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The calculus of variations looks in general at finding critical points of a given functional, and shape optimisation is specifically concerned with variational problems, where the unknown is the set on which the problem is defined. This thesis attempts to navigate through the topic of optimal sets, drawing on both the early beginnings of such investigations, and the work of the very active current research community. The behaviour under perturbations of quantities given by variational characterisations is a recurring theme. The starting point is a renewed look at the classical question of minimising individual eigenvalues of the Dirichlet. Laplacian over domains in Rn subject to geometric constraints, with particular focus on bounding the number of components of optimal sets. The results obtained give rise to questions concerning analogous results for minimisers of functions of eigenvalues. This thesis looks specifically at the corresponding properties for convex combinations of the first three eigenvalues, a study which in turn feeds back interesting information on the optimal sets for individual eigenvalues. Research on eigenvalue optimisation leads naturally to the study of the behaviour of the eigenvalues themselves and various other quantities under perturbations of a given domain. This thesis includes an investigation into bounds on the spectra of sets in terms of the principal frequency of their difference. Finally, a quantity of interest besides the eigenvalues is the torsional rigidity, and we conclude with an estimate of its behaviour under perturbations of a ball in Euclidean space Rn.

The present thesis provides an analysis of some path-dependent functionals of Constant Elasticity of Variance (CEV) processes. More precisely, we study the continuous arithmetic average of the process over time, plain or sometimes multiplied by a knock-out indicator. We start by describing its mathematical properties and provide new distributional results (moments, densities, moment generating function among others). Some of these results also pertain to the joint distribution of the integral and the process itself. The versatility of the process enables us to consider diverse financial applications: fixed and floating strike Asian options on equities, European vanilla options on equity in the presence of stochastic volatility as well as zero-coupon bonds, guaranteed endowment options and average-rate claims under stochastic interest rates. We devote a great part of the present work to the square-root process and the geometric Brownian motion, two important subcases of the CEV process. For both these nested diffusions, a number of mathematical and financial quantities have been solved for in the literature in closed-form, in terms of Laplace transforms. In this thesis, we derive these quantities in a fully explicit form, which is advantageous both from a theoretical point of view, to gain insight in their mathematical structure and from a practical stand, as the numerical evaluation of our formulae appear more robust and efficient than other numerical methods for some ranges of parameters. In the general CEV case, for which the integrated process has scarcely been considered in the literature, we derive semi-closed form expressions.

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Στο πέρασμα των αιώνων, οι άνθρωποι αναζητούσαν νόμους που να περιγράφουν τα φαινόμενα του φυσικού κόσμου. Το 1744 ο Γάλλος επιστήμονας Pierre Louis Moreau de Maupertious έθεσε την αρχή ότι η φύση ενεργεί πάντα με τέτοιο τρόπο ώστε να ελαχιστοποιείται κάποια ποσότητα που ο ίδιος ονόμασε «δράση». Στη μαθηματική θεμελίωση της σχετικής θεωρίας των μεγίστων και ελαχίστων των βαθμωτών ποσοτήτων συνέβαλλε ο Ελβετός μαθηματικός Leonard Euler. Στα προβλήματα του Λογισμού των Μεταβολών μελετάμε παραστάσεις που περιέχουν μία ή περισσότερες άγνωστες πραγματικές συναρτήσεις μιας ή περισσοτέρων πραγματικών μεταβλητών. Έτσι, αναζητούμε μια συνάρτηση που να δίνει στη συγκεκριμένη παράσταση μέγιστη ή ελάχιστη τιμή. Οι παραστάσεις αυτές ονομάζονται συναρτησιακά και αποτελούν μια γενίκευση της έννοιας της συνάρτησης. H διπλωματική αυτή εργασία αποτελεί μια βιβλιογραφική επισκόπηση των άμεσων μεθόδων που χρησιμοποιούνται στην επίλυση των προβλημάτων του λογισμού των μεταβολών.