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Orientador: Zanoni Dias Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: O Problema das Panquecas tem como objetivo ordenar uma pilha de panquecas que possuem tamanhos distintos realizando o menor número possível de operações. A operação permitida é chamada reversão de prefixo e, quando aplicada, inverte o topo da pilha de panquecas. Tal problema é interessante do ponto de vista combinatório por si só, mas ele também possui algumas aplicações em biologia computacional. Dados dois genomas que compartilham o mesmo número de genes, e assumindo que cada gene aparece apenas uma vez por genoma, podemos representá-los como permutações (pilhas de panquecas também são representadas por permutações). Então, podemos comparar os genomas tentando descobrir como um foi transformado no outro por meio da aplicação de rearranjos de genoma, que são eventos de mutação de grande escala. Reversões e transposições são os tipos mais comumente estudados de rearranjo de genomas e uma reversão de prefixo (ou transposição de prefixo) é um tipo de reversão (ou transposição) que é restrita ao início da permutação. Quando o rearranjo é restrito ao final da permutação, dizemos que ele é um rearranjo de sufixo. Um problema de ordenação de permutações por rearranjos é, portanto, o problema de encontrar uma sequência de rearranjos de custo mínimo que ordene a permutação dada. A abordagem tradicional considera que todos os rearranjos têm o mesmo custo unitário, de forma que o objetivo é tentar encontrar o menor número de rearranjos necessários para ordenar a permutação. Vários esforços foram feitos nos últimos anos considerando essa abordagem. Por outro lado, um rearranjo muito longo (que na verdade é uma mutação) tem mais probabilidade de perturbar o organismo. Portanto, pesos baseados no comprimento do segmento envolvido podem ter um papel importante no processo evolutivo. Dizemos que essa abordagem é ponderada por comprimento e o objetivo nela é tentar encontrar uma sequência de rearranjos cujo custo total (que é a soma do custo de cada rearranjo, que por sua vez depende de seu comprimento) seja mínimo. Nessa tese nós apresentamos os primeiros resultados que envolvem problemas de ordenação de permutações por reversões e transposições de prefixo e sufixo considerando ambas abordagens tradicional e ponderada por comprimento. Na abordagem tradicional, consideramos um total de 10 problemas e desenvolvemos novos resultados para 6 deles. Na abordagem ponderada por comprimento, consideramos um total de 13 problemas e desenvolvemos novos resultados para todos eles Abstract: The goal of the Pancake Flipping problem is to sort a stack of pancakes that have different sizes by performing as few operations as possible. The operation allowed is called prefix reversal and, when applied, flips the top of the stack of pancakes. Such problem is an interesting combinatorial problem by itself, but it has some applications in computational biology. Given two genomes that share the same genes and assuming that each gene appears only once per genome, we can represent them as permutations (stacks of pancakes are also represented by permutations). Then, we can compare the genomes by figuring out how one was transformed into the other through the application of genome rearrangements, which are large scale mutations. Reversals and transpositions are the most commonly studied types of genome rearrangements and a prefix reversal (or prefix transposition) is a type of reversal (or transposition) which is restricted to the beginning of the permutation. When the rearrangement is restricted to the end of the permutation, we say it is a suffix rearrangement. A problem of sorting permutations by rearrangements is, therefore, the problem to find a sequence of rearrangements with minimum cost that sorts a given permutation. The traditional approach considers that all rearrangements have the same unitary cost, in which case the goal is trying to find the minimum number of rearrangements that are needed to sort the permutation. Numerous efforts have been made over the past years regarding this approach. On the other hand, a long rearrangement (which is in fact a mutation) is more likely to disturb the organism. Therefore, weights based on the length of the segment involved may have an important role in the evolutionary process. We say this is the length-weighted approach and the goal is trying to find a sequence of rearrangements whose total cost (the sum of the cost of each rearrangement, which depends on its length) is minimum. In this thesis we present the first results regarding problems of sorting permutations by prefix and suffix reversals and transpositions considering both the traditional and the length-weighted approach. For the traditional approach, we considered a total of 10 problems and developed new results for 6 of them. For the length-weighted approach, we considered a total of 13 problems and developed new results for all of them Doutorado Ciência da Computação Doutora em Ciência da Computação FAPESP 140017/2013-5 CNPQ 2013/01172-0

