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Cohérence d'arc existencielle : un pas de plus vers la cohérence d'arc complète

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

HAL Id: inria-00000061

https://hal.inria.fr/inria-00000061

Submitted on 25 May 2005

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Cohérence d’arc existencielle : un pas de plus vers la cohérence d’arc complète

Matthias Zytnicki, Federico Heras, Simon de Givry, Javier Larrosa

To cite this version:

Matthias Zytnicki, Federico Heras, Simon de Givry, Javier Larrosa. Cohérence d’arc existencielle : un

pas de plus vers la cohérence d’arc complète. Premières Journées Francophones de Programmation

par Contraintes, CRIL - CNRS FRE 2499, Jun 2005, Lens, pp.139-148. �inria-00000061�

(2)

Cohérene d'ar existentielle : un pas de plus

vers la ohérene d'ar omplète

Matthias Zytniki

1

, Federio Heras

2

, Simon de Givry

1

, Javier Larrosa

2 1

INRA Toulouse BIA

2

UPC LSI

zytnikitoulouse.inra.fr

Résumé

Les réseaux de ontraintes pondérées orent un

adredereprésentationetderésolutionpermettantd'ex-

primerdesontraintesditesmolles utilespourmo-

déliser un très large hamp d'appliations. La plupart

des solveurs que l'on trouve atuellement implantent

un algorithme de séparation et évaluation en profon-

deur d'abord qui maintient une ohérene loale du-

rantlaphase d'explorationde l'arbre.Lesrésultatsem-

piriquestendentàprouverquemaintenirFDAC*semble

êtrelemeilleurhoixenpratique.Nousprésentonsdans

et artileuneforme d'ar ohéreneplus forte, appe-

lée ohérene d'ar existentielle et diretionnelle, ainsi

qu'unalgorithmepermettantde transformer un réseau

deontraintespondéréesenunréseauéquivalent,satis-

faisantette propriété.L'algorithmes'avèreeae sur

denombreuseslassesdeproblèmes.

Abstrat

TheweightedCSPframeworkisasoftonstraintfra-

meworkwithawiderangeofappliations.Mosturrent

state-of-the-artompletesolversan be desribed asa

basidepth-rstbranhandboundsearhthatmaintain

some formofaronsistenyduringthesearh.Empi-

rialresults indiatethatmaintainingFDAC*seemsto

bethebestinpratie.Inthispaperweintrodueanew

strongerformofaronsisteny,thatweallexistential

diretionalaronsisteny andweprovideanalgorithm

to enfore it.Theeienyofthe algorithm isempiri-

allydemonstratedinavarietyofdomains.

1 Introdution

Lesréseauxdeontraintespondérées(RCP)onsti-

tuent une extension bien onnue du formalisme des

réseaux de ontraintes (RC) et permettent de trai-

ter eaementungrandnombred'appliationspra-

étégénéraliséeauformalismedesRCP[2,9℄.Ilexiste

quatregénéralisationsonnuesseréduisantàlaohé-

rened'ardansleadredesRC:

AC* [7℄,qui transposela ohérened'ar auas

valué,

DAC*[8℄,quitransposelaohérened'ardire-

tionnelleauasvalué,

FDAC*[8℄,dénieommelaonjontiondesdeux

propriétéspréédentes,

FAC*, haque valeurde haquevariable doit

posséderunsupportomplet.

Malheureusement, toutes les instanes de RCP ne

peuventêtre transformées en une instane possédant

lapropriétéFAC*,e qui rendlapropriété inutileen

pratique.FDAC*estlaplusfortepropriétéquipuisse

êtreétabliesurunRCP.Dans [8℄,unalgorithmeper-

mettantd'établirFDAC*aétéproposéaveuneom-

plexité de

O(end 3 )

(

n

représentantle nombre de va- riablesde l'instane,

e

le nombrede ontraintes et

d

la taille du plus granddomaine). De plus, l'artile a

montréquemaintenirFDAC*durantl'explorationest

unmeilleurhoixquemaintenirAC*,plusfaible.

