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Un enjeu majeur de mécanique de la rupture est de modéliser l'initiation d'une fissure dans une structure saine. Il y a deux difficultés: la première est de proposer une loi capable de prédire la nucléation, la seconde est d'ordre purement numérique. En ce qui concerne ce deuxième point, il est en effet difficile de calculer avec une bonne précision toute quantité comme le taux de restitution d'énergie associée à une fissure de faible longueur qui apparaît en fond d'entaille. La méthode des éléments finis classique conduit à des résultats inexacts en raison de la superposition de deux singularités (l'une due à l'entaille, l'autre à la pointe de la fissure) qui ne peuvent être correctement capturées par cette méthode. Une méthode spécifique d'approximation basée sur des développements asymptotiques est préférable comment il a déjà été constaté dans des situations analogues présentant des défauts localisés. Le premier chapitre de la thèse est consacré à la présentation de cette méthode asymptotique dite Méthode des Développements Asymptotiques Raccordés (MAM) dans le cas d'un défaut (ce qui inclut le cas d'une fissure) situé à l'extrémité d'une entaille. Cette première étude est faite dans le cadre simplifié de l'élasticité linéaire antiplane avant d'être étendue à l'élasticité plane dans le troisième chapitre. Un objectif majeur est d'utiliser cette méthode asymptotique pour prédire la nucléation ou la propagation d'une fissure à proximité d'un point singulier. Le deuxième chapitre de la thèse sera consacré à cette tâche. Cela nécessite, bien sûr, de lever la première difficulté en proposant un critère de nucléation physiquement raisonnable. Cette délicate question n'a pas reçu de réponse définitive à l'heure actuelle et a été considérée pendant longtemps comme un problème qui ne pouvait être résolu dans le cadre de la théorie de Griffith. La principale raison invoquée est que le taux de restitution de l'énergie dû à une petite fissure tend vers zéro lorsque la longueur de la fissure tend vers zéro. Par conséquent, si l'on suit le critère de Griffith qui stipule que la fissure peut se propager que lorsque le taux de libération d'énergie atteint une valeur caractéristique du matériau, il n'y a pas de nucléation possible. Ce "défaut" de la théorie de Griffith fut l'une des motivations qui conduit Francfort et Marigo à remplacer le critère de Griffith par un principe de minimisation de l'énergie. Il s'avère que ce principe de minimum global de l'énergie est vraiment en mesure de prédire la nucléation des fissures dans un corps sain. Cependant, la nucléation est nécessairement brutale dans le sens où une fissure de longueur finie apparaît brutalement à une charge critique et de plus il faut que le système franchisse une barrière d'énergie qui peut être d'autant plus haute que le minimum est "loin". Une autre façon de rendre compte de la nucléation de fissures est de quitter le cadre de la théorie de Griffith en introduisant le concept de forces cohésives. L'intérêt d'une telle approche est qu'elle contient automatiquement la notion de contrainte critique qui permet de régir naturellement la nucléation sans passer par le principe de minimisation globale de l'énergie. En résumé, nous proposons de traiter le problème de la nucléation d'une fissure à la pointe d'une entaille de trois façons et de comparer les trois critères correspondants. L'un de nos objectifs est aussi d'utiliser la MAM pour obtenir des expressions semi-analytiques pour la charge critique à partir de laquelle une fissure apparaît ainsi que la longueur de la fissure une fois nucléée. De façon précise, la thèse est organisée comme suit. Le chapitre 1 est consacré à la description de la MAM sur un problème générique d'élasticité linéaire antiplane où la structure contient un défaut situé au voisinage de la pointe d'une entaille. Nous avons d'abord décomposé la solution en deux développements: l'un, le développement extérieur, valable assez loin de la pointe de l'entaille, l'autre, le développement intérieur, valable au voisinage de la pointe de l'entaille. Ces développements contiennent une séquence de termes "intérieurs" et "exterieurs" qui sont solutions de problèmes "intérieurs" et "extérieurs" reliés les uns aux autres par des conditions de raccord. En outre, chaque terme contient une partie régulière et une partie singulière. Nous expliquons ensuite comment tous les termes et les coefficients