Les pavages, les quasi-cristaux et le 18th problème de Hilbert

Le 18e problème de Hilbert est constitué de trois questions vaguement liées : Le nombre de groupes a région fondamentale (bornée) dans E mest-il fini ? Existet-il un pavage sur les paves duquel aucun groupe n’agisse de façon transitive ? Quels sont les juxtapositions les plus denses de corps congruents dans E3 ? Ces questions ont orienté la cristallographie mathématique vers de nouvell es directions et ont été excessivement efficaces: de nos jours, les quasicristaux posent des problèmes mathématiques qui se situent précisément dans les champs indiqués par Hilbert. En effet, plusieurs des nouveaux problèmes sont des reformulations de ceux de Hilbert. On a fait de considérables progrès dans les demières années, mais une question clé - comment les parties du problème sont liées entre elles - n’e st pas encore complètement comprise.Hilbert’s 18th problem consisted of three loosely related questions: Is the number of groups in En with (bounded) fundamental region finite? Does there exist a tiling on whose tiles no group acts transitively? What are the densest packings of congruent bodies in E3? These questions pointed mathematical crystallography in new directions and have been unreasonably effective: in our time quasicrystals pose mathematical problems in precisely the areas indicated by Hilbert. Indeed, many of the new problems are reformulations of Hilbert’s. Considerable progress has been made in the last few years, but a key issue-how the parts of the problem are related to one another-is still not completely understood.Peer Reviewe

Tomographie et géométrie discrètes avec la transformée Mojette

We explore through this thesis the insights of discrete tomography over classical tomography in continuous space. We use the Mojette transform, a discrete and exact form of the Radon transform, as a link between classical tomography and discrete tomography. We focus especially on the study of the discrete space induced by the Mojette transform operator through four research axis.Axis 1 focuses on the Mojette space properties in regards to discrete affine transforms of digital images. We provide tools to achieve affine transforms directly from the projections of a digital object, without preliminary tomographic reconstruction. This property is well-known for the continuous Radon transform but non-trivial for its sampled versions.Axis 2 seeks for some links between continuous-sampled projections related to medical imaging acquisition modalities and discrete projections derived by the Mojette transform. We implement interpolation schemes to estimate discrete projections from the continuous ones — on either synthetic or real data — and their reconstruction.In axis 3, we provide an algebraic framework for the description and inversion of the Mojette transform. The input data, the projections as well as the operators are modeled as polynomials. Within this framework, the Mojette projection operator advantageously reduce to a Vandermonde matrix.This thesis has been realized at both IRCCyN Lab and Keosys company within the Quanticardi FUI project. Axis 4 focuses on the design and the implementation of a clinical software for the absolute quantification of myocardial perfusion with positron emission tomography.Dans cette thèse, nous explorons les voies offertes par la tomographie discrète par rapport à la tomographie classique en milieu continu. Nous utilisons la transformée Mojette, version discrète et exacte de la transformée de Radon, que nous présentons comme un lien entre la tomographie classique et la tomographie discrète. Nous nous attachons à l’étude de l’espace sous-jacent à l’opérateur de transformée Mojette. Ce travail se décline suivant quatre axes de recherche.L’axe 1 est consacré au comportement de l’espace Mojette pour les transformations affines discrètes de l’image. Nous montrons qu’il est possible de réaliser certaines transformations affines directement à partir des projections discrètes d’un objet, sans reconstruction préalable.L’axe 2 consiste à examiner les liens entre les projections continues issues de modalités d’acquisitions en imagerie médicale et celles obtenues par transformée Mojette. Nous présentons différentes méthodes d’estimation des projections discrètes à partir de projections continues — réelles ou simulées — et leur reconstruction.L’axe 3 a pour objet l’inversion algébrique de la transformée Mojette. Les données d’entrée, les projections et les opérateurs sont modélisés par des polynômes. Ce formalisme, relevant de la tomographie discrète, permet d’exprimer la matrice de transformation Mojette sous forme Vandermonde.Cette thèse a été réalisée conjointement à l’IRCCyN et à Keosys dans le cadre du projet FUI Quanticardi. L’axe 4 est dédié à la conception et au développement d’un logiciel de quantification absolue de la perfusion myocardique en tomographie par émission de positons

