Cette thèse développe des méthodes de diagonalisation conjointe de matrices et de tenseurs d’ordre trois, et son application à la séparation MIMO de sources de télécommunications numériques. Après un état, les motivations et objectifs de la thèse sont présentés. Les problèmes de la diagonalisation conjointe et de la séparation de sources sont définis et un lien entre ces deux domaines est établi. Par la suite, plusieurs algorithmes itératifs de type Jacobi reposant sur une paramétrisation LU sont développés. Pour chacun des algorithmes, on propose de déterminer les matrices permettant de diagonaliser l’ensemble considéré par l’optimisation d’un critère inverse. On envisage la minimisation du critère selon deux approches : la première, de manière directe, et la seconde, en supposant que les éléments de l’ensemble considéré sont quasiment diagonaux. En ce qui concerne l’estimation des différents paramètres du problème, deux stratégies sont mises en œuvre : l’une consistant à estimer tous les paramètres indépendamment et l’autre reposant sur l’estimation indépendante de couples de paramètres spécifiquement choisis. Ainsi, nous proposons trois algorithmes pour la diagonalisation conjointe de matrices complexes symétriques ou hermitiennes et deux algorithmes pour la diagonalisation conjointe d’ensembles de tenseurs symétriques ou non-symétriques ou admettant une décomposition INDSCAL. Nous montrons aussi le lien existant entre la diagonalisation conjointe de tenseurs d’ordre trois et la décomposition canonique polyadique d’un tenseur d’ordre quatre, puis nous comparons les algorithmes développés à différentes méthodes de la littérature. Le bon comportement des algorithmes proposés est illustré au moyen de simulations numériques. Puis, ils sont validés dans le cadre de la séparation de sources de télécommunications numériques. / This thesis develops joint diagonalization of matrices and third-order tensors methods for MIMO source separation in the field of digital telecommunications. After a state of the art, the motivations and the objectives are presented. Then the joint diagonalisation and the blind source separation issues are defined and a link between both fields is established. Thereafter, five Jacobi-like iterative algorithms based on an LU parameterization are developed. For each of them, we propose to derive the diagonalization matrix by optimizing an inverse criterion. Two ways are investigated : minimizing the criterion in a direct way or assuming that the elements from the considered set are almost diagonal. Regarding the parameters derivation, two strategies are implemented : one consists in estimating each parameter independently, the other consists in the independent derivation of couple of well-chosen parameters. Hence, we propose three algorithms for the joint diagonalization of symmetric complex matrices or hermitian ones. The first one relies on searching for the roots of the criterion derivative, the second one relies on a minor eigenvector research and the last one relies on a gradient descent method enhanced by computation of the optimal adaptation step. In the framework of joint diagonalization of symmetric, INDSCAL or non symmetric third-order tensors, we have developed two algorithms. For each of them, the parameters derivation is done by computing the roots of the considered criterion derivative. We also show the link between the joint diagonalization of a third-order tensor set and the canonical polyadic decomposition of a fourth-order tensor. We confront both methods through numerical simulations. The good behavior of the proposed algorithms is illustrated by means of computing simulations. Finally, they are applied to the source separation of digital telecommunication signals.

Abstract in English below.