Agradecimentos: This work was partially supported by São Paulo Research Foundation - FAPESP (grants 2013/01172-0 and 2013/08293-7) and National Counsel of Technological and Scientific Development - CNPq (grants 477692/2012-5 and 483370/2013-4). We thank Espaço da Escrita - Coordenadoria Geral da Universidade - UNICAMP - for the language services provided Abstract: Reversals and transpositions are the most common kinds of genome rearrangements, which allow us to establish the divergence between individuals along evolution. When the rearrangements affect segments from the beginning or from the end of the genome, we say they are prefix or suffix rearrangements, respectively. This paper presents the first approximation algorithms for the problems of Sorting by Prefix Reversals and Suffix Reversals, Sorting by Prefix Transpositions and Suffix Transpositions and Sorting by Prefix Reversals, Prefix Transpositions, Suffix Reversals and Suffix Transpositions, all of them with factor 2. We also present the intermediary algorithms that lead us to the main results FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQ Aberto

Este artigo apresenta os algoritmos ColorAnt-RT para o problema dacoloração de grafos, os quais foram desenvolvidos para serem utilizados em umalocador de registradores. Os experimentos demonstram que ColorAnt3-RT é uma boa opção dentre os desenvolvidos para encontrarboas aproximações para diversas classes de grafos. Além disto, os experimentostambém demonstram que o alocador de registradores implementado possui umdesempenho superior aquele obtido pelo alocador de registradores proposto porGeorge e Appel.

Orientadores: Zanoni Dias, Ulisses Martins Dias Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: A genômica comparativa é um campo de pesquisa da biologia com foco na comparação de características genéticas entre organismos. Dentre as características genéticas comumente utilizadas, podemos citar a sequência de genes dos genomas. O número de mutações genéticas capazes de transformar uma sequência genética em outra é uma das métricas amplamente utilizada para a comparação de dois genomas. Os rearranjos de genoma são eventos mutacionais que podem afetar grandes trechos de um genoma. A reversão e a transposição são dois dos eventos de rearranjo mais estudados na literatura. Uma reversão inverte um segmento do genoma, enquanto uma transposição troca a posição de dois segmentos adjacentes. Um modelo de rearranjo determina o conjunto de eventos de rearranjo que podem ser utilizados para transformar um genoma em outro. Os primeiros estudos apresentaram resultados considerando modelos de rearranjo constituídos exclusivamente por um único tipo de evento de rearranjo. Estudos posteriores apresentaram resultados considerando modelos de rearranjo compostos por múltiplos tipos de eventos de rearranjo. Quando consideramos apenas o número de eventos de rearranjo necessários para transformar um genoma em outro, assumimos que cada evento tem a mesma probabilidade de ocorrer em um cenário evolutivo, sendo essa abordagem chamada de não ponderada. No entanto, quando assumimos que determinados tipos de eventos ocorrem mais do que outros, é possível atribuir um custo a cada tipo de evento de rearranjo. Nessa nova versão, o objetivo do problema consiste em buscar uma sequência de eventos de rearranjo que transforme um genoma em outro com custo mínimo, sendo essa abordagem chamada de ponderada. Nesta tese, apresentamos uma abordagem que considera uma proporção mínima entre a quantidade de eventos de reversão e o tamanho da sequência de eventos de rearranjo que transforma um genoma em outro. Nós mostramos que a abordagem de proporção naturalmente contorna problemas que podem surgir adotando uma abordagem ponderada ou não ponderada. Além disso, realizamos uma análise de complexidade do problema e apresentamos algoritmos de aproximação com fatores constantes. Estudos têm destacado a importância da informação presente nas regiões intergênicas, que são estruturas presentes entre cada par de genes e nas extremidades de um genoma, e que podem levar a modelos mais realistas considerando um contexto evolutivo. O tamanho de cada região intergênica é dado pelo número de nucleotídeos presentes nela. Desde então, foram apresentados estudos considerando tanto a sequência de genes quanto o tamanho das regiões intergênicas para representar um genoma. Nesta tese, mostramos resultados nesse mesmo contexto, mas consideramos diferentes modelos de rearranjo. Além disso, introduzimos uma generalização dos problemas possibilitando atribuir um grau de flexibilidade em relação ao tamanho das regiões intergênicas desejadas no genoma alvo. Para ambos os casos, realizamos uma análise de complexidade dos problemas, desenvolvemos algoritmos e conduzimos experimentos para verificar o desempenho prático Abstract: Comparative genomics is a field of research in biology focusing on comparing genetic features between organisms. Among the genetic features commonly used, we can mention the sequence of genes in genomes. The number of genetic mutations capable of transforming one gene sequence into another is a widely