Κάτω από αυτό το πρίσμα, παρουσιάζονται οι προσεγγιστικές λύσεις, η εφαρμογή τους καθώς και οι πρόσφατες βελτιώσεις τους. Συγκεκριμένα, στο κεφάλαιο 1 αναφέρονται κάποιες βασικές έννοιες του λογισμού των μεταβολών . Στο κεφάλαιο 2 γίνεται λόγος για τέσσερις άμεσες μεθόδους επίλυσης συναρτησιακών προβλημάτων. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφονται τέσσερις μέθοδοι, οι οποίες προσεγγίζουν τη λύση μη γραμμικών προβλημάτων του λογισμού των μεταβολών με ακρίβεια 2ης τάξης ως συνάρτηση του μήκους βήματος. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται κάποιες νέες τεχνικές επίλυσης των προβλημάτων που συζητήθηκαν. Στο κεφάλαιο 5 αναφέρεται η χρήση υποπρογραμμάτων (“packages”) που χρησιμοποιούνται μέσω συστημάτων λογισμικού όπως το Maple και το Mathematica. / Over the centuries, people seeking laws that describe the phenomena of the natural world. In 1744 the French scientist Pierre Louis Moreau de Maupertious established the principle that nature always acts in such a way as to minimize a quantity he called ‘action’. The Swiss mathematician Leonard Euler helped the mathematical foundations of the theory of maximum and minimum of the scalar quantities. Problems of the Calculus of Variations contain unknown functions of one or more real variables. So, the aim is to find a function that maximizes an integral. This project deals with direct methods which give approximate solutions to functional problems. Furthermore, their implementation and their recent improvements are described. Specifically, in Chapter 1 some basic concepts of calculus of variations are discussed. In chapter 2 four direct methods of solving functional problems are illustrated. In the chapter four methods which approximate the solution of nonlinear problems in the calculus of variations with second order accuracy in terms of the step length are described and some results are pointed out. Chapter 4 presents some new techniques to solve these problems. The chapter 5 refers the use of “packages” used by software systems such as Maple and Mathematica.

Dans cette thèse, nous avons étudié le contrôle et l'optimisation de systèmes dynamiques sujets à des retards variables.L'existence de retards, de commande ou d'état, est un problème classique en automatique, susceptible de réduire les performances du système en régime transitoire, voire de remettre en cause la stabilité de contrôleurs en boucle fermée. De tels phénomènes de retards variables jouent un rôle important dans de nombreuses applications en génie des procédés.Dans une première partie, nous avons étudié la régulation en boucle fermée d'un système soumis à des retards de métrologie variables et incertains. Nous avons établi de nouveaux résultats garantissant la stabilité robuste sous certaines conditions explicites sur le gain du contrôleur. Dans une seconde partie, nous avons abordé le problème de l'optimisation dynamique de systèmes présentant des retards variables dépendant de la commande liés à des phénomènes de transport dans des réseaux hydrauliques. Nous avons proposé un algorithme itératif d'optimisation et garanti sa convergence grâce à une analyse détaillée. / This Ph.D. work studied the control and optimization of dynamical systems subject to varying time delays.State and control time delays are a well-known problem in control theory, with a potential to decrease performances during transient regimes, or even to jeopardize controllers closed-loop stability. Such variable delays play a key role in many applications in process industries.In a first part, we studied the closed-loop control of a system subject to varying and uncertain metrology delays. We established new results on robust stability under explicit conditions on the controller gain. In a second part, we tackled the problem of the dynamic optimization of systems exhibiting input dependent delays due to transport phenomena in complex hydraulic architectures. We designed an iterative optimization algorithm and guaranteed its convergence through a detailed analysis.