The vector bundles with the basic structure space with affine connection. It is shown that in the present bundles the linear inducts the affine connection, and the curvature of the objects of the present connection is traced. Having defined the concept of the first differential extension of the vector bundles, an indication is made that the linear connection of vector bundles inducts the elongated linear connection of space and linear co-connection, expression form of the linear co-connection components and their interrelation. There are derived commutative formulas of the inducted connection and forms of its components of curvature objects.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-06T15:14:46Z No. of bitstreams: 1 ederdealmeidaperez.pdf: 749381 bytes, checksum: 7338f694cc850057100e730b520d74eb (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T20:25:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ederdealmeidaperez.pdf: 749381 bytes, checksum: 7338f694cc850057100e730b520d74eb (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T20:25:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ederdealmeidaperez.pdf: 749381 bytes, checksum: 7338f694cc850057100e730b520d74eb (MD5) Previous issue date: 2012-08-24 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O reconhecimento de padrões de movimentos tem se tornado um campo de pesquisa muito atrativo nos últimos anos devido, entre outros fatores, à grande massificação de dados em vídeos e a tendência na criação de interfaces homem-máquina que utilizam expressões faciais e corporais. Esse campo pode ser considerado um dos requisitos chave para análise e entendimento de vídeos. Neste trabalho é proposto um descritor de movimentos baseado em tensores de 2a ordem e histogramas de gradientes (HOG - Histogram of Oriented Gradients). O cálculo do descritor é rápido, simples e eficaz. Além disso, nenhum aprendizado prévio é necessário sendo que a adição de novas classes de movimentos ou novos vídeos não necessita de mudanças ou que se recalculem os descritores já existentes. Cada quadro do vídeo é particionado e em cada partição calcula-se o histograma de gradientes no espaço e no tempo. A partir daí calcula-se o tensor do quadro e o descritor final é formado por uma série de tensores de cada quadro. O descritor criado é avaliado classificando-se as bases de vídeos KTH e Hollywood2, utilizadas na literatura atual, com um classificador Máquina Vetor Suporte (SVM). Os resultados obtidos na base KTH são próximos aos descritores do estado da arte que utilizam informação local do vídeo. Os resultados obtidos na base Hollywood2 não superam o estado da arte, mas são próximos o suficiente para concluirmos que o método proposto é eficaz. Apesar de a literatura apresentar descritores que possuem resultados superiores na classificação, suas abordagens são complexas e de alto custo computacional. / The motion pattern recognition has become a very attractive research field in recent years due to the large amount of video data and the creation of human-machine interfaces that use facial and body expressions. This field can be considered one of the key requirements for analysis and understanding in video. This thesis proposes a motion descriptor based on second order tensor and histograms of oriented gradients. The calculation of the descriptor is fast, simple and effective. Furthermore, no prior knowledge of data basis is required and the addition of new classes of motion and videos do not need to recalculate the existing descriptors. The frame of a video is divided into a grid and the histogram of oriented gradients is computed in each cell. After that, the frame tensor is computed and the final descriptor is built by a series of frame tensors. The descriptor is evaluated in both KTH and Hollywood2 data basis, used in the current literature, with a Support Vector Machine classifier (SVM). The results obtained on the basis KTH are very close to the descriptors of the state-of-the-art that use local information of the video. The results obtained on the basis Hollywood2 not outweigh the state-of-the-art but are close enough to conclude that the proposed method is effective. Although the literature presents descriptors that have superior results, their approaches are complex and with computational cost.

Ce manuscrit regroupe différents travaux explorant les interactions entre les tenseurs et l'apprentissage automatique. Le premier chapitre est consacré à l'extension des modèles de séries reconnaissables de chaînes et d'arbres aux graphes. Nous y montrons que les modèles d'automates pondérés de chaînes et d'arbres peuvent être interprétés d'une manière simple et unifiée à l'aide de réseaux de tenseurs, et que cette interprétation s'étend naturellement aux graphes ; nous étudions certaines propriétés de ce modèle et présentons des résultats préliminaires sur leur apprentissage. Le second chapitre porte sur la minimisation approximée d'automates pondérés d'arbres et propose une approche théoriquement fondée à la problématique suivante : étant donné un automate pondéré d'arbres à n états, comment trouver un automate à m<n états calculant une fonction proche de l'originale. Le troisième chapitre traite de la régression de faible rang pour sorties à structure tensorielle. Nous y proposons un algorithme d'apprentissage rapide et efficace pour traiter un problème de régression dans lequel les sorties des tenseurs. Nous montrons que l'algorithme proposé est un algorithme d'approximation pour ce problème NP-difficile et nous donnons une analyse théorique de ses propriétés statistiques et de généralisation. Enfin, le quatrième chapitre introduit le modèle de mélanges algébriques de distributions. Ce modèle considère des combinaisons affines de distributions (où les coefficients somment à un mais ne sont pas nécessairement positifs). Nous proposons une approche pour l'apprentissage de mélanges algébriques qui étend la méthode tensorielle des moments introduite récemment. . / This thesis tackles several problems exploring connections between tensors and machine learning. In the first chapter, we propose an extension of the classical notion of recognizable function on strings and trees to graphs. We first show that the computations of weighted automata on strings and trees can be interpreted in a natural and unifying way using tensor networks, which naturally leads us to define a computational model on graphs: graph weighted models; we then study fundamental properties of this model and present preliminary learning results. The second chapter tackles a model reduction problem for weighted tree automata. We propose a principled approach to the following problem: given a weighted tree automaton with n states, how can we find an automaton with m<n states that is a good approximation of the original one? In the third chapter, we consider a problem of low rank regression for tensor structured outputs. We design a fast and efficient algorithm to address a regression task where the outputs are tensors. We show that this algorithm generalizes the reduced rank regression method and that it offers good approximation, statistical and generalization guarantees. Lastly in the fourth chapter, we introduce the algebraic mixture model. This model considers affine combinations of probability distributions (where the weights sum to one but may be negative). We extend the recently proposed tensor method of moments to algebraic mixtures, which allows us in particular to design a learning algorithm for algebraic mixtures of spherical Gaussian distributions.

