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Le codage et le comportement de l'arithmétique à virgule flottante disponible dans les ordinateurs sont spécifiés par la norme IEEE-754. Cette norme impose au système de rendre comme résultat de l'une des quatre opérations (+, *, /, sqrt), l'arrondi du résultat exact. Cette propriété que l'on appelle <>, permet de garantir la qualité du résultat. Elle permet également la construction de preuves d'algorithmes, quelles que soient les machines sur lesquelles l'opération est executée. Toutefois cette norme présente des limites, puisque les fonctions élémentaires (sinus, cosinus, exponentielle...) en sont absentes. Cette abscence est liée au <> : il est, contrairement aux opérations de base, difficile de connaître la précision nécessaire pour garantir l'arrondi correct des fonctions élémentaires. Cependant, si l'on fixe le format de représentation, il est alors possible par une recherche exhaustive de déterminer cette borne; ce fut le travail de thèse de Lefèvre pour la double précision. <br /><br />L'objectif de ce mémoire est d'exploiter les bornes associées à chaque fonction, pour certifier l'arrondi correct des fonctions élémentaires en double précision pour les quatre modes d'arrondi. À cet effet, nous avons implémenté les évaluations en deux étapes : l'une rapide et juste la plupart du temps, basée sur les propriétés de l'arithmétique IEEE double précision, et l'autre juste tout le temps, composé d'opérateurs multiprécision. Pour cette deuxième phase, nous avons développé une bibliothèque d'opérateurs multiprécision optimisés pour les précisions données par ces bornes et les caractéristiques des processeurs en 2003.

Une arithmétique sûre et efficace est un élément clé pour exécuter des calculs rapides et sûrs. Le choix du système numérique et des algorithmes arithmétiques est important. Nous présentons une nouvelle représentation des nombres, les "RN-codes", telle que tronquer un RN-code à une précision donnée est équivalent à l'arrondir au plus près. Nous donnons des algorithmes arithmétiques pour manipuler ces RN-codes et introduisons le concept de "RN-code en virgule flottante." Lors de l'implantation d'une fonction f en arithmétique flottante, si l'on veut toujours donner le nombre flottant le plus proche de f(x), il faut déterminer si f(x) est au-dessus ou en-dessous du plus proche "midpoint", un "midpoint" étant le milieu de deux nombres flottants consécutifs. Pour ce faire, le calcul est d'abord fait avec une certaine précision, et si cela ne suffit pas, le calcul est recommencé avec une précision de plus en plus grande. Ce processus ne s'arrête pas si f(x) est un midpoint. Étant donné une fonction algébrique f, soit nous montrons qu'il n'y a pas de nombres flottants x tel que f(x) est un midpoint, soit nous les caractérisons ou les énumérons. Depuis le PowerPC d'IBM, la division en binaire a été fréquemment implantée à l'aide de variantes de l'itération de Newton-Raphson dues à Peter Markstein. Cette itération est très rapide, mais il faut y apporter beaucoup de soin si l'on veut obtenir le nombre flottant le plus proche du quotient exact. Nous étudions comment fusionner efficacement les itérations de Markstein avec les itérations de Goldschmidt, plus rapides mais moins précises. Nous examinons également si ces itérations peuvent être utilisées pour l'arithmétique flottante décimale. Nous fournissons des bornes d'erreurs sûres et précises pour ces algorithmes.