qui entrent dans les parties singulières et régulières sont déterminés séquentiellement. Le chapitre se termine par un exemple où la solution exacte est connue et peut donc être développée directement avant d'être comparée à celle fournie par la MAM. Dans le chapitre 2, laMAMest appliquée au cas où le défaut est une fissure. Le premier objectif est de calculer avec une bonne précision le taux de restitution d'énergie associée à une fissure non cohésive de faible longueur située près de la pointe de l'entaille. En effet, il s'agit d'un véritable problème dans le cas où l'entaille n'est elle-même pas une fissure parce que le taux de restitution d'énergie est voisin de 0 lorsque la longueur de la fissure nucléée est voisine de 0, puis augmente rapidement avec la longueur de la fissure avant d'atteindre un maximum pour finalement redécroître. On explique d'abord comment le taux de restitution d'énergie est calculé par la Méthode des Elémenst Finis et pourquoi les résultats numériques sont moins précis lorsque la longueur de la fissure est faible. Ensuite, on utilise la MAM pour calculer le taux de restitution d'énergie pour les petites valeurs de la longueur de la fissure et on montre, comme il était prévu, que plus la taille de la fissure est petite, plus le résultat fourni par la MAM à un ordre donné est précis. Il s'avère même que l'on peut obtenir des résultats très précis en calculant seulement un petit nombre de termes. Nous discutons aussi de l'influence de l'angle de l'entaille sur l'exactitude des résultats. Cet angle joue un rôle important dans le processus de nucléation (parce que, en particulier, la longueur à partir de laquelle le maximum du taux de restitution d'énergie est atteinte dépend de l'angle de l'entaille). Lorsque l'angle de l'entaille est suffisamment grand, il suffit de calculer les deux premiers termes non triviaux du développement du taux de restitution d'énergie pour obtenir avec une très bonne précision la dépendance du taux de restitution d'énergie avec la longueur de fissure. Nous considérons ensuite le cas des fissures cohésives en introduisant le modèle de forces cohésives de Dugdale. En combinant la MAM avec la méthode G , nous obtenons un système de deux équations non linéaires couplées régissant l'évolution des longueurs de la zone non-cohésive et la zone cohésive en fonction du chargement. Il s'avère que le problème intérieur fourni par la MAM est un problème de Hilbert qui peut être résolu par la méthode des potentiels complexes. Ce faisant, la résolution se ramène à de simples quadratures qui sont calculées numériquement. On obtient ainsi, de façon quasiment analytique, la charge critique à partir de laquelle la petite fissure se propage de façon instable pour donner lieu à une fissure "macroscopique". En particulier, l'ordre de grandeur de cette charge critique est directement relié à l'exposant de la singularité de la solution avant fissuration qui est lui-même fonction de l'angle de l'entaille. Le chapitre 3 propose une généralisation de toutes les méthodes et résultats précédents au cas de l'élasticité plane. De façon précise, le but est toujours d'étudier la nucléation de fissures cohésives ou non cohésives à l'angle d'une entaille dans un milieu linéairement élastique et isotrope, mais maintenant en considérant des déplacements plans. De plus, il s'agit de traiter les conditions de nucléation aussi bien sous mode I pur que sous mode mixte. Dans la première partie du chapitre, nous utilisons le principe de minimisation globale pour traiter le cas des fissures non cohésives, alors que dans la deuxième partie nous utilisons le modèle de Dugdale pour traiter le cas des fissures cohésives. Dans les deux cas, la MAM est mise en oeuvre pour pallier le manque de précision de la méthode des éléments finis. Tous les résultats qui sont obtenus peuvent être considérés comme de simples généralisations de ceux développés dans le cas antiplan. En effet, d'un point de vue conceptuel et qualitatif, nous obtenons essentiellement le même type de propriétés. Toutefois, d'un point de vue technique, la MAM est plus délicate d'application en élasticité plane parce que l'obtention de la suite des fonctions singulières passe par la résolution d'équations transcendantes. Ce faisant, la mise en oeuvre numérique est sensiblement plus coûteuse. De plus, d'un point de vue analytique, les calculs et les démonstartions sont beaucoup plus lourds et une partie est donc passée en annexe.

