L'évolution de notre compréhension des propriétés de la couronne solaire dépend largement de la détermination empirique ou semi-empirique des paramètres fondamentaux du plasma, tels que le champ magnétique, la densité et la température, mais pour lesquels il n'existe pas de mesure directe. L'intégration le long de la ligne de visée complique considérablement l'interprétation des observations, du fait de la superposition de structures aux propriétés physiques différentes. Pour lever cette ambiguïté, on dispose de plusieurs outils, dont la mesure d'émission différentielle (ou DEM; Differential Emission Measure), qui permet d'obtenir la quantité de plasma en fonction de la température le long de la ligne de visée, et la tomographie, qui permet, elle, d'obtenir la distribution spatiale de l'émissivité. Le couplage de ces deux outils permet d'obtenir un diagnostic tridimensionnel en température et densité de la couronne. A l'heure actuelle, le code utilisé dans ce travail est l'un des deux seuls au monde capables de réaliser ce couplage. Cependant, ces deux méthodes requièrent un processus d'inversion, dont les difficultés intrinsèques peuvent fortement limiter l'interprétation des résultats. La méthode développée dans cette thèse s'attache à évaluer la robustesse des diagnostics spectroscopiques par DEM, en proposant une nouvelle technique de caractérisation tenant compte des différentes sources d'incertitudes mises en jeu. En utilisant une approche probabiliste, cette technique permet d'étalonner a priori le problème d'inversion, et ainsi d'étudier son comportement et ses limitations dans le cadre de modèles simples. L'avantage de ce type d'approche est sa capacité à fournir des barres d'erreurs associées aux DEMs reconstruites à partir de données réelles. La technique développée a d'abord été appliquée à l'imageur SDO/AIA dans le cas de modèles de DEMs simples mais capables de représenter une grande variété de conditions physiques au sein de la couronne. Si l'inversion de plasmas proches de l'isothermalité apparaît robuste, nos résultats montrent qu'il n'en va pas de même pour les plasmas largement distribués en température, pour lesquelles les DEMs reconstruites sont à la fois moins précises mais aussi biaisées vers des solutions secondaires particulières. La technique a ensuite été appliquée au spectromètre Hinode/EIS, en utilisant un modèle de DEM représentant la distribution en loi de puissance des DEMs des régions actives, dont la pente permet de fournir des contraintes relatives à la fréquence des événements de chauffage coronal. Nos résultats montrent que les sources d'incertitudes sont à l'heure actuelle trop élevées pour permettre une mesure exploitable de la fréquence. La dernière partie est consacrée aux reconstructions tridimensionnelles obtenues par couplage tomographie/DEM, en s'intéressant aux structures polaires. Premières reconstructions réalisées avec AIA, nos résultats permettent d'étudier l'évolution en température et densité en fonction de l'altitude, montrant la présence de plumes polaires plus chaudes et denses que leur environnement. / Progress in our understanding of the solar corona properties is highly dependant of the emipirical or semi-empirical determination of the plasma fundamental parameters, such as magnetic field, density and temperature. However, there is no direct measurements of such quantities; the integration along the line of sight considerably complicates the interpretations of the observations, due to the superimposition of structures with different properties. To avoid this ambiguity, there exist several tools, including the Differential Emission Measure (DEM) and the tomography reconstruction technique. The former provides the quantity of emitting material as a function of the temperature, whereas the latter is able to reconstruct the three dimensional distribution of the coronal emissivity. Coupling these two techniques leads to a three dimensional diagnostic of the temperature and density. The inversion code used in this work is currently one of the two codes in the world able to perform this coupling. The method described in this work has been developed in order to estimate the robustness of the spectroscopic diagnostics using the DEM formalism, using a new characterisation method taken into account the different uncertainty sources involved in the inversion process. Using a probabilistic approach, this technique is able to calibrate a priori the DEM inversion problem and thus allows to study the inversion behavior and limitations in the context of simple DEMs models. The advantage of this method is its ability to provide confidence level on the reconstructed DEMs computed from real data. First applied to the SDO/AIA (Atmospheric Imaging Assembly) imager in the case of simple models able to represent a variety of plasma conditions, our results show that DEM inversion of isothermal or near-isothermal plasmas is robust, whereas the multithermal solutions are less accurate but also biased to secondary solutions. We also applied the method to the Hinode/EIS (EUV Imaging Spectrometer) spectrometer, using a power law DEM, typical of active regions DEM, from which the slope provides important constraints related to the coronal heating frequency. Our results point out that the different uncertainty sources are currently too high to allow exploitable measurements of this frequency. The last part is dedicated to the three-dimensional reconstructions obtained by coupling tomography and DEM tools, focusing on polar structures. First reconstructions obtained using AIA data, our results allow to study the evolution of the temperature and density as a function of altitude, showing polar plumes denser and hotter than their surrondings.