Dans ce mémoire, nous nous sommes intéressés aux problèmes d'estimation, de filtrage H-infini mais aussi à la commande via un observateur dans les domaines temporel et fréquentiel, aussi bien pour les systèmes linéaires standards que pour les systèmes algèbro-différentiels plus généraux appelés systèmes singuliers. Le fil conducteur de notre démarche a été de proposer des résultats facilement implémentables et de couvrir la classe la plus large possible des systèmes linéaires. Ainsi, nous avons commencé notre travail en proposant des méthodes de synthèse d'observateurs à entrées inconnues pour des systèmes sans et avec retard, sujet à des entrées totalement inconnues. Nous cherchons ici à éliminer l'effet des entrées inconnues sur la dynamique de l'erreur d'observation. La synthèse temporelle est basée sur des LMIs permettant de déterminer la matrice de gain paramétrant toutes les matrices de l'observateur. L'approche LMI est en fait déduite de différents lemmes bornés qui eux mêmes se basent sur l'approche Lyapunov. La synthèse fréquentielle est déduite de celle temporelle en proposant des MFDs judicieuses et en utilisant l'approche de factorisation. Ensuite, nous avons proposé des filtres qui permettent d'assurer, en plus de la stabilité, un critère de performance H-infini, c'est à dire que nous cherchons à atténuer l'effet des perturbations, supposées être inconnues mais à énergie bornée, sur la dynamique de l'erreur d'estimation. L'un des principaux apports de nos travaux, a été de proposer une nouvelle écriture de la dynamique de l'erreur d'estimation sous forme singulières afin de contourner le problème de l'apparition de la dérivée des perturbations dans la dynamique de l'erreur d'estimation. Ainsi, nous sommes arrivés à relaxer les contraintes qui existent généralement sur les matrices des filtres non biaisés synthétisés; c'est à dire, des filtres dont la dynamique de l'erreur d'estimation ne dépend pas explicitement de l'état x(t) du système et de l'entrée u(t). La méthode fréquentielle est déduite de celle temporelle en utilisant l'approche de factorisation. Il est à noter que cette description fréquentielle, entrée-sortie, pourra permettre une implémentation aisée dans le domaine fréquentiel lorsque nous nous trouvons dans une situation où celle-ci est la plus indiquée. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'application des méthodes d'estimation proposées dans le cadre de la commande. En effet, dans un premier temps, nous proposons une synthèse directe d'une commande basée sur un filtre H-infini directement dans le domaine fréquentiel pour des systèmes linéaires standards. Ensuite, nous nous focalisons sur les systèmes singuliers aussi bien dans le cas continu que discret et nous proposons de déterminer des lois de commande en utilisant un filtre fonctionnel qui satisfait un critère de performance H-infini. En effet, nous cherchons d'abord à calculer le gain de retour d'état qui nous permet de remplir les spécifications du système bouclé (stabilité,...). Puis, nous synthétisons un filtre qui a pour but de fournir en sortie une estimée de ce retour d'état. / In this dissertation, we investigated the problems of the estimation but also the controller based-observer design in the time and frequency domains, for both standard linear systems and more general systems algebro-differentials ones also called singular systems. The goal of our approach is to propose easily implementable results and to cover the largest possible class of linear systems. So, we began to propose methods for unknown inputs observers design for linear systems without and with delay, subject to unknown inputs which can result from noise, sensors and actuators faults ... We search here to decouple the unknown inputs and the dynamics of the observation error. The time domain method is based on LMIs permitting to find the gain matrix implemented in the observer matrices. The LMI approach is deduced from various bounded lemmas which themselves are based on Lyapunov approach. The frequency domain synthesis is derived from time domain results by defining suitable MFDs and using the factorization approach. We then propose, filters that permits to ensure, in addition to the stability, an H-infinity performance criteria, i.e we search to attenuate the perturbations effect, supposed unknown but of bounded energy, on the dynamics of the estimation error. One of the main contributions of our work, is to propose a new writing of the error dynamics in a singular form in order to avoid the time derivative of the disturbance in the error dynamics. So, the constraints that generally exist on the matrices of synthesized unbiased filters can be relaxed, i.e filters, that they do not depend explicitly on the state x(t) of the system and on the input u(t). The frequency method is deduced from time domain approach by using the factorisation approach. It should be noted that this frequency domain description, (input-output) representation, may allow an easy implementation in the frequency domain when it is recommended. Finally, we apply the proposed estimation methods to control purpose. In fact, in a first part, we propose a new direct synthesis of a controller based on a H-infinity filter directly in the frequency domain for standard linear systems. Then, we focus our attention on singular systems for both continuous and discrete cases and we propose to search for a linear control law using a functional filter which ensures an H-infinity performance criteria. Our approach is obtained into two steps. In fact, first, we search for a linear control law which ensures some specifications for the closed loop system (stability,...). The state feedback is seen as a functional of the state and is then estimated using our previous results on the H-infinity filtering.

