Vu que la modulation multi-porteuses est largement utilisée dans les communications sans fil et la radio cognitive (CR pour “Cognitive Radio”) améliore l’utilisation des ressources radio et du spectre, nous nous concentrons sur les réseaux radio cognitifs (CR) pour faire progresser l’allocation des ressources, le routage, et l’ajustement de la puissance d’émission vers les récepteurs (synthèse de faisceaux ou beamforming) dans cette thèse. Nous étudions deux types de modulations multi-porteuses :Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) à base d’ondelettes (WOFDM pourWavelet OFDM) et OFDM dans sa forme classique ou traditionnelle (OFDM s’appuyant sur la transformation de Fourier pour partager les ressources). WOFDM adopte Wavelet Packet Modulation (WPM) pour obtenir des lobes secondaires beaucoup plus faibles dans la densité spectrale de puissance du signal transmis en comparaison à OFDM. WPM permet de surcroit à WOFDM de s’affranchir du Préfixe Cyclique (indispensable à OFDM) et d’exploiter l’égalisation pour combattre l’Interférence entre Symboles (ISI). Nous évaluons la performance de WOFDM sous différentes conditions du canal radio. Nous comparons la performance de WOFDM, qui s’appuie sur l’égalisation dans le domaine temporel, à celle de OFDM, qui requiert l’utilisation du Préfixe Cyclique et opère dans le domaine fréquentiel / In view of the wide usage of multicarrier modulation in wireless communications and the prominent contribution of Cognitive Radio (CR) to deal with critical shortage of spectrum resource, we focus on multicarrier based cognitive radio networks to investigate general resource allocation issues: subcarrier allocation, power allocation, routing, and beamforming in this thesis. We investigate two types of multicarrier modulation: Wavelet-based Orthogonal Frequency Division Multiplexing (WOFDM) and Fourier-based Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). WOFDM adopts Wavelet Packet Modulation (WPM). Compared with fourier-based OFDM, wavelet-based OFDM achieves much lower side lobe in the transmitted signal. Wavelet-based OFDM excludes Cyclic Prefix (CP) which is used in fourier-based OFDM systems. Wavelet-based OFDM turns to exploit equalization to combat Inter-Symbol Interference (ISI). We evaluate the performance of WOFDM under different channel conditions. We compare the performance of wavelet-based OFDM using equalization in the time domain to that of fourier-based OFDM with CP and the equalization in the frequency domain

L’évolution des technologies réseaux sans fil, des terminaux mobiles ainsi que des contenus et des services créent des environnements hétérogènes de plus en plus complexes. Dans ce contexte, un compromis entre la mobilité, la transparence et la performance apparaît. Des utilisateurs mobiles, ayant différents profils et préférences, voudraient être toujours connectés au meilleur réseau à tout moment, sans avoir à se soucier des différentes transitions entre réseaux hétérogènes. Face à cette complexité, il parait nécessaire de proposer de nouvelles approches afin de rendre ces systèmes plus autonomes et de rendre les décisions de handover vertical plus efficaces. Cette thèse se concentre sur la gestion de mobilité verticale, plus précisément sur la prise de décision de handover vertical dans un environnement de réseaux hétérogènes sans fil. Après l’identification des différents paramètres de prise de décision et l’analyse de l’état de l’art relié à la gestion de la mobilité verticale, nous avons proposé un système de réputation qui permet de réduire les délais de prise de décision. La réputation d’un réseau est introduite comme une nouvelle métrique de prise de décision qui peut être recueillie à partir des expériences précédentes des utilisateurs sur ce réseau. Nous montrons que la réputation est une métrique efficace qui permet l’anticipation du handover et accélère la prise de décision. Bien que l’objectif principal soit de garantir la meilleure qualité de service et l’utilisation optimale des ressources radios, les aspects économiques doivent également être considérés, y compris la minimisation des coûts pour les utilisateurs et la maximisation des revenus pour les fournisseurs de services ou les opérateurs. Nous proposons alors, dans la deuxième partie de la thèse, un mécanisme de prise de décision basé sur la théorie des jeux. Ce dernier permet la maximisation des utilités des réseaux et des utilisateurs. Dans cette solution, chaque réseau disponible joue un jeu de Stackelberg avec un ensemble d’utilisateurs, tandis que les utilisateurs jouent un jeu de Nash entre eux pour partager les ressources radios limitées. Un point d’équilibre de Nash, qui maximise l’utilité de l’utilisateur et les revenus des fournisseurs de services, est trouvé et utilisé pour le