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le calcul des efforts hydrodynamiques de premier ordre sur un ou plusieurs corps perçant la surface libre est aujourd'hui bien maîtrisé, et plusieurs codes de calcul implémentant la méthode des singularités (dite BEM ou méthode d'élément frontière) ont été développés. Le cadre est la théorie linéarisée des écoulements potentiels à une surface libre. Dans ces codes BEM, les singularités utilisées ont la propriété intrinsèque de satisfaire à la fois l'équation de Laplace dans le domaine fluide ainsi que la condition linéarisée de surface libre. Ces singularités, dites fonctions de Green à surface libre, dans le domaine fréquentiel en profondeur infinie et sans vitesse d'avance constituent le point focal de cette thèse. Tout d'abord, les expressions mathématiques existantes pour la fonction de Green de surface libre sont examinées. Douze expressions différentes sont passées en revue et analysées. Plusieurs méthodes numériques existantes sont comparées par rapport à leur temps de calcul et leur précision. Ensuite, une série d'équations différentielles ordinaires (ODEs) pour les fonctions de Green de surface libre dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel et leur gradient est établie. Ces ODEs peuvent être utilisées pour mieux comprendre les propriétés de la fonction de Green et peuvent constituer un moyen alternatif de calculer ces fonctions de Green et leurs dérivées. Cependant, il est difficile de résoudre numériquement ces ODEs à cause de l'existence d'une singularité à l'origine. Cette difficulté est éliminée en modifiant les ODEs par l'utilisation de nouvelles fonctions sans singularité. Les nouvelles ODEs sont ensuite écrites sous forme canonique en utilisant une nouvelle définition de la fonction vectorielle. La forme canonique peut être résolue avec les conditions initiales à l'origine puisque tous les termes impliqués sont finis. Une méthode d'expansion basée sur une série de fonctions logarithmiques et de polynômes ordinaires, très efficace pour les problèmes de basse fréquence, a également été développée pour obtenir des solutions analytiques. Enfin, la méthode basée sur les ODE pour calculer la fonction de Green est implémentée et un nouveau solveur BEM est obtenu. L'élimination des fréquences irrégulières est incluse. Le nouveau solveur est validé par comparaison des coefficients hydrodynamiques à des solutions analytiques pour une hémisphère, ainsi qu'à des résultats numériques obtenus avec un solveur commercial pour un chaland parallèlépipédique et le porte-conteneurs KCS. / The boundary element method (BEM) with constant panels is a common approach for wave-structure interaction problems. It is based on the linear potential-flow theory. It relies on the frequency-domain free-surface Green function, which is the focus of this thesis. First, the mathematical expressions and numerical methods for the frequency-domain free-surface Green function are investigated. Twelve different expressions are reviewed and analyzed. Several existing numerical methods are compared including their computational time and accuracies. Then, a series of ordinary differential equations (ODEs) for the time-domain and frequency-domain free-surface Green functions and their derivatives are derived. These ODEs can be used to better understand the properties of the Green function and can be an alternative way to calculate the Green functions and their derivatives. However, it is challenging to solve the ODEs for the frequency-domain Green function with initial conditions at the origin due to the singularity. This difficulty is removed by modifying the ODEs by using new functions free of singularity. The new ODEs are then transformed in their canonic form by using a novel definition of the vector functions. The canonic form can be solved with the initial conditions at the origin since all involved terms are finite. An expansion method based on series of logarithmic function together with ordinary polynomials which is very efficient for low frequency problems is also developed to obtain analytical solutions. Finally, the ODE-based method to calculate the Green function is implemented and an efficient BEM solver is obtained. The removal of irregular frequencies is included. The new solver is validated by comparison of hydrodynamic coefficients to analytical solutions for a heaving and surging hemisphere, and to numerical results obtained with a commercial solver for a box barge and the KCS container ship.