Dans le contexte international actuel, les entreprises doivent être capables de développer des stratégies leur permettant d’augmenter leurs performances et d'être plus compétitives. Cet environnement très évolutif introduit de nombreuses incertitudes et contraintes qui rendent beaucoup plus difficile la détermination de la meilleure stratégie à adopter selon les objectifs fixés. Le travail développé dans cette thèse, s’inscrit dans ce cadre et nous nous intéressons plus précisément à l'optimisation du pilotage de systèmes de production soumis à aléas (comme les pannes des machines) de façon à minimiser les coûts globaux. Pour la modélisation, le modèle à flux continus est choisi afin de représenter le flux de matières transitant dans le système. Ce modèle, nous permet également d'intégrer les délais de transfert et de transport entre les différents éléments qui composent le système.La méthode de résolution analytique utilisée est issue des méthodes d’analyse de sensibilité et correspond à la méthode d’analyse des perturbations infinitésimales (IPA). Cette méthode nous permet de déduire à partir d'une étude de trajectoires, un gradient du coût global pour chacune des études menées. Nous prouvons alors que ces gradients ne sont pas biaisés. Cela nous permet de les utiliser dans des simulations numériques. Ces simulations nous permettent de déterminer les variables de décision des stratégies de pilotage du système considéré. Le pilotage intègre la maintenance à la production. Pour le pilotage des systèmes considérés, nous considérons également des contraintes liées aux trois piliers du développement durable. Ces contraintes sont intégrées à nos modèles sous forme de coûts. Ainsi, les coûts globaux peuvent comporter en plus de coûts purement économiques, des coûts environnementaux et sociaux. Nous montrons donc que l'approche de résolution proposée peut être utilisée pour optimiser d'autres objectifs dans un cadre de durabilité / In the current international context, companies need to be able to develop strategies to increase their performance and become more competitive. This rapidly changing environment introduces many uncertainties and constraints, making much more difficult to determine the best strategy according to the objectives set. The work developed in this thesis falls within this context and, more precisely, we are interested in the optimization of the control of production systems subject to uncertainties (such as machine failures) in order to minimize the overall costs. For modeling, the continuous-flow model is chosen to represent the material flow moving through the system. This model allows us to integrate transfer and transportation delays between the different components of the system. The analytical resolution method used is based on the sensitivity analysis methods and corresponds to the infinitesimal perturbation analysis method (IPA). This method allows us to deduce, based on learning from sample-paths, a gradient of the overall cost for each of the studies conducted. We prove that these gradients are unbiased, which allows us to use them in numerical simulations. The simulations allow us to determine the decision variables of control strategies of the studied systems. The control integrates the maintenance to the production. For the control of the considered systems, we also take into account constraints linked to the three pillars of sustainable development. These constraints are integrated into our models in terms of costs. Thus, the overall costs may not only include purely economic costs, but also environmental and social costs. We show that the proposed resolution approach may be used to optimize other objectives within a sustainability framework

Contrairement aux systèmes linéaires, il n’existe pas de méthode systématique pour la synthèse d’observateurs pour systèmes non linéaires. Cependant, la synthèse peut être plus ou moins simple suivant les coordonnées choisies pour exprimer la dynamique. Des structures particulières, appelées formes canoniques, ont notamment été identifiées comme permettant la construction facile et directe d’un observateur. Une façon usuelle de résoudre ce problème consiste donc à chercher un changement de coordonnées réversible transformant l’expression de la dynamique dans l’une de ces formes canoniques, puis à synthétiser l’observateur dans ces coordonnées, et enfin à en déduire une estimation de l’état du système dans les coordonnées initiales par inversion de la transformation. Cette thèse contribue à chacune de ces trois étapes. Premièrement, nous montrons l’intérêt d’une nouvelle forme triangulaire avec des non linéarités