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La raison initiale du sujet de cette thèse est l'introduction, pour la première fois en France, d'éléments de théorie des graphes dans un curriculum de l'enseignement secondaire, à savoir celui de la spécialité mathématiques de la Terminale économique et sociale (ES) en 2002.<br />Après une brève étude historique de la genèse – relativement récente – du graphe en tant que concept mathématique et de la signification épistémologique de cette genèse, nous analysons les choix faits pour la transposition de ce concept, en particulier les énoncés proposés aux élèves, qui montrent le décalage entre les intentions affichées et la réalité. Cette partie du programme de terminale ES se particularise par sa mise en œuvre « axée sur le seule résolution de problèmes ».<br />Or, nous montrons que les manuels scolaires sont dans ce chapitre composés d'exercices et non de problèmes. L'enseignement de théorie des graphes, s'il se limite à la résolution, locale, de ces exercices ou de « casse-tête » mathématiques, ne permet pas aux élèves de comprendre les concepts mathématiques sous-jacents ni surtout d'accéder au sens du raisonnement mathématique (en particulier autour de la modélisation et de la preuve) et à la richesse de la démarche scientifique, ce qu'aurait dû permettre ce domaine facilement abordable des mathématiques.<br />Une étude théorique et expérimentale du problème de « parcours eulériens dans les graphes » a ensuite été menée, du primaire au supérieur, sous des formes différentes (situations-recherche en classe avec ou sans support matériel, étude de documents). Des éléments didactiques ont aussi été tirés de deux stages de formation d'enseignants en théorie des graphes pour la Terminale ES.<br />Ces différentes études nous ont conduit à proposer un nouvel ensemble organisé de problèmes à destination des enseignants de Terminale ES, accompagnés de leur résolution et d'analyses didactiques qui attestent que des mathématiques plus consistantes peuvent être abordées et construites sur ce thème.

Les réaliseurs, ou arbres de Schnyder, ont été introduits par Walter Schnyder à la fin des années 80 pour caractériser les graphes planaires, puis pour dessiner ces mêmes graphes sur des grilles $(n-2)\times(n-2)$.<br>Dans ce document nous proposons dans un premier temps une extension du théorème de Wagner aux réaliseurs, qui nous permet d'établir une relation entre le nombre de feuilles et le nombre de faces tricolores d'un réaliseur.<br>Ensuite, à l'aide d'une bijection entre les réaliseurs et les paires de chemins de Dyck qui ne se coupent pas, nous énumérons les réaliseurs. Un algorithme de génération aléatoire de $p$ chemins de Dyck ne se coupant pas, est également présenté. Il permet en outre de générer aléatoirement des réaliseurs en temps linéaire.<br>Puis nous montrons que grâce aux réaliseurs, il est possible de dessiner, à l'aide de lignes brisées des graphes planaires sur des grilles de largeur et de surface optimales.<br>Enfin, nous proposons une généralisation des réaliseurs minimaux aux graphes planaires connexes : les arbres recouvrants bien-ordonnés. Grâce à cette généralisation ainsi qu'à une méthode de triangulation adaptée nous proposons un algorithme de codage des graphes planaires à $n$ sommets en $5,007n$ bits.

Ce travail de thèse présente un modèle de construction du sens d'un genre nouveau, défini dans le cadre des mathématiques du continu. Le langage y est vu comme un système morphodynamique, obéissant aux principes de base de la Gestalttheorie. Les unités linguistiques découpent leur sens dans un espace sémantique possédant une structure de variété différentiable. Nous avons implémenté ce modèle et l'avons testé sur le lexique adjectival français. Une méthode de construction automatique des espaces sémantiques, reposant sur l'analyse d'un graphe de synonymie, permet d'explorer le lexique adjectival dans son ensemble, ou de construire des espaces locaux. Les espaces sémantiques locaux servent de base à une méthode dynamique de calcul du sens, permettant de prendre en compte les différents facteurs de polysémie adjectivale. L'utilisation des espaces sémantiques globaux ouvre de belles perspectives, tant dans le domaine du calcul du sens que celui de l'exploration de graphes petit monde.

Notre travail s'intègre dans la conception et la réalisation d'un environnement informatique sur la manipulation directe d'objets mathématiques, en l'occurrence l'extension de Cabri-graphes dans le cadre du projet Cabri. Dans la première partie, nous exposons le concept d'interface de manipulation directe. Nous présentons une évolution des principes associés à la manipulation directe. Nous montrons l'importance accordée à ce mode d'interaction. Dans une deuxième partie, nous exposons des motivations associées à la mise en oeuvre d'environnements informatiques sur la théorie des graphes. Nous analysons plusieurs environnements en fonction de trois critères : la visualisation, les fonctionnalités, et le mode d'interaction. Dans une troisième partie, nous construisons un éditeur de graphes en fonction des principes de manipulation directe énoncés dans la première partie. Nous établissons les limites d'une telle interface en fonction des outils à notre disposition. Dans la quatrième partie, plus théorique, nous présentons une étude sur le produit fibré de graphes, et sur la contraction de graphes comme un outil de visualisation de graphes.