Les machines actuelles offrent de plus en plus de fonctionnalités arithmétiques au niveau matériel. Les générations actuelles de processeurs proposent des opérateurs matériels rapides pour le calcul des divisions, des racines carrées, des sinus, des cosinus, des logarithmes... La littérature du domaine montre qu'en changeant notre façon de représenter les nombres et/ou en utilisant des algorithmes spécifiques de calcul, il est possible de réaliser des opérateurs matériels particulièrement efficaces. Le but de cette thèse est d'étudier et d'illustrer les liens profonds existants entre l'arithmétique et l'architecture des ordinateurs à travers quatre problèmes. Les Opérateurs Arithmétiques Asynchrones permettent de calculer les fonctions arithmétiques (addition, multiplication, division) avec un délai variable. En particulier, nous avons développé un additionneur asynchrone dont le temps moyen de calcul est O(sqrt(\log n)). L'Arithmétique En-Ligne permet de réaliser des architectures où les nombres circulent en série, chiffre par chiffre, les poids forts en tête. L'intérêt de cette arithmétique est de pouvoir calculer toutes les fonctions (en arithmétique série poids faibles en tête, il n'est pas possible de calculer les divisions et les maximums) et d'obtenir des opérateurs de petite taille avec un nombre d'entrées/sorties plus faible que leur équivalents parallèles. L'Arrondi Exact des Fonctions Elémentaires consiste à déterminer la précision intermédiaire permettant de toujours pouvoir arrondir "exactement" les résultats du calcul des fonctions élémentaires (sinus, cosinus, exponentielle...). Nous proposons dans cette thèse une méthode qui permet d'arrondir exactement les fonctions élémentaires assez rapidement. Le Système Semi-Logarithmique de Représentation des Nombres est un système permettant d'effectuer rapidement les calculs de problèmes dont le nombre de multiplications/divisions est grand devant le nombre d'additions/soustractions.

La conception des bibliothèques d’évaluation de fonctions est un activité complexe qui requiert beaucoup de soin et d’application, particulièrement lorsque l’on vise des niveaux élevés de fiabilité et de performances. En pratique et de manière habituelle, on ne peut se livrer à ce travail sans disposer d’outils qui guident le concepteur dans le dédale d’un espace de solutions étendu et complexe mais qui lui garantissent également la correction et la quasi-optimalité de sa production. Dans l’état actuel de l’art, il nous faut encore plutôt raisonner en termes de « boite à outils » d’où le concepteur doit tirer et combiner des mécanismes de base, au mieux de ses objectifs, plutôt qu’imaginer que l’on dispose d’un dispositif à même de résoudre automatiquement tous les problèmes.Le présent travail s’attache à la conception et la réalisation de tels outils dans deux domaines:∙ la consolidation du test d’arrondi de Ziv utilisé, jusqu’à présent de manière plus ou moins empirique, dans l’implantation des approximations de fonction ;∙ le développement d’une implantation de l’algorithme SLZ dans le but de résoudre le « Dilemme du fabricant de table » dans le cas de fonctions ayant pour opérandes et pour résultat approché des nombres flottants en quadruple précision (format Binary64 selon la norme IEEE-754). / The design of function evaluation libraries is a complex task that requires a great care and dedication, especially when one wants to satisfy high standards of reliability and performance. In actual practice, it cannot be correctly performed, as a routine operation, without tools that not only help the designer to find his way in a complex and extended solution space but also to guarantee that his solutions are correct and (almost) optimal. As of the present state of the art, one has to think in terms of “toolbox” from which he can smartly mix-and-match the utensils that fit better his goals rather than expect to have at hand a solve-all automatic device.The work presented here is dedicated to the design and implementation of such tools in two realms:∙ the consolidation of Ziv’s rounding test that is used, in a more or less empirical way, for the implementation of functions approximation;∙ the development of an implementation of the SLZ-algorithm in order to solve the Table Maker Dilemma for the function with quad-precision floating point (IEEE-754 Binary128 format) arguments and images.

