Après une présentation générale des cartes planaires, nous définissons les polyèdres en coin, étudiés par Eppstein et Mumford. Nous en venons rapidement à introduire les triangulations en coin, qui sont les cartes duales des squelettes des polyèdres en coin, et en donnons quelques propriétés. Nous proposons un algorithme de réalisation de polyèdres en coin de complexité linéaire. Pour cela, l'étude des triangulations en coin conduit à des problèmes d'énumération. Une méthode classique, connue depuis Tutte, donne le résultat voulu en faisant intervenir la série des nombres de Catalan. La recherche d'une explication combinatoire à la présence des nombres de Catalan a rendu souhaitable l'utilisation d'autres méthodes, fondées sur des découpages et des recollements de morceaux de triangulations en coin. Ainsi apparaît la famille des triangulations en amande, qui est une nouvelle représentation des nombres de Catalan, qui est en bijection directe avec la famille des arbres binaires, et qui complète notre algorithme de réalisation de polyèdres en coin. Nous apportons enfin une conclusion à ces travaux en tentant de généraliser nos méthodes à des cartes dont les faces sont de degré fixé, mais quelconque. / After a general presentation of planar maps, we define corner polyhedra, studied by Eppstein and Mumford. We soon introduce corner triangulations, that are dual maps of the skeletons of corner polyhedra, and we give some properties of them.We offer a linear time algorithm to realize corner polyhedra. For that, the study of corner triangulations leads to enumeration problems. A classic method, known from Tutte, gives the wanted result, making the series of Catalan numbers appearing. The research for a combinatorial explanation of the presence of Catalan numbers induces the use of other methods, based on cuttings and gluings of some parts of corner triangulations. Thus appears the family of almond triangulations, that is a new representation of Catalan numbers, in bijection with the binary trees family, and that completes our corner polyhedra realization algorithm. We eventually give a conclusion to these works, trying to generalize our methods to maps whose faces have an any fixed degree.

The first part of our work is a statistical and geometric study of properties of Thompson's Group F. We enumerate the number of elements of F which are represented by a reduced pair of n-caret trees, and give asymptotic estimates. We also discuss the effects on word length and number of carets of right multiplication by a standard generator x0 or x1. We enumerate the average number of carets along the left edge of an n-caret tree, and use an Euler transformation to make some conjectures relating to right multiplication by a generator. We describe a computer algorithm which produces Fordham's Table, and discuss using the computer algorithm to find a corresponding Fordham's Table for different generating sets for F. We expound upon the work of Cleary and Taback by completely classifying dead end elements of Thompson's group, and use the classification to discuss the spread of dead end elements and describe interesting elements we call deep roots. We discuss how deep roots may aid in answering the amenability problem for Thompson's group. The second part of our work deals with random facet pairings of simplexes. We show that a random endpoint pairings of segments most often results in a disconnected one-manifold, and relate this to a game called "The Human Knot." When the dimension of the simplexes is greater than 1, however, a random facet pairing most often results in a connected pseudo manifold. This result can be stated in terms of graph theory as follows. Most regular multi graphs are connected, as long as the common valence is at least three.