Dansnotreartile,nousprésentonsunenouvelleo-

héreneloaleappelée ohérened'ar existentielleet

diretionnelle (EDAC*). Nousmontrons que EDAC*

estplusforte queFDAC*,notammentparlefaitque

lapremièreexigel'existened'unevaleurpourlaquelle

touslessupports doiventêtre dessupports omplets.

Intuitivement,ladiéreneentrel'algorithmeproposé

et eux préédemment ités est que lesderniers s'at-

tahent à obtenir une ohérene loale par rapport

à haque ontrainte binaire onsidérée indépendam-

ment,alorsquelepremierprendenomptetoutesles

ontraintesquis'appliquentsurunevariabledansleur

(3)

Nous présentons aussi un algorithme qui établit

ettepropriétéentemps

O(ed 2 ×max{nd, ⊤})

,

étant

labornesupérieuredel'instaneduRCP. Cetteom-

plexité,qui est une borne supérieure dont on ne sait

pasenoresielleest eetivementatteinte,utiliseles

struturesdedonnéesdeAC2001(f.[1℄),surlapropo-

sitionde[9℄.Toutefois,d'autresstruturesdedonnées

peuvent éventuellementdonner demeilleurs résultats

enpratique,mêmesilaomplexitéthéoriquenesemble

pasêtremodiée.

Un des intérêts majeurs de EDAC* est qu'il peut

être inlus dans un algorithme de séparation et éva-

luation(SE)quimaintientlapropriétéàhaquen÷ud

visité.Nousavonsévaluéexpérimentalementetteidée

sur des instanes de Max-SAT [3℄, Max-CSP [8℄ et

des problèmes du plaement d'entrepts. Les tests

montrentquemaintenirEDAC*esttoujoursaumoins

aussibonquemaintenirFDAC*.

2 Dénitions

Une struture de valuation est une struture algé-

briquepermettantdespéier lesoûts danslespro-

blèmesdesatisfationdeontraintesvaluées[11℄.Elle

estdénieparletuple

S = hE, ⊕, ≺i

,:

E

est l'ensembledesoûts,

est une relation qui ordonne totalement

E

et

dénitainsisonpluspetitélément(

)etsonplus

grandélément(

),

est une opération interne de

E

utilisée pour

ombinerlesoûts.

D'après[9℄,lastruturedevaluation d'unRCPest

S = h[0..k], ⊕, <i

:

E ⊂ N

et

k

estunentiernaturelpositif,

est déni par:

∀(a, b) ∈ E 2 , a ⊕ b = min{a + b, k}

,

<

estlarelationd'ordrehabituellesurlesentiers.

Dans e as,

0 = ⊥

et

k = ⊤

. Ilest deplus utile de

dénirlasoustration

desoûts:

a ⊖ b =

a − b

si

a 6= k

k

sinon

Unréseaudeontraintespondéréesestuntuple

P = hX , D, C, Si

:

X = {x 1 , . . . , x n }

est l'ensembledesvariables;

D = {D 1 , . . . , D n }

est l'ensemble des domaines

nis assoiés aux variables, haque domaine

D i

estl'ensembledesvaleursquepeutprendre

x i

;

C

estl'ensembledesontraintespondéréesunaires

etbinaires,'est-à-direl'ensembledesfontionsde

oûtssur

S

.

Uneontrainteunaire

C i

estunefontiondelaforme:

D i → E

, une ontrainte binaire

C ij

est de laforme :

D i × D j → E

. On suppose qu'il existe pour haque

variable

x i

une ontrainte unaire

C i

(éventuellement lafontionnullesur

D i

)etuneontrainted'ariténulle

C

(éventuellementnulle).

Lorsqu'uneontrainte

C

assigneàuntuple

t

leoût

de

,elasignieque

t

estinterditpar

C

.Sileoûtest

diérent,l'aetationestautorisée,aveunoût

C(t)

.

