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Le champ des équations différentielles joue un rôle éminent pour les mathématiques et pour d'autres disciplines. Historiquement, il a d'abord été dominé par la résolution algébrique, deux autres approches ont cependant surgi par la suite : qualitative et numérique. Néanmoins l'analyse de l'enseignement montre que celui-ci est dominé par l'approche algébrique. Le contenu tel qu'il est, reflète médiocrement l'importance de cet objet de savoir. En outre, plusieurs recherches ont décelé une faiblesse de motivation chez les étudiants. De ce fait depuis une vingtaine d'années un certain nombre de travaux essayant d'intégrer d'autres approches au niveau universitaire ont émergé. Encouragé en particulier par les programmes secondaires français, nous nous interrogeons dans cette thèse sur la viabilité de l'approche qualitative en classe de Terminale S. Pour ce faire nous avons élaboré une ingénierie didactique, tout en recourant à la notion de registre sémiotique et à celle de conception suivant le modèle ck¢ (Balacheff). L'étude est composée de quatre parties : dans la partie A, après une étude historique, nous présentons les trois approches et explicitons les raisons pour lesquelles nous favorisons l'approche qualitative. Nous rappelons ensuite les contraintes qui s'opposent à son intégration afin de remédier à certaines d'entre elles grâce à nos choix des outils didactiques. Dans la partie B, nous analysons des programmes et manuels, afin d'explorer des connaissances des élèves pour les mettre à profit dans notre ingénierie. La partie C est consacrée à la présentation de l'analyse a priori et a posteriori de l'ingénierie mise en place. Enfin, la partie D conclut notre travail.

Les équations mathématiques constituent un formalisme essentiel pour la science. Le dimensionnement doit pouvoir s'appuyer sur ce formalisme, et disposer d'une méthode performante. En se fondant sur une analyse de la place du dimensionnement au sein des entreprises, des outils existants et des méthodes de développement logiciel, cette thèse présente une méthodologie et une technologie à base de composants d'aide au dimensionnement automatisé en ingénierie. Quelques cas industriels de dimensionnement de dispositifs électromécaniques servent à illustrer la méthode utilisée ainsi que le traitement de modèles à l'aide d'équations différentielles et implicites. Les expériences menées au cours de ce travail conduisent à estimer que le dimensionnement, dans les services de conception, peut se faire à partir de modèles mathématiquement formalisés en utilisant cette méthodologie. La technologie semble mûre pour fournir l'aide adéquate.

La première partie de cette thèse traite de la manipulation des séries de polynômes orthogonaux classiques par le calcul formel. Grâce à l'approche hypergéométrique, nous obtenons de manière synthétique et constructive des opérateurs aux différences qui définissent les opérations élémentaires sur les séries de polynômes orthogonaux classiques telles que le produit par un polynôme, la dérivation ou l'évaluation des séries partielles. Ces opérations élémentaires sont implémentées en Maple sous forme de primitives à partir desquelles des opérations plus complexes sont construites : application d'un opérateur différentiel, produits de séries et surtout la résolution de problèmes différentiels au moyen de tau-méthodes. Dans le cas des séries de Chebyshev, les résultats de la premiére partie permettent de construire une équation récurrente, dite récurrence de Chebyshev, vérifiée par les coefficients de Chebyshev de toute fonction solution d'une équation différentielle holonome donnée. Divers problèmes relatifs à la construction et à la structure de la récurrence de Chebyshev sont traités. Parallèlement, les solutions de la récurrence de Chebyshev conduisent à la notion de série de Chebyshev formelle solution d'une équation différentielle. Un théorème décrit le comportement asympotique des coefficients d'une telle série qui peut être divergente. Dans certains cas, le lien entre une série de Chebyshev divergente et une fonction toutes deux solutions de la même equation differentielle peut être établi soit par des méthodes de resommation soit par une suite d'intégrales dans le champ complexe.

Nous présentons dans ce mémoire un résumé des travaux concernant tout d'abord les discrétisations de processus stochastiques: processus de diffusion stoppés, équation différentielles stochastiques rétrogrades, développement d'erreur pour les densités d'EDS dirigées par des processus stables symétriques approchées par leur schéma d'Euler. Nous abordons ensuite les estimées de densité pour une certaine classe de processus dégénérés (processus de Langevin et théorème limite local associé, chaine d'oscillateurs bruités) ainsi que quelques applications (bornes de Monte Carlo non asymptotiques).

