Cette thèse est consacrée à l'étude des problèmes inverses des transformations de Radon pondérées dans les espaces euclidiens. D'une part, nos études sont motivées par l'application des transformations de Radon pondérées pour différentes tomographies, par exemple en tomographie d'émission (PET, SPECT), en tomographie de fluorescence et en tomographie optique. En particulier, nous développons une nouvelle approche de reconstruction pour les tomographies en 3D, où les données sont modélisées par des transformations des rayons pondérées le long des rayons parallèles à un plan fixe. À cet égard, nos résultats contiennent : des formules pour la réduction des transformées des rayons pondérés en transformées de Radon le long de plans en 3D ; un analogue de la formule d'inversion approximative de Chang et un analogue de l'algorithme d'inversion itératif de type Kunyansky pour les transformations de Radon pondérées en multidimension ; des reconstructions numériques à partir de données simulées et réelles. D'autre part, nos études sont motivées par des problèmes mathématiques liés aux transformations susmentionnées. Plus précisément, nous poursuivons l'étude de l'injectivité et de la non-injectivité des transformations de Radon et des transformations des rayons pondérées en multidimension et construisons une série de contre-exemples à l'injectivité de ces dernières. Ces contre exemples sont intéressants et, dans un certain sens, inattendus parce qu'ils sont proches des cas où ces transformations deviennent injectives. En particulier, par l'une de nos constructions, nous donnons des contre-exemples à des théorèmes d'injectivité bien connus pour les transformations des rayons pondérées (Quinto (1983), Markoe, Quinto (1985), Finch (1986), Ilmavirta (2016)) lorsque les hypothèses de régularité des poids sont légèrement relaxées. Par ce résultat, nous montrons en particulier que les hypothèses de régularité sur les poids sont cruciales pour l'injectivité et qu'il y a une "brisure" de cette dernière si les hypothèses sont légèrement affaiblies. / This thesis is devoted to studies of inverse problems for weighted Radon tranforms in euclidean spaces. On one hand, our studies are motivated by applications of weighted Radon transforms in different tomographies, for example, in emission tomographies (PET, SPECT), flourescence tomography and optical tomography. In particular, we develop a new reconstruction approach for tomographies in 3D, where data are modelized by weighted ray transforms along rays parallel to some fixed plane. In this connection our results include: formulas for reduction of the aforementioned weighted ray transforms to weghted Radon transforms along planes in 3D; an analog of Chang approximate inversion formula and an analog of Kunyansky-type iterative inversion algorithm for weighted Radon transforms in multidimensions; numercal reconstructions from simulated and real data. On the other hand, our studies are motivated by mathematical problems related to the aforementioned transforms. More precisely, we continue studies of injectivity and non-injectivity of weighted ray and Radon transforms in multidimensions and we construct a series of counterexamples to injectivity for the latter. These counterexamples are interesting and in some sense unexpected because they are close to the setting when the corresponding weighted ray and Radon transforms become injective. In particular, by one ofour constructions we give counterexamples to well-known injectivity theorems for weighted ray transforms (Quinto (1983), Markoe, Quinto (1985), Finch (1986), Ilmavirta (2016)) when the regularity assumptions on weights are slightly relaxed. By this result we show that, in particular, the regularity assumptions on weights are crucial for the injectivity and there is a breakdown of the latter if the assumptions are slightly relaxed.

We are investigating a kernel-based autoconvolution problem, which has its origin in the physics of ultra short laser pulses. The task in this problem is to reconstruct a complex-valued function $x$ on a finite interval from measurements of its absolute value and a kernel-based autoconvolution of the form [[F(x)](s)=int k(s,t)x(s-t)x(t)de t.] This problem has not been studied in the literature. One reason might be that one has more information than in the classical autoconvolution case, where only the right hand side is available. Nevertheless we show that ill posedness phenomena may occur. We also propose an algorithm to solve the problem numerically and demonstrate its performance with artificial data. Since the algorithm fails to produce good results with real data and we suspect that the data for $|F(x)|$ are not dependable we also consider the whole problem with only $arg(F(x))$ given instead of $F(x)$.

