Enumeration of polyominoes defined in terms of pattern avoidance or convexity constraints

In this thesis, we consider the problem of characterizing and enumerating sets of polyominoes described in terms of some constraints, defined either by convexity or by pattern containment. We are interested in a well known subclass of convex polyominoes, the k-convex polyominoes for which the enumeration according to the semi-perimeter is known only for k=1,2. We obtain, from a recursive decomposition, the generating function of the class of k-convex parallelogram polyominoes, which turns out to be rational. Noting that this generating function can be expressed in terms of the Fibonacci polynomials, we describe a bijection between the class of k-parallelogram polyominoes and the class of planted planar trees having height less than k+3. In the second part of the thesis we examine the notion of pattern avoidance, which has been extensively studied for permutations. We introduce the concept of pattern avoidance in the context of matrices, more precisely permutation matrices and polyomino matrices. We present definitions analogous to those given for permutations and in particular we define polyomino classes, i.e. sets downward closed with respect to the containment relation. So, the study of the old and new properties of the redefined sets of objects has not only become interesting, but it has also suggested the study of the associated poset. In both approaches our results can be used to treat open problems related to polyominoes as well as other combinatorial objects.Comment: PhD thesi

Nested reconfigurable robots: theory, design, and realization

Rather than the conventional classification method, we propose to divide modular and reconfigurable robots into intra-, inter-, and nested reconfigurations. We suggest designing the robot with nested reconfigurability, which utilizes individual robots with intra-reconfigurability capable of combining with other homogeneous/heterogeneous robots (inter-reconfigurability). The objective of this approach is to generate more complex morphologies for performing specific tasks that are far from the capabilities of a single module or to respond to programmable assembly requirements. In this paper, we discuss the theory, concept, and initial mechanical design of Hinged-Tetro, a self-reconfigurable module conceived for the study of nested reconfiguration. Hinged-Tetro is a mobile robot that uses the principle of hinged dissection of polyominoes to transform itself into any of the seven one-sided tetrominoes in a straightforward way. The robot can also combine with other modules for shaping complex structures or giving rise to a robot with new capabilities. Finally, the validation experiments verify the nested reconfigurability of Hinged-Tetro. Extensive tests and analyses of intra-reconfiguration are provided in terms of energy and time consumptions. Experiments using two robots validate the inter-reconfigurability of the proposed module

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

On Minimal Perimeter Polyminoes ⋆

Abstract. This paper explores proofs of the isoperimetric inequality for 4-connected shapes on the integer grid Z 2, and its geometric meaning. Pictorially, we discuss ways to place a maximal number unit square tiles on a chess board so that the shape they form has a minimal number of unit square neighbors. Previous works have shown that “digital spheres” have a minimum of neighbors for their area. We here characterize all shapes that are optimal and show that they are all close to being digital spheres. In addition, we show a similar result when the 8-connectivity metric is assumed (i.e. connectivity through vertices or edges, instead of edge connectivity as in 4-connectivity).