used metric to compare genomes. Genome rearrangement events are mutational events that can affect large stretches of a genome. Reversal and transposition are two of the most studied rearrangement events in the literature. A reversal inverts a genome segment, while a transposition exchanges the position of two adjacent segments. A rearrangement model determines the set of rearrangement events that can be used to transform one genome into another. Early studies presented results considering a rearrangement model consisting exclusively of a single type of rearrangement event. However, subsequent studies presented results considering rearrangement models composed of multiple rearrangement events. When we consider only the number of rearrangement events that are required to transform one genome into another, we assume that each event has the same probability of occurring in an evolutionary scenario; this is called the unweighted approach. However, when we want certain types of events to occur more than others, it is possible to assign a cost to each type of rearrangement event. The problem goal changes to search for a sequence of rearrangement events that transforms one genome into another with minimal cost; this is called the weighted approach. In this work, we introduce an approach that considers a minimum proportion between the number of reversal events and the size of the rearrangement sequence that transforms one genome into another. We show that the proportion approach naturally overcomes problems that may arise by adopting a weighted or unweighted approach. In addition, we perform a complexity analysis of the problem and present approximation algorithms with constant factors. Another genetic feature that studies pointed out as relevant in a genetic comparison context is the intergenic regions, which are structures between each pair of genes and at the extremities of a genome. The size of each intergenic region is the number of nucleotides within it. Since then, studies were presented considering both the sequence of genes and the size of the intergenic regions to represent a genome. In this work, we show results in this same context but we consider different rearrangement models. In addition, we introduce a generalization of the problems such that it is possible to assign a degree of flexibility regarding the size of the intergenic regions desired in the target genome. For both cases, we conducted a complexity analysis of the problems, developed algorithms, and performed experiments to verify the practical performance Doutorado Ciência da Computação Doutor em Ciência da Computação CNPQ 140272/2020-8 CAPES 001

Orientadores: Flávio Keidi Miyazawa, Rafael Crivellari Saliba Schouery Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: Problemas relacionados com meios de transporte são comumente encontrados na área de Otimização Combinatória, como, por exemplo, o Problema do Caixeiro Viajante e o Problema de Roteamento de Veículos. Nesta dissertação, consideramos um problema de transporte sob a perspectiva da teoria de jogos algorítmica onde todos os jogadores querem ser transportados a um destino em comum o mais rápido possível, e para isso eles devem escolher um dentre os ônibus disponíveis. Revisamos alguns resultados quanto à existência e à ineficiência de equilíbrios puros de Nash em relação a duas funções sociais. Então, apresentamos limitantes para o Preço de Anarquia para uma nova função social, chamada de função utilitária. Consideramos também o jogo na forma extensiva, o qual chamamos de jogos de transporte sequenciais e apresentamos limitantes para o Preço da Anarquia Sequencial considerando três funções sociais, para instâncias métricas e não-métricas Abstract: Problems related to transportation, such as the Traveling Salesman Problem and the Vehicle Routing Problem, commonly appear in the Combinatorial Optimization area. In this master¿s thesis, we present a game-theoretic analysis of a transportation game where all players want to be transported to a common destination as quickly as possible and, in order to achieve this goal, they have to choose one of the available buses. We review some results concerned with the existence and inefficiency of Pure Nash Equilibria in relation with two social functions. Then, we give bounds on the Price of Anarchy to a new social function, called the utilitarian function. Furthermore, we consider the game in its extensive form, which we call sequential transportation games, and then we provide bounds for the Sequential Price of Anarchy considering three social functions in both metric and non-metric instances Mestrado Ciência da Computação Mestre em Ciência da Computação FAPESP 2017/05223-9 CNPQ 148027/2016-4 CAPES 2017/05223-9