The Common Core State Standards call for more rigorous, focused, and coherent curriculum and instruction, has resulted in students being faced with more cognitively high-demanding tasks which involve forming connections within and between fundamental mathematical concepts. Because mathematical comprehension generally relates back to one’s ability to form connections to prior knowledge, this study sought to examine the extent to which current learning environments expose students to connection-making opportunities that may help facilitate mathematical understanding of elementary multiplicative inverses. As part of an embedded mixed-methods design, I analyzed curriculum materials, classroom instruction, and student assessments from four elementary mathematics teachers’ classrooms. A situation model perspective of comprehension was used for analysis. The aim of this study was thus to determine how instructional tasks, representations, and deep questions are used for connection-making, which is the foundation of a situation model that can be used for inference-making. Results suggest that student comprehension depends more on connection-making opportunities afforded by classroom teachers, rather than on learning opportunities found solely within a curriculum. This included instruction that focused on deeply unpacking side-by-side comparison type examples, situated examples in personal concrete contexts, used semi-concrete representations to illustrate structural relationships, promoted efficiency through the sequence of presented representations, and posed deep questions which supported students’ sense-making and emphasized the interconnectedness of mathematics. By analyzing these key aspects, this study contributes to research on mathematical understanding and provides a foundation for helping students facilitate transfer of prior knowledge into novel mathematical situation. / Math & Science Education

Les paramètres de loi de comportement s'identifient habituellement à partir d'éprouvettes standardisées présentant des champs de déformations homogènes. L'essor actuel des méthodes inverses incite à l'utilisation d'essais plus hétérogènes. L'objectif de cette thèse est de développer une procédure d'identification inverse en utilisant une méthode de recalage de modèles éléments finis basée sur des expériences à hétérogénéités croissantes des champs de déformation. À cette fin, des essais plans avec différentes géométries d'éprouvettes, en titane commercialement pur, ont été effectués et un essai original hors plan fortement hétérogène a été mis au point. Dans ce dernier cas, un essai unique réalisé à l'aide d'une machine de traction uni-axiale permet d'obtenir des sollicitations d'expansion, mais aussi de traction et de cisaillement selon deux directions orthogonales. Des mesures de champs cinématiques planes et non planes (stéréo-corrélation d'images) sont utilisées afin d'évaluer les déformations jusqu'à striction. À partir de ces mesures en grandes déformations, on propose de mener une comparaison entre les informations issues de l'expérience et un modèle dupliquant les conditions expérimentales (conditions aux limites issues de la corrélation d'images). Cette comparaison conduit, via un processus d'optimisation, à l'actualisation itérative du jeu de paramètres de la loi de comportement utilisée dans le modèle éléments finis. Le nombre de paramètres ainsi identifiés varie selon le modèle de comportement : élastique anisotrope puis élasto-plastique anisotrope. Différentes validations ont mis en évidence l'intérêt de considérer des champs de déformation fortement hétérogènes. Dans ce cadre, des prédictions numériques d'opérations d'emboutissage, réalisées à l'aide des différents jeux de paramètres identifiés sont comparées à l'expérience. On montre que la prise en compte d'un modèle élastique anisotrope plutôt qu'isotrope fournit un état de contrainte plus réaliste en début de plasticité, améliorant considérablement l'identification du modèle plastique. Enfin, une approche couplée entre mesures de champs cinématiques et thermiques (thermographie infrarouge) a été développée. Les paramètres d'un modèle mécanique sont identifiés puis utilisés pour l'évaluation d'un modèle thermique calculant les sources de chaleur. Par cette méthode, plusieurs modèles d'évolution de la fraction d'énergie dissipée sous forme de chaleur ont été identifiés (coefficient de Taylor et Quinney).

Contexte. Les problèmes inverses, qui font l'objet de nombreuses études aujourd'hui, apparaissent dans une large gamme d'applications : imagerie et tomographie, identification de propriétés matérielles, contrôle non destructif,... L'étude présentée s'inscrit dans le cadre de ce dernier exemple. Elle a pour objet la recherche de nouvelles méthodes, numériquement rapides, permettant une identification qualitative d'objets (inclusions, cavités, fissures,...) enfouis dans des milieux élastiques linéaires, en connaissant (au moins partiellement) la réponse en surface à une sollicitation dynamique. La plupart des méthodes classiquement utilisées pour traiter ce type de problèmes sont fondées sur des algorithmes itératifs de minimisation qui requièrent un grand nombre de simulations directes. Dans le contexte considéré pour cette étude (propagation d'ondes dans des solides élastiques tridimensionnels), ces simulations sont très coûteuses numériquement. L'émergence récente de techniques permettant de sonder, numériquement, de façon non-itérative un milieu donné, a permis d'aborder ces problèmes sous un nouveau jour. Un ensemble d'études a en particulier montré, dans le cadre des hypothèses adoptées pour cette thèse, l'intérêt de méthodes telles que la Sensibilité Topologique ou le Linear Sampling, pour une détection approchée mais rapide. Objectifs de la thèse. L'étude qui est présentée ici, s'inscrit dans la perspectives du développement des deux méthodes mentionnées, dans le contexte de la mécanique des solides déformables, c'est-à-dire pour des problèmes de diffraction inverse en acoustique et en élasticité. Les différents point abordés dans ce travail sont les suivants : • Appréciation des capacités et des performances respectives des deux méthodes, en particulier lorsqu'elles sont mises en œuvre dans des codes numériques usuels, fondés par exemple sur la méthode des éléments finis. • Utilisation de ces développements pour une identification qualitative combinant géométrie et propriétés matérielles des défauts diffractants inconnus. • Extension de ces méthodes, ainsi que démonstration de leurs pertinences, pour des problèmes de diffraction inverse dans le domaine temporel ou utilisation des mesures multi-fréquentielles des champs diffractés. • Etude de quelques problèmes théoriques fondamentaux pour la justification et la mise en œuvre rigoureuse de ces méthodes. • Compréhension des liens théoriques pouvant exister entre la méthode de sensibilité topologique et la méthode de ”linear sampling”.

