Ce travail résume mes résultats scientifiques obtenus depuis mon arrivée à l'IECL. Le thème général est l'utilisation de méthodes géométriques pour l'étude de systèmes mécaniques complexes (non linéaires, de dimension infinie). La première partie concerne la commande de systèmes quantiques fermés, décrits par une équation de Schrödinger bilinéaire. L'utilisation de méthodes de géométrie différentielle (de dimension finie) sur des approximations de Galerkin bien choisies ont permis d'obtenir les premiers résultats génériques de contrôlabilité approchée pour l'équation de Schrödinger bilinéaire. La deuxième partie traite de la locomotion d'un nageur isolé dans un fluide parfait en écoulement potentiel. Sous l'action de forces internes, le nageur peut modifier sa forme et agir sur le fluide qui par réaction agit sur le nageur et peut modifier sa vitesse. L'utilisation de résultats classiques de dimension finie a permis de montrer qu'un nageur générique pouvait suivre (position du centre de masse et orientation) une trajectoire arbitraire, avec une précision arbitraire, en restant arbitrairement proche d'une forme de référence donnée. La troisième partie traite de l'optimisation de la stratégie de conduite d'un véhicule, dans le but de minimiser sa consommation d'énergie.

Cette thèse intitulée " Une approche exacte de résolution de problèmes de pooling appliquée à la fabrication d'aliments ", porte sur la résolution (par des méthodes exactes d'optimisation) de problèmes industriels liés à la fabrication d'aliments. Ces problèmes industriels traitent de l'aide à la décision pour la fabrication d'aliments pour des animaux et se rapprochent de problèmes biens connus de la littérature scientifique, à savoir les problèmes de pooling. La méthode présentée dans cet exposé permet de résoudre les problèmes d'optimisation bilinéaires issus de cette problématique industrielle. Elle est basée un branch-and-bound résolvant des linéarisations. Une approche lagrangienne a aussi été explorée et testée pour calculer des bornes inférieures.

Cette thèse intitulée « Une approche exacte de résolution de problèmes de pooling appliquée à la fabrication d’aliments », porte sur la résolution (par des méthodes exactes d’optimisation) de problèmes industriels liés à la fabrication d’aliments. Ces problèmes industriels traitent de l’aide à la décision pour la fabrication d’aliments pour des animaux et se rapprochent de problèmes biens connus de la littérature scientifique, à savoir les problèmes de pooling. La méthode présentée dans cet exposé permet de résoudre les problèmes d’optimisation bilinéaires issus de cette problématique industrielle. Elle est basée un branch-and-bound résolvant des linéarisations. Une approche lagrangienne a aussi été explorée et testée pour calculer des bornes inférieures. / « A global approach to solve pooling problem applied to feed mix industry » deals with the resolution of non linear non convex optimization problem which can occur in the feed mix industry. Feed mix industry problems are close to pooling problem, well-known in the literature. They are aimed to help decision maker in formulating feed, ie. To decide how to blend raw material to make a product satisfying nutrient and production constraints. The brand-and-bound algorithm presented in this these is aimed to solved large-scaled bilinear problems with bilinear constraints. A lagrangian approach has also been developed to obtain valid lower bound.

Aujourd'hui, l'alimentation représente plus de 70% du coût de production en engraissement porcin et dans le contexte économique actuel, il est important de parvenir à réduire ce coût. L'alimentation utilisée actuellement utilise des phases et est représentée par un modèle linéaire. L'alimentation par mélanges introduite récemment est représentée par un modèle bilinéaire. Nous introduisons ici une nouvelle formulation qui est une combinaison des alimentations traditionnelle par mélanges: la méthode hybride. Nous montrons qu'elle permet de réduire le coût de plus de 5%. L'étude principale porte sur l'optimisation globale du problème bilinéaire, non convexe, modélisant l'alimentation par mélanges. La bilinéarité apparaît dans la fonction objectif et dans les contraintes. Ce problème peut posséder plusieurs minima, mais nous souhaitons obtenir un minimum global. Il est équivalent à un problème de pooling et nous montrons qu'il est fortement NP-difficile. Après de premiers résultats, nous énonçons la conjecture que tout minimum local est global pour ce problème bilinéaire appliqué à l'industrie porcine. Nous la prouvons sur un exemple de dimension réduite. Notre problème ne pouvant pas être résolu avec des solveurs globaux à cause de sa dimension, nous utilisons des approches telle que la pénalisation, la discrétisation, et techniques de relaxation lagrangienne ou convexe. Toutes ces approches supportent notre conjecture. Nous faisons également une étude de la robustesse des modèles à la variation des prix des ingrédients ainsi qu'une étude multicritère nous permettant d'obtenir des résultats numériques réduisant considérablement les rejets, autres enjeux importants. / Today, feed represents more than 70% of the production cost in growing-finishing pig industry and in the current economic context, it is important to reduce it. The feeding system currently used uses phases and is expressed as a linear model. The feeding system using feeds introduced more recently is represented by a bilinear model. We introduced here new feeding system which is a combination offeeding systems using phases and feeds: the hybrid method. We show that it can reduce the feed cost by more than 5%. The main part of this manuscript is about global optimization of the bilinear problem, and non convex, problem modeling feeding system using feeds. The objective function and some constraints are bilinear. This problem can have several local minima but we would like to have a global one. It is equivalent to a pooling problem and we prove that it is a strongly NP-hard problem. After a study of first results, we enounce the conjecture that any local minimum is a global minimum for that problem applied in the pig industry. We prove it for a small size example. Our problem cannot be solved by using global solver due to its size, then we applied some relaxation methods such as penalization of bilinear terms, their discretization and Langrangian and convex relaxations. All these approaches support our conjecture. Then we study the robustness of the models on the ingredient price variations and a multicriteria study reducing phosphorus and nitrogen excretion.