Un enjeu majeur de mécanique de la rupture est de modéliser l'initiation d'une fissure dans une structure saine. Il y a deux difficultés: la première est de proposer une loi capable de prédire la nucléation, la seconde est d'ordre purement numérique. En ce qui concerne ce deuxième point, il est en effet difficile de calculer avec une bonne précision toute quantité comme le taux de restitution d'énergie associée à une fissure de faible longueur qui apparaît en fond d'entaille. La méthode des éléments finis classique conduit à des résultats inexacts en raison de la superposition de deux singularités (l'une due à l'entaille, l'autre à la pointe de la fissure) qui ne peuvent être correctement capturées par cette méthode. Une méthode spécifique d'approximation basée sur des développements asymptotiques est préférable comment il a déjà été constaté dans des situations analogues présentant des défauts localisés. Le premier chapitre de la thèse est consacré à la présentation de cette méthode asymptotique dite Méthode des Développements Asymptotiques Raccordés (MAM) dans le cas d'un défaut (ce qui inclut le cas d'une fissure) situé à l'extrémité d'une entaille. Cette première étude est faite dans le cadre simplifié de l'élasticité linéaire antiplane avant d'être étendue à l'élasticité plane dans le troisième chapitre. Un objectif majeur est d'utiliser cette méthode asymptotique pour prédire la nucléation ou la propagation d'une fissure à proximité d'un point singulier. Le deuxième chapitre de la thèse sera consacré à cette tâche. Cela nécessite, bien sûr, de lever la première difficulté en proposant un critère de nucléation physiquement raisonnable. Cette délicate question n'a pas reçu de réponse définitive à l'heure actuelle et a été considérée pendant longtemps comme un problème qui ne pouvait être résolu dans le cadre de la théorie de Griffith. La principale raison invoquée est que le taux de restitution de l'énergie dû à une petite fissure tend vers zéro lorsque la longueur de la fissure tend vers zéro. Par conséquent, si l'on suit le critère de Griffith qui stipule que la fissure peut se propager que lorsque le taux de libération d'énergie atteint une valeur caractéristique du matériau, il n'y a pas de nucléation possible. Ce "défaut" de la théorie de Griffith fut l'une des motivations qui conduit Francfort et Marigo à remplacer le critère de Griffith par un principe de minimisation de l'énergie. Il s'avère que ce principe de minimum global de l'énergie est vraiment en mesure de prédire la nucléation des fissures dans un corps sain. Cependant, la nucléation est nécessairement brutale dans le sens où une fissure de longueur finie apparaît brutalement à une charge critique et de plus il faut que le système franchisse une barrière d'énergie qui peut être d'autant plus haute que le minimum est "loin". Une autre façon de rendre compte de la nucléation de fissures est de quitter le cadre de la théorie de Griffith en introduisant le concept de forces cohésives. L'intérêt d'une telle approche est qu'elle contient automatiquement la notion de contrainte critique qui permet de régir naturellement la nucléation sans passer par le principe de minimisation globale de l'énergie. En résumé, nous proposons de traiter le problème de la nucléation d'une fissure à la pointe d'une entaille de trois façons et de comparer les trois critères correspondants. L'un de nos objectifs est aussi d'utiliser la MAM pour obtenir des expressions semi-analytiques pour la charge critique à partir de laquelle une fissure apparaît ainsi que la longueur de la fissure une fois nucléée. De façon précise, la thèse est organisée comme suit. Le chapitre 1 est consacré à la description de la MAM sur un problème générique d'élasticité linéaire antiplane où la structure contient un défaut situé au voisinage de la pointe d'une entaille. Nous avons d'abord décomposé la solution en deux développements: l'un, le développement extérieur, valable assez loin de la pointe de l'entaille, l'autre, le développement intérieur, valable au voisinage de la pointe de l'entaille. Ces développements contiennent une séquence de termes "intérieurs" et "exterieurs" qui sont solutions de problèmes "intérieurs" et "extérieurs" reliés les uns aux autres par des conditions de raccord. En outre, chaque terme contient une partie régulière et une partie singulière. Nous expliquons ensuite comment tous les termes et les 4 coefficients qui entrent dans