Optimisation quadratique en variables binaires : quelques résultats et techniques

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

Algorithmes de construction et correction d'arbres de gènes par la réconciliation

Les gènes, qui servent à encoder les fonctions biologiques des êtres vivants, forment l'unité moléculaire de base de l'hérédité. Afin d'expliquer la diversité des espèces que l'on peut observer aujourd'hui, il est essentiel de comprendre comment les gènes évoluent. Pour ce faire, on doit recréer le passé en inférant leur phylogénie, c'est-à-dire un arbre de gènes qui représente les liens de parenté des régions codantes des vivants. Les méthodes classiques d'inférence phylogénétique ont été élaborées principalement pour construire des arbres d'espèces et ne se basent que sur les séquences d'ADN. Les gènes sont toutefois riches en information, et on commence à peine à voir apparaître des méthodes de reconstruction qui utilisent leurs propriétés spécifiques. Notamment, l'histoire d'une famille de gènes en terme de duplications et de pertes, obtenue par la réconciliation d'un arbre de gènes avec un arbre d'espèces, peut nous permettre de détecter des faiblesses au sein d'un arbre et de l'améliorer. Dans cette thèse, la réconciliation est appliquée à la construction et la correction d'arbres de gènes sous trois angles différents: 1) Nous abordons la problématique de résoudre un arbre de gènes non-binaire. En particulier, nous présentons un algorithme en temps linéaire qui résout une polytomie en se basant sur la réconciliation. 2) Nous proposons une nouvelle approche de correction d'arbres de gènes par les relations d'orthologie et paralogie. Des algorithmes en temps polynomial sont présentés pour les problèmes suivants: corriger un arbre de gènes afin qu'il contienne un ensemble d'orthologues donné, et valider un ensemble de relations partielles d'orthologie et paralogie. 3) Nous montrons comment la réconciliation peut servir à "combiner'' plusieurs arbres de gènes. Plus précisément, nous étudions le problème de choisir un superarbre de gènes selon son coût de réconciliation.

Efficient algorithms to solve scheduling problems with a variety of optimization criteria

La programmation par contraintes est une technique puissante pour résoudre, entre autres, des problèmes d’ordonnancement de grande envergure. L’ordonnancement vise à allouer dans le temps des tâches à des ressources. Lors de son exécution, une tâche consomme une ressource à un taux constant. Généralement, on cherche à optimiser une fonction objectif telle la durée totale d’un ordonnancement. Résoudre un problème d’ordonnancement signifie trouver quand chaque tâche doit débuter et quelle ressource doit l’exécuter. La plupart des problèmes d’ordonnancement sont NP-Difficiles. Conséquemment, il n’existe aucun algorithme connu capable de les résoudre en temps polynomial. Cependant, il existe des spécialisations aux problèmes d’ordonnancement qui ne sont pas NP-Complet. Ces problèmes peuvent être résolus en temps polynomial en utilisant des algorithmes qui leur sont propres. Notre objectif est d’explorer ces algorithmes d’ordonnancement dans plusieurs contextes variés. Les techniques de filtrage ont beaucoup évolué dans les dernières années en ordonnancement basé sur les contraintes. La proéminence des algorithmes de filtrage repose sur leur habilité à réduire l’arbre de recherche en excluant les valeurs des domaines qui ne participent pas à des solutions au problème. Nous proposons des améliorations et présentons des algorithmes de filtrage plus efficaces pour résoudre des problèmes classiques d’ordonnancement. De plus, nous présentons des adaptations de techniques de filtrage pour le cas où les tâches peuvent être retardées. Nous considérons aussi différentes propriétés de problèmes industriels et résolvons plus efficacement des problèmes où le critère d’optimisation n’est pas nécessairement le moment où la dernière tâche se termine. Par exemple, nous présentons des algorithmes à temps polynomial pour le cas où la quantité de ressources fluctue dans le temps, ou quand le coût d’exécuter une tâche au temps t dépend de t.

Algorithmes de construction et correction d'arbres de gènes par la réconciliation

Les gènes, qui servent à encoder les fonctions biologiques des êtres vivants, forment l'unité moléculaire de base de l'hérédité. Afin d'expliquer la diversité des espèces que l'on peut observer aujourd'hui, il est essentiel de comprendre comment les gènes évoluent. Pour ce faire, on doit recréer le passé en inférant leur phylogénie, c'est-à-dire un arbre de gènes qui représente les liens de parenté des régions codantes des vivants. Les méthodes classiques d'inférence phylogénétique ont été élaborées principalement pour construire des arbres d'espèces et ne se basent que sur les séquences d'ADN. Les gènes sont toutefois riches en information, et on commence à peine à voir apparaître des méthodes de reconstruction qui utilisent leurs propriétés spécifiques. Notamment, l'histoire d'une famille de gènes en terme de duplications et de pertes, obtenue par la réconciliation d'un arbre de gènes avec un arbre d'espèces, peut nous permettre de détecter des faiblesses au sein d'un arbre et de l'améliorer. Dans cette thèse, la réconciliation est appliquée à la construction et la correction d'arbres de gènes sous trois angles différents: 1) Nous abordons la problématique de résoudre un arbre de gènes non-binaire. En particulier, nous présentons un algorithme en temps linéaire qui résout une polytomie en se basant sur la réconciliation. 2) Nous proposons une nouvelle approche de correction d'arbres de gènes par les relations d'orthologie et paralogie. Des algorithmes en temps polynomial sont présentés pour les problèmes suivants: corriger un arbre de gènes afin qu'il contienne un ensemble d'orthologues donné, et valider un ensemble de relations partielles d'orthologie et paralogie. 3) Nous montrons comment la réconciliation peut servir à "combiner'' plusieurs arbres de gènes. Plus précisément, nous étudions le problème de choisir un superarbre de gènes selon son coût de réconciliation.

