques. / This thesis focuses on two topics of graph algorithms. The first topic is network inference. How efficiently can we find an unknown graph using shortest path queries between its vertices? We assume that the graph has bounded degree. In the reconstruction problem, the goal is to find the graph; and in the verification problem, the goal is to check whether a given graph is correct. We provide randomized algorithms based on a Voronoi cell decomposition. Next, we analyze greedy algorithms, and show that they are near-optimal. We also study the problems on special graph classes, prove lower bounds, and study the approximate reconstruction. The second topic is optimization in planar graphs. We study two problems. In the correlation clustering problem, the input is a weighted graph, where every edge has a label of h+i or h−i, indicating whether its endpoints are in the same category or in different categories. The goal is to find a partition of the vertices into categories that tries to respect the labels. In the two-edge-connected augmentation problem, the input is a weighted graph and a subset R of edges. The goal is to produce a minimum-weight subset S of edges, such that for every edge in R, its endpoints are two-edge-connected in the union of R and S. For planar graphs, we reduce correlation clustering to two-edge-connected augmentation, and show that both problems, although they are NP-hard, have a polynomial-time approximation scheme. We build on the brick decomposition technique developed recently.

Savoir comment transmettre une information est fondamental dans un réseau. Il est essentiel que chaque entité du réseau soit capable de décider localement, avec sa vue du réseau, du chemin par lequel l'information doit passer. Ainsi, il est souvent utile d'étudier la topologie du réseau, modélisée par un graphe, pour répondre à ces exigences. Nous nous intéressons dans un premier temps, à la décomposition arborescente des graphes planaires. En effet, comme dans beaucoup de problèmes de graphes, l'étude de la topologie des graphes nous conduit à procéder à une décomposition du graphe afin d'exploiter les propriétés structurelles qui en découlent. En suite, nous nous sommes aussi intéressés à la structure des graphes qui excluent un mineur H, en particulier le graphe K_{2,r}. Ces travaux nous ont permis d'améliorer les bornes actuelles connues sur la largeur arborescente de ces graphes. Dans la dernière partie, nous abordons le problème du routage compact. Nous nous sommes intéressés aux schémas de routage de plus courts chemins utilisant des adresses, des tables de routage de tailles optimales de O(log n) bits, où n est le nombre de sommets du graphe. Nous proposons un tel schéma de routage pour une famille de graphes valués contenant les arbres et les graphes planaire-extérieurs. / In a network, it is crucial to know how to construct an efficent routing scheme. It is fundamental for each entity with its local knowledge of the network, to be able to decide on which link to forward messages. Thus, it is important to sutdy the underlying network topology in order to design routing schemes. In the first part of this thesis, we construct a new tree-decomposition for planar graphs. In fact, as in many graph problems, the study of the graph structure leads to do a tree-decomposition for exploiting structural propertys of the graphs. In second part, we studied the structure of H-minor free graphs, in particular whenever H = K_{2,r}. Our results improve upon previous known bounds about the tree-width of K_{2,r}-minor free graphs. At last, we treat the problème of compact routing scheme. More precisely, we are interested in shortest-path routing schemes that use O(\log n) bits for addresses, headers and routing tables, where n is the number of vertices in the graph. We propose such a routing scheme for a large family of weighted graphs including outerplanar graphs.