In this thesis, two distinct problems in data-driven computational science are considered. The main problem of interest is the multiobjective optimization problem, where the tradeoff surface (called the Pareto front) between multiple conflicting objectives must be approximated in order to identify designs that balance real-world tradeoffs. In order to solve multiobjective optimization problems that are derived from computationally expensive blackbox functions, such as engineering design optimization problems, several methodologies are combined, including surrogate modeling, trust region methods, and adaptive weighting. The result is a numerical software package that finds approximately Pareto optimal solutions that are evenly distributed across the Pareto front, using minimal cost function evaluations. The second problem of interest is the closely related problem of multivariate interpolation, where an unknown response surface representing an underlying phenomenon is approximated by finding a function that exactly matches available data. To solve the interpolation problem, a novel algorithm is proposed for computing only a sparse subset of the elements in the Delaunay triangulation, as needed to compute the Delaunay interpolant. For high-dimensional data, this reduces the time and space complexity of Delaunay interpolation from exponential time to polynomial time in practice. For each of the above problems, both serial and parallel implementations are described. Additionally, both solutions are demonstrated on real-world problems in computer system performance modeling. / Doctor of Philosophy / Science and engineering are full of multiobjective tradeoff problems. For example, a portfolio manager may seek to build a financial portfolio with low risk, high return rates, and minimal transaction fees; an aircraft engineer may seek a design that maximizes lift, minimizes drag force, and minimizes aircraft weight; a chemist may seek a catalyst with low viscosity, low production costs, and high effective yield; or a computational scientist may seek to fit a numerical model that minimizes the fit error while also minimizing a regularization term that leverages domain knowledge. Often, these criteria are conflicting, meaning that improved performance by one criterion must be at the expense of decreased performance in another criterion. The solution to a multiobjective optimization problem allows decision makers to balance the inherent tradeoff between conflicting objectives. A related problem is the multivariate interpolation problem, where the goal is to predict the outcome of an event based on a database of past observations, while exactly matching all observations in that database. Multivariate interpolation problems are equally as prevalent and impactful as multiobjective optimization problems. For example, a pharmaceutical company may seek a prediction for the costs and effects of a proposed drug; an aerospace engineer may seek a prediction for the lift and drag of a new aircraft design; or a search engine may seek a prediction for the classification of an unlabeled image. Delaunay interpolation offers a unique solution to this problem, backed by decades of rigorous theory and analytical error bounds, but does not scale to high-dimensional "big data" problems. In this thesis, novel algorithms and software are proposed for solving both of these extremely difficult problems.

This thesis is a contribution to a classical problem in computational and combinatorial geometry: the study of the k-sets of a set V of n points in the plane. First we introduce the notion of convex inclusion chain that is an ordering of the points of V such that no point is inside the convex hull of the points that precede it. Every k-set of an initial sub-sequence of the chain is called a k-set of the chain. We prove that the number of these k-sets is an invariant of V and is equal to the number of regions in the order-k Voronoi diagram of V. We then deduce an online algorithm for the construction of the k-sets of the vertices of a simple polygonal line such that every vertex of this line is outside the convex hull of all its preceding vertices on the line. If c is the total number of k-sets built with this algorithm, the complexity of our algorithm is in O(n log n + c log^2k) and is equal, per constructed k-set, to the complexity of the best algorithm known. Afterward, we prove that the classical divide and conquer algorithmic method can be adapted to the construction of the k-sets of V. The algorithm has a complexity of O(n log n + c log^2k log(n/k)), where c is the maximum number of k-sets of a set of n points. We finally prove that the centers of gravity of the k-sets of a convex inclusion chain are the vertices of a triangulation belonging to the family of so-called centroid triangulations. This family notably contains the dual of the order-k Voronoi diagram. We give an algorithm that builds particular centroid triangulations in O(n log n + k(n- k) log^2 k) time, which is more efficient than all the currently known algorithms.

