Dans cette thèse nous étudions le groupe quantique d’automorphismes des graphes finis, introduit par Banica et Bichon. Dans un premier temps nous montrerons un théorème de structure du groupe quantique d’automorphismes du produit lexicographique de deux graphes finis réguliers, qui généralise un résultat classique de Sabidussi. Ce théorème donne une condition nécessaire et suffisante pour que ce groupe quantique s’exprime comme le produit en couronne libre des groupes quantiques d’automorphismes de ces deux graphes. Dans un deuxième temps, nous expliciterons certaines améliorations de résultats de Banica, Bichon et Chenevier permettant d’obtenir des critères de non symétrie quantique sur les graphes, à l’aide des outils développés par les auteurs susmentionnés.Enfin, pour poursuivre ces recherches, nous développerons une autre méthode utilisant la dualité de Tannaka-Krein et inspirée de l’étude des groupes quantiques compacts orthogonaux par Banica et Speicher. Celle-ci nous permettra, à l’aide d’une étude orbitale approfondie des graphes sommets-transitifs, d’énoncer une condition suffisante pour qu’un graphe ait des symétries quantiques ; condition qui a vocation à être aussi nécessaire mais ceci reste une conjecture à ce stade. / In this thesis we study the quantum automorphism group of finite graphs, introduces by Banica and Bichon. First we will prove a theorem about the structure of the quantum automorphism group of the lexicographic product of two finite regular graphs. It is a quantum generalization of a classical result of Sabidussi. This theorem gives a necessary and sufficient condition for this quantum group to be discribe as the free wreath product of the quantum automorphism groups of these two graphs. Then, we will give some improvement of Banica, Bichon and Chenevier results, to obtain a quantum non-symmetry criteria on graphs, using tools developped by the above authors. Finally, to continue this research, we will describe another method using Tannaka-Krein duality and inspired by the study of orthogonal compact groups by Banica and Speicher. This will enable us, with a thorough orbital study of vertex-transitive graphs, to state a sufficient condition for a graph to have quantum symmetries ; condition which is intended to be also necessary but this remains conjecture at this point.

Le problème de placement sur deux dimensions consiste à décider s’il existe un rangement d’objets rectangulaires dans une boîte donnée. C’est un problème combinatoire difficile (à la complexité du respect des capacités s’ajoute celle du positionnement des objets).Dans cette thèse, nous considérons les variantes sans rotation des objets et avec ou sansoptimisation de la valeur des objects placés.Nous menons une étude exploratoire des méthodologies qui peuvent être développéesà l’interface de la programmation mathématique, de l’optimisation combinatoire et de lathéorie des graphes. Notre objectif est aussi de développer des approches non basées surune discrétisation de la boîte, les plus performantes à l’heure actuelle.Dans ce mémoire, nous effectuons d’abord une étude théorique des qualités de bornesqui peuvent être obtenues avec les différentes formulations classiques. Au cours de cetteétude, nous renforçons certaines de ces formulations et en proposons de nouvelles formulations. Une étude qualitative des bornes issues de la relaxation linéaire des formulationstestés sur des jeux d’instances classiques de la littérature confirme l’étude théorique. Cetteétude permet de se rendre compte des facteurs déterminant la qualité des bornes et desenjeux à relever par la programmation mathématique.Par la suite, nous avons développé et testé deux approches de résolution innovantes.L’une est basée sur la décomposition de Dantzig-Wolfe associée à un branchement surles contraintes disjonctives de non recouvrement des objets. Cette approche a permis uneamélioration des résultats obtenus par la programmation mathématique.L’autre approche constitue en une approche combinatoire basée sur diverses caractérisations des graphes d’intervalles (modélisant le chevauchement des objets selon leurprojection sur chaque axe). Un premier algorithme est basé sur l’énumération de matricesde uns-consécutifs. Un autre utilise des arbres étiquetés pour éliminer plus efficacement lescas de symétries entre placements. Ces approches ont l’avantage de ne pas dépendre d’unediscrétisation du conteneur / The two dimensional orthogonal packing problem consists in deciding whether thereexists a packing of rectangular items in a given bin. This is a hard combinatorial problem(in addition to capacity constraints, one has to face the complexity of item positionning).In this thesis, we consider the case without item rotation and with or without packingvalue optimization.We explore methodologies at the interface of mathematical programming, combinatorial optimization and graph theory. Our aim is also to develop approaches not based on abin discretization (i.e. an alternative to such methods that are currently the most effective).In this work, we perform a theorical study of the quality of bounds of differents classicalformulations. We tighten some formulations and we propose new formulations. We perform a numerical study to test bound quality on classical instances. This study permits toidentify the determinant factor in the quality of mathematical programming formulations.We develop and test two resolution approaches. The first is based on Dantzig-Wolfedecomposition associated with a branching on no-overlapping disjunctive constraints. Thisapproach permits to improve results obtained by mathematical programming.The second approach establish a combinatorial approach based on multiple intervalgraph caracterization (modelling the item no-overlapping according to their projection oneach axis). The first algorithm is based on consecutive ones matrices enumeration. An otheruse labelled tree to eliminate more efficiently symmetry in packing. These approaches haveto advantage of being independent from bin discretization