Cette thèse présente des résultats obtenus dans deux domaines : la théorie des langages, et la théorie des graphes. En théorie des langages, on s’intéresse à des problèmes de caractérisation de classes de langages réguliers. Le problème générique consiste à déterminer si un langage régulier donné peut être défini dans un certain formalisme. Les méthodes actuelles font intervenir un problème plus général appelé séparation. On présente ici deux types de contributions : une généralisation d’un résultat de décidabilité au cadre des langages de mots infinis, ainsi que des bornes inférieures pour la complexité du problème de séparation. En théorie des graphes, on considère le problème classique de coloration de graphes, où on cherche à attribuer des couleurs aux sommets d’un graphe de sorte que les sommets adjacents reçoivent des couleurs différentes, le but étant d’utiliser le moins de couleurs possible. Dans le cas des graphes peu denses, la méthode de déchargement est un atout majeur. Elle a notamment joué un rôle décisif dans la preuve du théorème des quatre couleurs. Cette méthode peut être vue comme une construction non conventionnelle d’un schéma de preuve par induction, spécifique à la classe de graphes et à la propriété considérées, et où la validité du schéma est rarement immédiate. On utilise des variantes de la méthode de déchargement pour étudier deux types de problèmes de coloration. / In this thesis, we present results obtained in two fields: formal language theory and graph theory. In formal language theory, we consider some problems of characterization of classes of regular languages. The generic problem consists in determining whether a given regular language can be defined in a fixed formalism. The current approaches use a more general problem called separation. We present here two types of contributions: a generalization of a decidability result to the setting of infinite words, together with lower bounds for the complexity of the separation problem. In graph theory, we consider the classical problem of graph coloring, where we assign colors to vertices of a graph in such a way that two adjacent vertices receive different colors. The goal is to use the fewest colors. When the graphs are sparse, a crucial tool for this is the discharging method. It is most notably decisive in the proof of the Four-Color Theorem. This method can be seen as an unconventional construction of an inductive proof scheme, specific to the considered problem and graph class, where arguing the validity of the scheme is rarely immediate. We use variants of the discharging method to study two types of coloring problems.

Une coloration des sommets de G s'appelle une b-coloration si chaque classe de couleur contient au moins un sommet qui a un voisin dans toutes les autres classes de couleur. Le nombre b-chromatique b(G) de G est le plus grand entier k pour lequel G a une b-coloration avec k couleurs. Ces notions ont été introduites par Irving et Manlove en 1999. Elles permettent d'évaluer les performances de certains algorithmes de coloration. Irving et Manlove ont montré que le calcul du nombre b-chromatique d'un graphe est un problème NP-difficile et qu'il peut être résolu en temps polynomial pour les arbres. Une question qui se pose naturellement est donc d'enquêter sur les graphes qui ont une structure proche des arbres: cactus, graphes triangulés, graphes série-parallèles, "block" graphes, etc. Dans cette thèse, nous généralisons le résultat d'Irving et Manlove pour les cactus dont le "m-degré" est au moins 7 et pour les graphes planaires extérieurs dont la maille est au moins 8. (Le m-degré m(G) est le plus grand entier d tel que G a au moins d sommets de degré au moins d −1.) Nous démontrons un résultat semblable pour le produit cartésien d'un arbre par une chaîne, un cycle ou une étoile. Pour ce qui concerne les graphes dont les blocs sont des cliques, nous montrons que le problème avec un nombre de couleurs fixé peut être résolu en temps polynomial et nous présentons des cas où le problème de décision peut être résolu. Toutefois, nous avons constaté que la différence m(G)−b(G) peut être arbitrairement grande pour les graphes blocs, ce qui montre qu'avoir une structure arborescence n'est pas suffisant pour que le graphe satisfasse b(G)>= m(G) − 1.