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux principales problématiques de la télédétection spatiale de milieux urbains qui sont : le "démélange spectral " et la "fusion". Dans la première partie de la thèse, nous avons étudié le démélange spectral d'images hyperspectrales de scènes de milieux urbains. Les méthodes développées ont pour objectif d'extraire, d'une manière non-supervisée, les spectres des matériaux présents dans la scène imagée. Le plus souvent, les méthodes de démélange spectral (méthodes dites de séparation aveugle de sources) sont basées sur le modèle de mélange linéaire. Cependant, lorsque nous sommes en présence de paysage non-plat, comme c'est le cas en milieu urbain, le modèle de mélange linéaire n'est plus valide et doit être remplacé par un modèle de mélange non-linéaire. Ce modèle non-linéaire peut être réduit à un modèle de mélange linéaire-quadratique/bilinéaire. Les méthodes de démélange spectral proposées sont basées sur la factorisation matricielle avec contrainte de non-négativité, et elles sont conçues pour le cas particulier de scènes urbaines. Les méthodes proposées donnent généralement de meilleures performances que les méthodes testées de la littérature. La seconde partie de cette thèse à été consacrée à la mise en place de méthodes qui permettent la fusion des images multispectrale et hyperspectrale, afin d'améliorer la résolution spatiale de l'image hyperspectrale. Cette fusion consiste à combiner la résolution spatiale élevée des images multispectrales et la haute résolution spectrale des images hyperspectrales. Les méthodes mises en place sont des méthodes conçues pour le cas particulier de fusion de données de télédétection de milieux urbains. Ces méthodes sont basées sur des techniques de démélange spectral linéaire-quadratique et utilisent la factorisation en matrices non-négatives. Les résultats obtenus montrent que les méthodes développées donnent globalement des performances satisfaisantes pour la fusion des données hyperspectrale et multispectrale. Ils prouvent également que ces méthodes surpassent significativement les approches testées de la littérature. / In this thesis, we focused on two main problems of the spatial remote sensing of urban environments which are: "spectral unmixing" and "fusion". In the first part of the thesis, we are interested in the spectral unmixing of hyperspectral images of urban scenes. The developed methods are designed to unsupervisely extract the spectra of materials contained in an imaged scene. Most often, spectral unmixing methods (methods known as blind source separation) are based on the linear mixing model. However, when facing non-flat landscape, as in the case of urban areas, the linear mixing model is not valid any more, and must be replaced by a nonlinear mixing model. This nonlinear model can be reduced to a linear-quadratic/bilinear mixing model. The proposed spectral unmixing methods are based on matrix factorization with non-negativity constraint, and are designed for urban scenes. The proposed methods generally give better performance than the tested literature methods. The second part of this thesis is devoted to the implementation of methods that allow the fusion of multispectral and hyperspectral images, in order to improve the spatial resolution of the hyperspectral image. This fusion consists in combining the high spatial resolution of multispectral images and high spectral resolution of hyperspectral images. The implemented methods are designed for urban remote sensing data. These methods are based on linear-quadratic spectral unmixing techniques and use the non-negative matrix factorization. The obtained results show that the developed methods give good performance for hyperspectral and multispectral data fusion. They also show that these methods significantly outperform the tested literature approaches.

