I describe an exact method for computing roots of a system of multivariate polynomials with rational coefficients, called the rational univariate reduction. This method enables performance of exact algebraic computation of coordinates of the roots of polynomials. In computational geometry, curves, surfaces and points are described as polynomials and their intersections. Thus, exact computation of the roots of polynomials allows the development and implementation of robust geometric algorithms. I describe applications in robust geometric modeling. In particular, I show a new method, called numerical perturbation scheme, that can be used successfully to detect and handle degenerate configurations appearing in boundary evaluation problems. I develop a derandomized version of the algorithm for computing the rational univariate reduction for a square system of multivariate polynomials and a new algorithm for a non-square system. I show how to perform exact computation over algebraic points obtained by the rational univariate reduction. I give a formal description of numerical perturbation scheme and its implementation.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第25443号 / 情博第881号 / 新制||情||148(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科通信情報システム専攻 / (主査)教授 湊 真一, 教授 大木 英司, 教授 山本 章博 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

The focus of this dissertation is the advancement of theory and computation related to exact precision mathematical programming. Optimization software based on floating-point arithmetic can return suboptimal or incorrect resulting because of round-off errors or the use of numerical tolerances. Exact or correct results are necessary for some applications. Implementing software entirely in rational arithmetic can be prohibitively slow. A viable alternative is the use of hybrid methods that use fast numerical computation to obtain approximate results that are then verified or corrected with safe or exact computation. We study fast methods for sparse exact rational linear algebra, which arises as a bottleneck when solving linear programming problems exactly. Output sensitive methods for exact linear algebra are studied. Finally, a new method for computing valid linear programming bounds is introduced and proven effective as a subroutine for solving mixed-integer linear programming problems exactly. Extensive computational results are presented for each topic.

Les décompositions en matrices triangulaires sont une brique de base fondamentale en calcul algébrique. Ils sont utilisés pour résoudre des systèmes linéaires et calculer le rang, le déterminant, l'espace nul ou les profiles de rang en ligne et en colonne d'une matrix. Le projet de cette thèse est de développer des implantations hautes performances parallèles de l'élimination de Gauss exact sur des machines à mémoire partagée.Dans le but d'abstraire le code de l'environnement de calcul parallèle utilisé, un langage dédié PALADIn (Parallel Algebraic Linear Algebra Dedicated Interface) a été implanté et est basé essentiellement sur des macros C/C++. Ce langage permet à l'utilisateur d'écrire un code C++ et tirer partie d’exécutions séquentielles et parallèles sur des architectures à mémoires partagées en utilisant le standard OpenMP et les environnements parallel KAAPI et TBB, ce qui lui permet de bénéficier d'un parallélisme de données et de taches.Plusieurs aspects de l'algèbre linéaire exacte parallèle ont été étudiés. Nous avons construit de façon incrémentale des noyaux parallèles efficaces pour les multiplication de matrice, la résolution de systèmes triangulaires au dessus duquel plusieurs variantes de l'algorithme de décomposition PLUQ sont construites. Nous étudions la parallélisation de ces noyaux en utilisant plusieurs variantes algorithmiques itératives ou récursives et en utilisant des stratégies de découpes variées.Nous proposons un nouvel algorithme récursive de l'élimination de Gauss qui peut calculer simultanément les profiles de rang en ligne et en colonne d'une matrice et de toutes ses sous-matrices principales, tout en étant un algorithme état de l'art de l'élimination de Gauss. Nous étudions aussi les conditions pour qu'un algorithme de l'élimination de Gauss révèle cette information en définissant un nouvel invariant matriciel, la matrice de profil de rang. / Triangular matrix decompositions are fundamental building blocks in computational linear algebra. They are used to solve linear systems, compute the rank, the determinant, the null-space or the row and column rank profiles of a matrix. The project of my PhD thesis is to develop high performance shared memory parallel implementations of exact Gaussian elimination.In order to abstract the computational code from the parallel programming environment, we developed a domain specific language, PALADIn: Parallel Algebraic Linear Algebra Dedicated Interface, that is based on C/C + + macros. This domain specific language allows the user to write C + + code and benefit from sequential and parallel executions on shared memory architectures using the standard OpenMP, TBB and Kaapi parallel runtime systems and thus providing data and task parallelism.Several aspects of parallel exact linear algebra were studied. We incrementally build efficient parallel kernels, for matrix multiplication, triangular system solving, on top of which several variants of PLUQ decomposition algorithm are built. We study the parallelization of these kernels using several algorithmic variants: either iterative or recursive and using different splitting strategies.We propose a recursive Gaussian elimination that can compute simultaneously therow and column rank profiles of a matrix as well as those of all of its leading submatrices, in the same time as state of the art Gaussian elimination algorithms. We also study the conditions making a Gaussian elimination algorithm reveal this information by defining a new matrix invariant, the rank profile matrix.