Si l'interet et l'efficacite des methodes d'analyse statique par interpretation abstraite pour la verification des programmes critiques embarques ne sont plus a demontrer, il est maintenant necessaire d'obtenir des methodes les plus precises possibles. Si l'utilisation de domaines abstraits relationnels de plus en plus elabores permet de diminuer la surapproximation dont souffre les domaines les plus simples, les analyses actuelles souffrent toujours d'une mauvais prise en compte des entrees du programme. Ces entrees sont fournies par un capteur qui mesure une grandeur physique, et sont generalement surapproximees par un intervalle. Une piste d'etude recente pour mieux gerer ces entrees continues consiste a etudier, outre le programme lui-meme, l'environnement physique dans lequel il est execute. On obtient ainsi un systeme plus complexe comprenant une dynamique discrete (le programme) et une dynamique continue (l'environnement). L'etude de tels systemes hybrides repose actuellement essentiellement sur des extensions des automates a etats finis et des algebres de processus introduisant une dynamique continue. L'analyse de ces systemes par des techniques de model-checking souffre encore d'une explosion combinatoire excluant leur utilisation pour les logiciels embarques critiques les plus gros. La premiere contribution de cette these est une extension des langages de programmation imperatifs permettant de d´ecrire a la fois le programme, l'environnement exterieur et les interactions entre le programme et l'environnement. L'environnement physique est d´ecrit par un ensemble d'equations differentielles representant chacune un mode continu, et les interactions entre le programme et l'exterieur sont modelises par deux mots cles representant les capteurs et actionneurs. Nous donnons a l'ensemble (programme plus environnement physique) une semantique denotationnelle qui reste tres proche de celle definie pour les langages imperatifs classiques. La difficulte majeure dans la construction de cette semantique a ete de definir une semantique pour la partie continue : les solutions des equations diff´erentielles sont exprimees comme le plus petit point fixe d'un operateur monotone dans un CPO, et nous montrons que les iterees de Kleene convergent vers ce point fixe. La seconde contribution est une methode d'analyse statique par interpretation abstraite de ces systemes hybrides. Cette methode fonctionne en deux temps. Tout d'abord, sous certaines restrictions portant sur le programme a analyser, on construit un recouvrement de l'espace des variables d'entree via une analyse par intervalle couplee a une analyse d'atteignabilite en avant. On obtient ainsi une abstraction de l'impact qu'a le programme sur l'evolution continue : l'espace d'entree du programme est d´coupe en zones dans lesquelles on est sur qu'un actionneur sera active. Dans un deuxieme temps, nous utilisons ce recouvrement et une methode d'integration garantie des equations differentielles pour obtenir une surapproximation de l'evolution continue. Un analyseur prototype implementant ces techniques a ete developpe et les tests sur les exemples classiques de systemes hybrides montrent de bons resultats. Enfin, la troisieme contribution de cette these est une nouvelle methode d'integration garantie nommee GRKLib. Contrairement aux methodes existantes, GRKLib se fonde sur un schema d'integration numerique non garantie (nous avons choisi un schema de Runge-Kutta d'ordre 4, mais n'importe quelle autre convient) et nous calculons, en utilisant l'arithmetique d'intervalles, l'erreur globale commise lors de l'integration numerique. Cette erreur s'exprime comme la somme de trois termes : l'erreur sur un pas, la propagation de l'erreur et l'erreur due aux nombres flottants. Chaque terme est calcule separement et des techniques avancees permettent de les reduire et de controler au mieux le pas d'integration pour limiter l'accroissement de l'erreur globale. Une librairie C++ implementant ces concepts a ete developpee, et les resultats presentes dans cette these sont prometteurs.

Le lymphocyte T est une cellule clé de l'immunité spécifique. Dans le but de créer un outil de compréhension et de prédiction de certains mécanismes immunitaires, une modélisation de la réponse immunitaire du lymphocyte T est proposée. L'activation du lymphocyte par la reconnaissance d'un peptide apprêté par une cellule présentatrice d'antigène est une étape essentielle de cette réponse immunitaire. Cette activation a été modélisée par un système d'équations différentielles ordinaires, de type cinétique chimique, représentant l'évolution temporelle des concentrations de différentes protéines lymphocytaires (TCR/CD3, CD28, CD69, CD25, IL-2). Afin de considérer une quantité d'antigène variable dans l'organisme, un modèle de prolifération virale a aussi été écrit, basé sur des exemples de modèles proies/prédateurs, obtenant ainsi un système d'équations différentielles ordinaires mettant en jeu un virus donné, les cellules cibles du virus, saines ou infectées, et l'action des lymphocytes T cytotoxiques. Un couplage de ces deux modèles (activation lymphocytaire T et prolifération virale) permet une approche de simulation de la réponse lymphocytaire T spécifique à une infection virale.

