Properties and algorithms of the (n, k)-arrangement graphs

The (n, k)-arrangement interconnection topology was first introduced in 1992. The (n, k )-arrangement graph is a class of generalized star graphs. Compared with the well known n-star, the (n, k )-arrangement graph is more flexible in degree and diameter. However, there are few algorithms designed for the (n, k)-arrangement graph up to present. In this thesis, we will focus on finding graph theoretical properties of the (n, k)- arrangement graph and developing parallel algorithms that run on this network. The topological properties of the arrangement graph are first studied. They include the cyclic properties. We then study the problems of communication: broadcasting and routing. Embedding problems are also studied later on. These are very useful to develop efficient algorithms on this network. We then study the (n, k )-arrangement network from the algorithmic point of view. Specifically, we will investigate both fundamental and application algorithms such as prefix sums computation, sorting, merging and basic geometry computation: finding convex hull on the (n, k )-arrangement graph. A literature review of the state-of-the-art in relation to the (n, k)-arrangement network is also provided, as well as some open problems in this area.

Square Root Finding In Graphs

Abstract: Root and root finding are concepts familiar to most branches of mathematics. In graph theory, H is a square root of G and G is the square of H if two vertices x,y have an edge in G if and only if x,y are of distance at most two in H. Graph square is a basic operation with a number of results about its properties in the literature. We study the characterization and recognition problems of graph powers. There are algorithmic and computational approaches to answer the decision problem of whether a given graph is a certain power of any graph. There are polynomial time algorithms to solve this problem for square of graphs with girth at least six while the NP-completeness is proven for square of graphs with girth at most four. The girth-parameterized problem of root fining has been open in the case of square of graphs with girth five. We settle the conjecture that recognition of square of graphs with girth 5 is NP-complete. This result is providing the complete dichotomy theorem for square root finding problem.

Rings, Group Rings, and Their Graphs

We associate some graphs to a ring R and we investigate the interplay between the ring-theoretic properties of R and the graph-theoretic properties of the graphs associated to R. Let Z(R) be the set of zero-divisors of R. We define an undirected graph ᴦ(R) with nonzero zero-divisors as vertices and distinct vertices x and y are adjacent if xy=0 or yx=0. We investigate the Isomorphism Problem for zero-divisor graphs of group rings RG. Let Sk denote the sphere with k handles, where k is a non-negative integer, that is, Sk is an oriented surface of genus k. The genus of a graph is the minimal integer n such that the graph can be embedded in Sn. The annihilating-ideal graph of R is defined as the graph AG(R) with the set of ideals with nonzero annihilators as vertex such that two distinct vertices I and J are adjacent if IJ=(0). We characterize Artinian rings whose annihilating-ideal graphs have finite genus. Finally, we extend the definition of the annihilating-ideal graph to non-commutative rings.

Acyclic 5-Choosability of Planar Graphs Without Adjacent Short Cycles

The conjecture claiming that every planar graph is acyclic 5-choosable[Borodin et al., 2002] has been verified for several restricted classes of planargraphs. Recently, O. V. Borodin and A. O. Ivanova, [Journal of Graph Theory,68(2), October 2011, 169-176], have shown that a planar graph is acyclically 5-choosable if it does not contain an i-cycle adjacent to a j-cycle, where 3<=j<=5 if i=3 and 4<=j<=6 if i=4. We improve the above mentioned result and prove that every planar graph without an i-cycle adjacent to a j-cycle with3<=j<=5 if i=3 and 4<=j<=5 if i=4 is acyclically 5-choosable.

Edge-choosability of Planar Graphs

According to the List Colouring Conjecture, if G is a multigraph then χ' (G)=χl' (G) . In this thesis, we discuss a relaxed version of this conjecture that every simple graph G is edge-(∆ + 1)-choosable as by Vizing’s Theorem ∆(G) ≤χ' (G)≤∆(G) + 1. We prove that if G is a planar graph without 7-cycles with ∆(G)≠5,6 , or without adjacent 4-cycles with ∆(G)≠5, or with no 3-cycles adjacent to 5-cycles, then G is edge-(∆ + 1)-choosable.