Orientadora: Profa. Dra. Carla Negri Lintzmayer Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, Santo André, 2021. O formalismo das Redes de Petri tem sido estendido de várias maneiras para suportar recursos como tipos de dados, hierarquias, tempo, comunicação, prioridades, aninhamento e recursão. Os dois últimos recursos combinados nas Redes de Petri Aninhadas permitem uma modelagem incremental usando múltiplas camadas, que é muito conveniente para lidar com os sistemas cada vez mais complexos de hoje. Apesar disso, atualmente não existe ferramenta para projetar, simular e verificar as propriedades dessas redes. Portanto, na prática, elas devem ser transformadas em redes hierárquicas de uma única camada antes de serem analisadas. Esse processo de achatamento aumenta significativamente o tamanho da rede, dificultando a simulação e a interpretação dos resultados no modelo original após a verificação. O presente trabalho apresenta um panorama histórico que levou ao desenvolvimento das redes aninhadas e tem como objetivo fornecer um método que permita analisar o comportamento de uma rede de Petri aninhada preservando sua estrutura multicamadas. Para este fim, por meio desta dissertação, foi proposto o uso de uma ferramenta de verificação de modelos usualmente aplicada à verificação de software multithread, o SPIN. Em particular, as Redes de Petri Aninhadas foram modeladas a partir de uma proposta de extensão da PNML (Petri Net Markup Language - ISO15909-2), e traduzidas de forma automática em modelos de entrada para o verificador SPIN. O resultado da tradução automática foi avaliado a partir da análise de propriedades de redes aninhadas baseadas em modelos que surgem principalmente de dois domínios de aplicação: os sistemas multiagentes e fluxos de trabalho. Isso foi feito utilizando exemplos da literatura para avaliar a eficácia do método e comparar os resultados com os de outras iniciativas. The Petri nets formalism has been adapted and extended in several ways in order to support features such as data structures, hierarchies, time, communication, priorities, nesting, and recursion. The last two features, combined in the Nested Petri nets, allow incremental modeling by using multiple layers, which is very convenient for dealing with complex systems. In spite of this, currently, there is no tool to simulate and verify the properties of these nets. Therefore, in practice, these multilayer nets are usually turned into flat nets. This flattening process increases significantly the size of the net, making the simulation and the interpretation of the results in the original model after verification difficult. This work presents a historical overview that led to the development of nested networks and aims to provide a method that allows the analysis of the behavior of a nested Petri network while preserving its multilayer structure. To that end, through this dissertation, the use of a model verification tool usually applied to multithreaded software verification, the SPIN, is proposed. Particularly, the nested Petri nets were modeled in a proposed extension of the PNML (Petri Net Markup Language - ISO15909-2) that is automatically translated into input models for the SPIN verifier. The result of this translation was evaluated by the analysis of some properties of nested networks based on models that arise mainly from two application domains: multiagent systems and workflows. This was done using examples from the literature to assess the effectiveness of the method and to compare the results with other initiatives.

Orientadores: Rafael Crivellari Saliba Schouery, Eduardo Candido Xavier Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: Jogos hedônicos são jogos de formação de coalizão nos quais os agentes apenas se importam ou são influenciados pelos agentes na mesma coalizão que eles estão. Os agentes podem formar qualquer coalizão que eles queiram e cada agente tem um perfil de preferência, uma ordem fraca sobre o conjunto de coalizões que o contém indicando sua preferência. Um jogo hedônico é definido por um conjunto de agentes e seus perfis de preferência. Classicamente, o resultado de tais jogos é uma partição do conjunto de agentes. Nesta dissertação, nós revisamos alguns resultados da literatura a respeito da existência de resultados Nash estáveis, do preço da anarquia e estabilidade, da existência de partições no núcleo e da complexidade de computar um resultado que está no núcleo. Estudamos o modelo de jogos hedônicos que permite a formação de coalizões com sobreposição. Esta extensão permite a representação de vários cenários como interações sociais, grupos de trabalhos e formação de redes. Nós apresentamos um modelo para jogos fracionários com sobreposição de coalizões e mostramos que o núcleo não é vazio para jogos representados por circuitos, caminhos e grafos bipartidos com emparelhamento perfeito. Nós também apresentamos um modelo para jogos hedônicos aditivamente separáveis com sobreposição de coalizões. Mais ainda, mostramos que, para jogos hedônicos aditivamente separáveis simétricos com sobreposição de coalizões, o bem-estar social de qualquer estrutura de coalizão é no máximo o bem-estar social ótimo da versão do jogo sem sobreposição de coalizões Abstract: Hedonic games are coalition formation games where the agents only care or are influenced by agents in the same coalition as they are. Agents may form any coalition they want, and every agent has a preference profile, a weak ordering on the set of coalitions