Dans le secteur électrique et chez EDF, l'optimisation mathématique est utilisée pour modéliser et résoudre des problèmes de gestion de la production d'électricité.Citons quelques applications : la modélisation des problèmes d'équilibre des marchés, la gestion des risques d'épuisement des barrages, la programmation des arrêts de tranches nucléaires.Plus particulièrement l'hydroélectricté est une énergie renouvelable, peu chère, flexible mais limitée.Exploiter l'hydraulique constitue donc un enjeu important.Nous nous intéressons à des problèmes d'optimisation de Programmation Non Linéaire en Nombres Entiers (PNLNE) dont les variables de décision sont continues ou discrètes et dont les fonctions exprimant l'objectif et les contraintes sont linéaires ou non.Les non-linéarités et la combinatoire induite par les variables entières rendent les PNLNE difficiles à résoudre.En effet les méthodes existantes n'arrivent pas toujours à résoudre les grands PNLNE à l'optimalité avec des temps de calcul limités.En amont des performances de résolution, la faisabilité est une question préliminaire à aborder puisqu'il faut s'assurer que les PNLNE à résoudre admettent des solutions.Lorsqu'il y a des infaisabilités dans des modèles complexes, il est très utile mais très difficile de les analyser.Par ailleurs la résolution de PNLNE est plus difficile si l'on requiert une certification de la précision exacte des résultats.En effet les méthodes résolutions sont en général mises en oeuvre en arithmétique flottante, ce qui peut donner lieu à une précision approchée.Nous abordons deux problèmes d'optimisation liés à la planification de la production hydraulique, Hydro Unit-Commitment (HUC) en Anglais.Etant données des ressources d'eau finies dans les barrages l'objet du HUC est de prescrire des programmes de production les plus rentables qui soient compatibles avec les spécifications techniques des usines hydrauliques.Le volume, le débit et la puissance sont représentés par des variables continues tandis que l'activation des turbines est communément formulée avec des variables binaires.Les non-linéarités proviennent en général des fonctions qui expriment la puissance générée en fonction du volume et du débit.Nous distinguons deux problèmes : un PLNE avec des caractéristiques linéaires et discrètes et un PNL avec des caractéristiques non linéaires et continues.Dans le 2ème chapitre, nous traitons de la faisabilité d'un HUC réel en PLNE.Comparé à un HUC standard le modèle inclut deux spécifications supplémentaires : des points de fonctionnements discrets sur la courbe puissance-débit ainsi que des niveaux cibles pour le volume des réservoirs.Les complications liées aux données réelles et au calcul numérique, associées aux spécifications du modèle rendent notre problème difficile à résoudre et souvent infaisable.Nous procédons par étape pour identifier et traiter les sources d'infaisabilité, à savoir les erreurs numériques et les infaisabilités de modélisation, pour rendre le problème faisable.Des résultats numériques étayent l'efficacité de notre méthode sur un ensemble de test de 66 instances réelles qui contient de nombreuses infaisabilités.Le 3ème chapitre porte sur l'adaptation de l'algorithme Multiplicative Weights Update (MWU) à la PNLNE.Cette adaptation est fondée sur une reformulation paramétrée spécifique dénommée pointwise.Nous définissons des propriétés souhaitables pour obtenir de bonnes reformulations pointwise et nous fournissons des règles pour adapter l'algorithme étape par étape.Nous démontrons que notre matheuristique du MWU conserve une garantie d'approximation relative contrairement à la plupart des heuristiques.Le MWU est comparée à la méthode Multi-Start pour résoudre un HUC en PNL et les résultats numériques penchent en faveur du MWU. / In the electricity industry, and more specifically at the French utility company EDF, mathematical optimization is used to model and solve problems related to electricity production management.To name a few applications: planning for capacity investments, managing depletion risks of hydro-reservoirs, scheduling outages and refueling for nuclear plants.More specifically, hydroelectricity is a renewable, cheap, flexible but limited source of energy.Harnessing hydroelectricity is thus critical for electricity production management.We are interested in Mixed-Integer Non-Linear Programming (MINLP) optimization problems.They are optimization problems whose decision variables can be continuous or discrete and the functions to express the objective and constraints can be linear or non-linear.The non-linearities and the combinatorial aspect induced by the integer variables make these problems particularly difficult to solve.Indeed existing methods cannot always solve large MINLP problems to the optimum within limited computational timeframes.Prior to solution performance, feasibility is preliminary challenge to tackle since we want to ensure the MINLP problems to solve admit feasible solutions.When infeasibilities occur in complex models, it is useful but not trivial to analyze their causes.Also, certifying the exactness of the results compounds the difficulty of solving MINLP problems as solution methods are generally implemented in floating-point arithmetic, which may lead to approximate precision.In this thesis, we work on two optimization problems - a Mixed-Integer Linear Program (MILP) and a Non-Linear Program (NLP) - related to Short-Term Hydropower production Scheduling (STHS).Given finite resources of water in reservoirs, the purpose of STHS is to prescribe production schedules with largest payoffs that are compatible with technical specifications of the hydroelectric plants.While water volumes, water flows, and electric powers can be represented with continuous variables, commitment statuses of turbine units usually have to be formulated with binary variables.Non-linearities commonly originate from the Input/Output functions that model generated power according to water volume and water flow.We decide to focus on two distinguished problems: a MILP with linear discrete features and a NLP with non-linear continuous features.In the second chapter, we deal with feasibility issues of a real-world MILP STHS.Compared with a standard STHS problem, the model features two additional specifications:discrete operational points of the power-flow curve and mid-horizon and final strict targets for reservoir levels.Issues affecting real-world data and numerical computing, together with specific model features, make our problem harder to solve and often infeasible.Given real-world instances, we reformulate the model to make the problem feasible.We follow a step-by-step approach to exhibit and cope with one source of infeasility at a time, namely numerical errors and model infeasibilities.Computational results show the effectiveness of the approach on an original test set of 66 real-world instances that demonstrated a high occurrence of infeasibilities.The third chapter is about the transposition of the Multiplicative Weights Update algorithm to the (nonconvex) nonlinear and mixed integer nonlinear programming setting, based on a particular parametrized reformulation of the problem - denoted pointwise.We define desirable properties for deriving pointwise reformulation and provide generic guidelines to transpose the algorithm step-by-step.Unlike most metaheuristics, we show that our MWU metaheuristic still retains a relative approximation guarantee in the NLP and MINLP settings.We benchmark it computationally to solve a hard NLP STHS.We find it compares favorably to the well-known Multi-Start method, which, on the other hand, offers no approximation guarantee.