Une part importante de l’activité en calcul scientifique et analyse numérique est consacrée aux problèmes de transport d’une quantité par un champ donné (ou lui-même calculé numériquement). Les questions de conservations étant essentielles dans ce domaine, on formule en général le problème de façon eulérienne sous la forme d’un bilan au niveau de chaque cellule élémentaire du maillage, et l’on gère l’évolution en suivant les valeurs moyennes dans ces cellules au cours du temps. Une autre approche consiste à suivre les caractéristiques du champ et à transporter les valeurs ponctuelles le long de ces caractéristiques. Cette approche est délicate à mettre en oeuvre, n’assure pas en général une parfaite conservation de la matière transportée, mais peut permettre dans certaines situations de transporter des quantités non régulières avec une grande précision, et sur des temps très longs (sans conditions restrictives sur le pas de temps comme dans le cas des méthodes eulériennes). Les travaux de thèse présentés ici partent de l’idée suivante : dans le cadre des méthodes utilisant un suivi de caractéristiques, transporter une quantité supplémentaire géométrique apportant plus d’informations sur le problème (on peut penser à un tenseur des contraintes dans le contexte de la mécanique des fluides, une métrique sous-jacente lors de l’adaptation de maillage, etc. ). Un premier pan du travail est la formulation théorique d’une méthode de transport de telles quantités. Elle repose sur le principe suivant : utiliser la différentielle du champ de transport pour calculer la différentielle du flot, nous donnant une information sur la déformation locale du domaine nous permettant de modifier nos quantités géométriques. Cette une approche a été explorée dans dans le contexte des méthodes particulaires plus particulièrement dans le domaine de la physique des plasmas. Ces premiers travaux amènent à travailler sur des densités paramétrées par un couple point/tenseur, comme les gaussiennes par exemple, qui sont un contexte d’applications assez naturelles de la méthode. En effet, on peut par la formulation établie transporter le point et le tenseur. La question qui se pose alors et qui constitue le second axe de notre travail est celle du choix d’une distance sur des espaces de densités, permettant par exemple d’étudier l’erreur commise entre la densité transportée et son approximation en fonction de la « concentration » au voisinage du point. On verra que les distances Lp montrent des limites par rapport au phénomène que nous souhaitons étudier. Cette étude repose principalement sur deux outils, les distances de Wasserstein, tirées de la théorie du transport optimal, et la distance de Fisher, au carrefour des statistiques et de la géométrie différentielle. / In applied mathematics, question of moving quantities by vector is an important question : fluid mechanics, kinetic theory… Using particle methods, we're going to move an additional quantity giving more information on the problem. First part of the work is the theorical formulation for this kind of transport. It's going to use the differential in space of the vector field to compute the differential of the flow. An immediate and natural application is density who are parametrized by and point and a tensor, like gaussians. We're going to move such densities by moving point and tensor. Natural question is now the accuracy of such approximation. It's second part of our work , which discuss of distance to estimate such type of densities.