Une arithmétique sûre et efficace est un élément clé pour exécuter des calculs rapides et sûrs. Le choix du système numérique et des algorithmes arithmétiques est important. Nous présentons une nouvelle représentation des nombres, les "RN-codes", telle que tronquer un RN-code à une précision donnée est équivalent à l'arrondir au plus près. Nous donnons des algorithmes arithmétiques pour manipuler ces RN-codes et introduisons le concept de "RN-code en virgule flottante." Lors de l'implantation d'une fonction f en arithmétique flottante, si l'on veut toujours donner le nombre flottant le plus proche de f(x), il faut déterminer si f(x) est au-dessus ou en-dessous du plus proche "midpoint", un "midpoint" étant le milieu de deux nombres flottants consécutifs. Pour ce faire, le calcul est d'abord fait avec une certaine précision, et si cela ne suffit pas, le calcul est recommencé avec une précision de plus en plus grande. Ce processus ne s'arrête pas si f(x) est un midpoint. Étant donné une fonction algébrique f, soit nous montrons qu'il n'y a pas de nombres flottants x tel que f(x) est un midpoint, soit nous les caractérisons ou les énumérons. Depuis le PowerPC d'IBM, la division en binaire a été fréquemment implantée à l'aide de variantes de l'itération de Newton-Raphson dues à Peter Markstein. Cette itération est très rapide, mais il faut y apporter beaucoup de soin si l'on veut obtenir le nombre flottant le plus proche du quotient exact. Nous étudions comment fusionner efficacement les itérations de Markstein avec les itérations de Goldschmidt, plus rapides mais moins précises. Nous examinons également si ces itérations peuvent être utilisées pour l'arithmétique flottante décimale. Nous fournissons des bornes d'erreurs sûres et précises pour ces algorithmes. / Efficient and reliable computer arithmetic is a key requirement to perform fast and reliable numerical computations. The choice of the number system and the choice of the arithmetic algorithms are important. We present a new representation of numbers, the "RN-codings", such that truncating a RN-coded number to some position is equivalent to rounding it to the nearest. We give some arithmetic algorithms for manipulating RN-codings and introduce the concept of "floating-point RN-codings". When implementing a function f in floating-point arithmetic, if we wish to always return the floating-point number nearest f(x), one must be able to determine if f(x) is above or below the closest "midpoint", where a midpoint is the middle of two consecutive floating-point numbers. This determination is first done with some given precision, and if it does not suffice, we start again with higher precision, and so on. This process may not terminate if f(x) can be a midpoint. Given an algebraic function f, we try either to show that there are no floating-point numbers x such that f(x) is a midpoint, or we try to enumerate or characterize them. Since the IBM PowerPC, binary division has frequently been implemented using variants of the Newton-Raphson iteration due to Peter Markstein. This iteration is very fast, but much care is needed if we aim at always returning the floating-point number nearest the exact quotient. We investigate a way of efficiently merging Markstein iterations with faster yet less accurate iterations called Goldschmidt iterations. We also investigate whether those iterations can be used for decimal floating-point arithmetic. We provide sure and tight error bounds for these algorithms.

L'implantation en Virgule Flottante (VF) d'une fonction à valeurs réelles est réalisée avec arrondi correct si le résultat calculé est toujours égal à l'arrondi de la valeur exacte, ce qui présente de nombreux avantages. Mais pour implanter une fonction avec arrondi correct de manière fiable et efficace, il faut résoudre le "dilemme du fabricant de tables" (TMD en anglais). Deux algorithmes sophistiqués (L et SLZ) ont été conçus pour résoudre ce problème, via des calculs longs et complexes effectués par des implantations largement optimisées. D'où la motivation d'apporter des garanties fortes sur le résultat de ces pré-calculs coûteux. Dans ce but, nous utilisons l'assistant de preuves Coq. Tout d'abord nous développons une bibliothèque d'"approximation polynomiale rigoureuse", permettant de calculer un polynôme d'approximation et un intervalle bornant l'erreur d'approximation à l'intérieur de Coq. Cette formalisation est un élément clé pour valider la première étape de SLZ, ainsi que l'implantation d'une fonction mathématique en général (avec ou sans arrondi correct). Puis nous avons implanté en Coq, formellement prouvé et rendu effectif 3 vérifieurs de certificats, dont la preuve de correction dérive du lemme de Hensel que nous avons formalisé dans les cas univarié et bivarié. En particulier, notre "vérifieur ISValP" est un composant clé pour la certification formelle des résultats générés par SLZ. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la preuve mathématique d'algorithmes VF en "précision augmentée" pour la racine carré et la norme euclidienne en 2D. Nous donnons des bornes inférieures fines sur la plus petite distance non nulle entre sqrt(x²+y²) et un midpoint, permettant de résoudre le TMD pour cette fonction bivariée. Enfin, lorsque différentes précisions VF sont disponibles, peut survenir le phénomène de "double-arrondi", qui peut changer le comportement de petits algorithmes usuels en arithmétique. Nous avons prouvé en Coq un ensemble de théorèmes décrivant le comportement de Fast2Sum avec double-arrondis.