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work we present a proposal to improve Genetic Algorithm method by coupling it to the techniques of discretization of the configurational space via the multi-grid methodology, and by employing a topological selection of the offsprings via graph theory. The best performance for clusters of 13 and 19 aluminum atoms shows that the multi-grid tecniques can increase the efficiency of the genetic algorithm, mainly when a more extensive search is performed in an initially sparse grid of points. We also show that a greater improvement in the efficiency of the genetic algorithm can be obtained when we select the offsprings of the sucessive generations in order to be topologically distinct from each other. / Neste trabalho apresentamos uma proposta de melhoria do método do Algoritmo Genético (AG) em que se acopla a este método as técnicas de discretização do espaço configuracional via métodos de multi-grid e emprega-se uma seleção topológica dos indivíduos que compõem a população via métodos extraídos da teoria dos grafos. Testes realizados para os aglomerados de alumínio de 13 e 19 átomos mostram que as técnicas de multi-grid podem aumentar a eficiência do AG, principalmente quando emprega-se esquemas de discretização em que se realiza uma busca mais refinada nos estágios iniciais do processo de busca, em que a malha (grid) de pontos no espaço configuracional é mais esparso. Nosso estudo também mostrou que um ganho ainda mais significativo de eficiência do AG é obtido quando selecionamos as configurações das seguidas gerações de indivíduos, de modo a que sejam topologicamente distintas uma das outras.

We present new approaches to define and analyze geometric graphs. <p><p>The region-counting distances, introduced by Demaine, Iacono and Langerman, associate to any pair of points (p,q) the number of items of a dataset S contained in a region R(p,q) surrounding (p,q). We define region-counting disks and circles, and study the complexity of these objects. Algorithms to compute epsilon-approximations of region-counting distances and approximations of region-counting circles are presented.<p><p>We propose a definition of the locality for properties of geometric graphs. We measure the local density of graphs using the region-counting distances between pairs of vertices, and we use this density to define local properties of classes of graphs.<p>We illustrate the locality by introducing the local diameter of geometric graphs: we define it as the upper bound on the size of the shortest path between any pair of vertices, expressed as a function of the density of the graph around those vertices. We determine the local diameter of several well-studied graphs such as the Theta-graph, the Ordered Theta-graph and the Skip List Spanner. We also show that various operations, such as path and point queries using geometric graphs as data structures, have complexities which can be expressed as local properties.<p><p>A family of proximity graphs, called Empty Region Graphs (ERG) is presented. The vertices of an ERG are points in the plane, and two points are connected if their neighborhood, defined by a region, does not contain any other point. The region defining the neighborhood of two points is a parameter of the graph. This family of graphs includes several known proximity graphs such as Nearest Neighbor Graphs, Beta-Skeletons or Theta-Graphs. We concentrate on ERGs that are invariant under translations, rotations and uniform scaling of the vertices. We give conditions on the region defining an ERG to ensure a number of properties that might be desirable in applications, such as planarity, connectivity, triangle-freeness, cycle-freeness, bipartiteness and bounded degree. These conditions take the form of what we call tight regions: maximal or minimal regions that a region must contain or be contained in to make the graph satisfy a given property. We show that every monotone property has at least one corresponding tight region; we discuss possibilities and limitations of this general model for constructing a graph from a point set.<p><p>We introduce and analyze sigma-local graphs, based on a definition of locality by Erickson, to illustrate efficient construction algorithm on a subclass of ERGs. / Doctorat en sciences, Spécialisation Informatique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The diploma thesis deals with the mathematical environments Mazes and Cycle Paths. The first part is concerned with the definition of two opposite educational styles, transmissive and constructivistic. Within the constructivistic educational style it is also focused on schema-oriented education and on defining its principles for teaching mathematics by Hejný's method. It also introduces a new term genetic constructivism - its author proves that Hejný's mathematics and its didactic environments are embedded in ancient history. This diploma thesis gives an answer to the question of why the environments Mazes and Cycle Paths belong to the teaching of mathematics, and therefore, on what mathematical basis it stands. It is for this reason that it provides insight into the fundamentals of graph theory. It is focused on the historical aspect of terms maze and cycle path and charts exercises in Hejný's textbooks of mathematics from environments Mazes and Cycle Paths. The aim of research is to expand the collection of exercises from these two environments, to chart pupils' solving strategies and identify effective teaching methods in accordance with the schema-oriented education, which has been studied in seven experiments. The last part of this diploma thesis presents a didactic game, which is focused on...