Pour les robots marcheurs, c'est à dire bipèdes, quadrupèdes, hexapodes, etc... la notion de stabilité est primordiale. En effet, ces robots possèdent une base flottante sous-actuée : il leur faut prendre appui sur l'environnement pour se mouvoir. Toutefois, cette caractéristique les rend vulnérables: ils peuvent tomber. Il est donc indispensable de pouvoir différencier un mouvement stable d'un mouvement non-stable. Dans cette thèse, la stabilité est considérée du point de vue d'un modèle réduit au Centre de Masse (ou Centre de Gravité). Nous montrons dans un premier temps comment calculer la zone de stabilité de ce modèle dans le cas statique. Bien que cette région soit un objet purement géométrique, nous montrons qu'elle dépend des forces de contact admissibles. Ensuite, nous montrons qu'introduire la notion de robustesse, c'est à dire une marge d'incertitude sur les accélérations (ou les forces de contacts) transforme la forme plane du cas statique en un volume tridimensionnel. Afin de calculer cette forme, nous présentons de nouveaux algorithmes récursifs. Nous appliquons ensuite des algorithmes provenant de l'infographie qui permettent de déformer continûment ces objets géométriques. Cette transformation nous permet d'approximer des changements dans les variables influençant ces formes. Calculer le volume de stabilité explicitement nous permet de découpler les accélérations des positions du CdM, ce qui nous permet de formuler un problème de contrôle prédictif linéaire. Nous proposons aussi une autre formulation linéaire qui, au prix de calculs plus coûteux, permet d'exploiter pleinement la dynamique du robot. Enfin, nous appliquons ces résultats dans une approche hiérarchique qui nous permet de générer des mouvements du corps complet du robot, aussi bien sur une véritable plateforme humanoïde qu'en simulation. / In the context of legged robotics, stability (or equilibrium) is of the utmost importance. Indeed, as legged robots have a non-actuated floating base they can fall. To avoid falling, we must be able to tell apart stable from non-stable motion. This thesis approaches stability from a reduced model point-of-view: our main interest is the Center of Mass. We show how to compute stability regions for this reduced model, at first based on purely static stability. Although purely geometrical in nature, we show how they depend on the admissible contact forces. Then, we show that taking into account robustness, in the sense of acceleration (or contact forces) affordances transforms the usual two-dimensional stability region into a three dimensional one. To compute this shape, we introduce novel recursive algorithms. We show how we can apply computer graphics techniques for shape morphing in order to continuously deform the aforementioned regions. This allows us to approximate changes in the parameters of those shapes, but also to interpolate between shapes. Finally, we exploit the effective decoupling offered by the explicit computation of the stability polyhedron to formulate a linear, minimal jerk model-predictive control problem. We also propose another linear MPC problem that exploits more of the available dynamics, but at an increased computational cost. We then adopt a hierarchical approach, and use those CoM results as input to our whole-body controller. Results are demonstrated on real hardware and in simulation.

We investigate the impact of cash reserves upon the optimal behaviour of a modelled firm that has uncertain future revenues. To achieve this, we build up a corporate financing model of a firm from a Real Options foundation, with the option to close as a core business decision maintained throughout. We model the firm by employing an optimal stochastic control mathematical approach, which is based upon a partial differential equations perspective. In so doing, we are able to assess the incremental impacts upon the optimal operation of the cash constrained firm, by sequentially including: an optimal dividend distribution; optimal equity financing; and optimal debt financing (conducted in a novel equilibrium setting between firm and creditor). We present efficient numerical schemes to solve these models, which are generally built from the Projected Successive Over Relaxation (PSOR) method, and the Semi-Lagrangian approach. Using these numerical tools, and our gained economic insights, we then allow the firm the option to also expand the operation, so they may also take advantage of favourable economic conditions.

L’objectif de cette thèse est d’appliquer la théorie du contrôle optimal à la dynamique d’ensembles inhomogènes de spins. La première partie est dévouée au contrôle d’un ensemble de spins couplé à une cavité. La théorie est introduite en détail, et une méthode générale pour contrôler efficacement les spins est présentée. Plusieurs pulses sont déterminés dans les régimes de bonne et de mauvaise cavité. De même, les fonctions non linéaires généralisées sont utilisées afin de déterminer des approximations simples. Dans un second temps, le problème de la maximisation du Signal-sur-Bruit d’un écho de spin est abordé, et des conditions d’optimisations sont établies. Il est montré que les nouveaux pulses sont supérieurs à ceux de l’état de l’art, en termes de fidélité et d’augmentation du Signal-sur-Bruit. Par ailleurs, ils permettent d’explorer de nouvelles situations (e.g. mesure de FID (Free Induction Decay) en CQED avec un taux de perte de cavité plus long que T2∗). La seconde partie est dévouée à des problèmes de RMN/IRM standard. Deux situations de "sélectivité" sont étudiées. La première consiste à déterminer le pulse le plus court qui produit la transformation la plus sélective par rapport aux offsets. Dans le cas ultra-sélectif, la solution optimale est un arc singulier d’amplitude constante. Cependant, si des contraintes de robustesse sont ajoutées, la solution optimale peut-être un arc régulier. La seconde est celle de l’optimisation de base de données pour des expériences de MR-fingerprinting. Dans ce cas, un champ de contrôle est conçu pour générer une base de données "d’empreinte digitale" qui maximise le processus de reconnaissance entre spins de paramètres différents. / The goal of this thesis is to apply optimal control theory to the dynamics ofinhomogeneous spin ensembles. The first part focuses on the control of a spin ensemble coupled to a cavity. The theory is introduced in detail, and a general method to efficiently control spins ispresented. Several pulses are derived in the bad/good cavity regimes using numerical optimal control techniques. Additionally, non-linear generalized functions are used in order to derivesimple approximated solutions. In a second step, the problem of spin echo Signal to Noise Ratio maximization is investigated, and maximization conditions are derived. It is shown that new pulses are superior to state-of-the-art square pulses in terms of fidelity and SNR maximization. Moreover, they allow us to explore new situations (e.g. Free Induction Decay measurementsin cavity-QED with a cavity damping longer than T2∗). The second part focuses on standard NMR/MRI problems. Two distinct situations of selectivity are investigated. The first one consists of determining the time minimum pulse which produces the most offset-selective transformation. In the ultra-selectivity case, the optimal solution is a singular arc of constant amplitude. However,if additional robustness constraints are taken into account, the optimal solution can be a regular arc. The second situation is the optimization of databases for MR-fingerprinting experiments. In this case, a control field is designed so that it generates a fingerprint database which maximizesthe recognition process between several spins with different parameters.

