An augmented Lanczos algorithm for the efficient computation of a dot-product of a function of a large sparse symmetric matrix

The Lanczos algorithm is appreciated in many situations due to its speed. and economy of storage. However, the advantage that the Lanczos basis vectors need not be kept is lost when the algorithm is used to compute the action of a matrix function on a vector. Either the basis vectors need to be kept, or the Lanczos process needs to be applied twice. In this study we describe an augmented Lanczos algorithm to compute a dot product relative to a function of a large sparse symmetric matrix, without keeping the basis vectors.

A logical foundation for session-based concurrent computation

Linear logic has long been heralded for its potential of providing a logical basis for concurrency. While over the years many research attempts were made in this regard, a Curry-Howard correspondence between linear logic and concurrent computation was only found recently, bridging the proof theory of linear logic and session-typed process calculus. Building upon this work, we have developed a theory of intuitionistic linear logic as a logical foundation for session-based concurrent computation, exploring several concurrency related phenomena such as value-dependent session types and polymorphic sessions within our logical framework in an arguably clean and elegant way, establishing with relative ease strong typing guarantees due to the logical basis, which ensure the fundamental properties of type preservation and global progress, entailing the absence of deadlocks in communication. We develop a general purpose concurrent programming language based on the logical interpretation, combining functional programming with a concurrent, session-based process layer through the form of a contextual monad, preserving our strong typing guarantees of type preservation and deadlock-freedom in the presence of general recursion and higher-order process communication. We introduce a notion of linear logical relations for session typed concurrent processes, developing an arguably uniform technique for reasoning about sophisticated properties of session-based concurrent computation such as termination or equivalence based on our logical approach, further supporting our goal of establishing intuitionistic linear logic as a logical foundation for sessionbased concurrency.

Quantum field theory approach to the optical conductivity of strained and deformed graphene

The computation of the optical conductivity of strained and deformed graphene is discussed within the framework of quantum field theory in curved spaces. The analytical solutions of the Dirac equation in an arbitrary static background geometry for one dimensional periodic deformations are computed, together with the corresponding Dirac propagator. Analytical expressions are given for the optical conductivity of strained and deformed graphene associated with both intra and interbrand transitions. The special case of small deformations is discussed and the result compared to the prediction of the tight-binding model.

Optimism and commitment: An elementary theory of bargaining and war

We propose an elementary theory of wars fought by fully rational contenders. Two parties play a Markov game that combines stages of bargaining with stages where one side has the ability to impose surrender on the other. Under uncertainty and incomplete information, in the unique equilibrium of the game, long confrontations occur: war arises when reality disappoints initial (rational) optimism, and it persist longer when both agents are optimists but reality proves both wrong. Bargaining proposals that are rejected initially might eventually be accepted after several periods of confrontation. We provide an explicit computation of the equilibrium, evaluating the probability of war, and its expected losses as a function of i) the costs of confrontation, ii) the asymmetry of the split imposed under surrender, and iii) the strengths of contenders at attack and defense. Changes in these parameters display non-monotonic effects.

On optimal computation of MPLS label binding for multipoint-to-point connections

Most network operators have considered reducing Label Switched Routers (LSR) label spaces (i.e. the number of labels that can be used) as a means of simplifying management of underlaying Virtual Private Networks (VPNs) and, hence, reducing operational expenditure (OPEX). This letter discusses the problem of reducing the label spaces in Multiprotocol Label Switched (MPLS) networks using label merging - better known as MultiPoint-to-Point (MP2P) connections. Because of its origins in IP, MP2P connections have been considered to have tree- shapes with Label Switched Paths (LSP) as branches. Due to this fact, previous works by many authors affirm that the problem of minimizing the label space using MP2P in MPLS - the Merging Problem - cannot be solved optimally with a polynomial algorithm (NP-complete), since it involves a hard- decision problem. However, in this letter, the Merging Problem is analyzed, from the perspective of MPLS, and it is deduced that tree-shapes in MP2P connections are irrelevant. By overriding this tree-shape consideration, it is possible to perform label merging in polynomial time. Based on how MPLS signaling works, this letter proposes an algorithm to compute the minimum number of labels using label merging: the Full Label Merging algorithm. As conclusion, we reclassify the Merging Problem as Polynomial-solvable, instead of NP-complete. In addition, simulation experiments confirm that without the tree-branch selection problem, more labels can be reduced