Properties and Algorithms of the KCube Graphs

The KCube interconnection topology was rst introduced in 2010. The KCube graph is a compound graph of a Kautz digraph and hypercubes. Compared with the at- tractive Kautz digraph and well known hypercube graph, the KCube graph could accommodate as many nodes as possible for a given indegree (and outdegree) and the diameter of interconnection networks. However, there are few algorithms designed for the KCube graph. In this thesis, we will concentrate on nding graph theoretical properties of the KCube graph and designing parallel algorithms that run on this network. We will explore several topological properties, such as bipartiteness, Hamiltonianicity, and symmetry property. These properties for the KCube graph are very useful to develop efficient algorithms on this network. We will then study the KCube network from the algorithmic point of view, and will give an improved routing algorithm. In addition, we will present two optimal broadcasting algorithms. They are fundamental algorithms to many applications. A literature review of the state of the art network designs in relation to the KCube network as well as some open problems in this field will also be given.

A Study of Ordered Gene Problems Featuring DNA Error Correction and DNA Fragment Assembly with a Variety of Heuristics, Genetic Algorithm Variations, and Dynamic Representations

Ordered gene problems are a very common classification of optimization problems. Because of their popularity countless algorithms have been developed in an attempt to find high quality solutions to the problems. It is also common to see many different types of problems reduced to ordered gene style problems as there are many popular heuristics and metaheuristics for them due to their popularity. Multiple ordered gene problems are studied, namely, the travelling salesman problem, bin packing problem, and graph colouring problem. In addition, two bioinformatics problems not traditionally seen as ordered gene problems are studied: DNA error correction and DNA fragment assembly. These problems are studied with multiple variations and combinations of heuristics and metaheuristics with two distinct types or representations. The majority of the algorithms are built around the Recentering- Restarting Genetic Algorithm. The algorithm variations were successful on all problems studied, and particularly for the two bioinformatics problems. For DNA Error Correction multiple cases were found with 100% of the codes being corrected. The algorithm variations were also able to beat all other state-of-the-art DNA Fragment Assemblers on 13 out of 16 benchmark problem instances.

Backbone Colouring of Graphs

Consider an undirected graph G and a subgraph of G, H. A q-backbone k-colouring of (G,H) is a mapping f: V(G) {1, 2, ..., k} such that G is properly coloured and for each edge of H, the colours of its endpoints differ by at least q. The minimum number k for which there is a backbone k-colouring of (G,H) is the backbone chromatic number, BBCq(G,H). It has been proved that backbone k-colouring of (G,T) is at most 4 if G is a connected C4-free planar graph or non-bipartite C5-free planar graph or Cj-free, j∈{6,7,8} planar graph without adjacent triangles. In this thesis we improve the results mentioned above and prove that 2-backbone k-colouring of any connected planar graphs without adjacent triangles is at most 4 by using a discharging method. In the second part of this thesis we further improve these results by proving that for any graph G with χ(G) ≥ 4, BBC(G,T) = χ(G). In fact, we prove the stronger result that a backbone tree T in G exists, such that ∀ uv ∈ T, |f(u)-f(v)|=2 or |f(u)-f(v)| ≥ k-2, k = χ(G). For the case that G is a planar graph, according to Four Colour Theorem, χ(G) = 4; so, BBC(G,T) = 4.

Using PageRank Algorithm in Analyzing Dictionary Graphs and PageRank in Dynamic Graphs

In this thesis we are going to analyze the dictionary graphs and some other kinds of graphs using the PagerRank algorithm. We calculated the correlation between the degree and PageRank of all nodes for a graph obtained from Merriam-Webster dictionary, a French dictionary and WordNet hypernym and synonym dictionaries. Our conclusion was that PageRank can be a good tool to compare the quality of dictionaries. We studied some artificial social and random graphs. We found that when we omitted some random nodes from each of the graphs, we have not noticed any significant changes in the ranking of the nodes according to their PageRank. We also discovered that some social graphs selected for our study were less resistant to the changes of PageRank.