Cette thèse porte sur différents aspects géométriques et morphologiques concernant des problèmes de mouillage et d'empilement de sphères. Nous proposons tout d'abord une nouvelle méthode de simulation pour étudier le mouillage et le glissement d'un liquide sur une surface nanostructurée: un modèle de champ de phase en lien avec la théorie de la fonctionnelle de la densité dynamique. Nous étudions grâce à cette méthode la possibilité de transformer une surface quelconque en surface omniphobe (c'est à dire qui repousse tous les liquides). Nous montrons que contrairement à la théorie classique de Cassie-Baxter-Wenzel, il est possible d'inverser la mouillabilité d'une surface en la texturant, et nous montrons qu'une surface monovaluée, i.e. sans constrictions, peut produire un comportement omniphobe c'est à dire repousser tous les liquides grâce à un effet de pointe. La géométrie a également un effet considérable dans les milieux vitreux ou bloqués. Les empilements aléatoires de sphères conduisent par exemple à des état bloqués ("jamming") et nous montrons que la structure locale de ces systèmes est universelle, c'est à dire indépendante de la méthode de préparation. Pour cela, nous introduisons des paramètres d'ordre - les tenseurs de Minkowski - qui suppriment les problèmes de robustesse qu'ont les paramètres d'ordre utilisés classiquement. Ces nouveaux paramètres d'ordre conduisent à une vision unifiée, basée sur des principes géométriques. Enfin, nous montrons grâce aux tenseurs de Minkowski que les empilements de sphères se mettent à cristalliser au delà du point d'empilement aléatoire le plus dense ("random close packing") / This thesis is devoted to several aspects of geometry and morphology in wetting problems and hard sphere packings. First, we propose a new method to simulate wetting and slip on nanostructured substrates: a phase field model associated with a dynamical density theory approach. We showed omniphobicity, meaning repellency, no matter the chemical properties of the liquid on monovalued surfaces, i.e. surfaces without overhangs, which is in contradiction with the macroscopic Cassie-Baxter-Wenzel theory, can produce so-called We checked systematically the impact of the surface parameters on omniphobic repellency, and we show that the key ingredient are line tensions, which emerge from needle shaped surface structures. Geometrical effects have also an important influence on glassy or jammed systems, for example amorphous hard sphere systems in infinite pressure limit. Such hard sphere packings got stuck in a so-called jammed phase, and we shall demonstrate that the local structure in such systems is universal, i.e. independent of the protocol of the generation. For this, robust order parameters - so-called Minkowski tensors - are developed, which overcome robustness deficiencies of widely used order parameters. This leads to a unifying picture of local order parameters, based on geometrical principles. Furthermore, we find with the Minkowski tensor analysis crystallization in jammed sphere packs at the random closed packing point

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der ramanspektroskopischen Charakterisierung von Galliumnitrid (GaN). Der Zusammenhang zwischen Waferkrümmung und mechanischer Restspannungen wird diskutiert. Mit Hilfe konfokaler Mikro-Ramanmessungen wurden Dotierprofile nachgewiesen sowie die Ladungsträgerkonzentration und -beweglichkeit ermittelt. Sämtliche Ramantensorelemente von wz-GaN wurden erstmals durch die Anwendung verschiedener Streugeometrien bestimmt. Eine neu entwickelte Vorwärtsstreuanordnung ermöglichte die Beobachtung von Phonon-Polaritonen. Es konnte gezeigt werden, dass von der theoretischen und experimentellen Betrachtung der Ramanstreuintensitäten dieser Elementaranregungen eindeutig das Vorzeichen der Faust-Henry-Koeffizienten von wz-GaN abgeleitet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurden alle Faust-Henry-Koeffizienten für GaN experimentell bestimmt. / This thesis focuses on special aspects of the Raman spectroscopical characterization of wurtzite gallium nitride (wz-GaN). The correlation between wafer curvature and residual stress is discussed. By means of confocal micro-Raman measurements doping profiles were detected as well as the density and mobility of free charge carriers were deduced. All Raman scattering cross sections of wz-GaN were determined the first time using different scattering configurations. A novel method for near-forward scattering was developed in order to observe phonon polaritons with pure symmetry. It is shown that the theoretical and experimental consideration of the Raman scattering efficiency of these elementary excitations allow for determining the sign of the Faust-Henry coefficients of wz-GaN unambiguously. The Faust-Henry coefficients of GaN were deduced from Raman scattering efficiencies of corresponding TO and LO phonons.