Le Théorème des Quatre Couleurs, conjecturé en 1852 et prouvé en 1976, est à l'origine de l'étude des partitions des sommets de graphes peu denses. Il affirme que toute carte plane peut être coloriée avec au plus quatre couleurs différentes, de telle manière que deux régions qui partagent une frontière aient des couleurs différentes. Énoncé en terme de théorie des graphes, cela veut dire que tout graphe planaire, c'est à dire tout graphe qui peut être représenté dans le plan sans que deux arêtes ne se croisent, peut voir son ensemble de sommets partitionné en quatre ensembles tels que chacun de ces ensembles ne contient pas les deux extrémités d'une même arête. Une telle partition est appelée une coloration propre en quatre couleurs. Dans cette thèse, on s'intéresse à l'étude de la structure des graphes peu denses, selon différentes notions de densité. D'une part, on étudie les graphes planaires sans petits cycles, et d'autre part les graphes dont tous les sous-graphes ont un degré moyen peu élevé. Pour ces classes de graphes, on recherche tout d'abord le plus petit nombre de sommets à retirer pour obtenir une forêt, c'est à dire un graphe sans cycles. Cela peut être vu comme une partition des sommets du graphe en un ensemble induisant une forêt et un ensemble de sommets contenant au plus une fraction donnée des sommets du graphe. La motivation première de cette étude est une conjecture d'Albertson et Berman (1976) comme quoi tout graphe planaire admettrait une telle partition où la forêt contient au moins la moitié des sommets du graphe. Dans un second temps, on s'intéresse aux partitions des sommets de ces graphes en deux ensembles, tels que les sous-graphes induits par ces deux ensembles ont des propriétés particulières. Par exemple, ces sous-graphes peuvent être des graphes sans arêtes, des forêts, des graphes de degré borné, ou des graphes dont les composantes connexes ont un nombre borné de sommets. Ces partitions des sommets sont des extensions de la notion de coloration propre de graphe.On montre, pour différentes classes de graphes peu denses, que tous les graphes de ces classes admettent de telles partitions. On s'intéresse également aux aspect algorithmiques de la construction de telles partitions. / The study of vertex partitions of planar graphs was initiated by the Four Colour Theorem, which was conjectured in 1852, and proven in 1976. According to that theorem, one can colour the regions of any planar map by using only four colours, in such a way that any two regions sharing a border have distinct colours. In terms of graph theory, it can be reformulated this way: the vertex set of every planar graph, i.e. every graph that can be represented in the plane such that edges do not cross, can be partitioned into four sets such that no edge has its two endpoints in the same set. Such a partition is called a proper colouring of the graph.In this thesis, we look into the structure of sparse graphs, according to several notions of sparsity. On the one hand, we consider planar graphs with no small cycles, and on the other hand, we consider the graphs where every subgraph has bounded average degree.For these classes of graphs, we first look for the smallest number of vertices that can be removed such that the remaining graph is a forest, that is a graph with no cycles. That can be seen as a partition of the vertices of the graph into a set inducing a forest and a set with a bounded fraction of the vertices of the graph. The main motivation for this study is a the Albertson and Berman Conjecture (1976), which states that every planar graph admits an induced forest containing at least one half of its vertices.We also look into vertex partition of sparse graphs into two sets both inducing a subgraph with some specific prescribed properties. Exemples of such properties can be that they have no edges, or no cycles, that they have bounded degree, or that they have bounded components. These vertex partitions generalise the notion of proper colouring. We show, for different classes of sparse graphs, that every graph in those classes have some specific vertex partition. We also look into algorithmic aspects of these partitions.