les parties singulières et régulières sont déterminés séquentiellement. Le chapitre se termine par un exemple où la solution exacte est connue et peut donc être développée directement avant d'être comparée à celle fournie par la MAM. Dans le chapitre 2, laMAMest appliquée au cas où le défaut est une fissure. Le premier objectif est de calculer avec une bonne précision le taux de restitution d'énergie associée à une fissure non cohésive de faible longueur située près de la pointe de l'entaille. En effet, il s'agit d'un véritable problème dans le cas où l'entaille n'est elle-même pas une fissure parce que le taux de restitution d'énergie est voisin de 0 lorsque la longueur de la fissure nucléée est voisine de 0, puis augmente rapidement avec la longueur de la fissure avant d'atteindre un maximum pour finalement redécroître. On explique d'abord comment le taux de restitution d'énergie est calculé par la Méthode des Elémenst Finis et pourquoi les résultats numériques sont moins précis lorsque la longueur de la fissure est faible. Ensuite, on utilise la MAM pour calculer le taux de restitution d'énergie pour les petites valeurs de la longueur de la fissure et on montre, comme il était prévu, que plus la taille de la fissure est petite, plus le résultat fourni par la MAM à un ordre donné est précis. Il s'avère même que l'on peut obtenir des résultats très précis en calculant seulement un petit nombre de termes. Nous discutons aussi de l'influence de l'angle de l'entaille sur l'exactitude des résultats. Cet angle joue un rôle important dans le processus de nucléation (parce que, en particulier, la longueur à partir de laquelle le maximum du taux de restitution d'énergie est atteinte dépend de l'angle de l'entaille). Lorsque l'angle de l'entaille est suffisamment grand, il suffit de calculer les deux premiers termes non triviaux du développement du taux de restitution d'énergie pour obtenir avec une très bonne précision la dépendance du taux de restitution d'énergie avec la longueur de fissure. Nous considérons ensuite le cas des fissures cohésives en introduisant le modèle de forces cohésives de Dugdale. En combinant la MAM avec la méthode G , nous obtenons un système de deux équations non linéaires couplées régissant l'évolution des longueurs de la zone non-cohésive et la zone cohésive en fonction du chargement. Il s'avère que le problème intérieur fourni par la MAM est un problème de Hilbert qui peut être résolu par la méthode des potentiels complexes. Ce faisant, la résolution se ramène à de simples quadratures qui sont calculées numériquement. On obtient ainsi, de façon quasiment analytique, la charge critique à partir de laquelle la petite fissure se propage de façon instable pour donner lieu à une fissure "macroscopique". En particulier, l'ordre de grandeur de cette charge critique est directement relié à l'exposant de la singularité de la solution avant fissuration qui est lui-même fonction de l'angle de l'entaille. Le chapitre 3 propose une généralisation de toutes les méthodes et résultats précédents au cas de l'élasticité plane. De façon précise, le but est toujours d'étudier la nucléation de fissures cohésives ou non cohésives à l'angle d'une entaille dans un milieu linéairement élastique et isotrope, mais maintenant en considérant des déplacements plans. De plus, il s'agit de traiter les conditions de nucléation aussi bien sous mode I pur que sous mode mixte. Dans la première partie du chapitre, nous utilisons le principe de minimisation globale pour traiter le cas des fissures non cohésives, alors que dans la deuxième partie nous utilisons le modèle de Dugdale pour traiter le cas des fissures cohésives. Dans les deux cas, la MAM est mise en oeuvre pour pallier le manque de précision de la méthode des éléments finis. Tous les résultats qui sont obtenus peuvent être considérés comme de simples généralisations de ceux développés dans le cas antiplan. En effet, d'un point de vue conceptuel et qualitatif, nous obtenons essentiellement le même type de propriétés. Toutefois, d'un point de vue technique, la MAM est plus délicate d'application en élasticité plane parce que l'obtention de la suite des fonctions singulières passe par la résolution d'équations transcendantes. Ce faisant, la mise en oeuvre numérique est sensiblement plus coûteuse. De plus, d'un point de vue analytique, les calculs et les démonstartions sont beaucoup plus lourds et une partie est donc passée en annexe.