Soit G un groupe de présentation finie. Un résultat de Gromov affirme l'existence de cycles géométriques réguliers qui représentent une classe d'homologie non nulle h dans le énième groupe d'homologie à coefficients entiers de G, cycles géométriques dont le volume systolique est aussi proche que souhaité du volume systolique de h. Ce théorème, dont aucune démonstration exhaustive n'avait été faite, a servi à obtenir plusieurs résultats importants en géométrie systolique. La première partie de cette thèse est consacrée à une démonstration complète de ce résultat. L'utilisation de ces cycles géométriques réguliers est connue sous le nom de technique de régularisation. Cette technique permet notamment de relier le volume systolique de certaines variétés fermées à d'autres invariants topologiques de ces variétés, tels que les nombres de Betti ou l'entropie minimale. La seconde partie de cette thèse propose d'examiner ces relations, et la mise en oeuvre de la technique de régularisation.La troisième partie est consacrée à trois problèmes liés à la géométrie systolique. Dans un premier temps on s'intéresse à une inégalité concernant les tores pleins plongés dans l'espace tridimensionnel. Puis, on s'intéresse ensuite aux triangulations minimales des surfaces compactes, afin d'obtenir des informations sur le volume systolique de ces surfaces. Enfin, on présente la notion de complexité simpliciale d'un groupe de présentation finie, et ses liens avec la géométrie systolique. / Let G be a finitely presented group. A theorem of Gromov asserts the existence of regular geometric cycles which represent a non null homology class h in the nth homology group with integral coefficients of G, geometric cycles which have a systolic volume as close as desired to the systolic volume of h. This theorem, of which no complete proof has been given, has lead to major results in systolic geometry. The first part of this thesis is devoted to a complete proof of this result.The regularizationtechnique consists in the use of these regular geometric cycles to obtain information about the class $h$. This technique allows to link the systolic volume of some closed manifolds to homotopical invariants of these manifolds, such as the minimal entropy and the Betti numbers. The second part of this thesis proposes to investigate these links.The third part of this thesis is devoted to three problems of systolic geometry. First we are investigating an inequality about embeded tori in $R^3$. Second, we are looking into minimal triangulations of compact surfaces and some information they can provide in systolic geometry. And finally, we are presenting the notion of simplicial complexity of a finitely-presented group and its links with the systolic geometry.

Cette thèse explore divers aspects des cartes aléatoires par l'étude de trois modèles. Dans un premier temps, nous examinons les propriétés d’une mesure définie sur l’ensemble des triangulations de Delaunay planaires comportant n sommets, qui est un modèle de cartes où les arêtes sont décorées par des angles. Nous montrons ainsi que la mesure est égale à la mesure de Weil-Petersson sur l’espace des modules des surfaces de Riemann planaires marquées. Sont aussi montrées deux propriétés de la mesures, premiers pas d'une étude de la limite continue de ce modèle. Dans un deuxième temps, nous définissons des fonctions de corrélations sur les graphes de Strebel planaires isopérimétriques à n faces, qui sont des cartes métriques trivalentes. Les périmètres des faces sont fixés. Nous recourons au théorème de Kontsevich pour calculer les fonctions de corrélations en termes de nombres d’intersection de classes de Chern sur l’espace des modules des surfaces de Riemann. Pour la fonction à une face marquée, la limite des grandes cartes est examinée via l’approximation du point-selle, pour différents régimes du périmètre de la face marquée, et nous déduisons le régime où le comportement de la fonction de corrélation n’est pas trivial. Les fonctions de corrélations peuvent être calculées de manière systématique par la récurrence topologique. Partant, nous calculons la courbe spectrale de notre modèle, ce qui nous permet de montrer qu’il existe une courbe spectrale critique. Nous déduisons de cette courbe critique que la limite continue des graphes de Strebel isopérimétriques est un modèle minimal de type (3,2), habillé par la théorie de Liouville. Cela correspond bien à la gravité pure. Enfin, nous abordons la question des symétries dans le modèle d’Ising sur cartes aléatoires. Certaines fonctions de corrélations de ce modèle comptent le nombre de cartes bicolores avec des faces marquées, les bords, ayant des conditions aux bords mixtes, calculées par récurrence à partir de la courbe spectrale du modèle. Nous prouvons ici que, pour des courbes spectrales génériques, les fonctions de corrélations des cartes à un bord mixte sont symétriques par rotation et par inversion du bord mixte. Nous décrivons ensuite les conséquences de telles symétries, suggérant une possible reformulation du modèle en termes de chaînes de spins. / This thesis explore several aspects of random maps through the study of three models. First, we examine the properties of a measure defined on the set of planar Delaunay triangulations with n vertices, a model in which the edges of the maps are decorated with angles. We show that the measure is the Weil-Petersson volume form on the moduli space of planar Riemann surfaces having n marked points. Two other properties, first steps toward the continuous limit study of the model, are also shown. Second, we define correlation functions on isoperimetric planar Strebel graphs with n faces, which are trivalent maps whose edges are decorated by positive lengths, and whose faces have a fixed perimeter. Kontsevich's theorem allows us to compute the correlation functions in terms of the intersection numbers of Chern classes of moduli space of Riemann surfaces. The continuous limit of the one-point function is computed in different regimes for the perimeter of the marked face via the saddle-point approximation. We identify the regime in which the behaviour of the one-point function is not trivial. The correlation functions can be computed in a systematic way by the Topological Recursion. To do so, we compute the spectral curve of the model, and show that there exists a critical spectral curve. We deduce from the latter that the continuous limit of isoperimetric Strebel graphs is a (3,2) minimal model dressed by Liouville theory: it corresponds to pure gravity. Last, we address the problem of symmetries in the Ising model on random maps. Some correlation functions of this model count the bi-colored maps with marked faces having mixed boundary conditions. They are computed via a recursive formula and the spectral curve of the model. We prove here that the correlation functions of maps with one mixed boundary, computed from the recursive relation with generic spectral curve, are invariant under rotation and inversion of the mixed boundary. We describe the consequences of such symmetries, suggesting a possible reformulation of the model in terms of spin chains.

