Cette thèse se situe à l'interface entre combinatoire et probabilités,et contribue à l'étude de différents modèles issus de la mécanique statistique : polymères, marches aléatoires inter-agissantes ou en milieu aléatoire, cartes aléatoires. Le premier modèle que nous étudions est une famille de mesures de probabilités sur les chemins auto-évitants de longueur infinie sur un réseau régulier, construites à partir de marches aléatoires biaisées sur l'arbre des chemins auto-évitants finis. Ces mesures, introduites par Beretti et Sokal, existent pour tout biais strictement supérieur à l'inverse de la constante de connectivité, et leur limite en ce biais critique serait l'un des définitions naturelles de la marche aléatoire uniforme en longueur infinie. Le but de ce travail, en collaboration avec Vincent Beffara, est de comprendre le lien entre cette limite, si elle existe, et d'autres chemins aléatoires notamment la mesure de Kesten (qui est la limite faible de la marche auto-évitante uniforme dans le demi-plan) et les interfaces de percolation de Bernoulli critique; d'une certaine façon le modèle constitue une interpolation entre les deux. Dans une deuxième partie, nous considérons des marches aléatoires en conductances aléatoires sur un arbre quelconque, dans le cas où la loi des conductances est à queue lourde. L’objectif de notre travail, en collaboration avec Andrea Collevecchio et Daniel Kious, est de montrer une transition de phase par rapport au paramètre de la queue; on exprime le paramètre critique comme une fonction explicite de l'arbre sous-jacent. Parallèlement, nous étudions des modèles de marches aléatoires excitées sur des arbres et leurs transitions de phase. En particulier, nous étendons une conjecture de Volkov et généralisons des résultats de Bas devant et Singh. Enfin, une troisième partie en collaboration avec Vincent Beffara et Benjamin Lévêque porte sur les cartes aléatoires en genre supérieur : nous montrons l'existence de limites d'échelle, le long de sous-suites, pour les triangulations simples uniformes sur le tore, étendant à ce cas les résultats d'Adario-Berri et Albenque (sur les triangulations simples de la sphère) et de Bettinelli (sur les quadrangulations du tore). La question de l'unicité de la limite et de son universalité restent ouvertes, mais nous obtenons des résultats partiels dans ce sens. / This thesis is at the interface between combinatorics and probability,and contributes to the study of a few models stemming from statisticalmechanics: polymers, self-interacting random walks and random walks inrandom environment, random maps.bigskipThe first model that we investigate is a one-parameter family ofprobability measures on self-avoiding paths of infinite length on aregular lattice, constructed from biased random walks on the tree offinite self-avoiding paths. These measures, initially introduced byBeretti and Sokal, exist for every bias larger than the inverseconnectivity constant, and their limit at the critical bias would beaamong the natural definitions of the uniform self-avoiding walk ofinfinite length. The aim of our work, in collaboration with VincentBeffara, is to understand the link between this limit, if it indeedexists, and other random infinite paths such as Kesten's measure(which is the weak limit of uniformly random finite self-avoidingwalks in the half-plane) and critical Bernoulli percolationinterfaces; the model can be seen as an interpolation between thesetwo.In a second part, we consider random walks with random conductances ona tree, in the case when the law of the conductances has heavy tail.Our aim, in collabration with Andrea Collevecchio and Daniel Kious, isto show a phase transition in the tail parameter; we express thecritical point as an explicit function of the underlying tree.In parallel, we study excited random walks on trees and their phasetransitions: we extend a conjecture of Volkov's and generalize resultsby Basdevant and Singh.Finally, a third part in collaboration with Vincent Beffara andBenjamin Lévêque contributes to the study of random maps of highergenus: we show the existence of subsequential scaling limits foruniformly random simple triangulations of the torus, extending to thatsetup fromer results by Adario-Berri and Albenque (on simpletriangulations of the sphere) and by Bettinelli (on quadrangulationsof the torus). The question of uniqueness and universality of thelimit remain open, but we obtain partial results in that direction.

La prise en compte de l'incertain dans les analyses mécaniques est une condition indispensable pour un dimensionnement optimal et robuste des structures. Avec cet objectif les méthodes de couplage mécano-fiabiliste doivent intégrer les modélisations mécaniques de plus en plus complexes (comportement non-linéaire, dynamique, fatigue, mécanique de la rupture,...) complexité qui rend les analyses de plus en plus exigeantes en temps de calcul. La voie retenue dans la thèse consiste à substituer au modèle mécanique, un modèle approché obtenu par apprentissage statistique. La mise en oeuvre s'appuie sur la méthode des Support Vector Machines (SVM). Deux nouvelles méthodes sont proposées. SMART Support vector Margin Algorithm for Reliability es Timation permet d'élaborer de manière incrémentale une base de données optimale pour l'apprentissage de la frontière entre sûreté et défaillance. En couplant l'appprentissage avec la technique des subsets simulations, 2 SMART Subset by Support vector Margin Algorithm for Reliability es Timation prend en compte de faibles niveaux de probalité et un nombre relativement important de variables. Les travaux ont été validés sur des cas tests issus de la littérature ainsi que sur des cas mécaniques plus significatifs issus de problèmes industriels. Les résultats obtenus confirment la robustesse des méthodes proposées pour traiter les analyses de sensibilité et de fiabilité.

Dans cette thèse nous nous intéressons à des inégalités fonctionnelles comme les inégalités de Poincaré, Sobolev logarithmique, Sobolev, et celles appelées inégalités de transport. Dans un premier temps, nous étudions les inégalités de Poincaré et de Sobolev logarithmique pour des modèles de mécanique statistique. Cette étude nous permet de donner une nouvelle classe de phases telle que les mesures de Gibbs associées satisfassent à ces deux inégalités. Nous étudions dans un second temps, les inégalités de Sobolev logarithmique et de Sobolev par le biais des équations de Hamilton-Jacobi. Nous montrons, de la même façon que Gross en 1975 pour les semi-groupes de diffusion, l'équivalence entre l'inégalité de Sobolev logarithmique et l'hypercontractivité des solutions des équations de Hamilton-Jacobi. Cette équivalence permet de montrer, par une nouvelle méthode que celle utilisée par Otto et Villani, que l'inégalité de Sobolev logarithmique implique une inégalité de transport quadratique. De la même manière que Varopoulos en 1985 pour les semi-groupes de diffusion, nous donnons le lien entre l'inégalité de Sobolev et l'ultracontractivité des solutions des équations de Hamilton-Jacobi. Pour finir nous étudions les inégalités de transport dans un cadre général. Cette étude permet d'une part de donner le lien entre des inégalités de Sobolev logarithmiques modifiées et des inégalités de transport particulières et d'autre part de donner un exemple d'inégalité de transport quadratique pour une mesure en dimension infinie, la mesure de Wiener.

Ce travail s'articule en deux parties principales: on illustre d'abord la notion de longueur de corrélation pour des systèmes d'accrochage homogènes proche du point critique en montrant la convergence en loi du système renormalisé vers un sous ensemble fermé aléatoire du segment [0,1] possédant une densité (explicite) par rapport à l'ensemble régénératif d'indice alpha, où alpha est une donnée initiale du modèle. On s'intéresse dans une deuxième partie au problème du mouillage dans une bande; les récompenses/pénalités sont reçues dans une bande de largeur strictement positive fixée, le processus libre étant modélisé par une marche aléatoire S continue centrée de carré intégrable. On montre que le système subit une transition de phase standard de localisation/délocalisation, et on explicite les limites d'échelle du processus renormalisé dans chacune de ces phases. Pour obtenir ces limites d'échelle, on démontre deux résultats indépendants reliés à la théorie des fluctuations pour les marches aléatoires; ceux-ci présentent un intérêt propre et font l'objet des deux dernières parties de la thèse. Le premier concerne le comportement asymptotique de la distribution du lieu du premier temps d'atteinte du demi plan inférieur pour S, où S part d'un point (strictement) situé dans le demi plan supérieur. Notons que cette estimation est uniforme sur l'ensemble des réels négatifs. Le second résultat concerne la convergence en loi dans la limite d'échelle de S conditionnée à être positive, à partir d'un point proche de l'origine et à revenir proche de l'origine. On montre que ce processus converge en loi vers l'excursion brownienne renormalisée.

Le sujet de cette thèse est l'étude et la conception d'un refroidisseur radiofréquence à gaz-tampon pour des faisceaux de haute intensité. Ce projet s'inscrit dans le cadre de la prochaine extension du GANIL, Spiral2 et de la future installation basse-énergie DESIR (« Désintégration, excitation et stockage d'ions radioactifs »). L'objectif est de réduire l'émittance des faisceaux de Spiral2 pour permettre à un séparateur haute-résolution d'en effectuer la purification, idéalement au niveau isobarique. Ce refroidisseur consiste en une structure quadrupolaire linéaire dans laquelle les ions sont confinés par des champs RF en opposition de phase à une énergie d'environ 100 eV. Un gaz léger, généralement de l'hélium, est injecté dans le quadrupole et, à chaque collision, l'ion perdra de l'énergie et sera finalement refroidi. La principale problématique de notre projet est la charge d'espace. En effet, les appareils existants sont capables de refroidir des courants de quelques dizaines de nanoampère quand nous aurons à faire face à des intensités de l'ordre du microampère ce qui accroitra la répulsion coulombienne entre les ions. Cela impose de produire de forts champs de confinement ce qui se traduit par des amplitudes RF élevés (≈ 10 kVpp) et un petit rayon interne (r0 ≈ 3 à 5 mm). Nous avons travaillé sur un premier prototype, SHIRaC-Phase1 (« Spiral2 High Intensity Radiofrequency Cooler »), ayant un rayon de 3mm, construit au CSNSM-Orsay et déplacé au LPC-Caen à la fin de 2007. Le principal effort en termes de R&D a porté sur la partie électronique. Un premier système, basé sur un circuit résonant LC, a été développé permettant de fournir jusqu'à 2500 Vpp entre 4.5 et 6.3 MHz. Dans ces conditions, nous avons vérifié que nous n'avions pas de fortes limitations dues aux décharges électriques entre nos électrodes. Avec ce dispositif, nous avons réduit l'émittance des faisceaux à 2 π.mm.mrad à 60 keV et la dispersion en énergie longitudinale à 146 meV. La transmission maximale en Sodium 23Na+ et en Rubidium 87Rb+ est de 25% avec une source à ionisation de surface dont la qualité du faisceau est meilleure que celle de Spiral2. Cela nous a incités à concevoir un nouveau refroidisseur avec une acceptance de 80 π.mm.mrad à 60 keV. Ce second prototype a un rayon interne plus grand (r0 ≈ 5 mm) et de nouveaux jeux d'électrodes à l'injection et à l'extraction. Les performances du système RF ont été améliorées pour atteindre des amplitudes de 7 kVpp pour des fréquences comprises entre 5.9 MHz et 7.3 MHz. Les exigences en termes de sécurité et de maintenance pour Spiral2 ont également été prise en compte.

Nous présentons dans ce mémoire deux études centrées sur l'écoulement expérimental de von Karman.<br />Nous confrontons d'une part des prédictions théoriques obtenues dans le cadre idéal d'une mécanique statistique développée pour les écoulements axisymétriques non visqueux et non forcés à des mesures de vitesse réalisées par Vélocimétrie par Imagerie de particule stéréoscopique (SPIV). Nous obtenons des relations globales caractérisant les états stationnaires du système et prouvant une tendance à l'alignement vitesse-vorticité pour les grands nombres de Reynolds. Cette observation nous permet de dériver théoriquement deux théorèmes de fluctuation-dissipation qui sont testés sur des mesures de SPIV à hauts nombres de Reynolds.<br />D'autre part, nous étudions dans le cadre de la collaboration VKS l'effet dynamo dans un écoulement non contraint de sodium liquide. Cet effet est une instabilité qui serait responsable des champs magnétiques des objets astrophysiques dont la Terre. L'expérience en sodium liquide VKS2 a, pour la première fois, permis d'observer au laboratoire un effet dynamo donnant lieu à des dynamiques temporelles variées de champs magnétiques. Des régimes stationnaires, oscillants, intermittents ou encore présentant des inversions erratiques similaires à celle du champ magnétique terrestre sont en effet présentés. Nous montrons que ces différents régimes se classent en fonction du nombre de Rossby de l'expérience et mettons en évidence les liens qui existent entre les bifurcations magnétiques et hydrodynamiques observées.

La prédétermination de la hauteur de départ des avalanches représente un défi majeur pour l'évaluation du risque en montagne. Cette hauteur constitue en effet un ingrédient d'entrée important des procédures de zonage et de cartographie du risque. Dans cette thèse, nous présentons un formalisme rigoureux dans lequel les distributions de hauteur de départ d'avalanche sont exprimées à travers un couplage des facteurs mécaniques et météorologiques. Le critère de stabilité du système plaque - couche fragile est étudié en utilisant une analyse mécanique par éléments finis prenant en compte l'hétérogénéité spatiale des propriétés mécaniques. Considérant qu'une avalanche ne peut se produire que si la hauteur de chute de neige dépasse une hauteur critique correspondant au critère de stabilité, les distributions de hauteur de départ obtenues à partir du modèle mécanique sont couplées avec la distribution des chutes de neige extrêmes sur 3 jours. Nous montrons que ce modèle couplé est capable de reproduire des données de terrain de 369 avalanches naturelles de plaque à La Plagne (France). Non seulement la queue de la distribution en loi puissance, correspondant à des épaisseurs de plaque élevées, mais aussi le corps de la distribution pour les plaques moins épaisses, sont bien reproduits par le modèle. Les avalanches petites à moyennes semblent être essentiellement contrôlées par la mécanique, tandis que les grosses avalanches et l'exposant de la loi puissance associé, sont influencés par un couplage mécanique - météorologique fort. Par ailleurs, nous démontrons que la distribution obtenue est fortement dépendante de l'espace, et, en utilisant les processus max-stables permettant une interpolation spatiale rigoureuse, notre modèle couplé est utilisé pour obtenir des cartes de hauteur de départ d'avalanche pour différentes périodes de retour sur l'ensemble des Alpes françaises.

<p align="justify"> Depuis les premiers développements de la physique statistique réalisés au 19ème siècle, nombreux ont été les travaux dédiés à la relation entre les processus macroscopiques em>irréversibles</em>(tels que les phénomènes de transport) et les propriétés de la dynamique <em>réversible</em> des atomes et des molécules. Depuis deux décennies, l'<em>hypothèse du chaos microscopique</em> nous en apporte une plus grande compréhension. Dans cette thèse, nous nous intéressons plus particulièrement aux propriétés de <em>viscosité</em>. <br /><br /> Dans ce travail, nous considérons des systèmes périodiques de particules en interaction. Nous proposons une nouvelle méthode de calcul de la viscosité valable pour tous systèmes périodiques, quel que soit le potentiel d'interaction considéré. Cette méthode est basée sur la formule dérivée par Helfand exprimant la viscosité en fonction de la variance du <em>moment de Helfand</em> croissant linéairement dans le temps.<br /><br /> Dans les années nonante, il a été démontré qu'un système composé de seulement deux particules présente déjà de la viscosité. Les deux disques <em>durs</em> interagissent en collisions élastiques dans un domaine carré ou hexagonal avec des conditions aux bords périodiques. Nous appliquons notre méthode de calcul des propriétés de viscosité dans les deux réseaux. Nous donnons également une explication qualitative des résultats obtenus. <br /><br /> L'étude de la relation entre les propriétés de viscosité et les grandeurs du chaos microscopique représente l'une des principales tâches de cette thèse. Dans ce contexte, le <em>formalisme du taux d'échappement</em> joue un rôle majeur. Ce formalisme établit une relation directe entre cette grandeur et la viscosité. Nous étudions numériquement cette relation et la comparaison avec les résultats obtenus par notre méthode sont excellents. <br /><br /> D'autre part, le formalisme du taux d'échappement suppose l'existence d'un <em>répulseur fractal</em>. Après avoir mis en évidence son existence, nous appliquons le formalisme proposant une formule exprimant la viscosité en termes de l'exposant de Lyapunov du système (mesurant le caractère chaotique de la dynamique)et de la dimension fractale du répulseur. L'étude numérique de cette relation dans le modèle à deux disques durs est réalisée avec succès et sont en excellent accord avec les relations obtenus précédemment. <br /><br /> Enfin, nous nous penchons sur les systèmes composés de <em>N</em> disques durs ou sphères dures. Après une étude de l'équation d'état et des propriétés chaotiques, nous avons exploré les propriétés de viscosité dans ces systèmes. Les données numériques obtenues sont en très bon accord avec les prévisions théoriques d'Enskog. D'autre part, nous avons utilisé notre méthode de calcul de la viscosité dans des systèmes de Lennard-Jones. De plus, nous avons proposé une méthode analogue pour le calcul numérique de la <em>conduction thermique</em>. Nos résultats sont en très bon accord avec ceux obtenus par la méthode de Green-Kubo. </p> <br /><br /> <p align="justify"> In this thesis, we first devote a section on the history of the concept of irreversibility; of the hydrodynamics, branch of physics in which the viscosity appears; of the kinetic theory of gases establishing relationships between the microscopic dynamics and macroscopic processes like viscosity; and, finally, the interest brought in statistical mechanics of irreversible processes by the theory of chaos, more precisely, the microscopic chaos. We propose a method based on the Helfand moment in order to calculate the viscosity properties in systems of particles with periodic boundary conditions. We apply this method to the simplest system in which viscosity already exists: the two-hard-disk model. The escape-rate formalism, establishing a direct relation between chaotic quantities of the microscopic dynamics (e.g. Lyapunov exponents, fractal dimensions, etc.), is applied in this system. The results are in excellent agreement with those obtained by our Helfand-moment method. We extend the calculation of the viscosity properties to systems with more than two hard balls. Finally, we compute viscosity as well as thermal conductivity thanks to our own method also based on the Helfand moment. </p>

L'interaction entre deux objets est, le plus souvent, transportée par leur environne- ment. Les caractéristiques de ce dernier permettent de calculer les propriétés de l'interaction ressentie entre ces objets. Cette thèse présente ce calcul dans deux situations différentes. La première partie concerne l'effet d'un environnement fluctuant sur le mouvement d'un seul objet. La force moyenne est calculée pour un objet avançant à vitesse constante et couplé linéairement puis quadratiquement à son environnement. Dans ce dernier cas le frottement ressenti est entièrement dû aux fluctuations : il s'agit d'un frottement de Casimir. Le coefficient de diffusion est calculé pour un couplage linéaire faible, généralisant au passage des résultats connus pour la diffusion dans un potentiel gelé. Ces calculs sont faits pour une classe très générale d'environnements, et peuvent être appliqués à la diffusion de protéines dans des membranes lipidiques fluctuantes. La deuxième partie traite de systèmes contenant des ions entre deux plaques chargées. Le premier système étudié est un modèle unidimensionnel de liquide ionique sur réseau pour lequel la pression et la densité de charge peuvent être calculées exactement. Le deuxième système est composé d'ions polarisables ; les effets de la polarisabilité sur la pression et la densité de charge y sont étudiés dans deux limites distinctes.

L'objectif de ce thèse est l'étude des systèmes dynamiques avec interaction à longue portée. La complexité de leur dynamique met en évidence des propriétés contre-intuitives et inattendues, comme l'existence d'états stationnaires hors-équilibre (QSS). Dans le QSS on peut observer des propriétés particulières: chaleur spécifique négative, inéquivalence des ensembles statistiques et phénomènes d'auto-organisation. Les théories des interactions LR ont été appliquées pour décrire la dynamique des systèmes auto-gravitants, de tourbillons bidimensionnels, de systèmes avec interactions onde-particule et des plasmas chargés. Mon travail s'est tout d'abord consacré à l'extension de la solution de Lynden-Bell pour le modèle HMF, en généralisant l'analyse à des conditions initiales de «water-bag" à plusieurs niveaux, qui approchent des conditions initiales continues. En suite je me suis intéressé à la caractérisation formelle de la thermodynamique des QSS dans l'ensemble statistique canonique. En appliquant la théorie standard, il est possible de mesurer une chaleur spécifique "cinétique'' négative. Cette propriété inattendue amène à la violation du second principe de la thermodynamique. Un tel résultat nous pousse à reconsidérer l'applicabilité de la théorie thermodynamique actuelle aux systèmes LR. En suite j'ai étudié, pour le modèle α-HMF, la persistance des caractéristiques typiques du régime LR, dans le limite dynamique à courte portée. Les résultats suggèrent une généralisation de la définition des systèmes LR. Le dernier chapitre est consacré à la caractérisation d'un nouveau modèle LR, extension naturelle du précédent α-HMF et d'intérêt potentiel applicatif. / The scope of this thesis is the study of systems with long-range interactions (LR). The complexity of their dynamics evidences counter-intuitive and unexpected properties, as for instance the existence of out-of-equilibrium stationary states (QSS). Considering a system in the QSS, one may observe peculiar properties, as negative specific heat, statistical ensemble inequivalence and phenomena of self-organizations. The main theories of long-range interactions have been applied to describing self-gravitating systems, two-dimensional vortices, systems with wave-particle interactions and charged plasmas. My work has been initially dedicated to extending the Lynden-Bell solution for the HMF model, generalizing the analysis to multi-level water-bag initial condition that could approximate continuous distributions. Then I concentrated to the formal characterization of the thermodynamics of QSS in the canonical statistical ensemble. By applying the standard theory, it is possible to measure negative “kinetic” specific heat. This latter unexpected property leads to a violation of the second principle of thermodynamics. Such result forces us to reconsider the applicability of the accepted thermodynamic theory to LR systems. Afterwards I studied, in the context of the α-HMF model, the persistence of the typical characteristics of the LR regime in the limit of short-range dynamics. The results obtained suggests a generalization of the definition of LR systems. The last chapter is dedicated to the characterization of a novel LR model, a natural extension of α-HMF and of potential applicability.