L’arithmétique virgule flottante est une approximation de l’arithmétique réelle dans laquelle chaque opération peut introduire une erreur. La norme IEEE 754 requiert que les opérations élémentaires soient aussi précises que possible, mais au cours d’un calcul, les erreurs d’arrondi s’accumulent et peuvent conduire à des résultats totalement faussés. Cela arrive avec une expression aussi simple que ab + cd, pour laquelle l’algorithme naïf retourne parfois un résultat aberrant, avec une erreur relative largement supérieure à 1. Il est donc important d’analyser les algorithmes utilisés pour contrôler l’erreur commise. Je m’intéresse à l’analyse de briques élémentaires du calcul en cherchant des bornes fines sur l’erreur relative. Pour des algorithmes suffisamment précis, en arithmétique de base β et de précision p, on arrive en général à prouver une borne sur l'erreur de la forme α·u + o(u²) où α > 0 et u = 1/2·β1-p est l'unité d'arrondi. Comme indication de la finesse d'une telle borne, on peut fournir des exemples numériques pour les précisions standards qui approchent cette borne, ou bien un exemple paramétré par la précision qui génère une erreur de la forme α·u + o(u²), prouvant ainsi l'optimalité asymptotique de la borne. J’ai travaillé sur la formalisation d’une arithmétique à virgule flottante symbolique, sur des nombres paramétrés par la précision, et à son implantation dans le logiciel de calcul formel Maple. J’ai aussi obtenu une borne d'erreur très fine pour un algorithme d’inversion complexe en arithmétique flottante. Ce résultat suggère le calcul d'une division décrit par la formule x/y = (1/y)·x, par opposition à x/y = (x·y)/|y|². Quel que soit l'algorithme utilisé pour effectuer la multiplication, nous avons une borne d'erreur plus petite pour les algorithmes décrits par la première formule. Ces travaux sont réalisés avec mes directeurs de thèse, en collaboration avec Claude-Pierre Jeannerod (CR Inria dans AriC, au LIP). / Floating-point arithmetic is an approximation of real arithmetic in which each operation may introduce a rounding error. The IEEE 754 standard requires elementary operations to be as accurate as possible. However, through a computation, rounding errors may accumulate and lead to totally wrong results. It happens for example with an expression as simple as ab + cd for which the naive algorithm sometimes returns a result with a relative error larger than 1. Thus, it is important to analyze algorithms in floating-point arithmetic to understand as thoroughly as possible the generated error. In this thesis, we are interested in the analysis of small building blocks of numerical computing, for which we look for sharp error bounds on the relative error. For this kind of building blocks, in base and precision p, we often successfully prove error bounds of the form α·u + o(u²) where α > 0 and u = 1/2·β1-p is the unit roundoff. To characterize the sharpness of such a bound, one can provide numerical examples for the standard precisions that are close to the bound, or examples that are parametrized by the precision and generate an error of the same form α·u + o(u²), thus proving the asymptotic optimality of the bound. However, the paper and pencil checking of such parametrized examples is a tedious and error-prone task. We worked on the formalization of a symbolicfloating-point arithmetic, over numbers that are parametrized by the precision, and implemented it as a library in the Maple computer algebra system. We also worked on the error analysis of the basic operations for complex numbers in floating-point arithmetic. We proved a very sharp error bound for an algorithm for the inversion of a complex number in floating-point arithmetic. This result suggests that the computation of a complex division according to x/y = (1/y)·x may be preferred, instead of the more classical formula x/y = (x·y)/|y|². Indeed, for any complex multiplication algorithm, the error bound is smaller with the algorithms described by the “inverse and multiply” approach.This is a joint work with my PhD advisors, with the collaboration of Claude-Pierre Jeannerod (CR Inria in AriC, at LIP).