Leoût d'uneaetation

t = (v 1 , . . . , v n )

de

D i ×. . . × D n

,notée

V(t)

,est lasommedetouslesoûts:

V(t) = M

Cij∈C i<j

C ij (v i , v j ) ⊕ M

C

i

∈C

C i (v i ) ⊕ C

Un tuple

t

estohérent si

V(t) ≺ ⊤

. Leproblèmegé-

néralquionsiste àtrouveruntuple ohérent de oût

minimal est NP-diile.Un RCP dont

vaut

1

est

unréseaudeontrainteslassiques.

b

a b

x

i

x

j

a

1 C

= 0

(a)leréseauoriginel

b

a b

x

i

x

j

a 1

C

= 0

(b)aprèsprojetion

Fig.1DeuxinstaneséquivalentesdeRCP(

⊤ = 2

).

Exemple 1 Considérons le problème dérit

Fig. 1(a). Il a deux variables

x i

et

x j

, haune

ayant deux valeurs

a

et

b

. Les oûts des ontraintes

unaires sont donnés dans les erles (par défaut,

la valeur est de

0

). Les ontraintes binaires sont

représentées par desarsreliant unepairede valeurs,

l'ar est étiqueté par le oût de ette paire (la valeur

par défaut étant

1

). S'il n'existe pas d'ar entre deux

valeurs, le oût est nul pour la ontrainte. Dans les

deux exemples, le oût optimal est

0

, obtenu par le

tuple

(b, a)

.

3 Quelques ohérenes loales de RCP

Deux instanes de RCP dénies sur le même en-

semble de variables sont dites équivalentes si elles

(4)

taniationomplète.Lesohérenesloalessontlarge-

mentutiliséespourtransformerdes problèmesendes

problèmes équivalents, plus simples. En général, les

ontraintessontdonnéesexpliitementpardestables

deoûts,ouimpliitementpardesexpressionsmathé-

matiquesoudesproéduresalgorithmiques.Parsoui

de larté, nous supposeronsl'expression expliite des

ontraintes.La plussimpledesohérenes loalesest

laohérenede n÷ud :

Dénition 1 [7℄ Lavariable

x i

est n÷ud-ohérente ssi:

∀v ∈ D i , C ⊕ C i (v) ≺ ⊤

,

∃v ∈ D i , C i (v) = ⊥

.

UnRCP estn÷ud-ohérent ssi toutessesvariables le

sont.

UnRCPpeutfailementêtretransforméenunRCP

n÷ud-ohérent équivalent si l'on projette toutes les

ontraintes unaires sur le

C

et en éliminant toutes

les valeurs interdites. C'est e que font les fontions

ProjetteUnaireet ÉlagueVariable(Alg.1).

Les propriétés de ohérene d'ar sont basées sur

la notiondesupport et desupportomplet.Pourune

ontrainte binaire

C ij

,

w ∈ D j

est un support de

v ∈ D i

si

C ij (v, w) = ⊥

. C'est un support omplet

si

C ij (v, w) ⊕ C j (w) = ⊥

Dénition 2 [7℄ Lavariable

x i

est ar-ohérente si pour touteontrainte binaire

C ij

,toutevaleur de son

domaine

v ∈ D i

possèdeunsupportsur

C ij

.UnRCP

est ar-ohérent(AC*) sitoutessesvariables lesont.

Dénition 3 La variable

x i

est omplètement ar- ohérente si pour toute ontrainte binaire

C ij

, toute

valeurdesondomaine

v ∈ D i

possèdeunsupportom-

plet sur

C ij

. UnRCP est omplètement ar-ohérent (FAC*) sitoutesses variables lesont.

Lessupportspour

v ∈ D i

parrapportà

D j

peuvent

êtretrouvésparprojetiondesoûtsbinaires

C ij (v, ·)

sur

C i (v)

. C'est e qui est fait par laproédure Pro-

jette(Alg.1).LaproédureCherheSupport(Alg.2)

trouveunsupportsur

D j

pourhaquevaleurde

D i

.

Exemple 2 LeRCP dérit Fig. 2(a) n'est pas AC*

ar la valeur

a ∈ D i

n'a pas de support par rapport

à la variable

x j

. La propriété est obtenue en exéu-

tantCherheSupport(

i, j

)(equinousdonnel'instane

Fig.2(b))puisProjetteUnaire(

i

)(instaneFig.2()).