Dynamics in large scale networks

In this thesis we study the properties of two large dynamic networks, the competition network of advertisers on the Google and Bing search engines and the dynamic network of friend relationships among avatars in the massively multiplayer online game (MMOG) Planetside 2. We are particularly interested in removal patterns in these networks. Our main finding is that in both of these networks the nodes which are most commonly removed are minor near isolated nodes. We also investigate the process of merging of two large networks using data captured during the merger of servers of Planetside 2. We found that the original network structures do not really merge but rather they get gradually replaced by newcomers not associated with the original structures. In the final part of the thesis we investigate the concept of motifs in the Barabási-Albert random graph. We establish some bounds on the number of motifs in this graph.

Properties and Algorithms of the KCube Interconnection Networks

The KCube interconnection network was first introduced in 2010 in order to exploit the good characteristics of two well-known interconnection networks, the hypercube and the Kautz graph. KCube links up multiple processors in a communication network with high density for a fixed degree. Since the KCube network is newly proposed, much study is required to demonstrate its potential properties and algorithms that can be designed to solve parallel computation problems. In this thesis we introduce a new methodology to construct the KCube graph. Also, with regard to this new approach, we will prove its Hamiltonicity in the general KC(m; k). Moreover, we will find its connectivity followed by an optimal broadcasting scheme in which a source node containing a message is to communicate it with all other processors. In addition to KCube networks, we have studied a version of the routing problem in the traditional hypercube, investigating this problem: whether there exists a shortest path in a Qn between two nodes 0n and 1n, when the network is experiencing failed components. We first conditionally discuss this problem when there is a constraint on the number of faulty nodes, and subsequently introduce an algorithm to tackle the problem without restrictions on the number of nodes.

Conception des réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Généralement, les problèmes de conception de réseaux consistent à sélectionner les arcs et les sommets d’un graphe G de sorte que la fonction coût est optimisée et l’ensemble de contraintes impliquant les liens et les sommets dans G sont respectées. Une modification dans le critère d’optimisation et/ou dans l’ensemble de contraintes mène à une nouvelle représentation d’un problème différent. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de conception d’infrastructure de réseaux maillés sans fil (WMN- Wireless Mesh Network en Anglais) où nous montrons que la conception de tels réseaux se transforme d’un problème d’optimisation standard (la fonction coût est optimisée) à un problème d’optimisation à plusieurs objectifs, pour tenir en compte de nombreux aspects, souvent contradictoires, mais néanmoins incontournables dans la réalité. Cette thèse, composée de trois volets, propose de nouveaux modèles et algorithmes pour la conception de WMNs où rien n’est connu à l’ avance. Le premiervolet est consacré à l’optimisation simultanée de deux objectifs équitablement importants : le coût et la performance du réseau en termes de débit. Trois modèles bi-objectifs qui se différent principalement par l’approche utilisée pour maximiser la performance du réseau sont proposés, résolus et comparés. Le deuxième volet traite le problème de placement de passerelles vu son impact sur la performance et l’extensibilité du réseau. La notion de contraintes de sauts (hop constraints) est introduite dans la conception du réseau pour limiter le délai de transmission. Un nouvel algorithme basé sur une approche de groupage est proposé afin de trouver les positions stratégiques des passerelles qui favorisent l’extensibilité du réseau et augmentent sa performance sans augmenter considérablement le coût total de son installation. Le dernier volet adresse le problème de fiabilité du réseau dans la présence de pannes simples. Prévoir l’installation des composants redondants lors de la phase de conception peut garantir des communications fiables, mais au détriment du coût et de la performance du réseau. Un nouvel algorithme, basé sur l’approche théorique de décomposition en oreilles afin d’installer le minimum nombre de routeurs additionnels pour tolérer les pannes simples, est développé. Afin de résoudre les modèles proposés pour des réseaux de taille réelle, un algorithme évolutionnaire (méta-heuristique), inspiré de la nature, est développé. Finalement, les méthodes et modèles proposés on été évalués par des simulations empiriques et d’événements discrets.