that contains it. A hedonic game is defined by a set of agents and their profile preferences. Classically, the outcome of such games is a partition of the agent set. We review some literature results regarding the existence of Nash stable outcomes, the price of anarchy and stability, the existence of core stable partitions, and the complexity to compute a Core stable outcome. We extend the hedonic games model by allowing the formation of overlapping coalitions. This extension permits the representation of many scenarios by hedonic games, such as social interactions, working groups, and network formation. We give a model for fractional hedonic games with overlapping coalitions and we show that the core is not empty for games represented by cycles, paths, and bipartite graphs with perfect matching. We also give a model for additively separable hedonic games with overlapping coalitions. Moreover, we show that for symmetric additively separable hedonic games with overlapping coalitions, the social welfare of any coalition structure is at most the optimal social welfare of the game version without overlapping coalitions Mestrado Ciência da Computação Mestre em Ciência da Computação CAPES

Orientadores: Zanoni Dias, Carla Negri Lintzmayer Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: O resumo poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The abstract is available with the full electronic digital document Mestrado Ciência da Computação Mestre em Ciência da Computação CAPES

Orientadores: Zanoni Dias, Ulisses Martins Dias Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: Rearranjos de Genomas são eventos que afetam longos trechos de um genoma durante a evolução. Dentre os rearranjos mais estudados, temos a reversão, que inverte a ordem e a orientação de um bloco consecutivo de genes, e a transposição, que troca a ordem relativa de dois blocos adjacentes. Modelos matemáticos vêm sendo utilizados para estimar a distância evolutiva entre diferentes organismos por rearranjos de genomas. A representação de um genoma se dá, na maioria das vezes, pela atribuição de um número único para cada gene e, ao supor que não existem genes repetidos, essa representação pode ser vista como uma permutação. Supondo que os dois genomas a serem comparados compartilham o mesmo conjunto de genes, calcular a distância evolutiva entre eles se torna o problema de encontrar o menor número de rearranjos necessários que transforma uma permutação em outra. Nesta tese, apresentamos diversos resultados envolvendo problemas de rearranjos de genomas: (i) provas de NP-dificuldade para quatro problemas cuja complexidade era desconhecida; (ii) um algoritmo polinomial exato para um problema cuja complexidade era desconhecida; e (iii) algoritmos de aproximação e provas de NP-dificuldade para problemas onde a representação dos genomas não considera apenas a ordem dos genes. Descrevemos estas contribuições com maior profundidade nos parágrafos a seguir. Dentre os problemas que envolvem rearranjos de genomas, existem quatro versões que permitem o uso de reversões e transposições ao mesmo tempo e que, apesar dos diversos algoritmos propostos nos últimos 20 anos, permaneciam com complexidade desconhecida. A primeira contribuição apresentada é a prova de NP-dificuldade desses quatro problemas. Uma das variações dos problemas de rearranjos de genomas consideram que cada rearranjo pode afetar apenas um pequeno número de genes, também conhecidos como rearranjos curtos e super curtos. Neste contexto, nossa segunda contribuição é a prova de que o único problema cuja complexidade era desconhecida envolvendo reversões super curtas e transposições super curtas admite um algoritmo polinomial exato. A grande maioria das abordagens em problemas de rearranjos existentes na literatura focaram apenas na ordem relativa dos genes de um genoma, desconsiderando outras características importantes existentes no genoma. Recentemente, pesquisadores mostraram que considerar as regiões existentes entre cada par de genes, chamadas de regiões intergênicas, pode resultar em melhores estimadores de distância em dados reais. Desta forma, nossa terceira contribuição investiga a incorporação das regiões intergênicas em modelos já existentes para reversões e transposições, tanto na abordagem sem restrições como na abordagem que considera apenas rearranjos super curtos, onde investigamos diversos algoritmos de aproximação para problemas que são NP-difíceis ou possuem complexidade desconhecida Abstract: Genome rearrangements are events that affect large stretches of a genome during evolution. Two of the most studied rearrangements are reversals, which reverses the order and orientation of a consecutive block of genes, and transpositions, which exchanges the relative order of two adjacent blocks. Mathematical models have been used to estimate the evolutionary distance between different organisms by genome rearrangements. The representation of a genome is very often made by assigning a unique number to each gene. If we assume no repeated genes, this representation can be seen as a permutation. By considering that the two genomes