L'enseignement des équations différentielles privilégie l'approche algébrique, malgré l'existence des approches numérique et qualitative. Dans l'approche algébrique le lien entre les registres symbolique et graphique est quasi inexistant, et il passe éventuellement par l'expression symbolique des solutions. En revanche, l'approche qualitative requiert d'une interaction forte entre ces registres, ce qui demande la mobilisation de connaissances de divers cadres : fonctions, géométrie analytique, analyse, etc. Cette interaction nécessite des raisonnements sur des fonctions dont on ne connaît pas l'expression symbolique. Les efforts actuels pour changer le paradigme algébrique dominant font appel aux outils informatiques. Or, des logiciels comme Cabri Géomètre permettent de créer des contextes d'exploration de phénomènes graphiques liés aux équations différentielles. Notre étude porte sur les difficultés des étudiants de CAPES à construire des liens entre les registres graphique et symbolique, ainsi que les apports du logiciel pour développer ces liens. Au chapitre 1, nous passons en revue quelques travaux de référence. A l'aide de certains outils théoriques, nous clarifions la problématique pour articuler ces registres. Puis, nous étudions les potentialités du logiciel pour l'étude des équations différentielles. Au chapitre 2, nous présentons le dispositif expérimental conçu pour vérifier nos hypothèses. Nous consacrons ensuite deux chapitres à l'étude des expériences réalisées. Au chapitre 5, nous tirons un bilan de ces expériences et nous exposons les difficultés rencontrées par les étudiants, ainsi que les apports du logiciel. Enfin, nous concluons en revenant sur les questions initiales, et sur les éléments de réponse, avant de proposer les perspectives de notre travail.

Dans cette thèse nous proposons une méthode pour résoudre certains problèmes de Cauchy à données irrégulières ou caractéristiques en utilisant les récentes théories des fonctions généralisées. Nous étudions dans la première partie un problème de Cauchy et un problème de Goursat réguliers avec des données sur une courbe monotone. La deuxième partie est consacrée à la mise en place d'une algèbre adaptée à la résolution du problème de Cauchy généralisé. Dans la troisième partie nous donnons un sens à un problème de Cauchy généralisé et nous montrons qu'il admet une unique solution. Nous étudions de même un problème de Goursat généralisé. Dans la quatrième partie nous approchons un problème de Cauchy caractéristique par une famille de problèmes non caractéristiques. La famille de solutions est un représentant d'une fonction généralisée que nous considérons comme la solution généralisée du problème dans une algèbre appropriée. Nous donnons un sens au problème de Cauchy caractéristique dans le cas de données irrégulières en le remplaçant par une famille de problèmes non caractéristiques dans une algèbre convenable dépendant de deux paramètres. Le premier paramètre permet de se ramener à un problème non caractéristique que le second rend régulier. La famille de solutions est un représentant d'une fonction généralisée que nous considérons comme la solution du problème.

Ce travail propose différents modèles de mathématiques issus à des phénomènes naturels. L'outil indispensable à cette étude sont les inclusions différentielles, les équations (ou les systèmes d'équations) différentielles ou aux dérivées partielles et la théorie des bifurcations. La nature des ces équations dépend du problème traité: il peut s'agir d'équations de transport, de réaction-diffusion, d'équations non-locales, etc. Nous souhaitons apporter ici quelques informations et explications sur les différents modèles que nous allons étudier. Dans la première partie, il s'agit d'étudier l'existence des solutions, critère de compacité pour l'ensemble de solutions ainsi que la continuité de l'opérateur solution pour certaines classes d'inclusions différentielles impulsives de type neutre, un exemple d'application est traité à la fin de cet première partie, c'est une extension des résultats obtenus dans l'étude théorique. La seconde partie s'attache à l'analyse d'un autre modèle mathématique décrivant l'évolution de la maladie du cancer, il s'agit d'un système d'équations différentielles avec impulsions, les équations différentielles représentent l'évolution des cellules normales, cancéreuses sensibles et cancéreuses résistantes. Les impulsions représentent la chimiothérapie. On considère le cas de l'absence des cellules de la tumeur et on utilise un traitement préventif pour éradiquer la maladie, on étudie tout d'abord les conditions de stabilité des solutions triviales qui représentent l'éradication de la maladie, puis on traite le cas des bifurcations de solutions non triviales qui représentent le retour de maladie. On s'intéresse dans la dernière partie à la modélisation de la maladie d'Alzheimer. On construit un modèle qui décrit d'une part la formation de plaque amyloide {in vivo}, et d'autre part les interactions entre les oligomères A$\beta$ et la protéine prion qui induiraient la perte de mémoire. On mène l'analyse mathématique de ce modèle dans un cas particulier puis dans un cas plus général où le taux de polymérisation est une loi de puissance.