Durant cette thèse, nous avons introduit les problèmes de Bin Covering avec Contrainte de Distance (BCCD) et de Bin Packing avec Contrainte de Distance (BPCD), qui trouvent leur application dans les réseaux de grande échelle, tel Internet. L'étude de ces problèmes que nous effectuons dans des espaces métriques quelconques montre qu'il est impossible de travailler dans un tel cadre sans avoir recours à de l'augmentation de ressources, un procédé qui permet d'élaborer des algorithmes construisant des solutions moins contraintes que la solution optimale à laquelle elles sont comparées. En plus de résultats d'approximation intéressants, nous prouvons la difficulté de ces problèmes si ce procédé n'est pas utilisé. Par ailleurs, de nombreux outils ont pour objectif de plonger les grands réseaux qui nous intéressent dans des espaces métriques bien décrits. Nous avons alors étudié nos problèmes dans plusieurs espaces métriques spécifiques, et, en particulier, ceux générés par certains de ces outils, comme Vivaldi et Sequoia. / During this Ph.D we introduced Bin Covering under Distance Constraint (BCCD in French) and Bin Packing under Distance Constraint (BPCD in French). Those two problems find their applications in the context of large scale networks, like Internet. We studied those problems in general metric spaces, and proved that using resource augmentation is mandatory. Resource augmentation allows to build algorithms working on solutions with less constraints than the optimal solution to which it is compared to. We found interesting approximations algorithms using this relaxation, and proved the necessity of this resource augmentation. However many tools are used to embed large networks we are interested in in specific metric spaces. Thus we studied those problems in different specific metric spaces, in particular those generated by the use of Vivaldi and Sequoia, two of those tools.

Nous étudions dans cette thèse le problème de l’exploration parallèle d’un graphe à l’aide des multiples, synchronisés et mobiles agents. Chaque agent est une entité individuelle qui peut, indépendamment des autres agents, visiter les sommets du graphe ou parcourir ses arêtes. Le but de ensemble des agents est de visiter tous les sommets de graphe.Nous étudions d’abord l’exploration du graphe dans un modèle où chaque agent est équipé de mémoire interne, mais les noeuds n’ont pas de mémoire. Dans ce modèle les agents sont autorisés à communiquer entre eux en échangeant des messages. Nous présentons des algorithmes qui s’exécutent dans un minimum de temps possible pour polynomiale nombre d’agents (polynomiale en nombre de sommets du graphe). Nous étudions aussi quelle est l’impact de différentes méthodes des communications. Nous étudions des algorithmes où les agents peuvent se communiquer à distance arbitraire,mais aussi où communication est possible seulement entre les agents situés dans le même sommet. Dans les deux cas nous présentons des algorithmes efficaces. Nous avons aussi obtenu des limites inférieures qui correspondent bien à la performance des algorithmes.Nous considérons également l’exploration de graphe en supposant que les mouvements des agents sont déterminés par le soi-disant rotor-router mécanisme. Du point de vue d’un sommet fixé, le rotor- router envoie des agents qui visitent les sommet voisins dans un mode round-robin. Nous étudions l’accélération défini comme la proportion entre le pire des cas de l’exploration d’un agent unique et des plusieurs agents. Pour générales graphes, nous montrerons que le gain de vitesse en cas de multi-agent rotor-router est toujours entre fonction logarithmique et linéaire du nombre d’agents. Nous présentons également des résultats optimaux sur l’accélération de multi-agent rotor-router pour cycles, expanseurs, graphes aléatoires, cliques, tores de dimension fixé et une analyse presque optimale pour hypercubes.Finalement nous considérons l’exploration sans collision, où chaque agent doit explorer le graphe de manière indépendante avec la contrainte supplémentaire que deux agents ne peuvent pas occuper le même sommet. Dans le cas où les agents sont donnés le plan de graphe, on présente un algorithme optimal pour les arbres et un algorithme asymptotiquement optimal pour générales graphes. Nous présentons aussi des algorithmes dans le cas de l’exploration sans collision des arbres et des générales graphes dans la situation où les agents ne connaissent pas le graphe. Nous fermons la thèse par des observations finales et une discussion de problèmes ouverts liés dans le domaine de l’exploration des graphes. / In this thesis we study the problem of parallel graph exploration using multiple synchronized mobile agents. Each mobile agent is an entity that can, independently of other agents, visit vertices of the graph and traverse its edges. The goal of the agents is to visit all vertices of the graph. We first study graph exploration in the model where agents are equipped with internal memory but no memory is available at the nodes. Agents in this model are also allowed to communicate between each other by exchanging messages. We present algorithms working in a minimal possible time for a team of polynomial size (in the number of vertices of the graph). We also study the impact of the available range of communication by analysing algorithms for agents which can communicate at arbitrary distance, or only with other agents located at the same node. We present efficient algorithms and lower bounds that almost match our positive results in both communication models. We also consider graph exploration when movements of agents are determined according to the so-called rotor-router mechanism. From the perspective of a fixed node, the rotor-router sends out agents which visit the node along its outgoing edges, ina round-robin fashion. We study the speedup which is the ratio between the worst-case exploration of a single agent and of multiple agents. We first show that the speed up for general graphs for the multi-agent rotor-router is always between logarithmic and linear in the number of agents. We also present a tight analysis of the speedup for the multi-agent rotor-router for cycles, expanders, random graphs, cliques, constant dimensional tori and an almost-tight analysis for hypercubes. Finally we consider collision-free exploration, where each agent has to explore the graph independently with the additional constraint that no two agents can occupy the same node at the same time. In the case when agents are given the map of the graph, we show an optimal algorithm for trees and an asymptotically optimal algorithm for general graphs. We also present algorithms for collision-free exploration of trees and general graphs in the case when agents have no initial knowledge about the graph. We close the thesis with concluding remarks and a discussion of related open problems in the area of graph exploration.