to be compared share the same set of genes, finding the evolutionary distance between them becomes the problem of finding the smallest number of genome rearrangements needed to transform one permutation into the other. In this thesis, we present several results involving genome rearrangement problems: (i) proofs of NP-hardness for four problems whose complexity was unknown; (ii) an exact polynomial algorithm for a problem whose complexity was unknown; and (iii) approximation algorithms and proofs of NP-hardness for problems where the genome representation carry more information than only the gene order. We describe these contributions in more depth in the following paragraphs. Among the problems involving genome rearrangements, four versions that allow the use of reversals and transpositions at the same time remained with unknown complexity despite the various algorithms proposed in the last 20 years. The first contribution presented is then the proofs of NP-hardness for these four problems. A variant of genome rearrangement problems considers that each rearrangement can affect only a small number of genes, also known as short and super short rearrangements. In this context, our second contribution is proof that the only problem involving super short reversals and super short transpositions whose complexity was unknown admits an exact polynomial algorithm. Most of the approaches for genome rearrangement problems in the literature so far have focused only on the relative order of genes in a genome, disregarding other important features presented in it. Recently, researchers have shown that considering the regions between each pair of genes, called intergenic regions, can result in better distance estimators in real data. Thus, our third contribution investigates the incorporation of intergenic regions in existing models for reversals and transpositions, both in the unrestricted and size restricted versions (i.e. super short operations), where we propose several approximation algorithms for problems that are either NP-hard or with unknown complexity Doutorado Ciência da Computação Doutor em Ciência da Computação CAPES CNPQ 140466/2018-5

Orientador: Lehilton Lelis Chaves Pedrosa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: Nesta dissertação, estudamos algumas generalizações de problemas clássicos de roteamento e conectividade cujas instâncias são compostas por um grafo completo e múltiplas funções de distância. Por exemplo, existe o Problema do Caixeiro Alugador (CaRS), no qual um viajante deseja visitar um conjunto de cidades alugando um ou mais carros disponíveis. Cada carro tem uma função de distância e uma taxa de retorno ao local do aluguel. CaRS é uma generalização do Problema do Caixeiro Viajante (TSP). Nós lidamos com esses problemas usando algoritmos de aproximação, que são algoritmos eficientes que produzem soluções com garantia de qualidade. Neste trabalho, são apresentadas duas abordagens, uma baseada em uma redução linear que preserva o fator de aproximação e outra baseada na construção de instâncias de dois problemas distintos. Os problemas considerados são o Steiner TSP, o Problema do Passeio com Coleta de Prêmios e o Problema da Floresta Restrita. Generalizamos cada um desses problemas considerando múltiplas funções de distância e, para cada um deles, apresentamos um algoritmo de aproximação com fator O(logn), onde n é o número de vértices (cidades). Essas aproximações são assintoticamente ótimas, já que não há algoritmos com fator o(log n), a não ser que P = NP Abstract: In this dissertation, we study some generalizations of classical routing and connectivity problems whose instances are composed of a complete graph and multiple distance functions. As an example, there is the Traveling Car Renter Problem (CaRS) in which a traveler wants to visit a set of cities by renting one or more available cars. Each car is associated to a distance function and a service fee to return to the rental location. CaRS is a generalization of the Traveling Salesman Problem (TSP). We deal with these problems using approximation algorithms which are efficient algorithms that produce solutions with quality guarantee. In this work, two approaches are presented, one based on a linear reduction that preserves the approximation factor and the other based on the construction of instances of two distinct problems. The studied problems are the Steiner TSP, the Profitable Tour Problem, and the Constrained Forest Problem. We generalize these problems by considering multiple distance functions and, for each of them, we present an O(log n)-approximation algorithm, where n is the number of vertices (cities). The factor is asymptotically optimal, since there is no approximation algorithm with factor o(log n) unless P = NP Mestrado Ciência da Computação Mestra em Ciência da Computação CAPES 001