continues (non Lipschitz). En effet, les systèmes observables pour toutes entrées, mais dont l'ordre d’observabilité différentielle est supérieur à la dimension du système, peuvent ne pas être transformables dans la forme triangulaire Lipschitz standard, mais plutôt dans une forme triangulaire "seulement continue". Le célèbre observateur grand gain n’est alors plus suffisant, et nous proposons d’utiliser plutôt des observateurs homogènes.Une autre forme canonique intéressante est la forme linéaire Hurwitz, qui admet un observateur trivial. La question de la transformation d’un système non linéaire dans une telle forme n’a été étudiée que pour les systèmes autonomes à travers les observateurs de Kazantzis-Kravaris ou de Luenberger. Nous montrons ici comment cette synthèse, consistant à résoudre une EDP, peut être étendue aux systèmes instationnaires/commandés. Quant à l’inversion de la transformation, cette étape est loin d’être triviale en pratique, surtout lorsque les espaces de départ et d’arrivée ont des dimensions différentes. En l’absence d’expression explicite et globale de l’inverse, l’inversion numérique repose souvent sur la résolution d’un problème de minimisation couteux en calcul. C’est pourquoi nous développons une méthode qui permet d’éviter l’inversion explicite de la transformation en ramenant la dynamique de l’observateur (exprimée dans les coordonnées de la forme canonique) dans les coordonnées initiales du système. Ceci passe par l’ajout de nouvelles coordonnées et par l’augmentation d’une immersion injective en un difféomorphisme surjectif. Enfin, dans une partie totalement indépendante, nous proposons aussi des résultats concernant l’estimation de la position du rotor d’un moteur synchrone à aimant permanent en l’absence d’informations mécaniques (sensorless) et lorsque des paramètres tels que la résistance ou le flux de l’aimant sont inconnus. Ceci est illustré par des simulations sur données réelles. / Unlike for linear systems, no systematic method exists for the design of observers for nonlinear systems. However, observer design may be more or less straightforward depending on the coordinates we choose to express the system dynamics. In particular, some specific structures, called canonical forms, have been identified for allowing a direct and easier observer construction. It follows that a common way of addressing the problem consists in looking for a reversible change of coordinates transforming the exression of the system dynamics into one of those canonical forms, design an observer in those coordinates, and finally deduce an estimate of the system state in the initial coordinates via inversion of the transformation. This thesis contributes to each of those three steps.First, we show the interest of a new triangular canonical form with continuous (non-Lipschitz) nonlinearities. Indeed, we have noticed that systems which are observable for any input but with an order of differential observability larger than the system dimension, may not be transformable into the standard Lipschitz triangular form, but rather into an "only continuous" triangular form. In this case, the famous high gain observer no longer is sufficient, and we propose to use homogeneous observers instead.Another canonical form of interest is the Hurwitz linear form which admits a trivial observer. The question of transforming a nonlinear system into such a form has only been addressed for autonomous systems with the so-called Lunberger or Kazantzis-Kravaris observers. This design consists in solving a PDE and we show here how it can be extended to time-varying/controlled systems.As for the inversion of the transformation, this step is far from trivial in practice, in particular when the domain and image spaces have different dimensions. When no explicit expression for a global inverse is available, numerical inversion usually relies on the resolution of a minimization problem with a heavy computational cost. That is why we develop a method to avoid the explicit inversion of the transformation by bringing the observer dynamics (expressed in the canonical form coordinates) back into the initial system coordinates. This is done by dynamic extension, i-e by adding some new coordinates to the system and augmenting an injective immersion into a surjective diffeomorphism.Finally, in a totally independent part, we also provide some results concerning the estimation of the rotor position of a permanent magnet synchronous motors without mechanical information (sensorless) and when some parameters such as the magnet flux or the resistance are unknown. We illustrate this with simulations on real data.