Les algorithmes distribués de consensus sont des algorithmes itératifs de faible complexité où les nœuds de capteurs voisins interagissent les uns avec les autres pour parvenir à un accord commun sans unité coordinatrice. Comme les nœuds dans un réseau de capteurs sans fil ont une puissance de calcul et une batterie limitées, ces algorithmes distribués doivent parvenir à un consensus en peu de temps et avec peu d’échange de messages. La première partie de cette thèse s’est basée sur l’étude et la comparaison des différents algorithmes de consensus en mode synchrone et asynchrone en termes de vitesse de convergence et taux de communications. La seconde partie de nos travaux concerne l’application de ces algorithmes de consensus au problème de la détection de trous de couverture dans les réseaux de capteurs sans fil.Ce problème de couverture fournit aussi le contexte de la suite de nos travaux. Il se décrit comme étant la façon dont une région d’intérêt est surveillée par des capteurs. Différentes approches géométriques ont été proposées mais elles sont limitées par la nécessité de connaitre exactement la position des capteurs ; or cette information peut ne pas être disponible si les dispositifs de localisation comme par exemple le GPS ne sont pas sur les capteurs. À partir de l’outil mathématique appelé topologie algébrique, nous avons développé un algorithme distribué de détection de trous de couverture qui recherche une fonction harmonique d’un réseau, c’est-à-dire annulant l’opérateur du Laplacien de dimension 1. Cette fonction harmonique est reliée au groupe d’homologie H1 qui recense les trous de couverture. Une fois une fonction harmonique obtenue, la détection des trous se réalise par une simple marche aléatoire dans le réseau. / Distributed consensus algorithms are iterative algorithms of low complexity where neighboring sensors interact with each other to reach an agreement without coordinating unit. As the nodes in a wireless sensor network have limited computing power and limited battery, these distributed algorithms must reach a consensus in a short time and with little message exchange. The first part of this thesis is based on the study and comparison of different consensus algorithms synchronously and asynchronously in terms of convergence speed and communication rates. The second part of our work concerns the application of these consensus algorithms to the problem of detecting coverage holes in wireless sensor networks.This coverage problem also provides the context for the continuation of our work. This problem is described as how a region of interest is monitored by sensors. Different geometrical approaches have been proposed but are limited by the need to know exactly the position of the sensors; but this information may not be available if the locating devices such as GPS are not on the sensors. From the mathematical tool called algebraic topology, we have developed a distributed algorithm of coverage hole detection searching a harmonic function of a network, that is to say canceling the operator of the 1-dimensional Laplacian. This harmonic function is connected to the homology group H1 which identifies the coverage holes. Once a harmonic function obtained, detection of the holes is realized by a simple random walk in the network.

La neuroimagerie est confrontée à des difficultés pour analyser et réutiliser la masse croissante de données hétérogènes qu’elle produit. La provenance des données est complexe – multi-sujets, multi-analyses, multi-temporalités – et ces données ne sont stockées que partiellement, limitant les possibilités d’études multimodales et longitudinales. En particulier, la connectivité fonctionnelle cérébrale est analysée pour comprendre comment les différentes zones du cerveau travaillent ensemble. Il est nécessaire de gérer les données acquises et traitées suivant plusieurs dimensions, telles que le temps d’acquisition, le temps entre les acquisitions ou encore les sujets et leurs caractéristiques. Cette thèse a pour objectif de permettre l’exploration de relations complexes entre données hétérogènes, ce qui se décline selon deux axes : (1) comment gérer les données et leur provenance, (2) comment visualiser les structures de données multidimensionnelles. L’apport de nos travaux s’articule autour de trois propositions qui sont présentées à l’issue d’un état de l’art sur les domaines de la gestion de données hétérogènes et de la visualisation de graphes. Le modèle de données BMI-LM (Bio-Medical Imaging – Lifecycle Management) structure la gestion des données de neuroimagerie en fonction des étapes d’une étude et prend en compte le caractère évolutif de la recherche grâce à l’association de classes spécifiques à des objets génériques. L’implémentation de ce modèle au sein d’un système PLM (Product Lifecycle Management) montre que les concepts développés depuis vingt ans par l’industrie manufacturière peuvent être réutilisés pour la gestion des données en neuroimagerie. Les GMD (Graphes Multidimensionnels Dynamiques) sont introduits pour représenter des relations complexes entre données qui évoluent suivant plusieurs dimensions, et le format JGEX (Json Graph EXchange) a été créé pour permettre le stockage et l’échange de GMD entre applications. La méthode OCL (Overview Constraint Layout) permet l’exploration visuelle et interactive de GMD. Elle repose sur la préservation partielle de la carte mentale de l’utilisateur