System Lupus Erythematosus (SLE) is a chronic inflammatory autoimmune disorder that affects many parts of the body including skin, joints, kidneys, brains and other organs. Lupus Nephritis (LN) is a disease caused by SLE. Given the complexity of LN, we establish an optimal treatment strategy based on a previously developed mathematical model.For our thesis work, the model variables are: Immune Complexes (I), Pro-inflammatory mediators (P), Damaged tissue (D), and Anti-inflammatory mediators (A). The analysis in this research project focuses on analyzing therapeutic strategies to control damage using both parameter estimation techniques (integration of data to quantify any uncertainties associated with parameters) and optimal control with the goal of minimizing time spent on therapy for treating damaged tissue by LN.

Cette thèse s'intéresse à une étude des EDSR ergodiques, avec pour principal objectif leur application à l'étude du comportement en temps long de certaines EDP. Dans un premier temps, nous démontrons des résultats (qui sont déjà connus dans le cadre où l'EDS sous-jacente est à bruit additif) dans un cadre de bruit sous-jacent multiplicatif. Par la suite, l'introduction d'un nouvel aléa via un processus de Poisson nous permet de nous intéresser non plus au comportement en temps long d'une seule EDP, mais au comportement en temps long d'un système d'EDP couplées. Enfin, lorsque l'EDS sous-jacente est bruitée par un processus de Lévy, le lien est fait avec des équations intégro-différentielles partielles. L'application de ces équations à la résolution de problèmes de contrôle optimal est également présentée. / In this thesis, we are interested in studying ergodic BSDEs, and our main goal is to apply our results to the large time behaviour of some PDEs. First, we prove some results (already known in the case where the underlying SDE has an additive noise) in the case of an underlying multiplicative noise. Then, we introduce a Poisson process and it leads us to the large time behaviour of a system of coupled PDEs. Finally, when the underlying SDE has a Lévy noise, we make a link with partial integro-differential equations. We also apply these equations to solve some optimal control problems.

L’objectif principal de ce travail est l’étude de la planification de trajectoires pour des drones de type HALE ou MALE. Les modèles cinématiques de ces drones sont étudiés. Les drones HALE sont modélisés par le système de Dubins. Pour les drones MALE, le modèle est construit en étudiant le repère cinématique du drone. Nous considérons les problèmes de planification de trajectoires point-point et point-pattern. Il s’agit, à partir de la position courante du drone, de rejoindre un point ou une figure prédéfinie dans l’espace. La planification point-point est abordée sous forme d’un problème de contrôle optimal. Deux méthodes sont proposées pour résoudre le problème point-pattern. D’abord nous présentons la synthèse en temps minimal pour le système de Dubins. Ensuite, nous développons une méthode basée sur le principe de LaSalle. La première méthode est utilisée au sein d’un algorithme de planification pour des drones HALE. La deuxième permet de stabiliser les deux types de drones considérés vers un pattern. Nous proposons une extension des algorithmes de planification développés, basée sur une discrétisation del’espace grâce aux graphes de Voronoï et une méthode de planification discrète, pour construire des trajectoiresdans des milieux encombrés. Nous étudions également le problème de couplage drone/capteur. Il s’agit de calculer une trajectoire permettant de satisfaire les objectifs du drone et de son capteur (une caméra). L’algorithme proposé est construit à partir de la résolution d’un problème quadratique sous contraintes.Dans une seconde partie, nous analysons un problème de contrôle optimal inverse. Celui-ci permet d’améliorer les résultats des méthodes de planification en s’inspirant du comportement des pilotes. Après avoir posé le problème, les résultats théoriques sont exposés et le cas particulier du système de Dubins est étudié en pratique. / This thesis is about path planning for HALE or MALE UAVs (Unmanned Aircraft Vehicles), possibly under mission constraints. As such, the study is performed at the kinematic level : HALE UAVs are represented as Dubins systems, and a model for MALE UAVs is constructed by studying their kinematic frame. In the first part, we tackle the path planning problem for a UAV that must join a target (a point or a pattern), starting from any position. The point to point path planning problem is addressed as an optimal control problem. Regarding the point to pattern path planning problem, two different methods are proposed. The former consists in solving the minimum time synthesis for the Dubins system, in order to obtain a basis for a HALE UAVs planning algorithm. The latter method relies on the LaSalle principle ; it permits to stabilize a HALE or MALE UAV to a pattern.In addition, extensions of the previously developed algorithms to cluttered environnement are provided. This extension is achieved thanks to a space discretization using Voronoi diagrams and a discrete planning method. Finally, the mission constraints are dealt with as a coupling problem between the UAV and its sensors. The proposed algorithm is presented in the form of a constrained quadratic problem.In the second part of this thesis, we want to refine the planning algorithm to get a result closer to trajectories of pilots. In order to do that, we solve an inverse optimal control problem where the cost to find is computed from the experience of pilots. Theoretical results are presented and applied to the particular case of the Dubins system.

