Maximum Bounded Rooted-Tree Problem : Algorithms and Polyhedra

par Jinhua Zhao

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Philippe Mahey et de Hervé Kerivin.

Le président du jury était Ali Ridha Mahjoub.

Le jury était composé de Mohamed Didi Biha, Sourour Elloumi, Fatiha Bendali-Mailfert.

Les rapporteurs étaient Mohamed Didi Biha, Sourour Elloumi.

  • Titre traduit

    Le problème de l’arbre enraciné borné maximum : algorithmes et polyèdres


  • Résumé

    Étant donnés un graphe simple non orienté G = (V, E) et un sommet particulier r dans V appelé racine, un arbre enraciné, ou r-arbre, de G est soit le graphe nul soit un arbre contenant r. Si un vecteur de capacités sur les sommets est donné, un sous-graphe de G est dit borné si le degré de chaque sommet dans le sous-graphe est inférieur ou égal à sa capacité. Soit w un vecteur de poids sur les arêtes et p un vecteur de profits sur les sommets. Le problème du r-arbre borné maximum (MBrT, de l’anglais Maximum Bounded r-Tree) consiste à trouver un r-arbre borné T = (U, F) de G tel que son poids soit maximisé. Si la contrainte de capacité du problème MBrT est relâchée, nous obtenons le problème du r-arbre maximum (MrT, de l’anglais Maximum r-Tree). Cette thèse contribue à l’étude des problèmes MBrT et MrT.Tout d’abord, ces deux problèmes sont formellement définis et leur complexité est étudiée. Nous présentons ensuite des polytopes associés ainsi qu’une formulation pour chacun d’entre eux. Par la suite, nous proposons plusieurs algorithmes combinatoires pour résoudre le problème MBrT (et donc le problème MrT) en temps polynomial sur les arbres, les cycles et les cactus. En particulier, un algorithme de programmation dynamique est utilisé pour résoudre le problème MBrT sur les arbres. Pour les cycles, nous sommes amenés a considérer trois cas différents pour lesquels le problem MBrT se réduit à certains problèmes polynomiaux. Pour les cactus, nous montrons tout d’abord que le problème MBrT peut être résolu en temps polynomial sur un type de graphes appelé cactus basis. En utilisant une série de décompositions en sous-problèmes sur les arbres et les cactus basis, nous obtenons un algorithme pour les graphes de type cactus.La deuxième partie de ce travail étudie la structure polyédrale de trois polytopes associés aux problèmes MBrT et MrT. Les deux premiers polytopes, Bxy(G,r,c) et Bx(G,r,c) sont associés au problème MBrT. Tous deux considèrent des variables sur les arêtes de G, mais seuls Bxy(G,r,c) possède également des variables sur les sommets de G. Le troisième polytope, Rx(G,r), est associé au problème MrT et repose uniquement sur les variables sur les arêtes. Pour chacun de ces trois polytopes, nous étudions sa dimension, caractérisons certaines inégalités définissant des facettes, et présentons les moyens possibles de décomposition. Nous introduisons également de nouvelles familles de contraintes. L’ajout de ces contraintes nous permettent de caractériser ces trois polytopes dans plusieurs classes de graphes.Pour finir, nous étudions les problèmes de séparation pour toutes les inégalités que nous avons trouvées jusqu’ici. Des algorithmes polynomiaux de séparation sont présentés, et lorsqu’un problème de séparation est NP-difficile, nous donnons des heuristiques de séparation. Tous les résultats théoriques développés dans ce travail sont implémentés dans plusieurs algorithmes de coupes et branchements auxquels une matheuristique est également jointe pour générer rapidement des solutions réalisables. Des expérimentations intensives ont été menées via le logiciel CPLEX afin de comparer les formulations renforcées et originales. Les résultats obtenus montrent de manière convaincante la force des formulations renforcées.


  • Résumé

    Given a simple undirected graph G = (V, E) with a so-called root node r in V, a rooted tree, or an r-tree, of G is either the empty graph, or a tree containing r. If a node-capacity vector c is given, then a subgraph of G is said to be bounded if the degree of each node in the subgraph does not exceed its capacity. Let w be an edge-weight vector and p a node-price vector. The Maximum Bounded r-Tree (MBrT) problem consists of finding a bounded r-tree T = (U, F) of G such that its weight is maximized. If the capacity constraint from the MBrT problem is relaxed, we then obtain the Maximum r-Tree (MrT) problem. This dissertation contributes to the study of the MBrT problem and the MrT problem.First we introduce the problems with their definitions and complexities. We define the associated polytopes along with a formulation for each of them. We present several polynomial-time combinatorial algorithms for both the MBrT problem (and thus the MrT problem) on trees, cycles and cactus graphs. Particularly, a dynamic-programming-based algorithm is used to solve the MBrT problem on trees, whereas on cycles we reduce it to some polynomially solvable problems in three different cases. For cactus graphs, we first show that the MBrT problem can be solved in polynomial time on a so-called cactus basis, then break down the problem on any cactus graph into a series of subproblems on trees and on cactus basis.The second part of this work investigates the polyhedral structure of three polytopes associated with the MBrT problem and the MrT problem, namely Bxy(G, r, c), Bx(G, r, c) and Rx(G, r). Bxy(G, r, c) and Bx(G, r, c) are polytopes associated with the MBrT problem, where Bxy(G, r, c) considers both edge- and node-indexed variables and Bx(G, r, c) considers only edge-indexed variables. Rx(G, r) is the polytope associated with the MrT problem that only considers edge-indexed variables. For each of the three polytopes, we study their dimensions, facets as well as possible ways of decomposition. We introduce some newly discovered constraints for each polytope, and show that these new constraints allow us to characterize them on several graph classes. Specifically, we provide characterization for Bxy (G, r, c) on cactus graphs with the help of a decomposition through 1-sum. On the other hand, a TDI-system that characterizes Bx(G,r,c) is given in each case of trees and cycles. The characterization of Rx(G,r) on trees and cycles then follows as an immediate result.Finally, we discuss the separation problems for all the inequalities we have found so far, and present algorithms or cut-generation heuristics accordingly. A couple of branch-and-cut frameworks are implemented to solve the MBrT problem together with a greedy-based matheuristic. We compare the performances of the enhanced formulations with the original formulations through intensive computational test, where the results demonstrate convincingly the strength of the enhanced formulations.


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