Il y a entre les mathématiques et l'informatique une solidarité fondamentale qui repose sur l'histoire et sur les pratiques actuelles de ces disciplines. Une preuve en est le recours constant aux algorithmes dans les résolutions de problèmes mathématiques fondamentaux et l'existence de l'algorithmique comme domaine constitutif de l'informatique aux côtés d'autres comme la théorie des langages ou la théorie des automates.<br />Notre recherche étudie la question de l'introduction d'éléments d'algorithmique et de programmation dans l'enseignement mathématique secondaire. Elle s'appuie sur des analyses épistémologique et institutionnelle qui montrent d'une part que les notions de boucle et de variable se construisent en même temps que l'architecture de la machine se transforme et atteste d'autre part de la vie difficile d'éléments d'algorithmique et de programmation dans l'enseignement secondaire en France et au Viêt-nam. <br />Les résultats de ces analyses fondent la conception et la réalisation d'une ingénierie didactique dans un environnement informatique conçue comme une genèse expérimentale de la machine de Von Neumann et de la programmation à travers l'écriture des messages successifs (programmes) à des machines dotées de caractéristiques différentes. Cette conception utilise les outils de la théorie des Situations Didactiques pour organiser, à partir d'une situation fondamentale de l'algorithmique et de la programmation, une première rencontre avec différents types de mémoires d'une calculatrice en particulier les mémoires effaçables, permettant l'émergence de la notion de variable informatique et de boucle dans notre ingénierie. <br />Pour le besoin de notre recherche, nous avons construit un émulateur de calculatrice, nommé Alpro, sur le modèle des calculatrices existantes dans l'enseignement secondaire des deux pays et ayant la capacité supplémentaire d'enregistrer l'historique des suites des touches appuyées lors d'un calcul.

Depuis quelques années, l'extension de l'utilisation de l'informatique dans tous les domaines de recherche scientifique et technique se traduit par un besoin croissant de puissance de calcul. Il est donc vital d'employer les microprocesseurs en parallèle. Le problème principal que nous cherchons à résoudre dans cette thèse est le calcul d'une forme canonique de très grandes matrices creuses à coefficients entiers, la forme normale de Smith. Par "très grandes", nous entendons un million d'inconnues et un million d'équations, c'est-à-dire mille milliards de variables. De tels systèmes sont même, en général, impossibles à stocker actuellement. Cependant, nous nous intéressons à des systèmes dans lesquels beaucoup de ces variables sont identiques et valent zéro; on parle dans ce cas de système creux. Enfin, nous voulons résoudre ces systèmes de manière exacte, c'est-à-dire que nous travaillons avec des nombres entiers ou dans une structure algébrique plus petite et autorisant toutes les opérations classiques, un corps fini. La reconstruction de la solution entière à partir des solutions plus petites est ensuite relativement aisée.