En Amérique Latine, les punaises hématophages Triatominae transmettent à l’homme le parasite Trypanosoma cruzi, responsable de la maladie de Chagas touchant actuellement 5 millions de personnes. Même si les programmes d’éradication chimique des vecteurs sont efficaces, la maladie persiste du fait de la recolonisation des habitations humaines par des vecteurs provenant d’habitats naturels. Ainsi, certaines espèces présentent une capacité d’adaptation aux anthroposystèmes (processus de domiciliation), alors que d’autres espèces apparentées ne l’ont pas. Comprendre cette capacité d’adaptation est crucial d’un point de vue épidémiologique afin de cibler les espèces présentant un risque pour l’homme. La capacité à s’adapter à un nouvel habitat pourrait être liée à l’évolution du répertoire de gènes du système chimiosensoriel, important pour la perception du milieu. Cette étude a porté sur le système chimiosensoriel des Triatominae dans le but de documenter le processus d’adaptation et donc de domiciliation des vecteurs. Des données transcriptomiques obtenues en séquençage à haut débit ont été utilisées pour annoter et répertorier les gènes chimiosensoriels ainsi que pour comparer leur expression au sein de punaises hématophages d’habitats différents. L’existence d’une relation entre les variations de ces gènes chez différentes espèces de Triatominae et leur capacité d’adaptation à un habitat a par la suite été évaluée. L’espèce T. brasiliensis en voie de domiciliation au Brésil et présentant à la fois des populations sylvatiques, péri-domiciliaires et domiciliaires, et différentes espèces du genre Rhodnius d’habitats variés, ont été étudiées, notamment les deux espèces sœurs, R. robustus, sylvatique en Amazonie et R. prolixus majoritairement domiciliée dans toute son aire de répartition. En l’absence de génomes de références suffisamment proches de T. brasiliensis et des 10 espèces de Rhodnius étudiées, leurs transcriptomes ont été assemblés de novo. Les transcriptomes des deux espèces R. prolixus et R. robustus ont été assemblés par alignement sur le génome de R. prolixus. Chez ces différentes espèces de Triatominae étudiées, l’analyse du répertoire des gènes chimiosensoriels codant les OBPs et CSPs (familles multigéniques) comparé à celui d’autres Paranéoptères a montré des expansions géniques pouvant refléter des processus adaptatifs. Par ailleurs, chez les différentes espèces du genre Rhodnius, il existe une corrélation positive entre le nombre de gènes codant les OBPs et la capacité de domiciliation, suggérant l’implication de cette famille de gènes dans l’adaptation au milieu anthropique. Les analyses d’expression différentielle concernant les différentes populations de T. brasiliensis et les espèces R. prolixus/R. robustus ont montré qu’un certain nombre de transcrits sont différentiellement exprimés selon l’environnement dans lequel ont évolué les punaises notamment des gènes chimiosensoriels (OBPs, CSPs) ainsi que des gènes impliqués dans le rythme circadien et le comportement de recherche alimentaire (Takeout), dans la réponse à des stress environnementaux comme des gènes de détoxification (P450, glutathione S-transférase), dans la résistance à des changements climatiques (Heat-shock protéines) et dans la protection du milieu extérieur (protéines cuticulaires). Ce travail a permis de mettre à la disposition de la communauté scientifique des outils performants pour l’étude du processus de domiciliation des vecteurs de la maladie de Chagas (transcriptome, répertoire de gènes). Il a également permis de révéler des gènes qui pourraient être impliqués dans l’adaptation et/ou la plasticité phénotypique en réponse à un changement d’habitat. La compréhension des bases moléculaires de l’adaptation des vecteurs aux habitations humaines ouvre des potentialités de développer des méthodes alternatives de lutte contre les vecteurs qui pourraient être basées sur une perturbation de la communication chimique. / In Latin America, the bloodsucking bugs (Triatominae, Hemiptera, Reduviidae) are vectors of the parasite Trypanosoma cruzi, which causes Chagas disease. More than five million people are infected. Even if chemical control campaigns are effective against vectors, the disease persists due to the recolonization of human habitations by vectors from natural habitats. Some species have the capacity to adapt to anthroposystems (domiciliation process), while other related species do not. Understanding this capacity to adapt is crucial from an epidemiological perspective to target species at risk to humans. The capacity to adapt to a new habitat could be linked to changes in the repertoire of chemosensory system genes, particularly for odorant binding proteins (OBP) and chemosensory proteins (CSP), which are important proteins to detect various odor stimuli. This study is based on the chemosensory system of Triatominae to document the adaptation process and then the domiciliation of the vectors. Transcriptomic data obtained by high-throughput sequencing were used to annotate and list the chemosensory genes and also to compare their expression in bloodsucking bugs from different habitats. The relationship between changes in these genes in different Triatominae species and their ability to adapt to a new habitat was evaluated. The species T. brasiliensis, which is in the process of domiciliation in Brazil with sylvatic, peridomiciliary and domiciliary populations, and various species of the genus Rhodnius from diverse habitats were studied, especially the two sibling species R. robustus, sylvatic in the Amazonia and R. prolixus mostly domiciliary throughout its geographical range. In the absence of a reference genome for T. brasiliensis, a reference transcriptome via de novo assembly (data 454 and Illumina) was achieved. The reference transcriptomes for 10 Rhodnius species were also established using the de novo assembly method. A genome reference based method on R. prolixus was also used to assemble the transcriptome of the two species R. prolixus and R. robustus. In the different species of the Triatominae studied, the chemosensory gene repertoire showed a high diversity and genic expansions compared to that of others Paraneoptera, which could reflect adaptive process. Furthermore, a positive correlation was shown between the number of OBP genes in Rhodnius species and their domiciliation ability, suggesting that this gene family is involved in the adaptation to anthropogenic environment. The differential expression analyses on the T. brasiliensis populations and the R. prolixus / R. robustus species showed that some transcripts are differentially expressed according to the environment in which the bugs have evolved, especially the chemosensory genes (OBP, CSP) and also genes involved in the circadian rhythm and foraging behavior (Takeout), in the response to environmental stress such as detoxification genes (P450, glutathione S-transferase), in resistance to climatic changes (heat-shock proteins) and in protection from the external environment (cuticular proteins).This work has helped make available to the scientific community powerful tools for studying the process of domiciliation of Chagas disease vectors (transcriptome, gene repertoire). It also revealed genes that could be involved in the adaptation and/or phenotypic plasticity in response to a change in habitat. Understanding the molecular basis of vector adaptation to human dwellings opens the potential to develop new tools to control the disease vectors, for example by disrupting chemical communication.