Orientador: Rafael Crivellari Saliba Schouery Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: Serviços de compartilhamento de viagens se popularizaram, e a precificação de viagens é um problema crucial para estes sistemas. Nesta dissertação, nós propomos e analisamos um novo mecanismo orçamento-balanceado e à prova de estratégia, o leilão \emph{Weighted Minimum Surplus} (WMS), para o problema de compartilhamento de viagens dinâmico com múltiplos passageiros por viagem. Também propomos e analisamos uma versão orçamento-balanceado do mecanismo VCG (Vickrey-Clarke-Groves), o $\mathrm{VCG}_s$. Sob a hipótese de alternativas \emph{downward closed}, obtemos um limitante inferior para o bem-estar social excedente e o lucro excedente do WMS. Apresentamos um algoritmo exato baseado em programação linear inteira para resolver estes leilões. Resultados experimentais encorajadores são obtidos para o lucro e bem estar social tanto do WMS como do $\mathrm{VCG}_s$ Abstract: Ridesharing and ridesourcing services have become widespread, and the pricing of rides is a crucial problem for these systems. In this thesis, we propose and analyze a novel budget-balanced and strategy-proof mechanism, the Weighted Minimum Surplus (WMS) auction, for the dynamic ridesharing problem with multiple passengers per ride. We also analyze a budget-balanced version of the well-known VCG (Vickrey-Clarke-Groves) mechanism, the $\mathrm{VCG}_s$. Under the assumption of downward closed alternatives, we obtain a lower bound for the surplus welfare and surplus profit of the WMS. We present an exact algorithm based on integer linear programming to solve these auctions. Encouraging experimental results for profit and welfare were obtained for both the WMS auction and the $\mathrm{VCG}_s$ Mestrado Ciência da Computação Mestre em Ciência da Computação

Orientadores: Zanoni Dias, Carla Negri Lintzmayer Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: Calcular a distância evolucionária entre espécies é um problema importante da área de Biologia Computacional. Em várias abordagens, o cálculo dessa distância considera apenas rearranjos de genomas, os quais são conjuntos de mutações que alteram grandes trechos do genoma de um organismo. Assumindo que o genoma não possui genes duplicados, podemos representá-lo como permutações de números inteiros, em que cada elemento corresponde a um bloco conservado (região de alta similaridade entre os genomas comparados) e o sinal de cada elemento corresponde à orientação desse bloco. Ao usar permutações, o problema de transformar um genoma em outro é equivalente ao da Ordenação de Permutações por Operações de Rearranjo. A abordagem tradicional desse problema considera que todas as operações tem o mesmo custo e, assim, o objetivo é encontrar uma sequência mínima de operações que ordene a permutação. Entretanto, estudos indicam que algumas operações de rearranjo tem maior probabilidade de acontecer do que outras, fazendo com que abordagens em que operações possuem custos diferentes sejam mais realistas. Nas abordagens ponderadas, o objetivo é encontrar a sequência que ordena a permutação, de modo que a soma dos custos dos rearranjos dessa sequência seja mínimo. Neste trabalho, apresentamos algoritmos de aproximação para duas novas variações dos problemas da Ordenação de Permutações por Operações Ponderadas. A primeira variação utiliza uma função de custo correspondente à quantidade de fragmentações que a operação causa na permutação. A segunda variação utiliza uma função de custo proporcional ao tamanho da operação, além de adicionar a restrição de que as operações sejam curtas. Para cada uma das variações, foram considerados cinco problemas com os seguintes modelos de rearranjo: reversões sem sinais, reversões com sinais, transposições, reversões sem sinais e transposições, e reversões com sinais e transposições. Considerando os problemas da Ordenação de Permutações por Operações Ponderadas pelo Número de Fragmentações, apresentamos uma análise da relação entre os problemas não ponderados e essa variação, dois algoritmos de 2-aproximação para cada um dos cinco modelos de rearranjo, resultados experimentais desses algoritmos e limitantes inferiores e superiores para o diâmetro desses problemas. Além disso, apresentamos propriedades sobre permutações simples e um algoritmo de 1.5-aproximação assintótica para essa classe de permutações considerando reversões com sinais e/ou transposições. Para os problemas da Ordenação de Permutações por Operações Curtas Ponderadas pelo Tamanho, apresentamos uma análise da relação entre os problemas não ponderados e essa variação, algoritmos de aproximação com fator constante para cada um dos cinco modelos de rearranjo e resultados experimentais desses algoritmos. Além disso, fizemos uma análise do fator de aproximação dos algoritmos quando a função de custo é igual a l ^ alpha, onde l é o tamanho da operação e alpha > 1 é uma constante Abstract: One of the main problems in Computational Biology is to find the evolutionary distance among species. In most approaches, such distance only involves rearrangements, which are mutations that alter large pieces of the species' genome. Considering that the genome has no repeated genes, we can represent them as signed permutations, where each element corresponds to a synteny block (region of high similarity between the genomes compared) and the sign of each