Pour obtenir un support omplet pour les valeurs

de

D i

parrapport à

D j

(assuréparlafontion Cher-

heSupportComplet de Alg. 2), il faut étendre les

oûts unaires de

C j (·)

sur

C ij (·, ·)

(proédure Étend

C i (v)

.

Dans le as des RC (où

⊤ = 1

), être un support

pour

v ∈ D i

est équivalent à être un support om-

plet et les deux notions seréduisent àla même pro-

priété. C'est pourquoi AC* et FAC* se réduisent au

mêmeRC.Ce n'estpasleasdansleadre desRCP

etalorsque,dans[8℄,ilaétéprouvéqu'unRCPpou-

vait êtretransforméenune instaneAC* équivalente

en

O(ed 3 )

, il n'estpas toujourspossible d'en trouver

unequi satisfasselapropriétéFAC*.

Exemple3 Le problème Fig. 1(a) est AC*, mais

pas FAC* ar la valeur

a ∈ D i

n'a pas de

support omplet. On peut alors appeler la fon-

tion CherheSupportComplet(

i, j

), e qui donne le

problème Fig. 1(b). Il n'est pas FAC* non plus

ar

b ∈ D j

n'a pas de support omplet. Appeler

CherheSupportComplet(

i, j

)(f. Alg. 2)nous ramè-

nerait à l'instane préédente. On peut failement

prouverquee problèmen'a pasd'équivalent FAC*.

C'estpourquoiFAC*n'estpasunebonnepropriété.

Pourtenterderésoudreleproblème,unepropriétéplus

faibleaétéproposée.Danslasuite,noussupposerons

quel'ensembledesvariables

X

esttotalementordonné

par

<

.

Dénition4 [8℄ La variable

x i

est diretionnelle- ment ar-ohérente si toutes ses valeurs

v ∈ D i

ont

unsupportompletpourhaqueontraintebinaire

C ij

telle que

j > i

. Elle est omplètement et diretion- nellement ar-ohérente (FDAC*) si elle est de plus

ar-ohérente.UnRCPestomplètementetdiretion-

nellementar-ohérente sihaquevariable l'est.

Exemple4 Leproblème Fig.2()estAC*mais pas

FDAC*arlavaleur

a ∈ D i

n'apasdesupportomplet

par rapport àla variable

x j

.Lapropriété FDAC* est

établie par l'exéutionde CherheSupportComplet(

i, j

)

(f.Alg. 2), quiproduit Fig.2(d).

Tout RCP peut être transformé en une instane

équivalentesatisfaisantFDAC*entemps

O(end 3 )

[8℄.

Dans leasdes RC, FDAC* seramèneaussiàlao-

hérened'ar.Dansleasgénéral,FAC* estplusfort

queFDAC*,quiest plusfortqueAC*.Ilestalorsin-

téressant de savoir si on peut trouver une propriété

plus forte que FDAC*, tout en garantissant l'exis-

tene d'une instane possédant ette propriété pour

toutproblème.

4 La ohérene d'ar existentielle : une

propriété plus forte

ConsidéronsleproblèmeFDAC* Fig.2(d).Notons

quelavaleur

a ∈ D k

possèdeunsupporten

x j

(equi

(5)

b a

b a

xi xk

a b xj 2 C= 0

2

1

(a) le problème

originel

b a

b a

xi xk

a b xj 2

1

C= 0

1

(b) après proje-

tionde

C

ijsur

x

i

en

a

b a

b a

xi xk

a b xj 2 C= 1

() l'instane

équivalenteAC*

b a

b a

xi xk

a b xj C= 1

1

1

(d) l'équivalente

FDAC* ave

i <

j < k

b a

b a

xi xk

a b xj C= 1

1 1

(e) après Find-

FullSupports(

k, i

)

et FindFullSup-

ports(

k, j

)

b a

b a

xi xk

a b xj C= 2

(f) l'équivalente

EDAC*

Fig.2Six instaneséquivalentes(ave

⊤ = 4

)

Nous avonslamême situation pourlavaleur

b ∈ D k

et

x i

. Ainsi, le oût unairede es deux valeurs peut

être augmenté en établissant les supports omplets

(Fig.2(e)).Commetouslesoûtsunairesdesvaleurs

de

x k

sontplus grandsque

, laohérene de n÷ud

est perdueet laborneinférieurepeutêtreaugmentée

(Fig.2(f)).D'unemanièregénérale,lessupportsom-

pletspeuventêtreétablissanserreurpossibledansles

deuxdiretionssil'onaugmente

C

.Nousmontrerons

ensuitequ'ilexisteuneohéreneloalenaturelleder-

rière ette observation. Nous l'appellerons ohérene

d'arexistentielle(EAC*).