Dans ce mémoire, après avoir défini le concept de déploiement, nous obtenons les variables des algèbres amassées et les classes de mutations associées aux carquois valués de types B et C en ramenant l'étude de ces concepts à celle des familles A et D, respectivement.

Malhas simpliciais são utilizadas em várias áreas da Computação Gráfica e Engenharia, como por exemplo, em vizualização, simulação, prototipação, além de outras aplicações. Este tipo de malha é, geralmente, utilizada como aproximações discretas de espaços contínuos, onde eles oferecem representações flexíveis e eficientes. Muito esforço é gasto visando gerar malhas de boa qualidade, porém, em alguns casos as malhas acabam sendo modificadas. Entretanto, este tipo de operação é geralmente custosa e inflexível, o que pode resultar na geraão de malhas bem diferentes das originais. A habilidade de manipular cenas dinâmicas revela-se um dos problemas mais desafiadores da computação gráfica. Este trabalho propõe um método alternativo para atualizar malhas simpliciais que vai além de mudanças geométricas e topológicas. Tal método explora uma das propriedade das Tringulações de Delaunay com Pesos, que permite a usá-las para definir implicitamente as relações de conectividade de uma malha. Ao contrário de manter as informações de conectividade explicitamente, a atual abordagem simplesmente armazena uma coleção de pesos associados a cada vértice. Além disso, criamos um algoritmo para calcular uma Tringulação de Delaunay com Pesos a partir de uma dada triangulação. O algoritmo consiste em uma busca em largura que atribui pesos aos vértices, e uma estratégia de de subdivisão para assegurar que a triangulação reconstruída será correspondente à original. Este método apresenta diversas aplicações e, em particular, permite a criação de um sistema simples de realizar combinação entre triangulações, que será ilustrada com exemplos em 2D e 3D. / Simplicial meshes are used in many fields of Computer Graphics and Engineering, for instance, in visualization, simulation, prototyping, among other applications. This kind of mesh is often used as discrete approximations of continuous spaces, where they offer flexible and efficient representations. Considerable effort is spent in generating good quality meshes, but in some applications the meshes can be modified over time. However, this kind of operation is often very expensive and inflexible, sometimes leading to results very different from the original meshes. The ability to handle dynamic scenes reveals itself as one of the most challenging problems in computer graphics. This work proposes an alternative technique for updating simplicial meshes that undergo geometric and topological changes. It explores the property that a Weighted Delaunay Triangulation (WDT) can be used to implicitly define the connectivity of a mesh. Instead of explicitly maintaining connectivity information, this approach simply keeps a collection of weights associated to each vertex. It consists of an algorithm to compute a WDT from any given triangulation, which relies on a breadth-first traversal to assign weights to vertices, and a subdivision strategy to ensure that the reconstructed triangulation conforms with the original one. This technique has many applications and, in particular, it allows for a very simple method of merging triangulations, which is illustrated with both 2D and 3d examples.