The thesis comprises two parts. In the first part, we investigate various cohomological aspects of hypercomplex manifolds and analyse the existence of special metrics. In the second part, we define Seiberg-Witten equations on the leaf space of manifolds which admit a Riemannian foliation of codimension four. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La grande complexité des échantillons biologiques peut compliquer l'identification des protéines et compromettre la profondeur et la couverture des analyses protéomiques utilisant la spectrométrie de masse. Des techniques de séparation permettant d’améliorer l’efficacité et la sélectivité des analyses LC-MS/MS peuvent être employées pour surmonter ces limitations. La spectrométrie de mobilité ionique différentielle, utilisant un champ électrique élevé en forme d'onde asymétrique (FAIMS), a montré des avantages significatifs dans l’amélioration de la transmission d'ions peptidiques à charges multiples, et ce, en réduisant les ions interférents. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était d'explorer les capacités analytiques de FAIMS afin d'élargir à la fois la gamme dynamique de détection des protéines/peptides et la précision des mesures en protéomique quantitative par spectrométrie de masse. Pour cela, nous avons systématiquement intégré FAIMS dans des approches classiques en protéomique afin de déterminer les changements dynamiques du protéome humain en réponse à l’hyperthermie. Nous avons d’abord étudié les avantages de FAIMS par rapport à la quantification par marquage isobare (tandem mass tag, TMT). Cette approche permet le marquage d'ions peptidiques avec différents groupements chimiques dont les masses nominales sont identiques mais différant par leur distribution respective d'isotopes stables. Les ions peptidiques marqués par TMT produisent des ions rapporteurs de masses distinctes une fois fragmentés en MS/MS. Malheureusement, la co-sélection d'ions précurseurs conduit souvent à des spectres MS/MS chimériques et une approche plus lente basée sur le MS3 est nécessaire pour une quantification précise. Comme FAIMS améliore l’efficacité de séparation en transmettant sélectivement des ions en fonction de leur voltage de compensation (CV), nous avons obtenu moins de co-sélection de peptides. FAIMS a amélioré la quantification des peptides TMT au niveau MS2 et a permis d’obtenir 68% plus de peptides quantifiés par rapport aux analyses LC-MS/MS classiques, fournissant ainsi un aperçu plus vaste des changements dynamiques du protéome humain en réponse au stress thermique. De plus, nous avons étudié le marquage métabolique par incorporation d’acides aminés marqués par des isotopes stables en culture cellulaire (SILAC). Si des interférences co-éluent avec les isotopes SILAC, la quantification devient imprécise et les contreparties de SILAC peuvent être assignées de manière erronée aux ions interférants du chromatogramme, faussant ainsi le rapport SILAC. Le fractionnement post-ionisation FAIMS pourrait filtrer les ions appartenant au bruit de fond qui pourraient autrement être attribués à une paire ou à un triplet SILAC pour la quantification. Dans ce projet, FAIMS a été particulièrement bénéfique pour les espèces peu abondantes et s’est montré plus performant que le fractionnement par échange de cations (SCX). En outre, FAIMS a permis la séparation des phosphoisomères fréquemment observés dans les extraits complexes de phosphoprotéomes. Le troisième objectif de ce travail de recherche était d'explorer la séparation de l'état de charge et la transmission améliorée de peptides fortement chargés avec FAIMS et son application à l'analyse de peptides SUMOylés. FAIMS pourrait ainsi améliorer la transmission des peptides SUMOylés triplement chargés par rapport aux peptides tryptiques usuels, lesquels sont principalement doublement chargés. Ceci permettait l'enrichissement en phase gazeuse des ions peptides SUMOylés. FAIMS est une approche alternative plus simple pour fractionner les peptides SUMOylés, ce qui réduit les pertes d’échantillon et permet de simplifier le traitement des échantillons, tout en augmentant l’efficacité de séparation de manière plus automatisée et en ajoutant un ordre de grandeur de sensibilité. Le dernier objectif de cette thèse était d’améliorer l’instrumentation de FAIMS en le jumelant aux instruments à la fine pointe de la technologie. Avec un nouveau dispositif FAIMS, développé par nos collaborateurs chez Thermo Fisher Scientific, nous avons montré une amélioration dans la robustesse et la transmission des ions pour la nouvelle interface. Dans des expériences simples en protéomique shotgun, FAIMS a étendu la gamme dynamique d'un ordre de grandeur pour une couverture protéomique plus profonde par rapport aux analyses LC-MS/MS classiques. En outre, le fractionnement en phase gazeuse de FAIMS a généré moins d’analyses chimériques en MS2, ce qui a permis d’obtenir plus d’identifications et une meilleure quantification. Pour