Transmission delays in residual computation

The design of control, estimation or diagnosis algorithms most often assumes that all available process variables represent the system state at the same instant of time. However, this is never true in current network systems, because of the unknown deterministic or stochastic transmission delays introduced by the communication network. During the diagnosing stage, this will often generate false alarms. Under nominal operation, the different transmission delays associated with the variables that appear in the computation form produce discrepancies of the residuals from zero. A technique aiming at the minimisation of the resulting false alarms rate, that is based on the explicit modelling of communication delays and on their best-case estimation is proposed

On codes, matroids, and secure multiparty computation from linear secret-sharing schemes

Error-correcting codes and matroids have been widely used in the study of ordinary secret sharing schemes. In this paper, the connections between codes, matroids, and a special class of secret sharing schemes, namely, multiplicative linear secret sharing schemes (LSSSs), are studied. Such schemes are known to enable multiparty computation protocols secure against general (nonthreshold) adversaries.Two open problems related to the complexity of multiplicative LSSSs are considered in this paper. The first one deals with strongly multiplicative LSSSs. As opposed to the case of multiplicative LSSSs, it is not known whether there is an efficient method to transform an LSSS into a strongly multiplicative LSSS for the same access structure with a polynomial increase of the complexity. A property of strongly multiplicative LSSSs that could be useful in solving this problem is proved. Namely, using a suitable generalization of the well-known Berlekamp–Welch decoder, it is shown that all strongly multiplicative LSSSs enable efficient reconstruction of a shared secret in the presence of malicious faults. The second one is to characterize the access structures of ideal multiplicative LSSSs. Specifically, the considered open problem is to determine whether all self-dual vector space access structures are in this situation. By the aforementioned connection, this in fact constitutes an open problem about matroid theory, since it can be restated in terms of representability of identically self-dual matroids by self-dual codes. A new concept is introduced, the flat-partition, that provides a useful classification of identically self-dual matroids. Uniform identically self-dual matroids, which are known to be representable by self-dual codes, form one of the classes. It is proved that this property also holds for the family of matroids that, in a natural way, is the next class in the above classification: the identically self-dual bipartite matroids.

The genetical theory of social behaviour.

We survey the population genetic basis of social evolution, using a logically consistent set of arguments to cover a wide range of biological scenarios. We start by reconsidering Hamilton's (Hamilton 1964 J. Theoret. Biol. 7, 1-16 (doi:10.1016/0022-5193(64)90038-4)) results for selection on a social trait under the assumptions of additive gene action, weak selection and constant environment and demography. This yields a prediction for the direction of allele frequency change in terms of phenotypic costs and benefits and genealogical concepts of relatedness, which holds for any frequency of the trait in the population, and provides the foundation for further developments and extensions. We then allow for any type of gene interaction within and between individuals, strong selection and fluctuating environments and demography, which may depend on the evolving trait itself. We reach three conclusions pertaining to selection on social behaviours under broad conditions. (i) Selection can be understood by focusing on a one-generation change in mean allele frequency, a computation which underpins the utility of reproductive value weights; (ii) in large populations under the assumptions of additive gene action and weak selection, this change is of constant sign for any allele frequency and is predicted by a phenotypic selection gradient; (iii) under the assumptions of trait substitution sequences, such phenotypic selection gradients suffice to characterize long-term multi-dimensional stochastic evolution, with almost no knowledge about the genetic details underlying the coevolving traits. Having such simple results about the effect of selection regardless of population structure and type of social interactions can help to delineate the common features of distinct biological processes. Finally, we clarify some persistent divergences within social evolution theory, with respect to exactness, synergies, maximization, dynamic sufficiency and the role of genetic arguments.