A partir du concept de paire d'amis dans un graphe (paire de sommets telle que toutes les chaînes sans cordes qui les relient sont de longueur paire) deux classes de graphes parfaits ont été déjà définies. La première notée QPS (graphes de quasi-parité stricte) est définie par l'existence de paires d'amis pour tout sous-graphe induit incomplet. La deuxième notée PC (graphes parfaitement contractibles) est définie à partir de l'idée algorithmique de coloration du graphe ou de ses sous-graphes induits par enchaînement de contractions successives des sommets d'une paire d'amis jusqu'à obtenir une clique, auquel cas la coloration est optimale. Dans cette thèse nous avons abordé deux conjectures: la première (relative à la classe QPS) énoncée par S. Hougardy est proche de la conjecture forte de graphes parfaits et la deuxième énoncée par H. Everett et B. Reed consite à caractériser les graphes PC par sous-graphes exclus. Nous avons pu valider ces deux conjectures dans deux cas: le cas des graphes planaires et le cas des graphes sans griffe. Ces quatre résultats sont assortis d'algorithmes polynomiaux de reconnaissance (ainsi que de coloration pour la classe PC)

Dans cette thèse, nous nous intéressons à differentes colorations des sommets d’un graphe et aux homomorphismes de graphes. Nous nous intéressons plus spécialement aux graphes planaires et aux graphes peu denses. Nous considérons la coloration propre des sommets, la coloration acyclique, la coloration étoilée, lak-forêt-coloration, la coloration fractionnaire et la version par liste de la plupart de ces concepts.Dans le Chapitre 2, nous cherchons des conditions suffisantes de 3-liste colorabilité des graphes planaires. Ces conditions sont exprimées en termes de sous-graphes interdits et nos résultats impliquent plusieurs résultats connus.La notion de la coloration acyclique par liste des graphes planaires a été introduite par Borodin, Fon-Der Flaass, Kostochka, Raspaud, et Sopena. Ils ont conjecturé que tout graphe planaire est acycliquement 5-liste coloriable. Dans le Chapitre 3, on obtient des conditions suffisantes pour qu’un graphe planaire admette une k-coloration acyclique par liste avec k 2 f3; 4; 5g.Dans le Chapitre 4, nous montrons que tout graphe subcubique est 6-étoilé coloriable.D’autre part, Fertin, Raspaud et Reed ont montré que le graphe de Wagner ne peut pas être 5-étoilé-coloriable. Ce fait implique que notre résultat est optimal. De plus, nous obtenons des nouvelles bornes supérieures sur la choisissabilité étoilé d’un graphe planaire subcubique de maille donnée.Une k-forêt-coloration d’un graphe G est une application ¼ de l’ensemble des sommets V (G) de G dans l’ensemble de couleurs 1; 2; ¢ ¢ ¢ ; k telle que chaque classede couleur induit une forêt. Le sommet-arboricité de G est le plus petit entier ktel que G a k-forêt-coloration. Dans le Chapitre 5, nous prouvons une conjecture de Raspaud et Wang affirmant que tout graphe planaire sans triangles intersectants admet une sommet-arboricité au plus 2.Enfin, au Chapitre 6, nous nous concentrons sur le problème d’homomorphisme des graphes peu denses dans le graphe de Petersen. Plus précisément, nous prouvons que tout graphe sans triangles ayant un degré moyen maximum moins de 5=2 admet un homomorphisme dans le graphe de Petersen. En outre, nous montrons que la borne sur le degré moyen maximum est la meilleure possible. / In this thesis, we are interested in various vertex coloring and homomorphism problems of graphs with special emphasis on planar graphs and sparsegraphs. We consider proper vertex coloring, acyclic coloring, star coloring, forestcoloring, fractional coloring and the list version of most of these concepts.In Chapter 2, we consider the problem of finding sufficient conditions for a planargraph to be 3-choosable. These conditions are expressed in terms of forbiddensubgraphs and our results extend several known results.The notion of acyclic list coloring of planar graphs was introduced by Borodin,Fon-Der Flaass, Kostochka, Raspaud, and Sopena. They conjectured that everyplanar graph is acyclically 5-choosable. In Chapter 3, we obtain some sufficientconditions for planar graphs to be acyclically k-choosable with k 2 f3; 4; 5g.In Chapter 4, we prove that every subcubic graph is 6-star-colorable. On theother hand, Fertin, Raspaud and Reed showed that the Wagner graph cannot be5-star-colorable. This fact implies that our result is best possible. Moreover, weobtain new upper bounds on star choosability of planar subcubic graphs with givengirth.A k-forest-coloring of a graph G is a mapping ¼ from V (G) to the set f1; ¢ ¢ ¢ ; kgsuch that each color class induces a forest. The vertex-arboricity of G is the smallestinteger k such that G has a k-forest-coloring. In Chapter 5, we prove a conjecture ofRaspaud and Wang asserting that every planar graph without intersecting triangleshas vertex-arboricity at most 2.Finally, in Chapter 6, we focus on the homomorphism problems of sparse graphsto the Petersen graph. More precisely, we prove that every triangle-free graph withmaximum average degree less than 5=2 admits a homomorphism to the Petersengraph. Moreover, we show that the bound on the maximum average degree in ourresult is best possible.