L'implantation en Virgule Flottante (VF) d'une fonction à valeurs réelles est réalisée avec arrondi correct si le résultat calculé est toujours égal à l'arrondi de la valeur exacte, ce qui présente de nombreux avantages. Mais pour implanter une fonction avec arrondi correct de manière fiable et efficace, il faut résoudre le «dilemme du fabricant de tables» (TMD en anglais). Deux algorithmes sophistiqués (L et SLZ) ont été conçus pour résoudre ce problème, via des calculs longs et complexes effectués par des implantations largement optimisées. D'où la motivation d'apporter des garanties fortes sur le résultat de ces pré-calculs coûteux. Dans ce but, nous utilisons l'assistant de preuves Coq. Tout d'abord nous développons une bibliothèque d'«approximation polynomiale rigoureuse», permettant de calculer un polynôme d'approximation et un intervalle bornant l'erreur d'approximation à l'intérieur de Coq. Cette formalisation est un élément clé pour valider la première étape de SLZ, ainsi que l'implantation d'une fonction mathématique en général (avec ou sans arrondi correct). Puis nous avons implanté en Coq, formellement prouvé et rendu effectif 3 vérifieurs de certificats, dont la preuve de correction dérive du lemme de Hensel que nous avons formalisé dans les cas univarié et bivarié. En particulier, notre «vérifieur ISValP» est un composant clé pour la certification formelle des résultats générés par SLZ. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la preuve mathématique d'algorithmes VF en «précision augmentée» pour la racine carré et la norme euclidienne en 2D. Nous donnons des bornes inférieures fines sur la plus petite distance non nulle entre sqrt(x²+y²) et un midpoint, permettant de résoudre le TMD pour cette fonction bivariée. Enfin, lorsque différentes précisions VF sont disponibles, peut survenir le phénomène de «double-arrondi», qui peut changer le comportement de petits algorithmes usuels en arithmétique. Nous avons prouvé en Coq un ensemble de théorèmes décrivant le comportement de Fast2Sum avec double-arrondis. / The Floating-Point (FP) implementation of a real-valued function is performed with correct rounding if the output is always equal to the rounding of the exact value, which has many advantages. But for implementing a function with correct rounding in a reliable and efficient manner, one has to solve the ``Table Maker's Dilemma'' (TMD). Two sophisticated algorithms (L and SLZ) have been designed to solve this problem, relying on some long and complex calculations that are performed by some heavily-optimized implementations. Hence the motivation to provide strong guarantees on these costly pre-computations. To this end, we use the Coq proof assistant. First, we develop a library of ``Rigorous Polynomial Approximation'', allowing one to compute an approximation polynomial and an interval that bounds the approximation error in Coq. This formalization is a key building block for verifying the first step of SLZ, as well as the implementation of a mathematical function in general (with or without correct rounding). Then we have implemented, formally verified and made effective 3 interrelated certificates checkers in Coq, whose correctness proof derives from Hensel's lemma that we have formalized for both univariate and bivariate cases. In particular, our ``ISValP verifier'' is a key component for formally verifying the results generated by SLZ. Then, we have focused on the mathematical proof of ``augmented-precision'' FP algorithms for the square root and the Euclidean 2D norm. We give some tight lower bounds on the minimum non-zero distance between sqrt(x²+y²) and a midpoint, allowing one to solve the TMD for this bivariate function. Finally, the ``double-rounding'' phenomenon can typically occur when several FP precision are available, and may change the behavior of some usual small FP algorithms. We have formally verified in Coq a set of results describing the behavior of the Fast2Sum algorithm with double-roundings.