Depuis 1960 et le résultat fondateur de Karatsuba, on sait que la complexité de la multiplication (d’entiers ou de polynômes) est sous-quadratique : étant donné un anneau R quelconque, le produit sur R[X] des polynômes a_0 + a_1 X et b_0 + b_1 X, pour tous a_0, a_1, b_0 et b_1 dans R, peut être calculé en seulement trois et non pas quatre multiplications sur R : (a_0 + a_1 X)(b_0 + b_1 X) = m_0 + (m_2 - m_0 - m_1)X + m_1 X^2, avec les trois produits m_0 = a_0b_0, m_1 = a_1b_1 et m_2 = (a_0 + a_1)(b_0 + b_1). De la même manière, l’algorithme de Strassen permet de multiplier deux matrices 2nx2n en seulement sept produits de matrices nxn. Les deux exemples précédents tombent dans la catégorie des applications bilinéaires : des fonctions de la forme Phi : K^m x K^n -> K^l, pour un corps donné K, linéaires en chacune des deux variables. Parmi les applications bilinéaires les plus classiques, on trouve ainsi la multiplication de polynômes, de matrices, ou encore d’éléments d’extensions algébriques de corps finis. Étant donnée une application bilinéaire Phi, calculer le nombre minimal de multiplications nécessaires au calcul de cette application est un problème NP-difficile. L'objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes minimisant ce nombre de multiplications. Deux angles d'attaques ont été suivis. Un premier aspect de cette thèse est l'étude du problème du calcul de la complexité bilinéaire sous l'angle de la reformulation de ce problème en termes de recherche de sous-espaces vectoriels de matrices de rang donné. Ce travail a donné lieu à un algorithme tenant compte de propriétés intrinsèques aux produits considérés tels que les produits matriciels ou polynomiaux sur des corps finis. Cet algorithme a permis de trouver toutes les décompositions possibles, sur F_2, pour le produit de polynômes modulo X^5 et le produit de matrices 3x2 par 2x3. Un autre aspect de ma thèse est celui du développement d’algorithmes asymptotiquement rapides pour la multiplication entière. Une famille particulière d'algorithmes récents ont été proposés suite à un article de Fürer publié en 2007, qui proposait un premier algorithme, reposant sur la transformée de Fourier rapide (FFT) permettant de multiplier des entiers de n bits en O(n log n 2^{O(log^* n)}), où log^* est la fonction logarithme itéré. Dans cette thèse, un algorithme dont la complexité dépend d'une conjecture de théorie des nombres est proposé, reposant sur la FFT et l'utilisation de premiers généralisés de Fermat. Une analyse de complexité permet d'obtenir une estimation en O(n log n 4^{log^* n}) / Since 1960 and the result of Karatsuba, we know that the complexity of the multiplication (of integers or polynomials) is sub-quadratic: given a ring R, the product in R[X] of polynomials a_0 + a_1 X and b_0 + b_1 X, for any a_0, a_1, b_0 and b_1 in R, can be computed with three and not four multiplications over R: (a_0 + a_1X)(b_0 + b_1X) = m_0 + (m_2 - m_0 - m_1)X + m_1X^2, with the three multiplications m_0 = a_0b_0, m_1 = a_1b_1 et m_2 = (a_0 + a_1)(b_0 + b_1). In the same manner, Strassen's algorithm allows one to multiply two matrices 2nx2n with only seven products of matrices nxn. The two previous examples fall in the category of bilinear maps: these are functions of the form Phi : K^m x K^n -> K^l, given a field K, linear in each variable. Among the most classical bilinear maps, we have the multiplication of polynomials, matrices, or even elements of algebraic extension of finite fields. Given a bilinear map Phi, computing the minimal number of multiplications necessary to the evaluation of this map is a NP-hard problem. The purpose of this thesis is to propose algorithms minimizing this number of multiplications. Two angles of attack have been studied. The first aspect of this thesis is to study the problem of the computation of the bilinear complexity under the angle of the reformulation of this problem in terms of research of matrix subspaces of a given rank. This work led to an algorithm taking into account intrinsic properties of the considered products such as matrix or polynomial products over finite fields. This algorithm allows one to find all the possible decompositions, over F_2, for the product of polynomials modulo X^5 and the product of matrices 3x2 by 2x3. Another aspect of this thesis was the development of fast asymptotic methods for the integer multiplication. There is a particular family of algorithms that has been proposed after an article by Fürer published in 2007. This article proposed a first algorithm, relying on fast Fourier transform (FFT), allowing one to multiply n-bit integers in O(n log n 2^{O(log^* n)}), where log^* is the iterated logarithm function. In this thesis, an algorithm, relying on a number theoretical conjecture, has been proposed, involving the use of FFT and generalized Fermat primes. With a careful complexity analysis of this algorithm, we obtain a complexity in O(nlog n 4^{log^* n})