Dénition5 Lavariable

x i

est existentiellementar- ohérente s'ilexiste aumoins une valeur

v ∈ D i

telle

que

C i (v) = ⊥

et si ette valeur possède un support

omplet pour toutes les ontraintes

C ij

. Un RCP est

existentiellementar-ohérentsitoutessesvariablesle

sont.

Toutes les ohérenes loales préédemment évo-

quées demandent àhaquevaleurde haquevariable

uneertainepropriété.PourEAC*,ondemandedans

haquevariablel'existened'unevaleurpossédanter-

tainespropriétés.Ilestimportantdenoterquesiune

variable

x i

n'est pas EAC*,alors pour toutesles va-

leurs

v ∈ D i

telles que

C i (v) = ⊥

, ilexiste

x j

telque

∀w ∈ D j , C ij (v, w) ⊕C j (w) ≻ ⊥

.L'établissementd'un

support ompletsur

x i

violeradonlapropriétéNC*

et ilserapossibled'augmenter

C

.

D'autre part, il est possible d'intégrer EAC* à

FDAC* pour exploiter les avantages de haun. On

parlealorsdeohérened'arexistentielleetdiretion-

nelle.

Dénition6 UnRCPestEDAC*s'il estFDAC* et

EAC*.

Ainsi,EDAC*imposequehaquevaleuraitunsup-

portompletdansunediretion etunsupportsimple

dans l'autre (pour satisfaire FDAC*). De plus, une

valeuraumoinsdehaquevariabledoitavoirunsup-

portomplet danslesdeuxdiretions(poursatisfaire

EAC*).Cettedernièrevaleurest appelée valeurom-

plètement supportée.Notons que dans leas des RC,

EDAC*seréduitaussienohérened'ar.

EDAC*estparonstrutionplusfortequeFDAC*.

Elle est plus faible que FAC* ar pour haque va-

riable,seuleunedesesvaleursesttotalementsuppor-

tée.L'exemple3rappellequetrouverunsupportom-

(6)

Nous présentons ii un algorithme qui établit

EDAC*dansleasdesRCPbinaires.EDAC*(Alg.3)

transforme un problème arbitraire en une instane

équivalente vériant la ohérene loale EDAC*.

L'idée généraleenestlasuivante :

Ontentedetrouverpourhaquevariable

x i

sava-

leuromplètementsupportéepourétablirEAC*;

s'il n'yen apas,onpropagelesoûtsdefaçonà

entrouverun.

On tente de trouverpourhaquevariable

x j

un

support omplet par rapport à toute ontrainte

binaire qui s'applique sur elleet une variable

x i

telle que

i < j

pourétablirDAC*.

On tente de trouverpourhaquevariable

x j

un

support omplet par rapport à toute ontrainte

binairequis'applique surellepourétablirAC*.

On tente de trouverpour haquevariable toutes

sesvaleursdontleoûtunaireesttropélevé.

On peut aélérer l'algorithme en remarquant que

l'établissement de DAC* sur

x i

par rapport à une

ontrainte

C ij

telleque

i < j

rendinutilelareherhe

de support pour AC* ou de support existentielpour

EAC* dansettediretion.

De plus, établir une propriété peut en asser une

autre. Pour remédier à elà, on rentre les variables

dontunepropriétéestéventuellementvioléedansune

des trois les

Q

,

R

et

S

qui sont implantées omme

deslesdeprioritétellesquelapluspetitevaleur(ou

laplusgrande)peutêtreretiréeentempsonstant.La

signiationdeslesestlasuivante:

Si

x j

est dans

Q

, alors une de ses valeurs aété

supprimée et dans e as lesplus grandsvoisins

de

x j

peuventavoirperduleursupportetdoivent

êtrevériés(traitementdelapropriétéAC*pour

j > i

).