Multi-scale arithmetization of linear transformations

International audienceA constructive non-standard interpretation of a multi-scale affine transformation scheme is exposed. It is based on the Ω-numbers of Laugwitz and Schmieden and on the discrete model of the real line of Reeb and Harthong. In this setting, the non-standard version of the Euclidean affine transformation gives rise to a sequence of so-called quasi-linear transformations over integer spaces, allowing integer-only computations

Programmation et indécidabilités dans les systèmes complexes

N/AUn système complexe est un système constitué d'un ensemble d'entités quiinteragissent localement, engendrant des comportements globaux, émergeant dusystème, qu'on ne sait pas expliquer à partir du comportement local, connu, desentités qui le constituent. Nos travaux ont pour objet de mieux cerner lesliens entre certaines propriétés des systèmes complexes et le calcul. Parcalcul, il faut entendre l'objet d'étude de l'informatique, c'est-à-dire ledéplacement et la combinaison d'informations. À l'aide d'outils issus del'informatique, l'algorithmique et la programmation dans les systèmes complexessont abordées selon trois points de vue. Une première forme de programmation,dite externe, consiste à développer l'algorithmique qui permet de simuler lessystèmes étudiés. Une seconde forme de programmation, dite interne, consiste àdévelopper l'algorithmique propre à ces systèmes, qui permet de construire desreprésentants de ces systèmes qui exhibent des comportements programmés. Enfin,une troisième forme de programmation, de réduction, consiste à plonger despropriétés calculatoires complexes dans les représentants de ces systèmes pourétablir des résultats d'indécidabilité -- indice d'une grande complexitécalculatoire qui participe à l'explication de la complexité émergente. Afin demener à bien cette étude, les systèmes complexes sont modélisés par desautomates cellulaires. Le modèle des automates cellulaires offre une dualitépertinente pour établir des liens entre complexité des propriétés globales etcalcul. En effet, un automate cellulaire peut être décrit à la fois comme unréseau d'automates, offrant un point de vue familier de l'informatique, etcomme un système dynamique discret, une fonction définie sur un espacetopologique, offrant un point de vue familier de l'étude des systèmesdynamiques discrets.Une première partie de nos travaux concerne l'étude de l'objet automatecellulaire proprement dit. L'observation expérimentale des automatescellulaires distingue, dans la littérature, deux formes de dynamiques complexesdominantes. Certains automates cellulaires présentent une dynamique danslaquelle émergent des structures simples, sortes de particules qui évoluentdans un domaine régulier, se rencontrent lors de brèves collisions, avant degénérer d'autres particules. Cette forme de complexité, dans laquelletransparaît une notion de quanta d'information localisée en interaction, estl'objet de nos études. Un premier champ de nos investigations est d'établir uneclassification algébrique, le groupage, qui tend à rendre compte de ce type decomportement. Cette classification met à jour un type d'automate cellulaireparticulier : les automates cellulaires intrinsèquement universels. Un automatecellulaire intrinsèquement universel est capable de simuler le comportement detout automate cellulaire. C'est l'objet de notre second champ d'investigation.Nous caractérisons cette propriété et démontrons son indécidabilité. Enfin, untroisième champ d'investigation concerne l'algorithmique des automatescellulaires à particules et collisions. Étant donné un ensemble de particuleset de collisions d'un tel automate cellulaire, nous étudions l'ensemble desinteractions possibles et proposons des outils pour une meilleure programmationinterne à l'aide de ces collisions.Une seconde partie de nos travaux concerne la programmation par réduction. Afinde démontrer l'indécidabilité de propriétés dynamiques des automatescellulaires, nous étudions d'une part les problèmes de pavage du plan par desjeux de tuiles finis et d'autre part les problèmes de mortalité et depériodicité dans les systèmes dynamiques discrets à fonction partielle. Cetteétude nous amène à considérer des objets qui possèdent la même dualité entredescription combinatoire et topologique que les automates cellulaires. Unenotion d'apériodicité joue un rôle central dans l'indécidabilité des propriétésde ces objets