Les graphes sont des modèles de représentation qui permettent de modéliser un grand nombre de type de documents. Dans cette thèse, nous nous intéressons à leur utilisation pour la recherche dans des bases de données multimédia. Nous commençons par présenter la théorie autour des graphes ainsi qu'un aperçu des méthodes qui ont été proposées pour leur mise en correspondance. Puis, nous nous intéressons plus particulièrement à leur utilisation pour la reconnaissance des formes et l'indexation multimédia. Dans le but de répondre de la manière la plus générique possible aux différents problèmes de recherche, nous proposons de travailler dans le cadre des fonctions noyaux. Ce cadre permet de séparer les problèmes liées à la nature des documents de ceux apportés par les différents types de recherche. Ainsi, toute notre énergie est consacrée à la conception de fonctions de mise en correspondance, mais en gardant à l'esprit qu'elles doivent respecter un certain nombre de propriétés mathématiques. Dans ce cadre, nous proposons de nouvelles solutions qui permettent de mieux répondre aux caractéristiques particulières des graphes issus de primitives et descripteurs visuels. Nous présentons aussi les algorithmes qui permettent d'évaluer rapidement ces fonctions. Enfin, nous présentons des expériences qui mettent en lumière ces différentes caractéristiques, ainsi que des expériences qui montrent les avantages qu'offrent nos modèles vis à vis de la littérature.

Les Systèmes d'Information Géographiques (SIG) réclament des besoins particuliers de gestion de leur contenu, parce qu'ils manipulent des données dont les structures sont complexes et hétérogènes. Ces données sont souvent difficiles à décrire par des requêtes classiques ou des prédicats basés sur des attributs. Le croquis à main levée (sketch) est une veille forme de présentation qui a été employée pour visualiser, échanger et enregistrer l'information graphique. Il semble être ainsi facilement adaptable pour présenter et interroger d'une manière flexible les données des SIG

L'isomorphisme inexact de graphes est un problème crucial pour la définition d'une distance entre graphes, préalable nécessaire à une multitude d'applications allant de l'analyse d'images à des applications biomédicales en passant par la reconnaissance optique de caractères. Ce problème est encore plus complexe que celui de l'isomorphisme exact. Alors que ce dernier est un problème de décision de complexité au moins de classe P et qui ne s'applique qu'à des graphes exactement identiques, l'isomorphisme inexact est un problème combinatoire de complexité de classe NP qui permet de prendre en compte des perturbations dues au bruit, qui apparaissent fréquemment dans les applications réelles. Dans ce cadre, nous choisissons d'étudier une solution basée sur les algorithmes génétiques pouvant être appliquée à l'isomorphisme exact et inexact. Nous proposons des opérateurs de croisement généraux pour tout problème représenté par un codage de permutation, ainsi que des opérateurs spécifiques à l'isomorphisme de graphes qui exploitent une heuristique gloutonne. Nous réalisons une étude exhaustive pour comparer ces opérateurs avec les opérateurs existants, soulignant leurs propriétés, avantages et inconvénients respectifs. Nous étudions par ailleurs plusieurs pistes d'amélioration de l'algorithme, en théorie ou en pratique, considérant successivement les objectifs d'accélération de l'exécution, d'augmentation de la précision et de garantie de résultat optimal. Nous proposons pour cela de combiner l'approche proposée avec d'autres techniques telles que des heuristiques générales comme la recherche locale, des heuristiques dédiées comme l'algorithme A*, et des outils pratiques comme la parallélisation. Ces travaux conduisent à la définition d'une méthode générique pour la résolution de tous les problèmes d'isomorphismes de graphes, qu'il s'agisse d'isomorphismes exact ou inexact, d'isomorphismes de graphes de même taille ou d'isomorphismes de sous-graphes. Nous illustrons enfin la validité de cette solution générale par trois applications concrètes issues de domaines différents, la recherche d'images et la chimie, qui présentent chacune des caractéristiques spécifiques, utilisant des graphes attribués ou non, soumis aux perturbations plutôt structurelles ou au niveau d'attributs.

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés de concentration des fonctions propres du laplacien discret sur des graphes réguliers de degré fixé dont le nombre de sommets tend vers l'infini. Cette étude s'inspire de la théorie de l'ergodicité quantique sur les variétés. Par analogie avec cette dernière, nous développons un calcul pseudo-différentiel sur les arbres réguliers : nous définissons des classes de symboles et des opérateurs associés, et nous prouvons un certain nombre de propriétés de ces classes de symboles et opérateurs. Nous montrons notamment que les opérateurs sont bornés dans L², et nous donnons des formules de l'adjoint et du produit. Nous nous servons ensuite de cette théorie pour montrer un théorème d'ergodicité quantique pour des suites de graphes réguliers dont le nombre de sommets tend vers l'infini. Il s'agit d'un résultat de délocalisation de la plupart des fonctions propres dans la limite des grands graphes réguliers. Les graphes vérifient une hypothèse d'expansion et ne comportent pas trop de cycles courts, deux hypothèses vérifiées presque sûrement par des suites de graphes réguliers aléatoires.

Il est de plus en plus fréquent de faire appel à des opérateurs spécifiques en conception de circuits. Les opérateurs spécifiques peuvent être mis en oeuvre par des unités matérielles dédiées, en vue de réduire la taille du code, d'améliorer les performances et de réduire la surface du circuit. Dans cette thèse, nous proposons un flot de conception basé sur l'identification d'opérateurs spécifiques pour la synthèse de haut niveau. Les points clés de ce flot de conception sont l'énumération automatique et la sélection des opérateurs spécifiques à partir d'un code de l'application de haut niveau et la re-génération du code source intégrant les opérateurs spécifiques sélectionnés. Contrairement aux approches proposées précédemment, notre flot de conception est adaptable et est indépendant des outils de synthèse de haut niveau (il ne nécessite pas d'intervenir sur les algorithmes d'ordonnancement et de projection des outils de synthèse de haut niveau). Les résultats expérimentaux montrent que notre approche permet de réduire la surface du circuit de 19% en moyenne, et jusqu'à 37% dans certains cas, par rapport à une synthèse de haut niveau traditionnelle. La latence du circuit est réduite en moyenne de 22%, et atteint jusqu'à 59%. De plus, la taille du code est réduite de 74% en moyenne.