Spanwise nonuniformity effects are modeled in the cross-sectional analysis of beam theory. This modeling adheres to an established numerical framework on cross-sectional analysis of uniform beams with arbitrary cross-sections. This framework is based on two concepts: decomposition of the rotation tensor and the variational-asymptotic method. Allowance of arbitrary materials and geometries in the cross-section is from discretization of the warping field by finite elements. By this approach, dimensional reduction from three-dimensional elasticity is performed rigorously and the sectional strain energy is derived to be asymptotically-correct. Elastic stiffness matrices are derived for inputs into the global beam analysis. Recovery relations for the displacement, stress, and strain fields are also derived with care to be consistent with the energy. Spanwise nonuniformity effects appear in the form of pointwise and sectionwise derivatives, which are approximated by finite differences. The formulation also accounts for the effects of spanwise variations in initial twist and/or curvature. A linearly tapered isotropic strip is analyzed to demonstrate spanwise nonuniformity effects on the cross-sectional analysis. The analysis is performed analytically by the variational-asymptotic method. Results from beam theory are validated against solutions from plane stress elasticity. These results demonstrate that spanwise nonuniformity effects become significant as the rate at which the cross-sections vary increases. The modeling of transverse shear modes of deformation is accomplished by transforming the strain energy into generalized Timoshenko form. Approximations in this transformation procedure from previous works, when applied to uniform beams, are identified. The approximations are not used in the present work so as to retain more accuracy. Comparison of present results with those previously published shows that these approximations sometimes change the results measurably and thus are inappropriate. Static and dynamic results, from the global beam analysis, are calculated to show the differences between using stiffness constants from previous works and the present work. As a form of validation of the transformation procedure, calculations from the global beam analysis of initially twisted isotropic beams from using curvilinear coordinate axes featuring twist are shown to be equivalent to calculations using Cartesian coordinates.

This thesis studies numerical methods for integrating the master equations describing Markov chain models of cardiac ion channels. Such models describe the time evolution of the probability that ion channels are in a particular state. Numerical simulations of such models are often computationally demanding because many solvers require relatively small time steps to ensure numerical stability. The aim of this project is to analyse selected Markov chains and develop more efficient and accurate solvers. We separate a Markov chain model into fast and slow time-scales based on the speed of transitions between states. Eliminating the fast transitions, we find an asymptotic reduction of zeroth-order and first-order in a small parameter describing the time-scales separation. We apply the theory to a Markov chain model of the fast sodium channel INa. We consider several variants for classifying some transitions as fast in order to find reduced systems that yield a good accuracy. However, the time step size is still restricted by numerical instabilities. We adapt the Rush-Larsen technique originally developed for gate models. Assuming that a transition matrix can be considered constant during each time step, we solve the Markov chain model analytically. The solution provides a recipe for a stable exponential solver, which we call "Matrix Rush-Larsen" (MRL). Using operator splitting we design an even more flexible "hybrid" method that combines the MRL with other solvers. The resulting improvement in stability allows a large increase in the time step size. In some models, we obtain reasonably accurate results 27 times faster using a hybrid method than with the forward Euler method, even with the maximal time step allowed by the stability constraint. Finally, we extend the cardiac simulation package BeatBox by the developed exponential solvers. We upgrade a format of "ionic" modules which describe a cardiac cell, in order to allow for a specific definition of Markov chain models. We also modify a particular integrator for ionic modules to include the MRL and the hybrid method. To test the functionality of the code, we have converted a number of cellular models into the ionic format. The documented code is available in the official BeatBox package distribution.