et l’alternance de vues complètes et réduites des données. La méthode OCL est appliquée à l’étude de la connectivité fonctionnelle cérébrale au repos de 231 sujets représentées sous forme de GMD – les zones du cerveau sont représentées par les nœuds et les mesures de connectivité par les arêtes – en fonction de l’âge, du genre et de la latéralité : les GMD sont obtenus par l’application de chaînes de traitement sur des acquisitions IRM dans le système PLM. Les résultats montrent deux intérêts principaux à l’utilisation de la méthode OCL : (1) l’identification des tendances globales sur une ou plusieurs dimensions et (2) la mise en exergue des changements locaux entre états du GMD. / Neuroimaging domain is confronted with issues in analyzing and reusing the growing amount of heterogeneous data produced. Data provenance is complex – multi-subjects, multi-methods, multi-temporalities – and the data are only partially stored, restricting multimodal and longitudinal studies. Especially, functional brain connectivity is studied to understand how areas of the brain work together. Raw and derived imaging data must be properly managed according to several dimensions, such as acquisition time, time between two acquisitions or subjects and their characteristics. The objective of the thesis is to allow exploration of complex relationships between heterogeneous data, which is resolved in two parts : (1) how to manage data and provenance, (2) how to visualize structures of multidimensional data. The contribution follow a logical sequence of three propositions which are presented after a research survey in heterogeneous data management and graph visualization. The BMI-LM (Bio-Medical Imaging – Lifecycle Management) data model organizes the management of neuroimaging data according to the phases of a study and takes into account the scalability of research thanks to specific classes associated to generic objects. The application of this model into a PLM (Product Lifecycle Management) system shows that concepts developed twenty years ago for manufacturing industry can be reused to manage neuroimaging data. GMDs (Dynamic Multidimensional Graphs) are introduced to represent complex dynamic relationships of data, as well as JGEX (Json Graph EXchange) format that was created to store and exchange GMDs between software applications. OCL (Overview Constraint Layout) method allows interactive and visual exploration of GMDs. It is based on user’s mental map preservation and alternating of complete and reduced views of data. OCL method is applied to the study of functional brain connectivity at rest of 231 subjects that are represented by a GMD – the areas of the brain are the nodes and connectivity measures the edges – according to age, gender and laterality : GMDs are computed through processing workflow on MRI acquisitions into the PLM system. Results show two main benefits of using OCL method : (1) identification of global trends on one or many dimensions, and (2) highlights of local changes between GMD states.

Les historiens et archéologues ont efficacement mis à profit les travaux réalisés dans le domaine des SIG pour répondre à leurs propres problématiques. Pour l'historien, un Système d’Information Géographique est avant tout un outil de compréhension des phénomènes sociaux.De nombreuses sources géohistoriques sont aujourd'hui mises à la disposition des chercheurs: plans anciens, bottins, etc. Le croisement de ces sources d'informations diverses et hétérogènes soulève de nombreuses questions autour des dynamiques urbaines.Mais les données géohistoriques sont par nature imparfaites, et pour pouvoir être exploitées, elles doivent être spatialisées et qualifiées.L'objectif de cette thèse est d'apporter une solution à ce verrou par la production de données anciennes de référence. En nous focalisant sur le réseau des rues de Paris entre la fin du XVIIIe et la fin du XIXe siècles, nous proposons plus précisément un modèle multi-représentations de données agrégées permettant, par confrontation d'observations homologues dans le temps, de créer de nouvelles connaissances sur les imperfections des données utilisées et de les corriger. Nous terminons par tester le rôle de référentiel géohistorique des données précédemment qualifiées et enrichies en spatialisant et intégrant dans le modèle de nouvelles données géohistoriques de types variés (sociales et spatiales), en proposant de nouvelles approches d'appariement et de géocodage / The increasing availability of geohistorical data, particularly through the development of collaborative projects is a first step towards the design of a representation of space and its changes over time in order to study its evolution, whether social, administrative or topographical.Geohistorical data extracted from various and heterogeneous sources are highly inaccurate, uncertain or inexact according to the existing terminology. Before being processed, such data should be qualified and spatialized.In this thesis, we propose a solution to this issue by producing reference data. In particular, we focus on Paris historical street networks and its evolution between the end of the XVIIIth and the end of the XIXth centuries.Our proposal is based on a merged structure of multiple representations of data capable of modelling spatial networks at different times, providing tools such as pattern detection in order to criticize, qualify and eventually correct data and sources without using ground truth data but the comparison of data with each other through the merging process.Then, we use the produced reference data to spatialize and integrate other geohistorical data such as social data, by proposing new approaches of data matching and geocoding