Les codes correcteurs d'erreurs sont utilisés pour reconstituer les données numériques, qui sont sujettes à des altérations lors de leur stockage et de leur transport. Il s'agit là de l'utilisation principale des codes correcteurs mais ils peuvent encore être employés en cryptographie. Ils sont dans ce contexte un outil permettant, entre autres choses, de chiffrer des données et d'authentifier des personnes. Ces différents aspects sont traités dans ce document. Pour commencer, nous étudions la classe de codes cycliques possédant un ensemble de définition de la forme {1, 2^i+1, 2^j+1}, où i et j désignent des entiers positifs distincts. Nous concentrons notre attention sur la caractérisation des codes trois-correcteurs appartenant à cette classe ainsi que sur la distribution de poids de ces codes. Nous améliorons l'algorithme de Schaub, qui donne une minoration de la distance minimale des codes cycliques. Nous mettons en oeuvre cet algorithme pour calculer l'immunité spectrale de fonctions booléennes. Cette quantité est reliée à la distance minimale de codes cycliques et est importante pour garantir la sécurité dans certains cryptosystèmes de chiffrement à flot. Dans un second temps, nous proposons une solution pour accélérer le calcul des racines de polynômes dans des corps finis de caractéristique deux. Ce calcul est la phase la plus lente du déchiffrement des cryptosystèmes de type McEliece basés sur les codes de Goppa binaires classiques. Nous fournissons une analyse de la complexité de l'algorithme sous-jacent baptisé BTZ. Nous achevons nos travaux par une étude des protocoles d'authentification à bas coût, dérivés du protocole HB, en adoptant une approche basée sur le problème du décodage par syndrome, plutôt que par l'approche standard, fondée sur le problème LPN.

L'objectif de cette thèse est d'appliquer la théorie du contrôle optimal à la dynamique de systèmes quantiques. Le premier point consiste à introduire dans le domaine du contrôle quantique des outils de contrôle optimal initialement développés en mathématique. Cette approche a ensuite été appliquée sur différent types de systèmes quantiques décrit par une grande ou une petite dimension. La première partie du manuscrit introduit les différents outils de contrôles utilisés avec une approche adaptée à un public de physiciens. Dans la seconde partie, ces techniques sont utilisées pour contrôler la dynamique des spins en RMN et IRM. La troisième partie s'intéresse au développement de nouveaux algorithmes itératifs de contrôle optimal appliqués au contrôle par champ laser de la dynamique rotationnelle des molécules linéaires en phases gazeuse ainsi qu'au développement d'une stratégie de contrôle simple permettant de délocaliser une molécule dans un plan. La quatrième partie traite le contrôle en temps minimum d'un condensat de Bose-Einstein à deux composantes. La dernière partie permet de comparer qualitativement et quantitativement les différentes méthodes de contrôle optimal utilisées. Les seconde et troisième parties ont également bénéficier de l'implémentation expérimentale des solutions de contrôle optimal obtenues.

La thèse est que la représentation par contraintes, en terme de langage et la déduction par la gestion automatique des réseaux de contraintes est une voie adéquate pour les systèmes d'aide à la conception en ingénierie. Deux techniques de l'Intelligence Artificielle à savoir la Propagation de Contraintes et le Raisonnement Qualitatif sont abordées. La Propagation de Contraintes est un mécanisme d'inférences déductives sur les réseaux de contraintes. Ce mécanisme présente plusieurs difficultés, particulièrement dans les calculs pas-à-pas de la résolution des relations entre valeurs des variables. Pour améliorer ce mécanisme, il est proposé dans le présente travail des algorithmes de filtrage sur la consistance locale dans des réseaux de contraintes algébriques n-aires. Ainsi, le concept de réseaux dynamiques est exploité comme un module d'aide à la conception. Le Raisonnement Qualitatif permet aux concepteurs d'analyser les modèles quand la connaissance est incomplète. L'approche de la Simulation Qualitative est proposée. L'adéquation de celle-ci est illustrée par d'une part, la représentation de connaissances incomplètes en termes de contraintes qualitatives, et d'autre part, sa capacité de saisir les comportements qualitatifs possibles des modèles. Un ensemble de logiciels est développé et leur efficacité démontrée sur des cas simples.