Dans cette thèse nous nous intéressons aux questions de stabilité et d'instabilité dans certains problèmes inverses classiques pour l'équation de Schrödinger et l'équation acoustique en dimension d>=2. Les problèmes considérés sont le problème inverse de Gel'fand de valeurs au bord et les problèmes inverses de diffusion en champ proche et en champ lointain. Les résultats de stabilité et d'instabilité présentés dans cette thèse se complètent mutuellement et contribuent à une meilleure compréhension de la nature des problèmes précités. En particulier, nous démontrons des nouvelles estimations de stabilité globale qui dépendent explicitement de la régularité du coefficient et de l'énergie. En outre, nous considérons le problème inverse de valeurs au bord pour l'équation de Schrödinger à l'énergie fixée avec des mesures frontières représentées comme l'opérateur frontière d'impédance (ou l'opérateur Robin-Robin). Nous démontrons des estimations de stabilité globale pour détermination du potentiel à partir de mesures frontières dans cette représentation d'impédance. De plus, des techniques similaires donnent aussi une procédure de reconstruction globale pour ce problème.

Nous nous intéressons ici aux problèmes inverses mal posés ainsi qu'à leur résolution dans un cadre bayésien. Dans un premier temps, nous décrirons la démarche que nous avons suivie lors de la résolution d'un problème inverse mal posé. Elle consiste à déterminer simultanément la paramétrisation de l'objet inconnu, le modèle " simplifié " décrivant le principe de formation des données, le choix du modèle de bruit et le choix de l'information a priori introduite. Ces différents choix sont souvent contraints par le temps de calcul nécessaire pour obtenir l'estimateur. On illustrera la démarche en résolvant des problèmes inverses variés dans le domaine de l'imagerie médicale (réduction des artéfacts métalliques) et de l'astrophysique (reconstruction 3D+T de la couronne solaire et reconstruction sur-résolue du rayonnement infra-rouge de l'univers). Dans deuxième temps, nous développerons un aspect plus méthodologique. En effet, nous avons constaté que les approches entièrement bayésiennes étaient difficilement applicables à des problèmes de grandes dimensions (plus d'un million d'inconnues) pour des raisons de coût calculatoire. Nous avons donc mis au point une nouvelle approche bayésienne variationnelle permettant de s'affranchir de ce problème. Pour obtenir notre algorithme, nous avons résolu un problème d'optimisation fonctionnelle dans l'espace des mesures à densité. Puis, nous avons appliqué notre approche sur l'inversion de problèmes linéaires de grandes tailles.