ce faire, nous avons directement comparé le LC-FAIMS-MS/MS au LC-MS/MS/MS en utilisant la sélection de précurseur synchrone (SPS) avec et sans fractionnement en phase inverse basique. Des mesures quantitatives comparables ont été obtenues pour toutes les méthodes, à l'exception du fait que FAIMS a parmi d’obtenir un nombre 2,5 fois plus grand de peptides quantifiables par rapport aux expériences sans FAIMS. Globalement, cette thèse met en évidence certains des avantages que FAIMS peut offrir aux expériences en protéomique en améliorant à la fois l'identification et la quantification des peptides. / The high complexity of biological samples can confound protein identification and compromise the depth and coverage of mass spectrometry-based proteomic analyses. Separation techniques that provide improved peak capacity and selectivity of LC-MS/MS analyses are often sought to overcome these limitations. High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS), a differential ion mobility device, has shown significant advantages by enhancing the transmission of multiple-charged peptide ions by reducing singly-charged interferences. In this context, the goal of this thesis was to explore the analytical capabilities of FAIMS to extend both the dynamic range of proteins/peptides detection and the precision of quantitative proteomic measurements by mass spectrometry. For this, we systematically integrated FAIMS in standard workflows to monitor the dynamic changes of the human proteome in response to hyperthermia. We first studied the merits of FAIMS to aid isobaric labeling quantification with tandem mass tags (TMT). This approach allows the labeling of peptide ions with different chemical groups of identical nominal masses but differing in their respective distribution of stable isotopes. TMT-labeled peptide ions produce reporter ions of distinct masses once fragmented by MS/MS. Unfortunately, the co-selection of precursor ions often leads to chimeric MS/MS spectra, and a slower MS3 centric approach is needed for precise quantification. Since FAIMS improves peak capacity by selectively transmitting ions based on their compensation voltage (CV), we obtained less peptide co-selection. FAIMS improved TMT quantification at the MS2 level and achieved 68 % more quantified peptides compared to regular LC-MS/MS, providing a deeper insight into the dynamic changes of the human proteome in response to heat stress. Further, we investigated stable isotope labeling by amino acids in cell culture (SILAC) quantification. If interferences co-elute simultaneously with SILAC isotopomers, quantification becomes inaccurate and SILAC counterparts can be missassigned to interfering ions in the highly populated chromatogram, thus skewing the SILAC ratio. FAIMS post-ionization fractionation could filter out background ions that can otherwise be attributed to a SILAC pair/triplet for quantification. In this work, FAIMS was especially beneficial for low abundant species and outperformed the standard strong cation exchange (SCX) fractionation workflow. In addition, FAIMS allowed the separation of phosphoisomers that are frequently observed in complex phosphoproteome extracts. The third aim of this work explored the charge state separation and enhanced transmission of highly charged peptides with FAIMS and its application for SUMOylated peptide analysis. FAIMS could enhance the transmission of triply charged SUMOylated peptides over typical tryptic peptide that are predominantly doubly charged, by applying more negative CVs with FAIMS. This allowed for gas-phase enrichment of SUMOylated peptide ions. FAIMS is an alternate and more straightforward approach to fractionate SUMOylated peptides that reduced sample loss, avoided sample processing, while increasing peak capacity in a more automated manner and added one order of magnitude in sensitivity. The last aim of this thesis was to improve the FAIMS instrumentation by interfacing it to the latest state-of-the-art instruments. With a new FAIMS device developed by our collaborators at Thermo Fisher Scientific, we demonstrate the robustness and the improved ion transmission for the new interface. In simple shotgun proteomics, FAIMS extended the dynamic range by one order of magnitude for deeper proteome coverage compared to regular LC-MS/MS. Moreover, fewer MS2 chimeric scans were generated with FAIMS gas-phase fractionation, which garnered more identifications and better quantification. For this, we directly compared LC-FAIMS-MS/MS to LC-MS/MS/MS using synchronous precursor selection (SPS) with and without basic reverse phase fractionation. Comparable quantitative measurements were obtained for all methods, except that FAIMS provided a 2.5-fold increase in the number of quantifiable peptides compared with non-FAIMS experiments. Overall, this thesis highlights some of the advantages that FAIMS can provide for proteomics experiments by improving both peptide identification and quantification.