Wigner higher-order spectra: definition, properties, computation and application to transient signal analysis

The Wigner higher order moment spectra (WHOS)are defined as extensions of the Wigner-Ville distribution (WD)to higher order moment spectra domains. A general class oftime-frequency higher order moment spectra is also defined interms of arbitrary higher order moments of the signal as generalizations of the Cohen’s general class of time-frequency representations. The properties of the general class of time-frequency higher order moment spectra can be related to theproperties of WHOS which are, in fact, extensions of the properties of the WD. Discrete time and frequency Wigner higherorder moment spectra (DTF-WHOS) distributions are introduced for signal processing applications and are shown to beimplemented with two FFT-based algorithms. One applicationis presented where the Wigner bispectrum (WB), which is aWHOS in the third-order moment domain, is utilized for thedetection of transient signals embedded in noise. The WB iscompared with the WD in terms of simulation examples andanalysis of real sonar data. It is shown that better detectionschemes can be derived, in low signal-to-noise ratio, when theWB is applied.

Reliable computation of robust response tori on the verge of breakdown

We prove the existence and local uniqueness of invariant tori on the verge of breakdown for two systems: the quasi-periodically driven logistic map and the quasi-periodically forced standard map. These systems exemplify two scenarios: the Heagy-Hammel route for the creation of strange non- chaotic attractors and the nonsmooth bifurcation of saddle invariant tori. Our proofs are computer- assisted and are based on a tailored version of the Newton-Kantorovich theorem. The proofs cannot be performed using classical perturbation theory because the two scenarios are very far from the perturbative regime, and fundamental hypotheses such as reducibility or hyperbolicity either do not hold or are very close to failing. Our proofs are based on a reliable computation of the invariant tori and a careful study of their dynamical properties, leading to the rigorous validation of the numerical results with our novel computational techniques.

On the computation of reducible invariant tori on a parallel computer

We present an algorithm for the computation of reducible invariant tori of discrete dynamical systems that is suitable for tori of dimensions larger than 1. It is based on a quadratically convergent scheme that approximates, at the same time, the Fourier series of the torus, its Floquet transformation, and its Floquet matrix. The Floquet matrix describes the linearization of the dynamics around the torus and, hence, its linear stability. The algorithm presents a high degree of parallelism, and the computational effort grows linearly with the number of Fourier modes needed to represent the solution. For these reasons it is a very good option to compute quasi-periodic solutions with several basic frequencies. The paper includes some examples (flows) to show the efficiency of the method in a parallel computer. In these flows we compute invariant tori of dimensions up to 5, by taking suitable sections.

Categorical quantum computation

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Distributed conditional computation

L'objectif de cette thèse est de présenter différentes applications du programme de recherche de calcul conditionnel distribué. On espère que ces applications, ainsi que la théorie présentée ici, mènera à une solution générale du problème d'intelligence artificielle, en particulier en ce qui a trait à la nécessité d'efficience. La vision du calcul conditionnel distribué consiste à accélérer l'évaluation et l'entraînement de modèles profonds, ce qui est très différent de l'objectif usuel d'améliorer sa capacité de généralisation et d'optimisation. Le travail présenté ici a des liens étroits avec les modèles de type mélange d'experts. Dans le chapitre 2, nous présentons un nouvel algorithme d'apprentissage profond qui utilise une forme simple d'apprentissage par renforcement sur un modèle d'arbre de décisions à base de réseau de neurones. Nous démontrons la nécessité d'une contrainte d'équilibre pour maintenir la distribution d'exemples aux experts uniforme et empêcher les monopoles. Pour rendre le calcul efficient, l'entrainement et l'évaluation sont contraints à être éparse en utilisant un routeur échantillonnant des experts d'une distribution multinomiale étant donné un exemple. Dans le chapitre 3, nous présentons un nouveau modèle profond constitué d'une représentation éparse divisée en segments d'experts. Un modèle de langue à base de réseau de neurones est construit à partir des transformations éparses entre ces segments. L'opération éparse par bloc est implémentée pour utilisation sur des cartes graphiques. Sa vitesse est comparée à deux opérations denses du même calibre pour démontrer le gain réel de calcul qui peut être obtenu. Un modèle profond utilisant des opérations éparses contrôlées par un routeur distinct des experts est entraîné sur un ensemble de données d'un milliard de mots. Un nouvel algorithme de partitionnement de données est appliqué sur un ensemble de mots pour hiérarchiser la couche de sortie d'un modèle de langage, la rendant ainsi beaucoup plus efficiente. Le travail présenté dans cette thèse est au centre de la vision de calcul conditionnel distribué émis par Yoshua Bengio. Elle tente d'appliquer la recherche dans le domaine des mélanges d'experts aux modèles profonds pour améliorer leur vitesse ainsi que leur capacité d'optimisation. Nous croyons que la théorie et les expériences de cette thèse sont une étape importante sur la voie du calcul conditionnel distribué car elle cadre bien le problème, surtout en ce qui concerne la compétitivité des systèmes d'experts.