L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes fiables, efficaces et rapides pour minimiser des critères convexes apparaissant dans la résolution de problèmes inverses en imagerie. Ainsi, nous nous intéresserons à des problèmes de restauration/reconstruction lorsque les données sont dégradées par un opérateur linéaire et un bruit qui peut être non additif. La fiabilité de la méthode sera assurée par l'utilisation d'algorithmes proximaux dont la convergence est garantie lorsqu'il s'agit de minimiser des critères convexes. La quête d'efficacité impliquera le choix d'un critère adapté aux caractéristiques du bruit, à l'opérateur linéaire et au type d'image à reconstruire. En particulier, nous utiliserons des termes de régularisation basés sur la variation totale et/ou favorisant la parcimonie des coefficients du signal recherché dans une trame. L'utilisation de trames nous amènera à considérer deux approches : une formulation du critère à l'analyse et une formulation du critère à la synthèse. De plus, nous étendrons les algorithmes proximaux et leurs preuves de convergence aux cas de problèmes inverses multicomposantes. La recherche de la rapidité de traitement se traduira par l'utilisation d'algorithmes proximaux parallélisables. Les résultats théoriques obtenus seront illustrés sur différents types de problèmes inverses de grandes tailles comme la restauration d'images mais aussi la stéréoscopie, l'imagerie multispectrale, la décomposition en composantes de texture et de géométrie. Une application attirera plus particulièrement notre attention ; il s'agit de la reconstruction de l'activité dynamique en Tomographie par Emission de Positrons (TEP) qui constitue un problème inverse difficile mettant en jeu un opérateur de projection et un bruit de Poisson dégradant fortement les données observées. Pour optimiser la qualité de reconstruction, nous exploiterons les caractéristiques spatio-temporelles de l'activité dans les tissus / The objective of this work is to propose reliable, efficient and fast methods for minimizing convex criteria, that are found in inverse problems for imagery. We focus on restoration/reconstruction problems when data is degraded with both a linear operator and noise, where the latter is not assumed to be necessarily additive.The methods reliability is ensured through the use of proximal algorithms, the convergence of which is guaranteed when a convex criterion is considered. Efficiency is sought through the choice of criteria adapted to the noise characteristics, the linear operators and the image specificities. Of particular interest are regularization terms based on total variation and/or sparsity of signal frame coefficients. As a consequence of the use of frames, two approaches are investigated, depending on whether the analysis or the synthesis formulation is chosen. Fast processing requirements lead us to consider proximal algorithms with a parallel structure. Theoretical results are illustrated on several large size inverse problems arising in image restoration, stereoscopy, multi-spectral imagery and decomposition into texture and geometry components. We focus on a particular application, namely Positron Emission Tomography (PET), which is particularly difficult because of the presence of a projection operator combined with Poisson noise, leading to highly corrupted data. To optimize the quality of the reconstruction, we make use of the spatio-temporal characteristics of brain tissue activity

Une nouvelle famille de dérivés amphiphiles du dextrane a été obtenue par réaction du dextrane avec le 1,2-époxydodécane en milieu basique. Deux voies de synthèse ont été étudiées. La première en milieu aqueux dispersé n’a permis d’obtenir que des taux de modification faibles (< 10 %) car l’homopolymérisation de l’époxyde est prépondérante. Au contraire, la réaction en milieu organique homogène a permis la synthèse de dérivés dont le taux de modification atteint 164 %. Des émulsions huile dans eau ont été préparées par sonication en présence de plusieurs dérivés hydrosolubles (τ ≤ 25 %). La fraction volumique d’huile (hexadécane ou nujol) est comprise entre 10 % et 50 %. La taille des gouttelettes augmente avec la fraction volumique d’huile mais ne dépend pas du taux de modification du dextrane entre 10 et 25 %. Ces émulsions ont un comportement de gel d’autant plus marqué que la fraction volumique d’huile dispersée augmente. Des émulsions inverses eau : chloroforme, stables pendant au moins 2 mois, ont été obtenues par sonication en présence de dérivés organosolubles (τ = 164 %). Le processus dynamique d’émulsification sous cisaillement a été étudié pour des émulsions directes (hexadécane / eau) dont la fraction volumique d’huile était comprise entre 10 et 60 % et pour différents gradients de vitesse. Un suivi continu in situ de la viscosité des émulsions et du rayon des gouttes formées montre que le temps caractéristique d’émulsification dépend du gradient de vitesse et du rapport des viscosités mais pas de la fraction volumique d’huile dispersée. Dans le cas d’un système newtonien, la viscosité finale et la taille finale des gouttes dépendent du gradient de vitesse appliqué alors qu’elles sont invariantes dans le cas du système non newtonien sur tout l’intervalle exploré / A new family of amphiphilic dextran derivatives was obtained by reaction of 1,2-epoxydodecane on dextran in basic medium. Two reaction procedures were examined. The first one was carried out in biphasic medium but produced only low degrees of hydrophobic substitution. Epoxide homopolymerization was indeed predominant. On the contrary, the reaction in a homogeneous organic medium allowed the synthesis of dextran derivatives with substitution degrees as high as 164 %. Oil-in-water emulsions were prepared by sonication in the presence of different hydrosoluble derivatives (τ ≤ 25 %). Oil volume fraction (hexadecane or nujol) ranged from 10 % to 50 %. The size of the emulsion droplets increased with the oil volume fraction but did not depend on the substitution degree of modified dextran between 10 and 25 %. These emulsions behave like a gel which strengthened with the oil volume fraction. Water-in-oil emulsions (water in chloroform) were obtained by sonication in the presence of organosoluble derivatives (τ = 164 %). They were stable over at least two months.Furthermore, dynamic emulsification process under shear flow was investigated for oil-in-water emulsions (hexadecane in water). The volume fraction of oil ranged from 10 % to 60 % and various shear rates were applied. Simultaneous in situ measurements of viscosity of emulsions and droplet size were performed. The characteristic time of emulsification depended on shear rate and viscosity ratio but was independent of the oil volume. For the newtonian system, final shear stress and final droplet size depended on the applied shear rate while they were invariant in the non newtonian system

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