Contributions à l'analyse de figures discrètes en dimension quelconque

Les polyominos sont souvent représentés par des mots de quatre lettres ou des mots de changements de direction décrivant leur contour. La combinatoire des mots classique y joue donc un rôle descriptif important, particulièrement dans le choix d'un représentant canonique. Les mots de Lyndon fournissent, de façon naturelle, un tel représentant. Une approche systématique pour le calcul de propriétés des polyominos, basée sur une version originale d'une discrétisation du théorème de Green classique en calcul bivarié, est élaborée. Ceci nous a naturellement amené à analyser les propriétés géométriques d'ensembles du réseau discret de rondeur maximale. Pour une taille donnée, ces ensembles minimisent le moment d'inertie par rapport à un axe passant par leur centre de gravité. Nous introduisons la notion de quasi-disque et montrons entre autres que ces ensembles minimaux sont des poIyominos\ud fortement-convexes. Nous développons également un algorithme permettant de les engendrer systématiquement. Un autre aspect concerne des propriétés sur les contours d'ensembles discrets donnant lieu à une nouvelle démonstration d'un résultat de Daurat et Nivat sur les points dits saillants et rentrants d'un polyomino. Nous présentons également une généralisation de ce résultat aux réseaux hexagonaux et montrons que le résultat est faux pour les autres réseaux semi-réguliers. Nous poursuivons par l'introduction d'opérations de mélange spéciaux sur des mots décrivant des chemins discrets selon la suite de leurs changements de direction. Ces opérations de mélange permettent d'engendrer des courbes fractales du type courbe de dragon et d'analyser\ud certains de leurs invariants. Finalement, une généralisation aux dimensions supérieures des algorithmes précédents basés sur le théorème de Green discret, est présentée. Plus particulièrement, nous développons une version discrète du théorème de Stokes basée sur des familles de poids sur les hypercubes de dimension k dans l'espace discret Zn, k ≤ n. Quelques applications sont également décrites. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Géométrie discrète, Combinatoire des mots, Ensembles discrets, Polyominos, Quasi-disques, Chemins polygonaux, Courbes de dragon, Théorème de Green discret, Théorème de Stokes discret, Algorithmes

Constructions par greffe, combinatoire analytique et génération analytique

Analytic combinatorics is a field which consist in applying methods from complex ana- lysis to combinatorial classes in order to obtain results on their asymptotic properties. We use for that specifications, which are a way to formalise the (often recursive) structure of the objects. In this thesis, we mainly devote ourselves to find new specifications for some combinatorial classes, in order to then apply more effective enumerative or random sampling methods. Indeed, for one combinatorial class several different specifications, based on different decompositions, may exist, making the classical methods - of asymptotic enu- meration or random sampling - more or less adapted. The first set of presented results focuses on Rémy’s algorithm and its underlying holonomic specification, based on a grafting operator. We develop a new and more efficient random sampler of binary trees and a random sampler of Motzkin trees based on the same principle. We then address some question relative to the study of subclasses of λ-terms. Finally, we present two other sets of results, on automatic specification of trees where occurrences of a given pattern are marked and on the asymptotic behaviour and the random sampling of digitally convex polyominoes. In every case, the new specifications give access to methods which could not be applied previously and lead to numerous new results.La combinatoire analytique est un domaine qui consiste à appliquer des méthodes issues de l’analyse complexe à des classes combinatoires afin d’obtenir des résultats sur leurs propriétés asymptotiques. On utilise pour cela des spécifications, qui sont une manière de formaliser la structure (souvent récursive) des objets. Dans cette thèse, nous nous attachons principalement à trouver des nouvelles spécifications pour certaines classes combinatoires, afin de pouvoir ensuite y appliquer des méthodes efficaces d’énumération ou de génération aléatoire. En effet, pour une même classe combinatoire il peut exister différentes spécifications, basées sur des décompositions différentes, rendant les méthodes classiques d’énumération asymptotique et de génération aléatoire plus ou moins adaptées. Le premier volet de résultats présentés concerne l’algorithme de Rémy et la spécification holonome qui y est sous-jacente, basée sur un opérateur de greffe. On y développe un nouvel algorithme, plus efficace, de génération aléatoire d’arbres binaires et un générateur aléatoire d’arbres de Motzkin basé sur le même principe. Nous abordons ensuite des questions relatives à l’étude de sous-classes de λ-termes. Enfin, nous présentons deux autres ensembles de résultats, sur la spécification automatique d’arbres où les occurrences d’un motif donné sont marquées et sur le comportement asymptotique et la génération aléatoire de polyominos digitalement convexes. Dans tous les cas, les nouvelles spécifications obtenues donnent accès à des méthodes qui ne pouvaient pas être utilisées jusque là et nous permettent d’obtenir de nombreux nouveaux résultats