La géométrie de l'information est la théorie mathématique qui applique les méthodes de la géométrie différentielle dans le domaine des statistiques et de la théorie de l'information. C'est une technique très prometteuse pour l'analyse et l'illustration des algorithmes itératifs utilisés en communications numériques. Cette thèse porte sur l'application de cette technique ainsi que d'autre technique d'optimisation bien connue, l'algorithme itératif du point proximal, sur les algorithmes itératifs en général. Nous avons ainsi trouvé des interprétations géométriques (basée sur la géométrie de l'information) et proximales (basée sur l'algorithme du point proximal) intéressantes dans le cas d'un algorithme itératif de calcul de la capacité des canaux discrets sans mémoire, l'algorithme de Blahut-Arimoto. L'idée étant d'étendre cette application sur une classe d'algorithmes itératifs plus complexes. Nous avons ainsi choisi d'analyser l'algorithme de décodage itératif des modulations codées à bits entrelacés afin de trouver quelques interprétations et essayer de proposer des liens existant avec le critère optimal de maximum de vraisemblance et d'autres algorithmes bien connus dans le but d'apporter certaines améliorations par rapport au cas classique de cet algorithme, en particulier l'étude de la convergence.

Le but de cette thèse est de développer de nouvelles techniques d'éclatement d'opérateurs multivoques pour résoudre des problèmes d'inclusion monotone structurés dans des espaces hilbertiens. La dualité au sens des inclusions monotones tient une place essentielle dans ce travail et nous permet d'obtenir des décompositions qui ne seraient pas disponibles via une approche purement primale. Nous développons plusieurs algorithmes à métrique fixe ou variable dans un cadre unifié, et montrons en particulier que de nombreuses méthodes existantes sont des cas particuliers de la méthode explicite--implicite formulée dans des espaces produits adéquats. Les méthodes proposées sont appliquées aux problèmes d'inéquations variationnelles, aux problèmes de minimisation, aux problèmes inverses, aux problèmes de traitement du signal, aux problèmes d'admissibilité et aux problèmes de meilleure approximation. Dans un second temps, nous introduisons une notion de suite quasi-fejérienne à métrique variable et analysons ses propriétés asymptotiques. Ces résultats nous permettent d'obtenir des extensions de méthodes d'éclatement aux problèmes où la métrique varie à chaque itération.

Dans ce travail de thèse, nous présentons plusieurs contributions visant à améliorer l'utilisation des modèles de Markov cachés (MMC) dans les systèmes d'intelligence artificielle. Nous nous sommes concentrés sur trois objectifs : l'amélioration de l'apprentissage de MMC, l'expérimentation d'un nouveau type de MMC et la visualisation de dissimilarité pour mieux comprendre les interactions entre MMC. Dans la première partie, nous proposons, évaluons et comparons plusieurs nouvelles applications<br />de métaheuristiques biomimétiques classiques (les algorithmes génétiques, l'algorithme de fourmis artificielles API et l'optimisation par essaim particulaire) au problème de l'apprentissage de MMC. Dans la<br />deuxième partie, nous proposons un nouveau type de modèle de Markov caché, appelé modèle Markov caché à substitutions de symboles (MMCSS). Un MMCSS permet d'incorporer des connaissances a priori dans le processus d'apprentissage et de reconnaissance. Les premières expérimentations de ces modèles sur des images démontrent leur intérêt. Dans la troisième partie, nous proposons une nouvelle méthode de représentation de dissimilarité appelée matrice de scatterplots pseudo-euclidienne (MSPE), permettant de mieux comprendre les interactions entre des MMC. Cette MSPE est construite à partir<br />d'une technique que nous nommons analyse en composantes principales à noyau indéfini (ACPNI). Nous terminons par la présentation de la bibliothèque HMMTK, développée au cours de ce travail. Cette dernière intègre des mécanismes de parallélisation et les algorithmes développés au cours de la thèse.