Dans cette thèse nous nous intéressons au problème de l’impact d’une goutte sur une surface solide. Nous proposons pour cela de nous placer dans un cadre plus général en utilisant les analogies existantes avec d’autres problèmes d’impact. Dans la première partie de ce manuscrit nous proposons de revisiter le problème de l’impact de goutte pour les temps courts à la lumière de son problème dual à savoir l’impact d’un objet solide dans un bain liquide lorsque l’inertie est l’effet dominant. De cette analogie est déduit un modèle reposant sur la théorie des écoulements potentiels. L’analyse asymptotique nous permet de dégager à l’ordre dominant les mécanismes essentiels de ce problème puis nous mettons en évidence la structure autosimilaire des champs de pression et de vitesse induits par l’impact. La structure de la couche limite est également étudiée. Les prédictions théoriques issues de ce modèle sont comparées à des solutions numériques obtenues à l’aide d’un solveur des équations de Navier-Stokes. Nous étudions ensuite les temps intermédiaires de l’impact, correspondants au moment où la solution autosimilaire cesse d’être valide et nous déterminons les causes de cette transition. Dans la troisième partie nous étudions un cas particulier d’évolution aux temps longs en revisitant le problème de l’impact d’une goutte sur un disque de même taille. Nous obtenons les solutions analytiques pour les champs de pression et de vitesse à l’instant initial et nous proposons ensuite différentes directions de recherche pour l’étude de l’évolution de la nappe liquide induite par l’impact. Nous finissons ce manuscrit par une brève introduction aux impacts de goutte de fluides à seuil. / In this thesis we consider the problem of drop impact onto a solid surface. In order to study this phenomenon we consider a more general framework by using analogies with some other impact problems which are a priori very different. In the first part of the thesis we propose to revisit the inertia-dominated drop impact problem for short times at the light of the dual problem defined by the impact of a solid object onto a liquid bath. We deduce from this analogy a model based on potential flow theory. Then asymptotic analysis is used to determine the essential mechanisms of the problem at leading order. This approach reveal a self-similar structure both for the velocity field and the pressure field induced by the impact. The structure of the boundary layer is also studied. Theoretical predictions deduced from this model are compared with numerical solutions obtained with the Navier-Stokes multiphase flow solver Gerris. Then we study the impact for intermediates times which correspond to the period of the breakdown of the self-similar solution. The origin of the transition is determined by using new numerical experiments. In a third part we propose to study a particular case of long time evolution by revisiting the problem of drop impact onto a solid target matching its own size. We obtain analytical solutions for pressure and velocity fields at initial time by using pressure impulse theory and we propose few research directions for the study of the evolution of the liquid sheet induced by the impact. This thesis ends with a brief introduction to drop impact of Bingham fluids.

This thesis presents methods for efficient numerical approximation of linear and non-linear systems of highly oscillatory ordinary differential equations. Phenomena of high oscillation is considered a major computational problem occurring in Fourier analysis, computational harmonic analysis, quantum mechanics, electrodynamics and fluid dynamics. Classical methods based on Gaussian quadrature fail to approximate oscillatory integrals. In this work we introduce numerical methods which share the remarkable feature that the accuracy of approximation improves as the frequency of oscillation increases. Asymptotically, our methods depend on inverse powers of the frequency of oscillation, turning the major computational problem into an advantage. Evolving ideas from the stationary phase method, we first apply the asymptotic method to solve highly oscillatory linear systems of differential equations. The asymptotic method provides a background for our next, the Filon-type method, which is highly accurate and requires computation of moments. We also introduce two novel methods. The first method, we call it the FM method, is a combination of Magnus approach and the Filon-type method, to solve matrix exponential. The second method, we call it the WRF method, a combination of the Filon-type method and the waveform relaxation methods, for solving highly oscillatory non-linear systems. Finally, completing the theory, we show that the Filon-type method can be replaced by a less accurate but moment free Levin-type method.