Cosmology is the study of the universe as a whole, and attempts to describe the behaviour of the universe mathematically. The simplest relativistic cosmological models are derived from Einstein's field equations with the assumptions of isotropy and homogeneity. In this thesis, a few simple cosmological models will be derived and evaluated with respect to their description of our universe i.e., how well they match observational data from e.g., the cosmic background radiation and redshift from distant supernovae. The models are derived from Einstein's field equations, which is why a large portion of the thesis will lay the ground work for the field equations by introducing and explaining the language of tensors. / Kosmologi är läran om universum i stort samt dess matematiska beskrivning. De enklaste relativistiska kosmologiska modellerna kan härledas från Einsteins fältekvationer med hjälp av antaganden om isotropi och homogenitet. I denna rapport kommer ett par av de enklaste modellerna att härledas, samt evalueras baserat på hur väl de beskriver vårt universum, det vill säga hur bra de passar de observationer som gjorts på exempelvis den kosmiska bakgrundsstrålningen och rödskifte från avlägsna supernovor. Modellerna härleds utifrån Einsteins fältekvationer, varför en stor del av rapporten består av en introduktion till tensoranalys.

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Das Hauptresultat dieser Arbeit ist ein regularisierter arithmetischer Satz von Riemann-Roch für ein hermitesches Geradenbündel, die isometrisch zum Geradenbündel den Spitzenformen vom geraden Gewicht ist, auf eine arithmetische Fläche, deren komplexe Faser isometrisch zu einer hyperbolischen Riemannschen Fläche ohne elliptische Punkte ist. Der Beweis des Resultats erfolgt durch metrische Degeneration: Wir regularisieren die betreffenden Metriken in einer Umgebung der Singularitäten, wenden dann den arithmetischen Riemann-Roch-Satz von Gillet und Soulé an und lassen schließlich den Parameter gegen Null gehen. Durch die metrische Degeneration entsteht auf beiden Seiten der Formel ein divergenter Term. Die asymptotische Entwicklung der Divergenz berechnet sich auf der einen Seite direkt aus der Definition der glatten arithmetischen Selbstschnittzahlen. Der divergente Term auf der anderen Seite ist die zeta-regularisierte Determinante des zu den regularisierten Metriken assoziierten Laplace-Operators, der auf den 1-Formen mit Werten in dem betrachteten hermitischen Geradenbündel operiert. Wir definieren und berechnen zuerst eine Regularisiereung des entsprechenden zu den singulären Metriken assoziierten Laplace-Operators; diese wird später im regularisierten Riemann-Roch-Satz auftauchen. Zu diesem Zweck passen wir Ideen von Jorgenson-Lundelius, D'Hoker-Phong und Sarnak auf die vorliegende Situation an und verallgemeinern diese. Schließlich beweisen wir eine Formel für den zum betrachteten hermitischen Geradenbündel assoziierten Wärmeleitungskern auf der Diagonalen bei einer Modellspitze. Diese Darstellung steht im Zusammenhang mit einer Entwicklung nach zur Whittaker-Gleichung assoziierten Eigenfunktionen, die im Anhang bewiesen wird. Weitere Abschätzungen des zum betrachteten hermitischen Geradenbündel gehörigen Wärmeleitungskern auf der komplexe Faser der arithmetischen Fläche schließen den Beweis des Hauptresultats ab. / The main result of the dissertation is an arithmetic Riemann-Roch theorem for the hermitian line bundle of cusp form of given even integer weights on an arithmetic surface whose complex fiber is isometric to an hyperbolic Riemann surface without elliptic points. The proof proceeds by metric degeneration: We regularize the metric under consideration in a neighborhood of the singularities, then we apply the arithmetic Riemann-Roch theorem of Gillet and Soulé, and finally we let the parameter go to zero. Both sides of the formula blow up through metric degeneration. On one side the exact asymptotic expansion is computed from the definition of the smooth arithmetic intersection numbers. The divergent term on the other side is the zeta-regularized determinant of the Laplacian acting on 1-forms with values in the chosen hermitian line bundle associated to the regularized metrics. We first define and compute a regularization of the determinant of the corresponding Laplacian associated to the singular metrics, which will later occur int he regularized arithmetic Riemann-Roch theorem. To do so we adapt and generalize ideas od Jorgenson-Lundelius, D'Hoker-Phong, and Sarnak. Then, we prove a formula for the on-diagonal heat kernel associated to the chosen hermitian line bundle on a model cusp, from which its behavior close to a cusp is transparent. This expression is related to an expansion in terms of eigenfunctions associated to the Whittaker equation, which we prove in an appendix. Further estimates on the heat kernel associated to the chosen hermitian line bundle on the complex fiber of the arithmetic surface prove the main theorem.