contrôle d’admission et la prise de décision de handover vertical. Dans la troisième partie de cette thèse, nous proposons et discutons deux différentes solutions architecturales sur lesquelles nos mécanismes de prise de décision proposés peuvent être intégrés. La première architecture proposée est basée sur la norme IEEE 802.21 à laquelle nous proposons certaines extensions. La seconde architecture proposée est basée sur un niveau de contrôle composé de deux couches de virtualisation. La virtualisation est assurée via des agents capables de faire un raisonnement et de prendre des décisions pour le compte d’entités physiques qu’ils représentent au sein du système. Cette architecture permet une plus grande flexibilité / Mobility management over heterogeneous wireless networks is becoming a major interest area as new technologies and services continue to proliferate within the wireless networking market. In this context, seamless mobility is considered to be crucial for ubiquitous computing. Service providers aim to increase the revenue and to improve users’ satisfaction. However there are still many technical and architectural challenges to overcome before achieving the required interoperability and coexistence of heterogeneous wireless access networks. Indeed, the context of wireless networks is offering multiple and heterogeneous technologies (e.g. 2G to 4G, WiFi, Wimax, TETRA,...). On the one hand, this rich environment allows users to take profit from different capacities and coverage characteristics. Indeed, this diversity can provide users with high flexibility and allow them to seamlessly connect at any time and any where to the access technology that best fits their requirements. Additionally, cooperation between these different technologies can provide higher efficiency in the usage of the scarce wireless resources offering more economic systems for network providers. On the other hand, the heterogeneity of technologies and architectures and the multiplication of networks and service providers creates a complex environment where cooperation becomes challenging at different levels including and not limited to mobility management, radio resource provisioning, Quality of Service and security guarantees. This thesis is focusing on mobility management and mainly on decision making for Vertical handover within heterogeneous wireless network environments. After the analysis of the related state of the art, we first propose a reputation based approach that allows fast vertical handover decision making. A decision making scheme is then built on that approach. Network’s reputation, is a new metric that can be gathered from previous users’ experiences in the networks. We show that it is an efficient construct to speed up the vertical handover decision making thanks to anticipation functionalities. While the main objective remains guaranteeing the best Quality of Service and optimal radio resource utilization, economical aspects have also to be considered including cost minimization for users and revenue maximization for network providers. For this aim, we propose, in the second part of the thesis, a game theoretic based scheme that allows maximizing benefits for both networks and users. In this solution, each available network plays a Stackelberg game with a finite set of users, while users are playing a Nash game among themselves to share the limited radio resources. A Nash equilibrium point, that maximizes the user’s utility and the service provider revenue, is found and used for admission control and vertical handover decision making. The analyses of the optimal bandwidth/prices and the revenue at the equilibrium point show that there are some possible policies to use according to user’s requirements in terms of QoS and to network capacities. For instance, we pointed out that networks having same capacities and different reputation values should charge users with different prices which makes reputation management very important to attract users and maximize networks’ revenue. In the third part of this thesis, we provide and discuss two different architectural and implementation solutions on which our proposed vertical handover decision mechanisms can be integrated. The first proposed architecture is a centralized one. It is based on the IEEE 802.21 standard to which some extensions are proposed. The second proposed architecture is distributed. It is based on an overlay control level composed of two virtualization layers able to make reasoning on behalf of physical entities within the system. This architecture allows higher flexibility especially for loosely coupled interconnected networks

Le domaine avionique a été transformé par l'apparition des architectures modulaires intégrées (IMA). Celles-ci définissent un support d'exécution et de communication standard et mutualisé afin de réduire la complexité de l'architecture physique. Cependant, du fait du partage des ressources, cette démarche introduit une plus grande complexité lors de la conception et de l'intégration des applications ce qui implique d’assister les concepteurs avec des outils dédiés. La présente thèse contribue à cet effort en se focalisant sur deux problèmes d'allocation de ressources : i) le problème de l'ordonnancement multiprocesseur de tâches strictement périodiques et ii) le problème du routage des messages échangés entre les fonctions avioniques.Le premier problème a été formalisé sous la forme d’un programme linéaire en nombres entiers afin de garantir un potentiel maximum d'évolution sur les durées d'exécutions des traitements. L’inefficacité d’une approche exacte pour des instances de grande taille, nous a conduit à développer une heuristique originale s’inspirant de la théorie des jeux couplée avec un algorithme multi-start.Le routage est formalisé sous la forme d’un problème d’optimisation sur la charge maximum des liens. Deux propositions sont faites pour le résoudre, l’une, exacte, est basée sur une formulation nœud-lien, et la seconde est une heuristique à deux niveaux basé sur une formulation lien-chemin / The avionic domain has seen a profound evolution by the introduction of Integrated Modular Avionics (IMA). This defines a standardized execution and communication support in order to reduce the complexity of the physical architecture. Nevertheless, due to the sharing of resources, this reduction of complexity is opposed by an increased difficulty in application conception and integration, which necessitates dedicated tools for assisting system designers. This thesis’ contributions concern two major resource allocation problems: i) the multiprocessor scheduling of strictly periodic tasks and ii) the routing of messages exchanged between the avionic functions. The first problem was formulated using integer linear programming so as to guarantee a maximum evolution potential for the task execution durations. The inefficiency of this exact approach for large problem instances led us to develop an original heuristic, inspired from Game Theory, and further enhance it with a multi-start algorithm. The routing problem was formulated as an optimization one so as to minimize the maximum link loads. Two methods were proposed for this purpose, the first is exact based on node-link formulations, and the other is a two phase heuristic based on link-path formulations

Cette thèse est composée de trois chapitres qui traitent de la problématique de la régulation optimale des émissions de carbone pour atténuer le changement climatique. Dans le premier chapitre, nous analysons les interactions stratégiques entre un cartel, exportant une ressource non renouvelable génératrice de pollution, et deux pays importateurs hétérogènes qui souhaitent atténuer les dommages dus à la pollution. Les pays importateurs différent selon leur demande de la ressource et selon leur degré d’exposition au stock (mondial) de pollution. Les pays importateurs fixent de manière non coopérative des taxes carbone sur la consommation de la ressource polluante et le cartel exportateur fixe son prix à la production. En utilisant équilibre de Nash en boucle ouverte, nous obtenons des solutions explicites des trajectoires temporelles des taxes carbone, du prix au producteur et du stock de pollution. Nous montrons que lorsque les pays importateurs agissent de manière non coopérative, à un temps fini, le prix à la production bondit et le pays importateur le plus touché par la pollution cesse de demander la ressource. Nos résultats numériques basés sur la caractérisation explicite de l’équilibre non coopératif montrent qu’une plus grande symétrie par rapport aux coûts de la pollution conduit à une augmentation plus rapide du stock de pollution en début d’horizon temporel, mais à un stock de pollution de long terme plus faible et un bien-être total plus élevé. Dans le deuxième chapitre, Nous analysons les effets des ajustements carbone bilatéraux aux frontières sur les taxes carbone dans un jeu non coopératif entre deux pays symétriques ouverts ayant des firmes en concurrence imparfaite en présence de pollution transfrontalière. Nous comparons également dans ce chapitre les résultats de ce jeu avec ceux de deux benchmarks (soient, le jeu non coopératif sans ajustements carbone aux frontières et la solution efficace). Nous constatons que lorsque les pays souffrent peu de la pollution, seuls des équilibres symétriques existent. En revanche, si les pays souffrent suffisamment de la pollution, seuls des équilibres asymétriques existent. Les taxes sur le carbone en équilibres symétriques sont plus élevées que les taxes efficaces, tandis que l’inverse est vrai pour les équilibres asymétriques. Dans tous les cas d’intérêt, le bien-être total à l’équilibre du jeu non coopératif avec ajustements carbone aux frontières est supérieur à celui du jeu non coopératif sans ajustements carbone aux frontières. Lorsque les coûts de la pollution sont suffisamment bas, il existe un niveau d’ajustement carbone aux frontières tel que les taxes d’équilibre non coopératif sont efficaces. Enfin, dans le cas où les pays souffrent suffisamment de la pollution, le niveau optimal d’ajustement carbone aux frontières peut être partiel ou total selon les paramètres du modèle. Nous étudions enfin, dans le dernier chapitre, un jeu de pollution frontalière non coopératif entre respectivement deux pays et trois pays fixant des taxes carbone en présence d’ajustements carbone aux frontières et avec présence d’une concurrence imparfaite sur le marché international des biens polluants. Les pays sont asymétriques quant à leur volonté de payer pour la réduction des émissions mondiales de carbone. Dans nos modèles, seul le pays le plus touché impose un ajustement carbone aux frontières. Nous montrons que, contrairement à la littérature existante utilisant des modèles à deux pays avec un seul marché, le pays le plus touché préfère très généralement utiliser un ajustement carbone total aux frontières (c’est-à -dire un tarif qui ajuste exactement les écarts entre sa propre taxe carbone et celles des autres pays) à un ajustement carbone partiel aux frontières. De plus, un ajustement carbone total aux frontières est optimal pour le bien-être global dans la plupart des cas d’intérêt. / This thesis is composed of three chapters which concern the problem of the optimal regulation of carbon emissions to mitigate climate change. In the first chapter, we analyze strategic interactions between a resource cartel exporting a non-renewable stock pollutant and two heterogeneous importing countries, who want to mitigate pollution damages. The importing countries differ with respect to market size and with respect to how strongly they are affected by the (global) stock of pollution. The importing countries non cooperatively set emissions taxes and the exporting cartel sets its producer price. Using open loop Nash equilibrium, we obtain explicit solutions for the time paths of the carbon taxes, the producer price and the stock of pollution. We show that when the countries act non cooperatively, at a finite time, the producer price jumps and the country that is most affected by pollution stops demanding the resource. Our numerical results based on the explicit characterization of the non-cooperative equilibrium yield that more symmetry with respect to the cost of pollution leads to faster increase of the stock of pollution initially, but to a lower long-term stock and higher total discounted welfare. In the second chapter, we analyzes the effects of bilateral border tax adjustments on carbon taxes in a non-cooperative game between two symmetric open countries trading in an oligopolistic framework with cross-border pollution. We also contrast the results of this BTA game with those of two benchmarks (the non-cooperative game without BTA and the efficient solution). We note that when countries suffer little from pollution, only symmetric equilibria exist. By contrast, if countries suffer sufficiently from pollution, only asymmetric equilibria exist. Carbon taxes in symmetric equilibria are higher than the efficient taxes, while the opposite is true for the asymmetric equilibria. In all cases of interest, the total welfare in the equilibrium of the non cooperative game with BTA is higher than that in the equilibrium of the non cooperative game without BTA. If the cost of pollution is sufficiently low, there is a level of BTA such that non cooperative equilibrium taxes are efficient. Finally, in the case where the countries suffer a lot from pollution, the optimal level of BTA can be partial or full depending on the parameters of the model. Finally, in the last chapter, we study a non-cooperative transboundary pollution game between respectively two countries and three countries setting carbon taxes in the presence of a Border Tax Adjustment (BTA) and with imperfect competition in the international polluting goods market. Countries are asymmetric with respect to their willingness to pay for reductions of global emissions. In our models, only the most affected country imposes a BTA. We show that, unlike in the existing literature using two-country models with only one market, the most affected country generally prefers using a full BTA, a tariff that fully adjusts for the differences between its own carbon tax and those in other countries, to a partial BTA. Moreover, a full BTA is optimal for the global welfare in most cases of interest.

In contexts involving multiple agents (players), determining how they can cooperate through the formation of coalitions and how they can share surplus benefits coming from the collaboration is crucial. This can provide decision-aid to players and analysis tools for policy makers regulating economic markets. Such settings belong to the field of cooperative game theory. A critical element in this area has been the size of the representation of these games: for each possible partition of players, the value of each coalition on it must be provided. Symmetric partition function form games (SPFGs) belong to a class of cooperative games with two important characteristics. First, they account for externalities provoked by any group of players joining forces or splitting into subsets on the remaining coalitions of players. Second, they consider that players are indistinct, meaning that only the number of players in each coalition is relevant for the SPFG. Using mixed-integer programming, we present the first representation of SPFGs that is polynomial on the number of players in the game. We also characterize the family of SPFGs that we can represent. In particular, the representation is able to encode exactly all SPFGs with five players or less. Furthermore, we provide a compact representation approximating SPFGs when there are six players or more and the SPFG cannot be represented exactly. We also introduce a flexible framework that uses stability methods inspired from the literature to identify a stable social-welfare maximizing game outcome using our representation. We showcase the value of our compact (approximated) representation and approach to determine a stable partition and payoff allocation to a competitive market from the literature. / Dans tout contexte impliquant plusieurs agents (joueurs), il est impératif de déterminer comment les agents coopéreront par la formation de coalitions et comment ils partageront les bénéfices supplémentaires issus de la collaboration. Ceci peut fournir une aide à la décision aux joueurs, ou encore des outils d'analyse pour les responsables en charge de réguler les marchés économiques. De telles situations relèvent de la théorie des jeux coopérative. Un élément crucial de ce domaine est la taille de la représentation de ces jeux : pour chaque partition de joueurs possible, la valeur de chaque coalition qu'on y retrouve doit être donnée. Les jeux symétriques à fonction de partition (SPFG) appartiennent à une classe de jeux coopératifs possédant deux caractéristiques principales. Premièrement, ils sont sensibles aux externalités, provoquées par n'importe quel groupe de joueurs qui s'allient ou défont leurs alliances, qui sont ressenties par les autres coalitions de joueurs. Deuxièmement, ils considèrent que les joueurs sont indistincts, et donc que seul le nombre de joueurs dans chaque coalition est à retenir pour représenter un SPFG. Par l'utilisation d'outils de programmation mixte en nombres entiers, nous présentons la première représentation de SPFG qui est polynomiale en nombre de joueurs dans le jeu. De surcroît, nous caractérisons la famille des SPFG qu'il est possible de représenter, qui inclut notamment tous les SPFG de cinq joueurs ou moins. De plus, elle dispose d'une approximation compacte pour le cas où, dans un jeu à six joueurs ou plus, le SPFG ne peut pas être représenté de façon exacte. Également, nous introduisons un cadre flexible qui utilise des méthodes visant la stabilité inspirées par la littérature pour identifier, à l'aide de notre représentation, une issue stable qui maximise le bien-être social des joueurs. Nous démontrons la valeur de notre représentation (approximée) compacte et de notre approche pour sélectionner une partition stable et une allocation des profits dans une application de marché compétitif provenant de la littérature.

Les rivières, lacs et aquifères transfrontaliers à travers la planète sont des catalyseurs de tension internationale. Le partage des ressources en eau entre les États est sujet à des défis de plus en plus aigus avec une demande en constante croissance et une variabilité de l’offre exacerbée par les changements climatiques. Cet enjeu bénéficie de peu d’encadrement juridique alors que les accords entre États riverains sont exceptionnels et peu efficaces et que le droit en la matière est controversé. Ce mémoire se veut une étude de trois méthodes d’analyse en droit international public des conflits dans le partage de ces cours d’eau partagés en utilisant l’exemple de la construction d’un ouvrage hydraulique d’envergure sur le Nil Bleu, dont l’Éthiopie, le Soudan et l’Égypte sont les tributaires. Une première méthode consiste à étudier les instruments régionaux qui ont tenté d’attribuer les eaux transfrontières et les droits de développement industriel. Une seconde approche propose d’examiner l’application du droit multilatéral et coutumier relatif aux utilisations des cours d'eau internationaux à des fins autres que la navigation. La troisième démarche vise à déterminer l’étendue et les bénéfices de l’obligation de coopérer en droit international public. Une fois ces trois méthodes appliquées, l’auteur arrive à la conclusion que les instruments régionaux du bassin du Nil et le droit international applicable, notamment codifié dans la Convention sur le droit relatif aux utilisations des cours d'eau internationaux à des fins autres que la navigation, n’offrent aucune solution juridique définitive en raison (i) de l’absence de force contraignante ou (ii) de conflits interprétatifs irréconciliables. Quant à elle, l’obligation de coopérer, quoi que limitée dans son étendue, est source d’optimisme. / Transboundary rivers, lakes and aquifers around the world are catalysts for international tension. The sharing of water resources between States is subject to increasingly acute challenges with a constantly growing demand and a variability of supply exacerbated by climate change. This issue benefits from limited legal guidance, while agreements between riparian states are exceptional and inefficient and the law in this area is controversial. This paper examines three methods of analysis in public international law of conflicts in the sharing of these shared watercourses, using the example of the construction of a major hydraulic structure on the Blue Nile, of which Ethiopia, Sudan and Egypt are tributaries. A first approach is to examine the regional instruments that have attempted to allocate transboundary waters and industrial development rights. A second approach proposes to examine the application of multilateral and customary international law relating to the non-navigational uses of international watercourses. The third approach seeks to determine the scope and benefits of the duty to cooperate under public international law. After applying these three methods, the author concludes that the regional instruments of the Nile Basin and the applicable international law, notably codified in the Convention on the Law of Non-Navigational Uses of International Watercourses, do not offer any firm legal solution due to (i) lack of binding force or (ii) irreconcilable interpretative conflicts. As for the obligation to cooperate, although limited in scope, it is a source of optimism.

Plusieurs pays possèdent des programmes de don croisé de rein (PDCR). Le but de ces programmes est d’aider les patients ayant un donneur incompatible à obtenir une greffe, en échangeant les donneurs incompatibles entre les patients. Pour pouvoir obtenir des bassins de paires incompatibles de plus grande taille, il est possible d’élargir les PDCR pour y inclure plusieurs pays ou hôpitaux. Par contre, on doit s’attendre à ce que ces derniers agissent de façon stratégique pour maximiser le nombre de leurs patients obtenant une greffe. Avec ce cadre, on peut définir le problème de don croisé de rein à plusieurs agents. Dans ce mémoire, nous modélisons ce problème comme un jeu coopératif à utilité non- transférable et nous présentons le noyau faible comme solution à ce jeu. Nous étudions empiriquement notre solution sur des exemples basés sur des données réelles et montrons qu’elle est atteignable en pratique. Nous comparons aussi le noyau faible à une autre solution présente dans la littérature: les couplages résistants aux rejets. / In various countries, kidney paired donation programs (KPDs) are implemented. These programs aim to help patients with an incompatible donor to obtain a transplant by swapping the donors between the patients. In order to increase the size of the pool of incompatible patient-donor pairs and potentially enhance patient benefits, KPDs can be extended to include multiple countries or hospitals. However, unlike existing nationwide KPDs, strategic behaviour from these entities (agents) is to be expected. This gives rise to the multi-agent kidney exchange problem. In this work, we model for the first time this problem as a non-transferable utility game. We also propose and argue in favour of the use of the weak core as a solution concept for the game. Using integer programming tools, we empirically study our solution concept on instances from the literature, which are derived from real-world data, and show that it is attainable in practice. We also compare the weak core to another recently presented solution concept from the literature, the rejection-proof matching.

Les modèles d'apprentissage automatique (ML) atteignent des performances remarquables sur les tâches pour lesquelles ils sont entraînés. Cependant, ils sont souvent sensibles aux changements dans la distribution des données, ce qui peut nuir à leur fiabilité. Cela peut se produire lorsque la distribution des données rencontrées au déploiement diffère de celle vue pendant l'entraînement, entraînant une dégradation considérable des performances. Pire encore, les attaquants peuvent également induire de tels changements afin d'induire les modèles d'apprentissage automatique en erreur. Enfin, cela peut même arriver si l'entraînement est effectué séquentiellement sur des distributions de données différentes. Ces changements de distribution sont omniprésents en ML, nuisant à l'équité, à la fiabilité, à la sécurité et à l'efficacité des modèles d'apprentissage automatique. Cette thèse se concentre sur la compréhension et l'amélioration de la robustesse et de l'adaptation des modèles de ML aux changements de distribution, englobant à la fois des travaux théoriques et expérimentaux. Tout d'abord, nous étudions les limites fondamentales de l'optimisation différentiable à plusieurs objectifs. Une meilleure compréhension de ces limites est importante car les travaux sur les changements de distribution reposent souvent sur des formulations de la théorie des jeux. Nous fournissons de nouvelles bornes inférieures sur la vitesse de convergence d'une large classe de méthodes, ainsi que de nouvelles métriques de conditionnement qui aident à évaluer la difficulté d'optimiser des classes de jeux, et expliquent le potentiel de convergence rapide, même sans forte convexité ou forte concavité. Deuxièmement, nous abordons le manque de robustesse aux attaques adversarielles contre plusieurs types d'attaques, une limitation courante des méthodes de pointe. Nous proposons une approche inspirée de la généralisation de domaine, utilisant l'extrapolation des risques (REx) pour promouvoir la robustesse à plusieurs attaques. Notre méthode atteint des performances supérieures aux bases de référence existantes, que les attaques aient été vues ou non lors de l'entraînement. Enfin, nous nous intéressons aux défis du pré-entraînement continu pour les grands modèles de langage (LLM). Ces modèles sont confrontés à un compromis: soit ils oublient de manière catastrophique les connaissances antérieures lorsqu'ils sont mis à jour sur de nouvelles données, soit ils nécessitent un réentraînement complet coûteux en calcul. Nous démontrons qu'une combinaison de réchauffement et de re-décroissance du taux d'apprentissage, et de réutilisation des données précédemment utilisées permet aux LLM d'apprendre continuellement à partir de nouvelles distributions tout en préservant leurs performances sur les données auparavant apprises. Cette approche permet d'atteindre les performances d'un réentraînement complet, mais à une fraction du coût en calcul. Dans l'ensemble, cette thèse apporte des considérations importantes pour améliorer la robustesse et l'adaptation aux changements de distribution. Ces contributions ouvrent des voies prometteuses pour relever les défis du ML du monde réel dans l'optimisation multiobjectif, la défense contre les adversaires et l'apprentissage continu des grands modèles de langage. / Machine learning (ML) models achieve remarkable performance on tasks they are trained for. However, they often are sensitive to shifts in the data distribution, which may lead to unexpected behaviour. This can happen when the data distribution encountered during deployment differs from that used for training, leading to considerable degradation of performance. Worse, attackers may also induce such shifts to fool machine learning models. Finally, this can even happen when training sequentially on different data distribution. These distributional shifts are pervasive in ML, hindering the fairness, reliability, safety and efficiency of machine learning models. This thesis is focused on understanding and improving the robustness and adaptation of ML models to distributional shifts, encompassing both theoretical and experimental work. First, we investigate the fundamental limits of differentiable multiobjective optimisation. This investigation is important because works on distributional shifts often rely on game theoretical formulations. We provide new lower bounds on the speed of convergence of a large class of methods, along with novel condition numbers that help assess the difficulty to optimise classes of games, and explain the potential for fast convergence even without strong convexity or strong concavity. Second, we address the lack of adversarial robustness against multiple attack types, a common limitation of state-of-the-art methods. We propose a domain generalisation-inspired approach, using Risk Extrapolation (REx) to promote robustness across a range of attacks. Our method achieves performance superior to existing baselines for both seen and novel types of attacks. Finally, we tackle the challenges of continual pretraining for large language models (LLMs). These models face a trade-off: either they catastrophically forget previous knowledge when updated on new data, or they require computationally expensive full retraining. We demonstrate that a combination of learning rate re-warming, re-decaying, and the replay of previous data allows LLMs to continually learn from new distributions while preserving past knowledge. This approach matches the performance of full retraining, but at a fraction of the computational cost. Overall, this thesis contributes impactful considerations towards improving robustness and adaptation to distributional shifts. These contributions open promising avenues for addressing real-world ML challenges across multiobjective optimisation, adversarial defense, and continual learning of large language models.

Quels sont les principes fondateurs de l'auto-organisation des sociétés humaines ? Produits d'une évolution culturelle rapide, qui a pris le pas sur l'évolution biologique, celles-ci réclament une approche par des formalismes radicalement différents de ceux utilisés généralement dans l'étude des autres sociétés animales.<br /><br /><br />Concrètement, la modélisation des rapports entre individus et collectif considère le plus souvent des agents qui peuvent être représentés sous la forme d'une hiérarchie de règles, chacune se plaçant en position méta par rapport aux règles du niveau inférieur. Celles-ci peuvent s'interpréter, selon les niveaux, comme des règles de comportement, des règles de décision, des règles de transmission culturelle ou génétique.<br /><br />L'émergence de régularités au niveau collectif peut alors s'interpréter comme la sélection d'une distribution particulière sur l'ensemble des règles et métarègles définissant les agents. Dès lors, le problème de l'auto-organisation dans les systèmes économiques et sociaux se reformule autour de la question suivante : « Peut-on endogénéiser les distributions des métarègles de comportement de manière à ce qu'elles soient le produit des dynamiques collectives qu'elles définissent ? ».<br /><br />Nous montrons dans cette thèse que la prise en compte, dans les modèles formels, de la spécificité de l'imitation humaine permet de répondre positivement à cette question, un point essentiel étant qu'une règle d'imitation peut être sa propre métarègle. Nous proposons ainsi un cadre formel pour l'étude de sociétés d'agents mimétiques auto-organisées, les jeux métamimétiques ; le concept d'équilibre correspondant est alors l'état contrefactuellement stable : aucun agent ne peut s'imaginer mieux qu'il n'est en se mettant contrefactuellement à la place de l'un de ses voisins. Nous étudions ensuite les propriétés de ces jeux en prenant comme champs d'application le problème de l'émergence de la coopération dans un dilemme de prisonnier spatialisé. Nous montrons au passage, que cette approche permet d'échapper au dilemme.<br /><br /><br />Plus généralement, nous nous plaçons dans le cadre de la théorie des jeux stochastiques et nous explicitons le rôle structurant des perturbations dans ce type de système dynamique, les structures spatio-temporelles émergentes étant le produit du couplage entre la dynamique endogène des systèmes métamimétiques et la structure interne des perturbations. En rupture avec l'approche traditionnelle, ceci nous amène à interpréter l'hétérogénéité auto-organisée des systèmes sociaux humains comme une différenciation par un processus de co-évolution d'une multiplicité de critères possibles, plutôt que par un processus d'optimisation global d'un critère unique.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche et de développement qui vise à mettre en place des technologies de simulation permettant de reproduire des comportements humains dans une ville. L'objectif de nos travaux est de définir des algorithmes permettant de simuler les déplacements d'une grande quantité de piétons dans un environnement urbain, en temps réel, et de manière crédible. Pour ce type d'exercice, plusieurs solutions existent. Ces solutions sont principalement développées à partir de deux types d'approches : les approches microscopiques, où les piétons sont modélisés comme des agents autonomes, et les approches macroscopiques, où les piétons sont considérés comme soumis à des lois d'écoulement continues ou discrètes. Notre position est que ces deux approches ne s'opposent pas, contrairement à ce qui ressort de la pratique courante, mais se complètent mutuellement. Privilégier l'une au détriment de l'autre fait courir le risque de produire des solutions partiellement satisfaisantes. Aussi nous sommes nous proposés de clarifier le cadre formel permettant d'appréhender la complexité des déplacements. En ligne avec plusieurs études statistiques et psychologiques sur le déplacement des piétons, nous explicitons un déplacement crédible comme un déplacement économe en énergie métabolique. Nous nous inspirons des jeux de congestion et du paradigme multi-agent pour proposer une formulation générique du problème de déplacement des piétons : nous introduisons la notion de ressources de navigation, que nous décrivons comme des régions de l'espace que les agents utilisent pour atteindre leurs destinations, et via lesquelles les agents interagissent pour estimer leurs dépenses énergétiques de manière robuste. Nous proposons une stratégie de déplacement basée sur les heuristiques taboues et nous considérons le principe influence et réaction pour implémenter les actions de déplacements. Le concept d'environnement issu du paradigme multi-agent s'avère particulièrement utile pour appréhender la complexité de la simulation. L'environnement est considéré comme un composant indépendant et ontologiquement différent des agents qui est pris en compte à tous les niveaux de décisions. Une importante partie de la dynamique de la simulation peut ainsi être déléguée à l'environnement sans altérer l'autonomie des agents. Cette séparation favorise à la fois la crédibilité des résultats et le passage à l'échelle. Nous avons choisi de comparer notre proposition avec un modèle microscopique standard à travers plusieurs scénarios de simulation. Il ressort de notre comparaison que notre modèle permet de reproduire des résultats plus crédibles du point de vue d'un observateur extérieur et plus proches des études empiriques connues sur les déplacements des piétons.