<div>Many practical applications benefit from the reconstruction of a smooth multivariate function from discrete data for purposes such as reducing file size or improving analytic and visualization performance. Among the different reconstruction methods, tensor product B-spline has a number of advantageous properties over alternative data representation. However, the problem of constructing a best-fit B-spline approximation effectively contains many roadblocks. Within the many free parameters in the B-spline model, the choice of the knot vectors, which defines the separation of each piecewise polynomial patch in a B-spline construction, has a major influence on the resulting reconstruction quality. Yet existing knot placement methods are still ineffective, computationally expensive, or impose limitations on the dataset format or the B-spline order. Moving beyond the 1D cases (curves) and onto higher dimensional datasets (surfaces, volumes, hypervolumes) introduces additional computational challenges as well. Further complications also arise in the case of undersampled data points where the approximation problem can become ill-posed and existing regularization proves unsatisfactory.</div><div><br></div><div>This dissertation is concerned with improving the efficiency and accuracy of the construction of a B-spline approximation on discrete data. Specifically, we present a novel B-splines knot placement approach for accurate reconstruction of discretely sampled data, first in 1D, then extended to higher dimensions for both structured and unstructured formats. Our knot placement methods take into account the feature or complexity of the input data by estimating its high-order derivatives such that the resulting approximation is highly accurate with a low number of control points. We demonstrate our method on various 1D to 3D structured and unstructured datasets, including synthetic, simulation, and captured data. We compare our method with state-of-the-art knot placement methods and show that our approach achieves higher accuracy while requiring fewer B-spline control points. We discuss a regression approach to the selection of the number of knots for multivariate data given a target error threshold. In the case of the reconstruction of irregularly sampled data, where the linear system often becomes ill-posed, we propose a locally varying regularization scheme to address cases for which a straightforward regularization fails to produce a satisfactory reconstruction.</div>

Dans cette thèse, nous étudions plusieurs problèmes de mathématiques financières liés à la valorisation des produits dérivés. Par différentes approches asymptotiques, nous développons des méthodes pour calculer des approximations précises du prix de certains types d’options dans des cas où il n’existe pas de formule explicite.Dans le premier chapitre, nous nous intéressons à la valorisation des options dont le payoff dépend de la trajectoire du sous-jacent par méthodes de Monte-Carlo, lorsque le sous-jacent est modélisé par un processus affine à volatilité stochastique. Nous prouvons un principe de grandes déviations trajectoriel en temps long, que nous utilisons pour calculer, en utilisant le lemme de Varadhan, un changement de mesure asymptotiquement optimal, permettant de réduire significativement la variance de l’estimateur de Monte-Carlo des prix d’options.Le second chapitre considère la valorisation par méthodes de Monte-Carlo des options dépendant de plusieurs sous-jacents, telles que les options sur panier, dans le modèle à volatilité stochastique de Wishart, qui généralise le modèle Heston. En suivant la même approche que dans le précédent chapitre, nous prouvons que le processus vérifie un principe de grandes déviations en temps long, que nous utilisons pour réduire significativement la variance de l’estimateur de Monte-Carlo des prix d’options, à travers un changement de mesure asymptotiquement optimal. En parallèle, nous utilisons le principe de grandes déviations pour caractériser le comportement en temps long de la volatilité implicite Black-Scholes des options sur panier.Dans le troisième chapitre, nous étudions la valorisation des options sur variance réalisée, lorsque la volatilité spot est modélisée par un processus de diffusion à volatilité constante. Nous utilisons de récents résultats asymptotiques sur les densités des diffusions hypo-elliptiques pour calculer une expansion de la densité de la variance réalisée, que nous intégrons pour obtenir l’expansion du prix des options, puis de leur volatilité implicite Black-Scholes.Le dernier chapitre est consacré à la valorisation des dérivés de taux d’intérêt dans le modèle Lévy de marché Libor qui généralise le modèle de marché Libor classique (log-normal) par l’ajout de sauts. En écrivant le premier comme une perturbation du second et en utilisant la représentation de Feynman-Kac, nous calculons explicitement l’expansion asymptotique du prix des dérivés de taux, en particulier, des caplets et des swaptions. / In this thesis, we study several mathematical finance problems, related to the pricing of derivatives. Using different asymptotic approaches, we develop methods to calculate accurate approximations of the prices of certain types of options in cases where no explicit formulas are available.In the first chapter, we are interested in the pricing of path-dependent