Dans le premier chapitre on précise les définitions et notations utilisées par la suite et on rappelle certains résultats nécessaires ultérieurement. Dans le deuxième chapitre on définit à partir de deux ensembles convexes K1 et K2, le produit tensoriel direct note K1 cercle X K2 et polaire K1 d'Alemb. K2. Au troisième chapitre on étudie quelques propriétés faciales de K1 cercle x K2 et de K1d'alemb. K2. Au quatrième chapitre on étudie la relation entre K1 cercle X K2 et K1d'Alemb. K2. Enfin on étudie le produit tensoriel direct et le produit tensoriel polaire dans les cas suivants : K1 et k2 sont des hypersphères, K1 et K2 sont des polaires d'hypercubes, K1 et K2 sont des hypercubes.

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On s'intéresse dans cette thèse à la complexité bilinéaire de la multiplication dans toute extension de degré $n$ d'un corps $F_{q}$ à $q$ éléments, qui est étroitement liée au rang de tenseur de la multiplication dans $F_{q^n}$. L'algorithme de type évaluation-interpolation, introduit par D.V et G.V Chudnovsky en 1987, est à la base des techniques algorithmiques fournissant actuellement les meilleures bornes uniformes et asymptotiques de la complexité bilinéaire. Pour obtenir ces meilleures bornes, la stratégie adoptée jusqu'à présent consistait à fixer le degré des places en augmentant le genre du corps de fonctions algébriques.Néanmoins, l'étude de la construction effective associée à ce type de stratégie fut jusqu'à présent négligée en raison d'un obstacle, lié à la construction du point de degré $n$, relevé par Shparlinski, Tsfasman et Vladut en 1992.On présente dans cette thèse une nouvelle stratégie qui consiste à fixer le genre du corps de fonctions algébriques tout en augmentant le degré des places.En appliquant cette stratégie aux corps de fonctions elliptiques, on montre d'une part que le rang de tenseur de la multiplication dans $F_{q^n}$ est quasi-linéaire en $n$, et d'autre part que la construction des algorithmes de multiplications bilinéaires issus de cette stratégie est réalisable en temps polynomial. On montre également comment construire explicitement ces algorithmes sur $F_{q^n}$, en les illustrant par un exemple. Enfin, on établit la première construction asymétrique de l'algorithme de type Chudnovsky. / In this thesis, we focus on the bilinear complexity of multiplication in any degree $n$ extension of the finite field $ F_{q}$, which is closely related to the tensor rank of multiplication in $ F_{q^n} $. The evaluation-interpolation type algorithm introduced by D.V and G.V Chudnovsky in 1987, is the basis of all algorithmic technique providing for now, the lower asymptotic and uniform bounds for the bilinear complexity.So far, the strategy to obtain these lower bounds was to fix the degree of places while increasing the genus of algebraic function fields. However, the study of the effective construction associated with this kind of strategy was until now neglected because of an obstacle related to the construction of a degree $n$ point, identified par Shparlinski, Tsfasman and Vladut in 1992. We present a new strategy which consists in fixing the genus of algebraic function fields while increasing the degree of places. Applying this strategy to the elliptic function fields, we show on the one hand that the tensor rank of multiplication in $ F_{q^n} $ is quasi-linear in $ n $, and on the other hand we prove that the construction of bilinear multiplication algorithms with this strategy is feasible in polynomial time. We also show how to construct explicitly these algorithms over $ F_{q^n} $ for large $n$ by illustrating the construction with an example. Finally, we establish the first asymmetric construction of the Chudnovsky type algorithm.

Dans le cadre du contrôle quantique bilinéaire, cette thèse étudie la possibilité de retrouver l'Hamiltonien et/ou le moment dipolaire à l'aide de mesures d'observables pour un ensemble grand de contrôles. Si l'implémentation du contrôle fait intervenir des bruits alors les mesures prennent la forme de distributions de probabilité. Nous montrons qu'il y a toujours unicité (à des phases près) des Hamiltoniens de du moment dipolaire retrouvés. Plusieurs modèles de bruit sont étudiés: bruit discrète constant additif et multiplicatif ainsi qu'un modèle de bruit dans les phases sous forme de processus Gaussien. Les résultats théoriques sont illustrés par des implémentations numériques. / The problem of recovering the Hamiltonian and dipole moment, termed inversion, is considered in a bilinear quantum control framework. The process uses as inputs some measurable quantities (observables) for each admissible control. If the implementation of the control is noisy the data available is only in the form of probability laws of the measured observable. Nevertheless it is proved that the inversion process still has unique solutions (up to phase factors). Several models of noise are considered including the discrete noise model, the multiplicative amplitude noise model and a Gaussian process phase model. Both theoretical and numerical results are established.