在行列設計(row-column design)的架構下，當行總和與列總和皆為總試驗處理數的倍數時，我們考慮行效果與列效果的相互比較之最適性。延續Shah和Sinha(1993)的結果，在給定行總和及列總和的情況下，我們導出達成齊一最適設計(uniformly optimal design)的充分條件。此外，當總實驗單位固定時，達成全域最適設計(universally optimal design)的充分條件亦被求出。我們同時列舉許多相關的設計排列法。 / We consider the problem of comparing row effects and column effects in the row-column design setup when the row sizes and column sizes are all multiples of the number of treatments. Following the work of Shah and Sinha (1993), we derive a sufficient condition for uniformly optimal designs for given values of the row sizes and column sizes. We also derive a sufficient condition for universally optimal designs when the total number of experimental units is fixed. Several examples of designs with high efficiencies are provided.

Online auctions are arguably one of the most important and distinctly new applications of the internet. The predominant player in online auctions, eBay, has over 18.9 milllion users, and it was the host of over $5 billion worth of goods sold in the year 2000. Using methods from approximate dynamic programming and integer programming, we design algorithms for optimally bidding for a single item online auction, and simultaneous or overlapping multiple online auctions. We report computational evidence using data from eBay's web site from 1772 completed auctions for personal digital assistants and from 4208 completed auctions for stamp collections that show that (a) the optimal dynamic strategy outperforms simple but widely used static heuristic rules for a single auction, and (b) a new approach combining the value functions of single auctions found by dynamic programming using an integer programming framework produces high quality solutions fast and reliably. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Time-optimal solutions provide us with the fastest means to regulate a system in presence of input constraints. This advantage of time-optimal control solutions is offset by the fact that their real-time implementation involves computationally intensive iterative techniques. Moreover, time-optimal controls depend on the initial state and have to be recalculated for even the slightest perturbation. Clearly time-optimal controls are not good candidates for online regulation. Consequently, the search for alternatives to time-optimal solutions is a very active area of research. The work described here is inspired by the simplicity of optimal-aim concept. The "optimal-aim strategies" provide online regulation in presence of bounded inputs with minimal computational effort. These are based purely on state-space geometry of the plant and are inherently adaptive in nature. Optimal-aim techniques involve aiming of trajectory derivative (or the state velocity vector) so as to approach the equilibrium state in the best possible manner. This thesis documents the efforts to develop an online regulation algorithm for systems with input constraints. Through a number of hypotheses focussed on trying to reproduce the exact time-optimal solution, the diffculty associated with this task is demonstrated. A modification of optimal-aim concept is employed to develop a novel regulation algorithm. In this algorithm, aim directions are chosen in a special manner to generate the time-optimal control approximately. The control scheme thus developed is shown to be globally stabilizing for systems having eigenvalues in the CLHP (closed left half-plane). It is expected that this method or its modifications can be extended to higher dimensional systems as a part of future research. An alternative control algorithm involving a simple state-space aiming concept is also developed and discussed.