Cette thèse comporte des résultats théoriques et pratiques sur deux métaheuristiques, la Recherche Dispersée et la Recherche Voisinage variable (RVV), ainsi que sur des Matheuristiques. Au niveau théorique, la contribution principale de cette thèse est la proposition d’un algorithme de recherche dispersée avec l’arrondi directionnel convergent pour les programmes en nombres entiers mixtes (0-1 MIP), avec une preuve de cette convergence en un nombre fini d’itérations. En se basant sur cet algorithme convergeant, deux implémentations et plusieurs heuristiques sont proposées et testées sur des instances de 0-1 MIP. Les versions testées reposent sur des implémentations non optimisées pour mettre en évidence la puissance des approches dans une forme simplifiée. Nos résultats démontrent l’efficacité de ces approches initiales, ce qui les rend attractives lorsque des solutions de très haute qualité sont recherchées avec un investissement approprié en termes d’effort de calcul. Cette thèse inclut également quelques nouvelles variantes de la métaheuristique Recherche Voisinage Variable telles qu’une recherche voisinage variable deux niveaux, une recherche voisinage variable imbriquée, une descente voisinage variable cyclique et une heuristique de plongée voisinage variable. En outre, plusieurs implémentations efficaces de ces algorithmes basés sur la recherche voisinage variable ont été appliquées avec succès à des problèmes NP-Difficiles apparaissant en transport, logistique, production d’énergie, ordonnancement, et segmentation. Les heuristiques proposées se sont avérées être les nouvelles heuristiques de référence sur tous les problèmes considérés. La dernière contribution de cette thèse repose sur la proposition de plusieurs matheuristiques pour résoudre le problème de Conception de Réseau Multi-flots avec Coût fixe (CRMC). Les performances de ces matheuristiques ont été évaluées sur un ensemble d’instances de référence du CRMC. Les résultats obtenus démontrent la compétitivité des approches proposées par rapport aux approches existantes de la littérature. / This thesis consists of results obtained studying Scatter Search, Variable Neighbourhood Search (VNS), and Matheuristics in both theoretical and practical context. Regarding theoretical results, one of the main contribution of this thesis is a convergent scatter search with directional rounding algorithm for 0-1 Mixed Integer Programs (MIP) with the proof of its finite convergence. Besides this, a convergent scatter search algorithm is accompanied by two variants of its implementation. Additionally, several scatter search based heuristics, stemming from a convergent scatter search algorithm have been proposed and tested on some instances of 0-1 MIP. The versions of the methods tested are first stage implementations to establish the power of the methods in a simplified form. Our findings demonstrate the efficacy of these first stage methods, which makes them attractive for use in situations where very high quality solutions are sought with an efficient investment of computational effort.This thesis also includes new variants of Variable Neighborhood Search metaheuristic such as a two-level variable neighborhood search, a nested variable neighborhood search, a cyclic variable neighborhood descent and a variable neighborhood diving. Additionally, several efficient implementation of those variable neighborhood search algorithms have been successfully applied for solving NP-Hard problems appearing in transportation, logistics, power generation, scheduling and clustering. On all tested problems, the proposed VNS heuristics turned out to be a new state-of-the art heuristics. The last contribution of this thesis consists of proposing several matheuristics for solving Fixed-Charge Multicommodity Network Design (MCND) problem. The performances of these matheuristics have been disclosed on benchmark instances for MCND. The obtained results demonstrate the competitiveness of the proposed matheuristics with other existing approaches in the literature.