Résumé
Gian-Carlo Rota est l'inventeur d'une nouvelle science : la combi-natoire algébrique qui n'était jusque-là qu'un ensemble de questions dispa-rates, dont la solution, parfois ingénieuse, ne ...laissait entrevoir la méthode. Il s'agit ici de décrire la stratégie mise en œuvre sous sa forme ma-thématique dont les enjeux philosophiques ne sont pas négligeables, en poursuivant le geste de Rota, pour sortir la combinatoire de son ghetto.
Nous nous intéressons dans cette thèse à la problématique de la décision collective. L’objectif est de déterminer une solution de compromis pour des problèmes soumis à de multiples points de vue. Les ...problèmes considérés sont de nature combinatoire. Plus précisément, il s’agit de la classe des systèmes d’ensembles qui ont une structure de matroïde. La théorie des matroïdes est centrale en optimisation combinatoire, elle a permis d’unifier des structures apparemment séparées comme les arbres et les couplages dans les graphes et elle a engendré des algorithmes efficaces pour résoudre des problèmes d’optimisation non triviaux en temps polynomial. Nous nous intéressons à fournir des algorithmes d’approximation polynomiaux centralisés et décentralisés avec garantie de performance pour déterminer une solution de compromis qui est une base du matroïde. La solution de compromis doit également être équitable pour tous les membres de la collectivité. Nous portons un intérêt particulier au problème de partage équitable de biens indivisibles qui est une thématique importante en choix social computationnel et dont le problème se modélise par les matroïdes.
In this thesis, we are interested in collective decision-making. The objective is to find a tradeoff solution for problems that are evaluated by multiple points of view. We consider problems having a matroid structure. Matroid theory is significant in combinatorial optimization, it helped to unify apparently separated structures like forests and matchings in graphs and it includes efficient algorithms for solving non-trivial optimization problems in polynomial time. We are interested to provide polynomial time centralized and decentralized approximation algorithms for finding a tradeoff solution which is a base of the matroid. The tradeoff solution must also be fair for all the members of the community. We are particularly interested in the issue of the fair division of indivisible goods which is central in computational social choice and that can be modeled by matroids.
Dans cette thèse, nous proposons une approche combinatoire novatrice fondée sur les matroïdes orientés pour l'étude quantitative de la forme de structures anatomiques 3D. Nous nous basons sur des ...points de repère qui ont été préalablement localisés par des experts sur la structure anatomique étudiée. La nouveauté de cette méthode provient de l'utilisation de matroïdes orientés. Ces outils mathématiques nous permettent de coder la position relative des points de repère de façon purement combinatoire, c'est-à-dire sans utiliser de notions d'angles ou de distances, en associant un signe (0, + ou -) à chaque sous-ensemble de (d+1) points de repère où d est la dimension de l'espace (dans notre cas 2 ou 3). Dans une première partie, nous supposons qu'il existe des contraintes d'ordres sur chaque axe de coordonnée pour les points de repère. Nous obtenons alors une caractérisation (en dimension 2 et 3) des sous-ensembles de points de repère dont le signe associé est constant, quelles que soient les valeurs des coordonnées satisfaisant les contraintes d'ordre. Dans une deuxième partie, nous cherchons à classifier un ensemble de modèles 3D, en les codant au préalable par ces listes de signes. Nous analysons d'abord comment s'appliquent les algorithmes de clustering classiques, puis nous décrivons comment caractériser des classes de façon directe, à l'aide des signes associés à quelques sous-ensembles de points de repère. Dans une troisième partie, nous détaillons les algorithmes et l'implémentation en machine de cette nouvelle méthode de morphométrie afin de pouvoir l'appliquer à des données réelles. Dans la dernière partie, nous appliquons la méthode sur trois bases de données composées chacune de plusieurs dizaines de points de repères relevés sur plusieurs dizaines à plusieurs centaines de structures crâniennes pour des applications en anatomie comparée, en orthodontie et sur des cas cliniques d'enfants présentant des déformations cranio-faciales.
In this thesis, we propose an innovative combinatorial method based on oriented matroids for the quantitative study of the shape of 3D anatomical structures. We rely on landmarks which were previously defined by experts on the studied anatomical structure. The novelty of this method results from the use of oriented matroids. These mathematical tools allow us to encode the relative position of landmarks in a purely combinatorial way, that is without using concepts of angles or distances, by associating a sign (0, + or -) for each subset of (d+1) landmarks where d is the dimension of space (in our case 2 or 3). In the first part, we assume that there exist constraints of orders on each coordinate axis for the landmarks. We obtain a characterization (in dimension 2 and 3) of the subsets of landmarks of which the associated sign is constant, regardless of the values of the coordinates satisfying the constraints of order. In a second part, we try to classify a set of 3D models, encoding in advance by these lists of signs. We first analyze how to apply classic clustering algorithms, and then describe how to characterize the classes directly, using signs associated with some subsets of landmarks. In the third part, we explain the algorithms and the implementation of this new morphometry method in order to apply it to real data. In the last part, we apply the method to three databases each consisting of several dozens of points defined on several dozens to several hundreds of cranial structures for applications in comparative anatomy, in orthodontics and on clinical cases of children with craniofacial deformities.
La théorie de la rigidité étudie l'unicité des réalisations des graphes, i.e., des charpentes. Initialement motivée par l'ingénierie des structures, la théorie de la rigidité trouve aujourd'hui des ...applications dans plusieurs domaines importants comme la prédiction de la flexibilité des protéines, la conception assistée par ordinateur, la localisation dans les réseaux des capteurs, etc. Cette thèse traite une grande variété de problèmes concernant différents types de rigidité, qui correspondent à différents niveaux d'unicité (locale/infinitésimale, globale et universelle) dans des modèles variés de charpentes. D'abord, nous développons des résultats sur la construction récursive et la décomposition des graphes avec des conditions mixtes de sparsité ainsi que des résultats sur le packing des arborescences avec des contraintes de matroïde. Ces résultats sont alors utilisés pour obtenir des caractérisations de la rigidité infinitésimale des charpentes avec des contraintes mixtes. Nous étudions aussi l'effet des opérations d'extension sur des charpentes et étendons un résultat connu sur la préservation de la rigidité globale d'$1$-extension dans les charpentes à direction et à longueur de la dimension deux aux dimensions supérieures. Pour la rigidité universelle, un sujet que l'on connait très peu, nous obtenons une caractérisation complète pour la classe des charpentes biparties complètes sur la ligne. Nous généralisons aussi une condition suffisante pour la rigidité universelle des charpentes en permettant des positions non générales.
The theory of rigidity studies the uniqueness of realizations of graphs, i.e., frameworks. Originally motivated by structural engineering, rigidity theory nowadays finds applications in many important problems such as predicting protein flexibility, Computer-Aided Design, sensor network localization, etc. The present thesis treats a wide range of problems concerning different kinds of rigidity, corresponding to different scopes of uniqueness (local/infinitesimal, global and universal), in various types of frameworks. First, we develop results in inductive construction and decomposition of graphs with mixed sparsity conditions as well as results on the packing of arborescences with matroidal constraints. These results are then used to obtain characterizations of infinitesimal rigidity in frameworks with mixed constraints. We also investigate the effect of extension operations on frameworks and extend a known result on the global rigidity preservation of $1$-extension on direction-length frameworks in dimension two to all dimensions. For universal rigidity, where little is known, we obtain a complete characterization for the class of complete bipartite frameworks on the line. We also generalize a sufficient condition for the universal rigidity of frameworks by allowing non-general positions.