Στην παρούσα διατριβή μελετάμε το πρόβλημα της βελτιστοποίησης μη γραμμικών συναρτήσεων πολλών μεταβλητών, όπου η αντικειμενική συνάρτηση είναι συνεχώς διαφορίσιμη σε ένα ανοιχτό υποσύνολο του Rn. Αναπτύσσουμε μαθηματικές μεθόδους βελτιστοποίησης αποσκοπώντας στην επίλυση προβλημάτων μεγάλης κλίμακας, δηλαδή προβλημάτων των οποίων οι μεταβλητές είναι πολλές χιλιάδες, ακόμα και εκατομμύρια. Η βασική ιδέα των μεθόδων που αναπτύσσουμε έγκειται στη θεωρητική μελέτη των χαρακτηριστικών μεγεθών των Quasi-Newton ενημερώσεων ελάχιστης και μικρής μνήμης. Διατυπώνουμε θεωρήματα αναφορικά με το χαρακτηριστικό πολυώνυμο, τον αριθμό των διακριτών ιδιοτιμών και των αντίστοιχων ιδιοδιανυσμάτων. Εξάγουμε κλειστούς τύπους για τον υπολογισμό των ανωτέρω ποσοτήτων, αποφεύγοντας τόσο την αποθήκευση όσο και την παραγοντοποίηση πινάκων. Τα νέα θεωρητικά απoτελέσματα εφαρμόζονται αφενός μεν στην επίλυση μεγάλης κλίμακας υποπροβλημάτων περιοχής εμπιστοσύνης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της σχεδόν ακριβούς λύσης, αφετέρου δε, στην καμπυλόγραμμη αναζήτηση, η οποία χρησιμοποιεί ένα ζεύγος κατευθύνσεων μείωσης, την Quasi-Newton κατεύθυνση και την κατεύθυνση αρνητικής καμπυλότητας. Η νέα μέθοδος μειώνει δραστικά τη χωρική πολυπλοκότητα των γνωστών αλγορίθμων του μη γραμμικού προγραμματισμού, διατηρώντας παράλληλα τις καλές ιδιότητες σύγκλισής τους. Ως αποτέλεσμα, οι προκύπτοντες νέοι αλγόριθμοι έχουν χωρική πολυπλοκότητα Θ(n). Τα αριθμητικά αποτελέσματα δείχνουν ότι οι νέοι αλγόριθμοι είναι αποδοτικοί, γρήγοροι και πολύ αποτελεσματικοί όταν χρησιμοποιούνται στην επίλυση προβλημάτων με πολλές μεταβλητές. / In this thesis we study the problem of minimizing nonlinear functions of several variables, where the objective function is continuously differentiable on an open subset of Rn. We develop mathematical optimization methods for solving large scale problems, i.e., problems whose variables are many thousands, even millions. The proposed method is based on the theoretical study of the properties of minimal and low memory Quasi-Newton updates. We establish theorems concerning the characteristic polynomial, the number of distinct eigenvalues and corresponding eigenvectors. We derive closed formulas for calculating these quantities, avoiding both the storage and factorization of matrices. The new theoretical results are applied in the large scale trust region subproblem for calculating nearly exact solutions as well as in a curvilinear search that uses a Quasi-Newton and a negative curvature direction. The new method is drastically reducing the spatial complexity of known algorithms of nonlinear programming. As a result, the new algorithms have spatial complexity Θ(n), while they are maintaining good convergence properties. The numerical results show that the proposed algorithms are efficient, fast and very effective when used in solving large scale problems.