Moranapho : apprentissage non supervisé de la morphologie d'une langue par généralisation de relations analogiques

Récemment, nous avons pu observer un intérêt grandissant pour l'application de l'analogie formelle à l'analyse morphologique. L'intérêt premier de ce concept repose sur ses parallèles avec le processus mental impliqué dans la création de nouveaux termes basée sur les relations morphologiques préexistantes de la langue. Toutefois, l'utilisation de ce concept reste tout de même marginale due notamment à son coût de calcul élevé.Dans ce document, nous présenterons le système à base de graphe Moranapho fondé sur l'analogie formelle. Nous démontrerons par notre participation au Morpho Challenge 2009 (Kurimo:10) et nos expériences subséquentes, que la qualité des analyses obtenues par ce système rivalise avec l'état de l'art. Nous analyserons aussi l'influence de certaines de ses composantes sur la qualité des analyses morphologiques produites. Nous appuierons les conclusions tirées de nos analyses sur des théories bien établies dans le domaine de la linguistique. Ceci nous permet donc de fournir certaines prédictions sur les succès et les échecs de notre système, lorsqu'appliqué à d'autres langues que celles testées au cours de nos expériences.

Développement et évaluation d’un environnement informatisé d’apprentissage pour faciliter l’intégration des sciences et de la technologie

Par cette recherche, nous voulons évaluer de manière exhaustive les bénéfices qu’apporte l’ExAO (Expérimentation Assistée par Ordinateur) dans les laboratoires scolaires de sciences et technologie au Liban. Nous aimerions aussi qu’elle contribue d’une manière tangible aux recherches du laboratoire de Robotique Pédagogique de l’Université de Montréal, notamment dans le développement du µlaboratoire ExAO. Nous avons voulu tester les capacités de l’ExAO, son utilisation en situation de classe comme : 1. Substitut d’un laboratoire traditionnel dans l’utilisation de la méthode expérimentale; 2. Outil d’investigation scientifique; 3. Outil d’intégration des sciences expérimentales et des mathématiques; 4. Outil d’intégration des sciences expérimentales, des mathématiques et de la technologie dans un apprentissage technoscientifique; Pour ce faire, nous avons mobilisé 13 groupe-classes de niveaux complémentaire et secondaire, provenant de 10 écoles libanaises. Nous avons désigné leurs enseignants pour expérimenter eux-mêmes avec leurs étudiants afin d’évaluer, de manière plus réaliste les avantages d’implanter ce micro laboratoire informatisé à l’école. Les différentes mise à l’essai, évaluées à l’aide des résultats des activités d’apprentissage réalisées par les étudiants, de leurs réponses à un questionnaire et des commentaires des enseignants, nous montrent que : 1. La substitution d’un laboratoire traditionnel par un µlaboratoire ExAO ne semble pas poser de problème; dix minutes ont suffi aux étudiants pour se familiariser avec cet environnement, mentionnant que la rapidité avec laquelle les données étaient représentées sous forme graphique était plus productive. 2. Pour l’investigation d’un phénomène physique, la convivialité du didacticiel associée à la capacité d’amplifier le phénomène avant de le représenter graphiquement a permis aux étudiants de concevoir et de mettre en œuvre rapidement et de manière autonome, une expérimentation permettant de vérifier leur prédiction. 3. L’intégration des mathématiques dans une démarche expérimentale permet d’appréhender plus rapidement le phénomène. De plus, elle donne un sens aux représentations graphiques et algébriques, à l’avis des enseignants, permettant d’utiliser celle-ci comme outil cognitif pour interpréter le phénomène. 4. La démarche réalisée par les étudiants pour concevoir et construire un objet technologique, nous a montré que cette activité a été réalisée facilement par l’utilisation des capteurs universels et des amplificateurs à décalage de l’outil de modélisation graphique ainsi que la capacité du didacticiel à transformer toute variable mesurée par une autre variable (par exemple la variation de résistance en variation de température, …). Cette activité didactique nous montre que les étudiants n’ont eu aucune difficulté à intégrer dans une même activité d’apprentissage les mathématiques, les sciences expérimentales et la technologie, afin de concevoir et réaliser un objet technologique fonctionnel. µlaboratoire ExAO, en offrant de nouvelles possibilités didactiques, comme la capacité de concevoir, réaliser et valider un objet technologique, de disposer pour ce faire, des capacités nouvelles pour amplifier les mesures, modéliser les phénomènes physiques, créer de nouveaux capteurs, est un ajout important aux expériences actuellement réalisées en ExAO.

