Topics in Low-Dimensional Computational Topology
Problèmes de topologie algorithmique en basse dimension
Résumé
Topology is the area of mathematics investigating the qualitative properties of shapes and spaces. Although it has been a classical field of study for more than a century, it only appeared recently that being able to compute the topological features of various spaces might be of great value for many applications. This idea forms the core of the blossoming field of computational topology, to which this work belongs. The three contributions of this thesis deal with the development and the study of topological algorithms to compute deformations and decompositions of low-dimensional objects, such as graphs, surfaces or 3-manifolds.
The first question we tackle concerns deformations: how can one test whether two graphs embedded on the same surface are isotopic, i.e., whether one can be deformed continuously into the other? This kind of problems is relevant to practical problems arising with morphings or geographic information systems, for example. Relying on hyperbolic geometry and ideas from the theory of mapping class groups, we first establish a combinatorial criterion to characterize isotopy, reproving and strengthening a result of Ladegaillerie (1984). Combined with earlier algorithms on the homotopy of curves, this allows us in turn to provide efficient algorithms to solve this graph isotopy problem. We then shift our focus to decompositions, by investigating how to cut surfaces along curves or graphs with prescribed topological properties, which is an important routine in
graph algorithms or computer graphics, amongst others domains. By establishing a strong connection with the continuous setting, as well as studying a discrete model for random surfaces, we improve the best known bounds for several instances of this problem. In particular, this proves a conjecture of Przytycka and Przytycki from 1993, and one of our new bounds readily translates into an algorithm to compute short pants decompositions.
Finally, we move up one dimension, where the best known algorithms for many topological problems, like for example unknot recognition, are exponential. Most of these algorithms rely on normal surfaces, a ubiquitous tool to study the surfaces embedded in a 3-manifold. We investigate a relaxation of this notion called immersed normal surfaces, whose more convenient algebraic structure makes them good candidates to solve topological problems in polynomial time. We show that when working with immersed normal surfaces, a natural problem on the detection of singularities arises, and we prove it to be NP-hard – this is noteworthy as hardness results are very scarce in 3-dimensional topology. Our reduction works by establishing a connection with a restricted class of constraint satisfaction problems which has been partially classified by Feder.
La topologie, c’est-à-dire l’étude qualitative des formes et des espaces, constitue un domaine classique des mathématiques depuis plus d’un siècle, mais il n’est apparu que récemment que pour de nombreuses applications, il est important de pouvoir calculer informatiquement les propriétés topologiques d’un objet. Ce point de vue est la base de la topologie algorithmique, un domaine très actif à l’interface des mathématiques et de l’informatique auquel ce travail se rattache. Les trois contributions de cette thèse concernent le développement et l’étude d’algorithmes topologiques pour calculer des décompositions et des déformations d’objets de basse dimension, comme des graphes, des surfaces ou des
3-variétés.
Le premier problème auquel nous nous attaquons traite de déformations : comment peut-on tester si deux graphes dessinés sur une même surface sont isotopes, c’est-à-dire si l’on peut déformer continûment l’un en l’autre ? Ce type de question est relié à des problèmes pratiques que l’on rencontre par exemple dans les systèmes d’information géographique ou les métamorphoses (morphings). En nous appuyant sur des concepts de géométrie hyperbolique et de la théorie des mapping class groups, nous établissons d’abord un critère combinatoire pour caractériser l’isotopie, ce qui reprouve et améliore un résultat de Ladegaillerie de 1984. Ensuite, en combinant ceci avec des algorithmes antérieurs pour tester l’homotopie de courbes, nous fournissons des algorithmes efficaces pour résoudre ce problème d’isotopie de graphes.
Nous déplaçons ensuite notre étude vers des problèmes de décompositions, en nous intéressant à la découpe de surfaces le long de courbes ou de graphes respectant certaines propriétés topologiques, ce qui est une routine importante en algorithmique des graphes ou en infographie, parmi d’autres domaines. En établissant une forte connexion avec le cas continu, ainsi qu’en étudiant un modèle discret de surfaces aléatoires, nous améliorons les meilleures bornes connues pour plusieurs schémas de découpe. Cela prouve en particulier une conjecture de Przytycka et Przytycki datant de 1993, et fournit également un nouvel algorithme pour calculer des décompositions en pantalons courtes.
Enfin, nous montons d’une dimension, où les meilleurs algorithmes connus pour de nombreux problèmes topologiques (comme le célèbre problème du nœud) sont exponentiels. La plupart de ces algorithmes reposent sur les surfaces normales, un objet omniprésent pour étudier les surfaces plongées dans une 3-variété. Nous étudions une relaxation naturelle de cette notion, les surfaces normales immergées, dont la meilleure structure algébrique en fait de bons candidats pour obtenir des algorithmes polynomiaux pour des problèmes topologiques. Dans ce travail, nous montrons qu’utiliser des surfaces normales immergées mène naturellement à un problème de détection de singularités, et nous prouvons que celui-ci est NP-dur ; c’est un résultat notable car l’on dispose de très peu de preuves de difficulté en topologie en 3 dimensions. Notre réduction s’appuie sur une connexion avec une classe restreinte de problèmes de satisfaction de contraintes qui a été partiellement classifiée par Feder.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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