La reconstruction de surface, à partir de données échantillonnées, est un thème de recherche important et très actif depuis quelques années. L'enjeu est de pouvoir générer toute sorte de géométries et de topologies. Le but de ce travail est de trouver une surface régulière Gamma (typiquement de classe C2), passant au plus près de tous les points d'un échantillon V donné, c'est-à-dire telle que la distance euclidienne d(x, Gamma) soit minimale pour tout x dans V. Pour cela, on formule le problème à l'aide d'une équation aux dérivées partielles qui va caractériser l'évolution d'une surface Gamma(t). Cette EDP est composée d'un terme d'attraction, qui permet à Gamma(t) d'avancer jusqu'à V, et d'un terme de tension de surface, dont le rôle est de préserver la régularité de Gamma(t) au cours du temps. On montre d'abord que le problème est bien posé, c'est-à-dire que sa solution existe et qu'elle est unique. Cette EDP est ensuite résolue numériquement à l'aide de la méthode des lignes de niveau, et grâce à des schémas numériques spécifiques (avec approximation des dérivées d'ordre un et deux en espace en chaque noeud du maillage), sur des triangulations adaptées et anisotropes (pour améliorer la précision du résultat). D'un point de vue analyse, on montre que ces schémas sont consistants et stables en norme L2. Des exemples d'applications sont présentés pour illustrer l'efficacité de notre approche.

Nous considérons le problème de concevoir des représentations compactes ou succinctes de structures de données géométriques. Dans ce cadre, en plus des questions de simple compression, l'attention est portée sur l'étude de structures de données nécessitant une petite quantité de ressources mémoire et permettant de répondre à des requêtes locales en temps O(1). L'une des contributions de cette thèse consiste à proposer un cadre algorithmique général pour la conception de représentations compactes de structures telles que les graphes planaires et les maillages surfaciques. Comme application nous présentons différentes structures spécialement conçues pour représenter de manière compacte la connectivité (ou information combinatoire) de certaines classes de graphes localement planaires. Pour le cas des triangulations planaires à m faces, nous proposons une représentation compacte de l'information combinatoire nécessitant asymptotiquement 2:175 bits par triangle pour le coût en espace et qui permet la navigation entre triangles adjacents, ainsi que d'autres requêtes locales d'incidence entre sommets, en temps constant : cette structure est ainsi optimale pour la classe des triangulations ayant un bord de taille arbitraire. Une telle représentation reste valide et optimale dans le cas de triangulations d'une surface de genre g borné : O(g lgm) bits supplémentaires sont alors nécessaires. Cette représentation est bien adaptée pour faire une mise à jour locale efficace de la triangulation. Plus précisément, il est possible d'effectuer des mises à jour en temps O(1) amorti après insertion de sommets, et en temps O(log2m) amorti après suppression de sommets et flip d'arêtes. Et en ce qui concerne les triangulations et les graphes planaires 3-connexes, correspondant aux maillages triangulaires et polygonaux homéomorphes à une sphère, nous proposons les premières représentations succinctes optimales : elles atteignent l'entropie respective des deux classes, 2 bits par arête pour les graphes 3-connexes, et 1:62 bits par triangle (ou 3:24 bits par sommet) pour les triangulations. Ces structures permettent aussi l'accès en temps O(1) aux informations associées aux sommets, notamment leurs coordonnées. Cependant nous ne traitons pas ici la compression de cette information géométrique.