L'efficacité de l'imagerie guidée sur la douleur, l'anxiété, le coping et le retour aux activités d'adolescents ayant subi une chirurgie correctrice de scoliose

De nombreuses études ont démontré que les adolescents qui subissent une chirurgie correctrice de scoliose éprouvent des douleurs postopératoires intenses et cela pendant plusieurs jours après leur chirurgie. L’originalité de cette étude de type quasi-expérimental, consistait à réaliser un DVD sur une technique d’imagerie guidée et de relaxation combinée à une intervention éducative (gestion de la douleur) sur la douleur, l’anxiété, le coping et le retour aux activités d’adolescents ayant subi une chirurgie correctrice de scoliose. Prenant appui sur la théorie du portillon (Melzack & Casey, 1968) et sur la théorie transactionnelle du stress et coping (Lazarus & Folkman, 1984), quatre hypothèses ont été retenues en vue de vérifier l’effet de cette intervention. Trente et un adolescents, âgés entre 13 et 19 ans ont été répartis en deux groupes de façon aléatoire. Les participantes du groupe expérimental devaient visionner un DVD sur une technique d’imagerie guidée et de relaxation combinée à de l’information sur la gestion de la douleur en période préopératoire, au moment du congé de l’hôpital et ce, au moins trois fois par semaine sur une période d’un mois post congé. De plus, ce groupe continuait à recevoir les soins usuels. Les participants du groupe contrôle ne recevaient que les soins usuels. Les instruments de mesure utilisés furent le questionnaire concis de la douleur (QCD) (Larue F, Colleau, Brasseur, & Cleeland, 1995), l’inventaire d’anxiété situationnelle et de trait d’anxiété (IASTA-Y) (Gauthier & Bouchard, 1993) et l’inventaire du coping face à la douleur pédiatrique (Spicher, 2003). Quatre temps de mesure ont été planifiés, soit la journée avant la chirurgie, au congé de l’hôpital, au 14ième jour post congé et lors de la visite à la clinique d’orthopédie à un mois post congé. Les résultats montraient que les deux groupes étaient équivalents en ce qui concernait les caractéristiques sociodémographiques et les variables dépendantes. Les participants du groupe expérimental présentaient une douleur générale ressentie dans le dernier 24 heures plus basse au 14ième jour (p = 0,012) et un mois après leur congé de l’hôpital (p = 0,049). Certaines activités quotidiennes ont démontré une différence significative au 14ième jour soit : les activités scolaires ou de travail (p = 0,046), et les activités de soutien vital (manger, dormir) (p = 0,024), Par contre, nous n’avons pas observé de différence significative au niveau de l’anxiété situationnelle et des stratégies adaptatives de coping entre les deux groupes. L’auteur conclut que le niveau de douleur postopératoire des adolescents qui ont subi une chirurgie correctrice de scoliose peut être réduit par un visionnement d’un DVD sur une technique d’imagerie guidée et de relaxation combinée à une intervention éducative (information sur la douleur). De plus, ceci semble avoir un effet positif sur le retour plus rapide de certaines activités quotidiennes.