element corresponds to the orientation of such blocks. When using permutations, the problem of transforming one genome into another is equivalent to the problem of Sorting Permutations by Rearrangement Operations. The traditional approach is to consider that any rearrangement has the same probability to happen, and so the goal is to find a minimum sequence of operations which sorts the permutation. However, studies have shown that some rearrangements are more likely to happen than others, and so a weighted approach is more realistic. In a weighted approach, the goal is to find a sequence which sorts the permutations, such that the sum of the rearrangements' cost of that sequence is minimum. In this work, we presented approximation algorithms for two new variations of the Sorting Permutations by Weighted Operations problem. The first variation uses a cost function related to the amount of fragmentation caused by a rearrangement. The second variation uses a cost function proportional to the rearrangement's length, along with the constraint that operations must be short. For each variation, we considered five problems with the following rearrangement models: unsigned reversals, signed reversals, transpositions, unsigned reversals and transpositions, and signed reversals and transpositions. Considering the problems of Sorting Permutations by Fragmentation-Weighted Operations, we presented an analysis of the relation between the traditional approach and this variation, 2-approximation algorithms for each rearrangement model, experimental results of these algorithms, and upper and lower bounds for the diameter of these problems. Besides that, we showed properties of simple permutations and a 1.5-asymptotic approximation algorithm for this class of permutation considering signed reversals and/or transpositions. Considering the problems of Sorting Permutations by Length-Weighted Short Operations, we presented an analysis of the relation between the traditional approach and this variation, approximation algorithms with constant factor for each rearrangement model, and experimental results for these algorithms. Besides that, we analyzed the approximation factor for the algorithms we developed when the cost function is equal to l ^ alpha, where l is the rearrangement's length and alpha > 1 is a constant Mestrado Ciência da Computação Mestre em Ciência da Computação FAPESP 2017/16871-1 CNPQ 131182/2017-0

Orientadores: Eduardo Candido Xavier, Carla Negri Lintzmayer Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação Resumo: O Problema de Realocação de Blocos é um problema importante em sistemas de armazenamento. Um exemplo de entrada para este problema consiste em um conjunto de blocos distribuídos em pilhas, onde cada bloco é identicado por um número que representa sua prioridade de recuperação e todas as pilhas têm um mesmo limite de altura. Apenas blocos no topo de uma pilha podem ser movidos, com dois tipos de movimentos: ou um bloco é recuperado, o que ocorre quando ele tem a mais alta prioridade de recuperação entre os blocos empilhados, ou um bloco é realocado do topo de uma pilha para o topo de outra pilha. O objetivo é recuperar todos os blocos, respeitando sua prioridade de recuperação e executando o menor número de realocações. Resolver este problema é crítico em sistemas de armazenamento, pois economiza tempo e recursos operacionais. Apresentamos dois novos limitantes inferiores para o número de realocações em uma solução ótima. Implementamos um algoritmo de deepening A* usando esses limites inferiores propostos e outros limites inferiores bem conhecidos da literatura. Foi realizado um extenso conjunto de experimentos computacionais mostrando que os novos limites inferiores melhoram o desempenho do algoritmo exato, resolvendo mais instâncias otimamente do que quando usando outros limites inferiores na mesma quantidade de tempo Abstract: The Blocks Relocation Problem is an important problem in storage systems. An input instance for this problem consists of a set of blocks distributed in stacks where each block is identified by a retrieval priority number and each stack has the same maximum height limit. Only blocks at the top of a stack can be moved: either a block is retrieved, if it has the highest retrieval priority among the stacked blocks, or it is relocated to the top of another stack. The objective is to retrieve all the blocks, respecting their retrieval priority while performing the minimum number of relocations. Solving this problem is critical in storage systems because it saves operational time and resources. We present two new lower bounds for the number of relocations of an optimal solution. We implemented an iterative deepening A* algorithm using these new proposed lower bounds and other well- known lower bounds from the literature. We performed an extensive set of computational experiments showing that the new lower bounds improve the performance of the exact algorithm, solving to optimality more instances than when using other lower bounds in the same amount of time Mestrado Ciência da Computação Mestre em Ciência da Computação CAPES