La première partie de la thèse est consacrée à la commande avec contraintes de systèmes différentiellement plats. Deux types de systèmes sont étudiés : les systèmes non linéaires de dimension finie et les systèmes linéaires à retards. Nous présentons une approche unifiée pour intégrer les contraintes d'entrée/état/sortie dans la planification des trajectoires. Pour cela, nous spécialisons les sorties plates (ou les trajectoires de référence) sous forme de courbes de Bézier. En utilisant la propriété de platitude, les entrées/états du système peuvent être exprimés sous la forme d'une combinaison de sorties plates (courbes de Bézier) et de leurs dérivées. Par conséquent, nous obtenons explicitement les expressions des points de contrôle des courbes de Bézier d'entrées/états comme une combinaison des points de contrôle des sorties plates. En appliquant les contraintes souhaitées à ces derniers points de contrôle, nous trouvons les régions faisables pour les points de contrôle de Bézier de sortie, c'est-à-dire un ensemble de trajectoires de référence faisables. Ce cadre permet d’éviter le recours, en général fort coûteux d’un point de vue informatique, aux schémas d’optimisation. Pour résoudre les incertitudes liées à l'imprécision de l'identification et modélisation des modèles et les perturbations, nous utilisons la commande sans modèle (Model Free Control-MFC) et dans la deuxième partie de la thèse, nous présentons deux applications démontrant l'efficacité de notre approche : 1. Nous proposons une conception de contrôleur qui évite les procédures d'identification du système du quadrotor tout en restant robuste par rapport aux perturbations endogènes (la performance de contrôle est indépendante de tout changement de masse, inertie, effets gyroscopiques ou aérodynamiques) et aux perturbations exogènes (vent, bruit de mesure). Pour atteindre notre objectif en se basant sur la structure en cascade d'un quadrotor, nous divisons le système en deux sous-systèmes de position et d'attitude contrôlés chacun indépendamment par la commande sans modèle de deuxième ordre dynamique. Nous validons notre approche de contrôle avec trois scénarios réalistes : en présence d'un bruit inconnu, en présence d’un vent variant dans le temps et en présence des variations inconnues de masse, tout en suivant des manœuvres agressives. 2. Nous utilisons la commande sans modèle et les correcteurs « intelligents » associés, pour contrôler (maintenir) l'élasticité horizontale d'un système de Cloud Computing. Comparée aux algorithmes commerciaux d’Auto-Scaling, notre approche facilement implémentable se comporte mieux, même avec de fluctuations aigües de charge. Ceci est confirmé par des expériences sur le cloud public Amazon Web Services (AWS). / The first part of the thesis is devoted to the control of differentially flat systems with constraints. Two types of systems are studied: non-linear finite dimensional systems and linear time-delay systems. We present an approach to embed the input/state/output constraints in a unified manner into the trajectory design for differentially flat systems. To that purpose, we specialize the flat outputs (or the reference trajectories) as Bézier curves. Using the flatness property, the system’s inputs/states can be expressed as a combination of Bézier curved flat outputs and their derivatives. Consequently, we explicitly obtain the expressions of the control points of the inputs/states Bézier curves as a combination of the control points of the flat outputs. By applying desired constraints to the latter control points, we find the feasible regions for the output Bézier control points i.e. a set of feasible reference trajectories. This framework avoids the use of generally high computing cost optimization schemes.    To resolve the uncertainties arising from imprecise model identification and the unknown pertubations, we employ the Model-Free Control (MFC) and in the second part of the thesis we present two applications demonstrating the effectiveness of our approach: 1. We propose a controller design that avoids the quadrotor’s system identification procedures while staying robust with respect to the endogenous (the control performance is independent of any mass change, inertia, gyroscopic or aerodynamic effects) and exogenous disturbances (wind, measurement noise). To reach our goal, based on the cascaded structure of a quadrotor, we divide the system into positional and attitude subsystems each controlled by an independent Model-Free controller of second order dynamics. We validate our control approach in three realistic scenarios: in presence of unknown measurement noise, with unknown time-varying wind disturbances and mass variation while tracking aggressive manoeuvres. 2. We employ the Model-Free Control to control (maintain) the “horizontal elasticity” of a Cloud Computing system. When compared to the commercial “Auto-Scaling” algorithms, our easily implementable approach behaves better, even with sharp workload fluctuations. This is confirmed by experiments on the Amazon Web Services (AWS) public cloud.

Ce travail de thèse aborde le problème de la détection et de l’isolation des pannes à base de modèle du système dynamique non linéaire. Les techniques de détection et d’identification de pannes sont déjà appliquées aux systèmes industriels et elles jouent un rôle important pour assurer les performances attendues des systèmes automatiques. Les différentes approches du diagnostic des systèmes dynamiques semblent être souvent le résultat de contextes différents notamment en ce qui concerne les applications visées et le cahier des charges qui en résulte. Ainsi, la nature des informations disponibles sur le système ou le type de défauts à détecter conduit à la mise en œuvre de stratégies spécifiques. Dans cette étude on suppose disposer d’un modèle de fonctionnement du système et les pannes considérées sont celles qui conduisent le système à ne plus suivre ce modèle. Après avoir introduit la notion de platitude différentielle pour un système dynamique non linéaire continu, plusieurs exemples de systèmes dynamiques différentiellement plats sont introduits. Les redondances analytiques mises en évidence par cette propriété sont dans une première étape utilisées pour détecter des pannes. Ceci conduit à développer des estimateurs d’ordre supérieurs pour les dérivées des sorties plates du système et des estimateurs non linéaires de l’état du système. Cette approche est mise en œuvre dans le cadre de la détection de pannes des moteurs d’un Quadri-Rotor.La notion de platitude pour les systèmes dynamiques discrets est alors introduite. Il est alors possible de développer une nouvelle approche pour la détection des pannes, fondée sur la redondance temporelle entre les informations résultant des mesures directes de composantes du vecteur d’état du Quadri-Rotor et les estimations des sorties plates à chaque instant d’échantillonnage. Cette approche qui est illustrée ici aussi dans le cas du Quadri-Rotor, permet aussi de développer une méthode d’identification en ligne des pannes en se basant sur la chronologie de la propagation de leurs effets / This PhD is submitted in model-based faults detection and isolation in nonlinear dynamic system. The techniques of faults detection and isolation are already being applied to industrial systems and have played an important role to ensure the expected performance of automated systems. The differences in approaches to diagnosis of dynamic systems often seem to be the result of different contexts including in respect of applications and referred the specification that follows. Thus, the nature of information available on the system or the type of fault detection leads to the implementation of specific strategies. In this study we have assumed a model of system operation and faults considered are those that lead the system to no longer follow this model.After introducing the concept of differential flatness for a nonlinear dynamical system continued, several examples of differentially flat systems dynamics are introduced. The analytical redundancy highlighted by this property is a first step used to detect faults. This leads to develop estimators for higher order derivatives of the outputs flat of the system and estimator plate for nonlinear system state. This approach is implemented in the context of fault detection engine of a Quadri-Rotor.The notion of flatness for discrete dynamical systems is introduced. It is then possible to develop a new approach for fault detection based on temporal redundancy between the information from direct measurements of components of the state vector of Quadri-Rotor and estimates of output flat at each sampling instant. This approach is illustrated here as in the case of the Quadri-Rotor, can also develop a method for online identification of fault based on the chronology of the spread of their effects

Dans les applications de traitement du langage naturel (NLP), la formation d’un modèle efficace nécessite souvent une quantité massive de données. Cependant, les données textuelles dans le monde réel sont dispersées dans différentes institutions ou appareils d’utilisateurs. Leur partage direct avec le fournisseur de services NLP entraîne d’énormes risques pour la confidentialité, car les données textuelles contiennent souvent des informations sensibles, entraînant une fuite potentielle de la confidentialité. Un moyen typique de protéger la confidentialité consiste à privatiser directement le texte brut et à tirer parti de la confidentialité différentielle (DP) pour protéger le texte à un niveau de protection de la confidentialité quantifiable. Par ailleurs, la protection des résultats de calcul intermédiaires via un mécanisme de privatisation de texte aléatoire est une autre solution disponible. Cependant, les mécanismes existants de privatisation des textes ne permettent pas d’obtenir un bon compromis entre confidentialité et utilité en raison de la difficulté intrinsèque de la protection de la confidentialité des textes. Leurs limitations incluent principalement les aspects suivants: (1) ces mécanismes qui privatisent le texte en appliquant la notion de dχ-privacy ne sont pas applicables à toutes les métriques de similarité en raison des exigences strictes; (2) ils privatisent chaque jeton (mot) dans le texte de manière égale en fournissant le même ensemble de sorties excessivement grand, ce qui entraîne une surprotection; (3) les méthodes actuelles ne peuvent garantir la confidentialité que pour une seule étape d’entraînement/ d’inférence en raison du manque de composition DP et de techniques d’amplification DP. Le manque du compromis utilité-confidentialité empêche l’adoption des mécanismes actuels de privatisation du texte dans les applications du monde réel. Dans ce mémoire, nous proposons deux méthodes à partir de perspectives différentes pour les étapes d’apprentissage et d’inférence tout en ne requérant aucune confiance de sécurité au serveur. La première approche est un mécanisme de privatisation de texte privé différentiel personnalisé (CusText) qui attribue à chaque jeton d’entrée un ensemble de sortie personnalisé pour fournir une protection de confidentialité adaptative plus avancée au niveau du jeton. Il surmonte également la limitation des métriques de similarité causée par la notion de dχ-privacy, en adaptant le mécanisme pour satisfaire ϵ-DP. En outre, nous proposons deux nouvelles stratégies de 5 privatisation de texte pour renforcer l’utilité du texte privatisé sans compromettre la confidentialité. La deuxième approche est un modèle Gaussien privé différentiel local (GauDP) qui réduit considérablement le volume de bruit calibrée sur la base d’un cadre avancé de comptabilité de confidentialité et améliore ainsi la précision du modèle en incorporant plusieurs composants. Le modèle se compose d’une couche LDP, d’algorithmes d’amplification DP de sous-échantillonnage et de sur-échantillonnage pour l’apprentissage et l’inférence, et d’algorithmes de composition DP pour l’étalonnage du bruit. Cette nouvelle solution garantit pour la première fois la confidentialité de l’ensemble des données d’entraînement/d’inférence. Pour évaluer nos mécanismes de privatisation de texte proposés, nous menons des expériences étendues sur plusieurs ensembles de données de différents types. Les résultats expérimentaux démontrent que nos mécanismes proposés peuvent atteindre un meilleur compromis confidentialité-utilité et une meilleure valeur d’application pratique que les méthodes existantes. En outre, nous menons également une série d’études d’analyse pour explorer les facteurs cruciaux de chaque composant qui pourront fournir plus d’informations sur la protection des textes et généraliser d’autres explorations pour la NLP préservant la confidentialité. / In Natural Language Processing (NLP) applications, training an effective model often requires a massive amount of data. However, text data in the real world are scattered in different institutions or user devices. Directly sharing them with the NLP service provider brings huge privacy risks, as text data often contains sensitive information, leading to potential privacy leakage. A typical way to protect privacy is to directly privatize raw text and leverage Differential Privacy (DP) to protect the text at a quantifiable privacy protection level. Besides, protecting the intermediate computation results via a randomized text privatization mechanism is another available solution. However, existing text privatization mechanisms fail to achieve a good privacy-utility trade-off due to the intrinsic difficulty of text privacy protection. The limitations of them mainly include the following aspects: (1) those mechanisms that privatize text by applying dχ-privacy notion are not applicable for all similarity metrics because of the strict requirements; (2) they privatize each token in the text equally by providing the same and excessively large output set which results in over-protection; (3) current methods can only guarantee privacy for either the training/inference step, but not both, because of the lack of DP composition and DP amplification techniques. Bad utility-privacy trade-off performance impedes the adoption of current text privatization mechanisms in real-world applications. In this thesis, we propose two methods from different perspectives for both training and inference stages while requiring no server security trust. The first approach is a Customized differentially private Text privatization mechanism (CusText) that assigns each input token a customized output set to provide more advanced adaptive privacy protection at the token-level. It also overcomes the limitation for the similarity metrics caused by dχ-privacy notion, by turning the mechanism to satisfy ϵ-DP. Furthermore, we provide two new text privatization strategies to boost the utility of privatized text without compromising privacy. The second approach is a Gaussian-based local Differentially Private (GauDP) model that significantly reduces calibrated noise power adding to the intermediate text representations based on an advanced privacy accounting framework and thus improves model accuracy by incorporating several components. The model consists of an LDP-layer, sub-sampling and up-sampling DP amplification algorithms 7 for training and inference, and DP composition algorithms for noise calibration. This novel solution guarantees privacy for both training and inference data. To evaluate our proposed text privatization mechanisms, we conduct extensive experiments on several datasets of different types. The experimental results demonstrate that our proposed mechanisms can achieve a better privacy-utility trade-off and better practical application value than the existing methods. In addition, we also carry out a series of analyses to explore the crucial factors for each component which will be able to provide more insights in text protection and generalize further explorations for privacy-preserving NLP.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.