options, with Monte-Carlo methods, when the underlying is modelled as an affine stochastic volatility model. We prove a long-time trajectorial large deviations principle. We then combine it with Varadhan’s Lemma to calculate an asymptotically optimal measure change, that allows to reduce significantly the variance of the Monte-Carlo estimator of option prices.The second chapter considers the pricing with Monte-Carlo methods of options that depend on several underlying assets, such as basket options, in the Wishart stochastic volatility model, that generalizes the Heston model. Following the approach of the first chapter, we prove that the process verifies a long-time large deviations principle, that we use to reduce significantly the variance of the Monte-Carlo estimator of option prices, through an asymptotically optimal measure change. In parallel, we use the large deviations property to characterize the long-time behaviour of the Black-Scholes implied volatility of basket options.In the third chapter, we study the pricing of options on realized variance, when the spot volatility is modelled as a diffusion process with constant volatility. We use recent asymptotic results on densities of hypo-elliptic diffusions to calculate an expansion of the density of realized variance, that we integrate to obtain an expansion of option prices and their Black-Scholes implied volatility.The last chapter is dedicated to the pricing of interest rate derivatives in the Levy Libor market model, that generaliszes the classical (log-normal) Libor market model by introducing jumps. Writing the first model as a perturbation of the second and using the Feynman-Kac representation, we calculate explicit expansions of the prices of interest rate derivatives and, in particular, caplets and swaptions

[pt] Este trabalho trata do escoamento na escala das gotas e da Reologia de emulsões diluídas. Técnicas analíticas e numéricas são empregadas na solução do problema. Nas vizinhan»cas das gotas o escoamento pode ser considerado livre de efeitos de inércia e conseqüentemente as equações governantes são as equações de Stokes. Esse limite é conhecido na literatura como Microhidrodinâmica. O campo de velocidade e de tensão sobre a superfície das gotas é calculado. Um processo de média espacial é realizado em um volume representativo da suspensão tal que a mesma possa ser estudada como um ruido contínuo equivalente. Métodos assintóticos baseados em aproximações de pequenas deformações das gotas são empregados para produzir teorias de primeira e segunda ordens da razão de viscosidade. Uma extensão da teoria para emulsões diluídas polidispersas é desenvolvida. Uma teoria viscoelástica quasi-linear é construída para emulsões diluídas de alta razão de viscosidade em cisalhamento oscilatório. Em regimes de grandes deformações utiliza-se o Método Integral de Contorno para determinar-se a forma da gota e o campos de velocidade sobre a mesma. O método é descrito em detalhes, tanto do ponto de vista teórico como de sua implementação numérica. A validação da metodologia numérica é feita utilizando resultados teóricos e experimentais, disponíveis na literatura. A reologia da emulsão é estudada em escoamentos de cisalhamento simples, oscilatório, pura extensão e cisalhamento quadrático (escoamento de Poiseuille). Os resultados numéricos para cisalhamento simples são utilizados para determinar constantes materiais da teoria assintótica de segunda ordem para a tensão. Limites não-lineares de escoamento em regimes de razões de viscosidade moderadas para os cisalhamentos simples, oscilatório e quadrático são estudados / [en] This work deals with the flow in the scale of the drops and the Rheology of diluted emulsions. Analytic and numerical techniques are employed in order to solve the problem. In the drop neighborhoods the flow may be considered as free of inertia effects and consequently governed by Stokes equations. In the literature this limit is known as Microhydrodynamics. The flow field and the stress tensor on the drop surface are calculated. A spatial mean process was taken, in a representative suspension volume, in order to study the emulsion as an homogeneous and continuous fluid. Asymptotic methods based in small drop deformation approximation are used to produce first and second orders theories which the parameter is the viscosity ratio. An extension of these theories for polydisperse diluted emulsion is developed. A quasi-linear viscoelasticity theory is constructed for diluted emulsion of high viscosity ratios in oscillatory shear flows. In the regimes of large deformations, the velocity and the stress on the particles are evaluated by a numerical procedure based on the Boundary Integral Method for deformable drops. The theoretical and numerical aspects of the Boundary Integral Method are described in details. The code is validated by comparison the numerical results with the experimental data presented in the literature, and also by comparison with the theoretical results of small deformation. The emulsion rheology is studied in simple shear, oscillatory shear, extensional and also in pressure driven flows. The numerical results are used to determine material constants of the stress theory of the second order. Non linear flow regimes of moderate viscosity ratios in simple shear, oscillatory shear and pressure driven flows are also studied.