Si

x j

est dans

R

, alors le oût unaire d'une de

ses valeurs est passé de

àune valeur de oût

stritementsupérieureetdanse aslespluspe-

titsvoisinsde

x j

peuventavoirperduleursupport

omplet et doiventêtre vériés(traitement dela

propriétéDAC*pour

j < i

).

Si

x i

est dans

P

, alors soit le oût unaire de la

valeuromplètementsupportéepour

x i

aétéaug-

menté,soitleoûtunaired'unedesvaleursde

x j

(un pluspetitvoisinde

x i

)est passéde

àune

valeurdeoût stritementsupérieureet,danse

as,

x i

peutavoirperdulesupportomplet desa

valeuromplètementsupportéeetdoitêtrevérié

(traitementdelapropriétéEAC*pour

j < i

).

Ilexistedeplusune autreleauxiliaire,

S

,qui sertà

remplireaement

P

.

et quatre boules intérieures. Les boules tant que

auxlignes5,8et10établissentrespetivementEAC*,

DAC*etAC*.Laligne11établitNC*.Àhaquefois

qu'unoûtestprojetépourl'établissementd'unepro-

priété, une autre propriété peut être violée. Les va-

riables dont une ohérene loale est à vérier sont

stokées dans les les. L'établissement de NC*, AC*

et DAC* est faitommedans [8℄. Nous nousonen-

treronsdonsur EAC*.

Cette propriété est prinipalement établie par

CherheSupportExistentiel(

i

), qui trouve un support

existentielpour

x i

endonnantunsupportompletpar

rapport àhaquepluspetit voisin

x j

(l'établissement d'un support omplet sur les plus grands voisins se

faitaveDAC*).Lorsquel'onétablit lesupport exis-

tentiel de

x i

, lafontiondeoût

C j

diminueoureste

onstante.Nousn'aurons donpasàvérierlaohé-

reneexistentiellede

x j

nilaohérened'ardiretion-

nelle desplus petits voisin de

x j

. Deplus, omme la

ohéreneexistentielleestplusfortequeAC*,ilestin-

utiled'établirlaohérened'arentre

x i

et

x j

.Cepen-

dant, la ohérene d'ardiretionnelle de la variable

x i

doitêtrevériéearunevaleurde

x i

peutavoirvu

sonoûtunaireaugmenter (ligne6). Demême,lao-

héreneexistentielledesplusgrandsvoisinsde

x i

doit

aussiêtrerevue(ligne7).

ÉlagueVariable()établitlaohéreneden÷udaprès

qu'un oût unaire ou

C ∅

a été augmenté (ligne 11).

Cette fontion peut être exéutée plus souvent pour

éviterertainsexamenssuperusdanslesboulestant

que sans que ela ne hange la omplexité dans le

pireas. Parsouidelartédenotreexposé,nousne

dérirons pasii leas le problème estinohérent

et

C

atteint

.

Theorème 1 La omplexité de EDAC* est de

O(ed 2 max{nd, ⊤})

en tempset

O(ed)

en espae.

Preuve1 En e qui onerne l'espae, on utilise la

struturedonnéepar[2 ℄pouravoir uneomplexité en

O(ed)

.

Deplus, [8 ℄prouve lespointssuivants:

ProjetteUnaire, Projette, Étend et ÉlagueVariable

ontune omplexité en

O(d)

;

CherheSupport et CherheSupportComplet ont

une omplexité en

O(d 2 )

.

Etudions maintenant la omplexité de la boule tant

quedansEDAC*.Labouleàla ligne8établitDAC*.

Comme dérit dans l'artile préédemment ité, elle

est en

O(ed 2 )

ar haque variable est stokée dans

R

au maximum une fois, e qui entraîne que haque

ontrainte

C ij

estvériéeune seulefois(ligne9). De

même, la boule ligne 10 qui établit AC* dans la di-

retiondesplusgrandesvariablesestaussien

O(ed 2 )

.

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