This dissertation introduces a new approach for assessing the effects of pediatric epilepsy on the language connectome. Two novel data-driven network construction approaches are presented. These methods rely on connecting different brain regions using either extent or intensity of language related activations as identified by independent component analysis of fMRI data. An auditory description decision task (ADDT) paradigm was used to activate the language network for 29 patients and 30 controls recruited from three major pediatric hospitals. Empirical evaluations illustrated that pediatric epilepsy can cause, or is associated with, a network efficiency reduction. Patients showed a propensity to inefficiently employ the whole brain network to perform the ADDT language task; on the contrary, controls seemed to efficiently use smaller segregated network components to achieve the same task. To explain the causes of the decreased efficiency, graph theoretical analysis was carried out. The analysis revealed no substantial global network feature differences between the patient and control groups. It also showed that for both subject groups the language network exhibited small-world characteristics; however, the patient’s extent of activation network showed a tendency towards more random networks. It was also shown that the intensity of activation network displayed ipsilateral hub reorganization on the local level. The left hemispheric hubs displayed greater centrality values for patients, whereas the right hemispheric hubs displayed greater centrality values for controls. This hub hemispheric disparity was not correlated with a right atypical language laterality found in six patients. Finally it was shown that a multi-level unsupervised clustering scheme based on self-organizing maps, a type of artificial neural network, and k-means was able to fairly and blindly separate the subjects into their respective patient or control groups. The clustering was initiated using the local nodal centrality measurements only. Compared to the extent of activation network, the intensity of activation network clustering demonstrated better precision. This outcome supports the assertion that the local centrality differences presented by the intensity of activation network can be associated with focal epilepsy.

De nombreuses applications informatiques nécessitent de résoudre des problèmes de décision qui sont difficiles d’un point de vue mathématique. La programmation par contraintes permet de modéliser et résoudre certains de ces problèmes, parfois définis sur des graphes. Au delà des difficultés intrinsèques aux problèmes étudiés, la taille des instances à traiter contribue à la difficulté de la résolution. Cette thèse traite de l’utilisation des graphes en programmation par contraintes, dans le but d’en améliorer la capacité de passage à l’échelle. Une première partie porte sur l’utilisation de contraintes pour résoudre des problèmes de graphes impliquant la recherche d’arbres, de chemins et de cycles Hamiltoniens. Ce sont des problèmes importants que l’on retrouve dans de nombreuses applications industrielles. Nous étudions à la fois le filtrage et les stratégies d’exploration de l’espace de recherche. Nous chercherons ensuite à nous extraire progressivement des problèmes classiquement définis sur les graphes pour exploiter ce concept sur des problèmes définis sur les entiers, voire les réels. Une seconde partie porte ainsi sur l’utilisation des graphes pour le filtrage de contraintes globales très répandues. Nous proposerons entre autres d’utiliser des graphes comme support pour décomposer dynamiquement des algorithmes de filtrage, de manière générique. Le fil conducteur de ces travaux sera d’une part l’utilisation du concept de graphe à la base de chaque raisonnement et d’autre part, la volonté pratique d’augmenter la taille des problèmes pouvant être traités en programmation par contraintes. / Many IT applications require to solve decision problems which are hard from a mathematical point of view. Constraint-programming enables to model and solve some of these problems. Among them, some are defined over graphs. Beyond the difficulty stemming from each of these problems, the size of the instance to solve increases the difficulty of the task. This PhD thesis is about the use of graphs within constraint programming, in order to improve its scalability. First, we study the use of constraint-programming to solve some graph problems involving the computation of trees and Hamiltonian paths and cycles. These problems are important and can be found in many industrial applications. Both filtering and search are investigated. Next, we move on problems which are no longer defined in terms of graph properties. We then study the use of graphs to propagate global constraints. In particular, we suggest a generic schema, relying ona graph structure, to dynamically decompose filtering algorithms. The central theme in this work is the use of graph concepts at the origin of every reasoning and the practical will to increase the size of problems that can be addressed in constraint-programming.