Model-order selection in Zernike polynomial expansion of corneal surfaces using the efficient detection criterion

Corneal-height data are typically measured with videokeratoscopes and modeled using a set of orthogonal Zernike polynomials. We address the estimation of the number of Zernike polynomials, which is formalized as a model-order selection problem in linear regression. Classical information-theoretic criteria tend to overestimate the corneal surface due to the weakness of their penalty functions, while bootstrap-based techniques tend to underestimate the surface or require extensive processing. In this paper, we propose to use the efficient detection criterion (EDC), which has the same general form of information-theoretic-based criteria, as an alternative to estimating the optimal number of Zernike polynomials. We first show, via simulations, that the EDC outperforms a large number of information-theoretic criteria and resampling-based techniques. We then illustrate that using the EDC for real corneas results in models that are in closer agreement with clinical expectations and provides means for distinguishing normal corneal surfaces from astigmatic and keratoconic surfaces.

Higher-Order spectra of nonlinear polynomial models for Chua's circuit

Polynomial models are shown to simulate accurately the quadratic and cubic nonlinear interactions (e.g. higher-order spectra) of time series of voltages measured in Chua's circuit. For circuit parameters resulting in a spiral attractor, bispectra and trispectra of the polynomial model are similar to those from the measured time series, suggesting that the individual interactions between triads and quartets of Fourier components that govern the process dynamics are modeled accurately. For parameters that produce the double-scroll attractor, both measured and modeled time series have small bispectra, but nonzero trispectra, consistent with higher-than-second order nonlinearities dominating the chaos.

Decomposition construction for secret sharing schemes with graph access structures in polynomial time

The purpose of this paper is to describe a new decomposition construction for perfect secret sharing schemes with graph access structures. The previous decomposition construction proposed by Stinson is a recursive method that uses small secret sharing schemes as building blocks in the construction of larger schemes. When the Stinson method is applied to the graph access structures, the number of such “small” schemes is typically exponential in the number of the participants, resulting in an exponential algorithm. Our method has the same flavor as the Stinson decomposition construction; however, the linear programming problem involved in the construction is formulated in such a way that the number of “small” schemes is polynomial in the size of the participants, which in turn gives rise to a polynomial time construction. We also show that if we apply the Stinson construction to the “small” schemes arising from our new construction, both have the same information rate.

An accuracy assessment of ASTER stereo images-derived digital elevation model by using rational polynomial coefficient model

The along-track stereo images of Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) sensor with 15 m resolution were used to generate Digital Elevation Model (DEM) on an area with low and near Mean Sea Level (MSL) elevation in Johor, Malaysia. The absolute DEM was generated by using the Rational Polynomial Coefficient (RPC) model which was run on ENVI 4.8 software. In order to generate the absolute DEM, 60 Ground Control Pointes (GCPs) with almost vertical accuracy less than 10 meter extracted from topographic map of the study area. The assessment was carried out on uncorrected and corrected DEM by utilizing dozens of Independent Check Points (ICPs). Consequently, the uncorrected DEM showed the RMSEz of ± 26.43 meter which was decreased to the RMSEz of ± 16.49 meter for the corrected DEM after post-processing. Overall, the corrected DEM of ASTER stereo images met the expectations.

Hybrid stiff-string-polynomial basis functions for vibration analysis of high speed rotating beams

A new finite element is developed for free vibration analysis of high speed rotating beams using basis functions which use a linear combination of the solution of the governing static differential equation of a stiff-string and a cubic polynomial. These new shape functions depend on rotation speed and element position along the beam and account for the centrifugal stiffening effect. The natural frequencies predicted by the proposed element are compared with an element with stiff-string, cubic polynomial and quintic polynomial shape functions. It is found that the new element exhibits superior convergence compared to the other basis functions.

Microprocessor-based polynomial generator

A new method of generating polynomials using microprocessors is proposed. The polynomial is generated as a 16-bit digital word. The algorithm for generating a variety of basic 'building block' functions and its implementation is discussed. A technique for generating a generalized polynomial based on the proposed algorithm is indicated. The performance of the proposed generator is evaluated using a commercially available microprocessor kit.