Interactive quantum information theory

La théorie de l'information quantique s'est développée à une vitesse fulgurante au cours des vingt dernières années, avec des analogues et extensions des théorèmes de codage de source et de codage sur canal bruité pour la communication unidirectionnelle. Pour la communication interactive, un analogue quantique de la complexité de la communication a été développé, pour lequel les protocoles quantiques peuvent performer exponentiellement mieux que les meilleurs protocoles classiques pour certaines tâches classiques. Cependant, l'information quantique est beaucoup plus sensible au bruit que l'information classique. Il est donc impératif d'utiliser les ressources quantiques à leur plein potentiel. Dans cette thèse, nous étudions les protocoles quantiques interactifs du point de vue de la théorie de l'information et étudions les analogues du codage de source et du codage sur canal bruité. Le cadre considéré est celui de la complexité de la communication: Alice et Bob veulent faire un calcul quantique biparti tout en minimisant la quantité de communication échangée, sans égard au coût des calculs locaux. Nos résultats sont séparés en trois chapitres distincts, qui sont organisés de sorte à ce que chacun puisse être lu indépendamment. Étant donné le rôle central qu'elle occupe dans le contexte de la compression interactive, un chapitre est dédié à l'étude de la tâche de la redistribution d'état quantique. Nous prouvons des bornes inférieures sur les coûts de communication nécessaires dans un contexte interactif. Nous prouvons également des bornes atteignables avec un seul message, dans un contexte d'usage unique. Dans un chapitre subséquent, nous définissons une nouvelle notion de complexité de l'information quantique. Celle-ci caractérise la quantité d'information, plutôt que de communication, qu'Alice et Bob doivent échanger pour calculer une tâche bipartie. Nous prouvons beaucoup de propriétés structurelles pour cette quantité, et nous lui donnons une interprétation opérationnelle en tant que complexité de la communication quantique amortie. Dans le cas particulier d'entrées classiques, nous donnons une autre caractérisation permettant de quantifier le coût encouru par un protocole quantique qui oublie de l'information classique. Deux applications sont présentées: le premier résultat général de somme directe pour la complexité de la communication quantique à plus d'une ronde, ainsi qu'une borne optimale, à un terme polylogarithmique près, pour la complexité de la communication quantique avec un nombre de rondes limité pour la fonction « ensembles disjoints ». Dans un chapitre final, nous initions l'étude de la capacité interactive quantique pour les canaux bruités. Étant donné que les techniques pour distribuer de l'intrication sont bien étudiées, nous nous concentrons sur un modèle avec intrication préalable parfaite et communication classique bruitée. Nous démontrons que dans le cadre plus ardu des erreurs adversarielles, nous pouvons tolérer un taux d'erreur maximal de une demie moins epsilon, avec epsilon plus grand que zéro arbitrairement petit, et ce avec un taux de communication positif. Il s'ensuit que les canaux avec bruit aléatoire ayant une capacité positive pour la transmission unidirectionnelle ont une capacité positive pour la communication interactive quantique. Nous concluons avec une discussion de nos résultats et des directions futures pour ce programme de recherche sur une théorie de l'information quantique interactive.

Photorealistic Surface Rendering with Microfacet Theory

La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière. Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale.