The vital signs monitoring data of an infant receiving intensive care are a rich source of information about its health condition. One major concern about the state of health of such patients is the onset of neonatal sepsis, a life-threatening bloodstream infection. As early signs are subtle and current diagnosis procedures involve slow laboratory testing, sepsis detection based on the monitored physiological dynamics is a clinically significant task. This challenging problem can be thoroughly modelled as real-time inference within a machine learning framework. In this thesis, we develop probabilistic dynamical models centred around the goal of providing useful predictions about the onset of neonatal sepsis. This research is characterised by the careful incorporation of domain knowledge for the purpose of extracting the infant’s true physiology from the monitoring data. We make two main contributions. The first one is the formulation of sepsis detection as learning and inference in an Auto-Regressive Hidden Markov Model (AR-HMM). The model investigates the extent to which physiological events observed in the patient’s monitoring traces could be used for the early detection of neonatal sepsis. In addition, the proposed approach involves exact marginalisation over missing data at inference time. When applying the ARHMM on a real-world dataset, we found that it can produce effective predictions about the onset of sepsis. Second, both sepsis and clinical event detection are formulated as learning and inference in a Hierarchical Switching Linear Dynamical System (HSLDS). The HSLDS models dynamical systems where complex interactions between modes of operation can be represented as a twolevel hidden discrete hierarchical structure. For neonatal condition monitoring, the lower layer models clinical events and is controlled by upper layer variables with semantics sepsis/nonsepsis. The model parameterisation and estimation procedures are adapted to the specifics of physiological monitoring data. We demonstrate that the performance of the HSLDS for the detection of sepsis is not statistically different from the AR-HMM, despite the fact that the latter model is given “ground truth” annotations of the patient’s physiology.

Les processus auto-stabilisants sont définis comme des solutions d'équations différentielles stochastiques dont le terme de dérive contient à la fois le gradient d'un potentiel ainsi qu'un terme non-linéaire au sens de McKean qui attire le processus vers sa propre loi de distribution. On dispose de nombreux résultats lorsque l'environnement est convexe. L'objet de ce travail est de les étendre autant que possible au cas général notamment lorsque le paysage contient plusieurs puits. Des différences fondamentales sont constatées.Le premier chapitre prouve l'existence d'une solution forte. Le second s'intéresse aux lois de probabilités d'une telle solution. En particulier, l'existence et la non-unicité des mesures stationnaires sont mises en évidence sous des hypothèses faibles. Les chapitres trois et quatre sont affectés au comportement de ces mesures lorsque le coefficient de diffusion tend vers 0.Le chapitre cinq met en relation le processus auto-stabilisant avec des systèmes particulaires via une « propagation du chaos ». Il est ainsi possible de transposer certains résultats du système de particules sur le processus non-markovien et réciproquement. Le chapitre six est dédié au dénombrement exact des mesures stationnaires.Le chapitre sept est employé pour l'étude du comportement en temps long. D'une part, un résultat de convergence dans un cas simple est fourni. D'autre part, un principe de grandes déviations est mis en évidence par l'utilisation des résultats de Freidlin et Wentzell / Self-stabilizing processes are defined as the solutions of stochastic differential equations which drift term contains the gradient of a potential and a term nonlinear in the sense of McKean which attracts the process to its own law distribution. There are many results if the landscape is convex. The purpose of this work is to extend these in the general case especially when the landscape contains contains several wells. Essential differences are found.The first chapter proves the strong existence of a solution. The second one deals with the probability measure of the solution. Particularly, the existence and the non-uniqueness of the stationary measures are highlighted under weak assumptions. Chapter three and four are assigned to the asymptotic analysis in the small noise limit of these measures.Chapter five connects the self-stabilizing process and some particle systems via a « propagation of chaos ». It is thus possible to translate some results from the particle systems to the non-markovian process and reciprocally.Chapter seven is used to study the long time behavior. In one hand, a convergence's result is provided in a simple case. In the other hand, a large deviations principle is highlighted by using the results of Freidlin and Wentzell

Cette thèse contient des contributions originales à la théorie du Contrôle Optimal en temps discret et en horizon infini du point de vue de Pontryagin. Il y a 5 chapitres dans cette thèse. Dans le chapitre 1, nous rappelons des résultats préliminaires sur les espaces de suites à valeur dans et des résultats de Calcul Différentiel. Dans le chapitre 2, nous étudions le problème de Contrôle Optimal, en temps discret et en horizon infini avec la contrainte asymptotique et avec le système autonome. En utilisant la structure d'espace affine de Banach de l'ensemble des suites convergentes vers 0, et la structure d'espace vectoriel de Banach de l'ensemble des suites bornées, nous traduisons ce problème en un problème d'optimisation statique dam des espaces de Banach. Après avoir établi des résultats originaux sur les opérateurs de Nemytskii sur les espaces de suites et après avoir adapté à notre problème un théorème d'existence de multiplicateurs, nous établissons un nouveau principe de Pontryagin faible pour notre problème. Dans le chapitre 3, nous établissons un principe de Pontryagin fort pour les problèmes considérés au chapitre 2 en utilisant un résultat de Ioffe-Tihomirov. Le chapitre 4 est consacré aux problèmes de Contrôle Optimal, en temps discret et en horizon infini, généraux avec plusieurs critères différents. La méthode utilisée est celle de la réduction à l'horizon fini, initiée par J. Blot et H. Chebbi en 2000. Les problèmes considérés sont gouvernés par des équations aux différences ou des inéquations aux différences. Un nouveau principe de Pontryagin faible est établi en utilisant un résultat récent de J. Blot sur les multiplicateurs à la Fritz John. Le chapitre 5 est consacré aux problèmes multicritères de Contrôle Optimal en temps discret et en horizon infini. De nouveaux principes de Pontryagin faibles et forts sont établis, là-aussi en utilisant des résultats récents d'optimisation, sous des hypothèses plus faibles que celles des résultats existants. / This thesis contains original contributions to the optimal control theory in the discrete-time framework and in infinite horizon following the viewpoint of Pontryagin. There are 5 chapters in this thesis. In Chapter 1, we recall preliminary results on sequence spaces and on differential calculus in normed linear space. In Chapter 2, we study a single-objective optimal control problem in discrete-time framework and in infinite horizon with an asymptotic constraint and with autonomous system. We use an approach of functional analytic for this problem after translating it into the form of an optimization problem in Banach (sequence) spaces. Then a weak Pontyagin principle is established for this problem by using a classical multiplier rule in Banach spaces. In Chapter 3, we establish a strong Pontryagin principle for the problems considered in Chapter 2 using a result of Ioffe and Tihomirov. Chapter 4 is devoted to the problems of Optimal Control, in discrete time framework and in infinite horizon, which are more general with several different criteria. The used method is the reduction to finite-horizon initiated by J. Blot and H. Chebbi in 2000. The considered problems are governed by difference equations or difference inequations. A new weak Pontryagin principle is established using a recent result of J. Blot on the Fritz John multipliers. Chapter 5 deals with the multicriteria optimal control problems in discrete time framework and infinite horizon. New weak and strong Pontryagin principles are established, again using recent optimization results, under lighter assumptions than existing ones.

Diplomová práce pojednává o teorii chaotických dynamických systémů, speciálně se pak zabývá Rösslerovým systémem. Kromě standardních výpočtů spojených s bifurkační analýzou se práce zaměřuje na problém stabilizace, konkrétně na stabilizaci rovnovážných bodů. Ke stabilizaci je využita základní metoda zpětnovazebního řízení s časovým zpožděním. Významnou část práce tvoří zavedení a implementace obecné metody pro hledání vhodné volby parametrů vedoucí k úspěšné stabiliaci. Dalším diskutovaným tématem je možnost synchronizace dvou Rösslerových systémů pomocí různých synchronizačních schémat.

This master's thesis deals with qualitative analysis of nonlinear differential equations of second order. For autonomous equations some basic notions of Hamiltonian systems (mainly construction of phase portrait) are presented. For non-autonomous equations the method of lower and upper functions for periodic boundary value problem is used. These notions are then applied to a model of mechanical oscillator, a question of existence of solutions to autonomous and non-autonomous nonlinear differential equations is studied.

This master‘s thesis deals with analysis of electronic dynamical systems exhibiting chaotic solution. In introduction, some basic concepts for better understanding of dynamical systems are explained. After introduction, current knowledge from the world of circuits exhibiting chaotic solutions are discussed. The best-known chaotic systems are analyzed numerically in Matlab software. Numerical analysis and experimental verification were demonstrated at C class transistor amplifier, which confirmed the chaotic behavior and generation of a strange attractor.

Tato práce je přehledem zpožděných diferenciálních rovnic v dynamických systémech. Počínaje obecným přehledem zpožděných diferenciálních rovnic představujeme koncept zpožděných diferenciálů a použití jeho modelů, od biologie a populační dynamiky po fyziku a inženýrství. Poskytneme také přehled Dynamické systémy a diferenciální rovnice zpoždění v dynamických systémech. Oblastí pro modelování s rovnicemi zpožďovacích diferenciálů je Epidemiologie. Důraz je kladen na vývoj epidemiologického modelu Susceptible-Infected-Removed (SIR) bez časového zpoždění. Analyzujeme naše dva modely v rovnováze a lokální stabilitě pomocí předpokládaných dat COVID -19. Výsledky by byly porovnány mezi modelem bez zpoždění a modelem se zpožděním.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer Vermutung von Sarnak aus dem Jahre 2010 über die Orthogonalität von durch deterministische dynamische Systeme induzierte Folgen zur Möbiusschen μ-Funktion. Ihre Hauptresultate sind zum einen der Ergodensatz mit Möbiusgewichten, welcher eine maßtheoretische (schwächere) Version von Sarnaks Vermutung darstellt, und zum anderen die bereits gesicherte Gültigkeit der genannten Vermutung in Spezialfällen, wobei hier exemplarisch unter anderem der Thue–Morse Shift und Schiefprodukterweiterungen von rationalen Rotationen auf dem Kreis gewählt worden sind. Zum Zwecke der Motivation zeigen wir, dass eine gewisse Wachstumsabschätzung für die Mertensfunktion äquivalent ist zum Primzahlsatz und skizzieren ein Resultat, welches die Äquivalenz einer weiteren solchen Abschätzung zur Riemannschen Vermutung liefert, um auf diese Weise die Bedeutung der Möbiusfunktion für die Zahlentheorie herauszustellen. Da sie für das Verständnis von Sarnaks Vermutung unerlässlich ist, geben wir eine Einführung in die Theorie der Entropie dynamischer Systeme auf Grundlage der Definitionen von Adler–Konheim–McAndrew, Bowen–Dinaburg und Kolmogorov–Sinai. Ferner berechnen wir die topologische Entropie des Thue–Morse Shifts und von Schiefprodukterweiterungen von Rotatione auf dem Kreis. Wir studieren die ergodische Zerlegung T-invarianter Maße auf kompakten metrischen Räumen mit stetiger Transformation T, welche wir für den Beweis des Ergodensatzes mit Möbiusgewichten benötigen. Sodann beweisen wir den genannten gewichteten Ergodensatz. Wir geben eine hinreichende Bedingung an für das Erfülltsein von Sarnaks Vermutung in einem gegebenen dynamischen System, welche im anschließenden Kapitel Anwendung findet. So wird nachgewiesen, dass Sarnaks Vermutung im Falle des Thue–Morse Shifts und von Schiefprodukterweiterungen von rationalen Rotationen auf dem Kreis erfüllt ist. Abschließend wird gezeigt, dass Sarnaks Vermutung sich als Konsequenz aus einer Vermutung von Chowla ergibt. / The thesis in hand deals with a conjecture of Sarnak from 2010 about the orthogonality of sequences induced by deterministic dynamical systems to the Möbius μ-function. Its main results are the ergodic theorem with Möbius weights, which is a measure theoretic (weaker) version of Sarnak’s conjecture, and the already assured validity of Sarnak’s conjecture in special cases, where we have exemplarily chosen the Thue–Morse shift and skew product extensions of rational rotations on the significance of the Möbius function for number theory. Since it is essential for the understanding of Sarnak’s conjecture we give an introduction to the theory of entropy of dynamical systems based on the definitions of Adler–Konheim–McAndrew, Bowen–Dinaburg and Kolmogorov–Sinai. Furthermore, we calculate the topological entropy of the Thue–Morse shift and of skew product extensions of rotations on the circle. We study the ergodic decomposition for T-invariant measures on compact metric spaces with continuous transformations T, which we will need for the proof of the ergodic theorem with Möbius weights. Thereafter, we prove the namely weighted ergodic theorem. We give a sufficient condition for Sarnak’s conjecture to hold for a given dynamical system, which we make use of in the following chapter. Thereupon, it is varified that Sarnak’s conjecture holds for the Thue–Morse shift and for skew product extensions of rational rotations on the circle. Lastly, it is shown that Sarnak’s conjecture from one of Chowla.

In this article we investigate a pitchfork bifurcation of the local attractor of a simple capsizing model proposed by Thompson. Although this is a very simple system it has a very complicate dynamic. We try to reveal some properties of this dynamic with modern numerical methods. For this reason we approximate stable and unstable manifolds which connect the steady states to obtain a complete understanding of the topology in the phase space. We also consider approximations of the Lyapunov Exponents (resp. Floquet Exponents) which indicates the pitchfork bifurcation.

Based on the generating matrix to the Tribonacci sequence, the Tribonacci cat map is a discrete chaotic dynamical system, similar to Arnold's discrete cat map, but on three dimensional space. In this thesis, this new mapping is introduced and the properties of its matrix are presented. The main results of the investigation prove how the size of the domain of the map affects its period and explore the orbit lengths of non-trivial points. Different upper bounds to the map are studied and proved, and a conjecture based on numerical calculations is proposed. The Tribonacci cat map is used for applications such as 3D image encryption and colour encryption. In the latter case, the results provided by the mapping are compared to those from a generalised form of the map.