Modélisation Géométrique par Contraintes : Solveurs basés sur l’arithmétique des intervalles

Nowadays many applications of computer graphics and geometric require resolutionnonlinear systems.The calculation of the synthesized images by ray tracing requires the computation of the intersection points between rays (half-lines) and surfaces defined by one or more algebraic equations.Geometric modeling, and Computer Aided Design and Manufacturing (CAD/CAM) needcalculating the points of intersection between such surfaces. This yields systems of algebraic equations of small sizes. All geometric modelers used nowadays provide the possibilityto model geometric objects by a set of geometric constraints.The resolution of these geometric constraints requires the resolution of non linear algebraic systems. The sub-irreducible systems can be large (over ten unknowns and equations) and are solved by numerical methods such the iteration of Newton-Raphson, homotopy (or continuation), methods of Newton per interval and solvers using Bernstein bases or other geometric bases.Bernstein bases allow calculating good estimates of polynomials values over a grid and solving polynomial systems encountered in imaging, geometric modeling, and geometric constraints solving.This thesis presents two types of solvers. The first is based on the classic Bernstein basesand limited to small systems with 6 or 7 unknown at most, as it appears in image synthesis, byfor example ray tracing on parametric surfaces.The second is new, avoids this limitation by defining the Bernstein polytope and using thelinear programming. This second type of solvers is usable on arbitrary sized systems.Aujourd’hui plusieurs applications de l’informatique graphique ou géométrique nécessitent la résolution desystèmes non linéaires.Le calcul des images de synthèse par lancer de rayons nécessite le calcul des points d’intersection entre desrayons (des demi-droites) et des surfaces définies par une ou plusieurs équations algébriques.La modélisation géométrique, et la Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur (CFAO) ont besoinde calculer les points d’intersection entre de telles surfaces. Il en résulte des systèmes d’équations algébriquesde petites tailles. Enfin, tous les modeleurs géométriques utilisés en CFAO fournissent aujourd’hui la possibilitéde modéliser des objets géométriques, ou de dimensionner des pièces, par un ensemble de contraintesgéométriques.La résolution de ces contraintes géométriques nécessite la résolution de systèmes d’équations algébriques nonlinéaires. Les sous systèmes irréductibles peuvent être de grande taille (plus d’une dizaine d’inconnueset d’équations) et sont résolus par des méthodes numériques : citons l’itération de Newton-Raphson,l’homotopie (ou continuation), les méthodes de Newton par intervalles, et les solveurs utilisant les basestensorielles de Bernstein ou d’autres bases géométriques.Les bases tensorielles de Bernstein permettent de calculer de bons encadrements des valeurs des polynômessur des pavés, et de résoudre les systèmes polynomiaux rencontrés en synthèse d’images, en modélisationgéométrique, et en résolution de contraintes géométriques.Cette thèse présente deux types de solveurs. Le premier est classique fondé sur les bases de Bernsteinet limité aux petits systèmes de 6 ou 7 inconnues au plus, comme il apparaît en synthèse d’images, parexemple pour le lancer de rayons sur des surfaces paramétriques.Le second est nouveau, il évite cette limitation en définissant le polytope de Bernstein et en recourant à laprogrammation linéaire. Ce deuxième type de solveurs est utilisable sur des systèmes de taille arbitraire