Cette thèse explore la compréhension du mouvement animal en écologie sous un angle statistique, un aspect crucial pour diverses applications pratiques telles que la réintroduction d'espèces, la planification de campagnes de vaccination et la surveillance des transports de particules. Pour ce faire, elle se fixe plusieurs objectifs majeurs. Dans un premier volet, la thèse se concentre sur la modélisation de l'approche directionnelle du mouvement animal. Cela implique l'intégration d'un nombre variable de facteurs environnementaux dans la trajectoire des animaux, en utilisant notamment un modèle de régression angulaire. Ces facteurs, appelés « cibles », sont essentiels pour une compréhension approfondie du mouvement des animaux. Un deuxième objectif consiste à élaborer des modèles multi-états pour tenir compte de la diversité des comportements animaux. Ces modèles permettent d'associer différents comportements à des états non observés, une tâche complexe en termes d'inférence étant donné que la vraisemblance des données dépend de l'ensemble des états, qui restent cachés. Par exemple, un modèle de Markov caché est utilisé dans l'approche directionnelle pour prédire le mouvement des caribous. En parallèle, la thèse vise à développer une régression logistique conditionnelle multi-états pour l'approche de type choix discret. Cette méthode permet de prédire les choix des animaux en fonction des attributs du paysage, en uniformisant autant que possible les deux approches pour en exposer les forces et faiblesses respectives. Enfin, les avancées méthodologiques découlant de ces travaux sont présentées afin de comprendre les améliorations notables pour analyser le mouvement des animaux avec des modèles multi-états. Ainsi, la thèse s'inscrit dans une démarche visant à améliorer la compréhension du mouvement animal en intégrant des facteurs environnementaux et des comportements multi- états. Elle offre également des outils pratiques pour l'analyse des données de trajectoires animales, ce qui pourrait avoir un impact significatif dans le domaine de l'écologie. / This thesis explores the understanding of animal movement in ecology from a statistical perspective, a crucial aspect for various practical applications such as species reintroduction, vaccination campaign planning, and monitoring particle transport. To this end, it sets several major objectives. Firstly, the thesis focuses on modeling the directional approach to animal movement. This involves integrating a variable number of environmental factors into the animals' trajectories, notably using an angular regression model. These factors, called "targets," are essential for a thorough understanding of animal movement. A second objective is to develop multi-state models to account for the diversity of animal behaviors. These models allow for associating different behaviors with unobserved states, a complex task in terms of inference since the likelihood of the data depends on the set of states, which remain hidden. For example, a hidden Markov model (HMM) is used in the directional approach to predict caribou movement. Concurrently, the thesis aims to develop a multi-state conditional logistic regression for the discrete choice approach. This method allows predicting animal choices based on landscape attributes, standardizing both approaches as much as possible to highlight their respective strengths and weaknesses. Finally, the methodological advances following this work are presented to understand the significant improvements in analyzing animal movement with multi-state models. Thus, the thesis aims to enhance the understanding of animal movement by integrating environmental factors and multi-state behaviors. It also offers practical tools for analyzing animal trajectory data, which could have a significant impact in the field of ecology.

Les surfaces cristallines jouent un rôle essentiel dans grand nombre d'applications des nanotechnologies, une surface étant souvent un support nécessaire pour des nano-objets. La surface support peut être à son tour nano-structurée, et intervenir ainsi directement dans les propriétés du matériau réalisé. Ainsi, parmi les défis à relever pour maîtriser la morphologie de la surface et donc contrôler les nanostructures, il y a la compréhension des mécanismes moteurs à l'origine des instabilités de surface. Ce travail de thèse constitue une étude théorique accompagnée par des simulations Monte-Carlo de la dynamique des instabilités de croissance. C'est une contribution à la compréhension des mécanismes microscopiques gouvernant ces instabilités. Deux démarches ont été suivies dans cette étude : la première est une étude statistique qui consiste à analyser la morphologie de la surface instable, puis de proposer des modèles numériques (barrière Ehrlich-Schwoebel, impuretés) et des équations analytiques capables de décrire ces instabilités et remonter enfin aux mécanismes atomistiques sous-jacents. La deuxième, est une étude de la dynamique des marches qui a pour but de prévoir puis de déterminer les mécanismes atomistiques exacts gouvernants le mouvement de ces marches et les échanges de matière entre elles à l'aide de mesures de la distribution de largeur des terrasses (TWD). Les résultats de ce travail ont abouti à la mise en évidence de nouveaux mécanismes de nanostructuration spontanée [impuretés], ainsi que sur le développement et la validation numérique de nouveaux outils mathématiques [approche de Fokker-Planck] pour décrire les fluctuations des séparations entre les marches (TWDs) sur les surfaces loin de l'équilibre.

Comprendre les décisions prises par les organismes pour s’approvisionner en nourriture est essentiel pour anticiper leurs réactions aux changements de l’environnement. Les oiseaux marins en reproduction partent s’alimenter en mer depuis leur colonie. L’utilisation de GPS miniatures révèle qu’ils effectuent des trajets de dizaines jusqu’à des milliers de kilomètres en quête de proies pour lesquelles nous disposons de très peu d’informations. Les stratégies comportementales qu’ils utilisent pour augmenter leurs chances de rencontrer des proies dans l’environnement marin, et les implications que cela peut avoir vis-à-vis des activités humaines de pêche qui semblent attirer de nombreux oiseaux sont encore très partiellement comprises. Cette thèse propose de réexaminer ces questions en trois chapitres, à travers des simulations théoriques, l’analyse empirique de trajets enregistrés par GPS sur diverses espèces et populations d’oiseaux marins, et le croisement des trajets simultanés d’oiseaux et de bateaux de pêche. Premièrement, les simulations théoriques de marches aléatoires montrent qu’on ne peut pas se servir des phases de ligne droite dans un trajet pour conclure si les oiseaux anticipent où sont leurs proies, ce qui vient nuancer les conclusions de nombreuses études précédentes. L’analyse des biais dans les directions suivies par les oiseaux permet en revanche de comprendre les informations qu’ils utilisent pour décider où s’approvisionner. Deuxièmement, les stratégies de fidélité spatiale individuelle sont comparées entre espèces, populations et contextes écologiques à l’aide de modèles statistiques multivariés (GLMM). De nombreux oiseaux marins font en effet preuve de fidélité individuelle dans la direction qu’ils prennent pour s’approvisionner depuis la colonie, suggérant l’utilisation de mémoire. Nous montrons que c’est également le cas de nombreuses populations et espèces d’oiseaux marins tropicaux, qui restent fidèles à une direction pendant plusieurs jours successifs. Ces résultats sont surprenants et difficiles à expliquer car la plupart des espèces étudiées ciblent des proies très dynamiques et disponibles à un endroit de façon très éphémère. Cela suggère que la mémoire pourrait être plus fréquemment utilisée par les oiseaux marins que ce que l’on supposait, au moins à large échelle spatiale. Finalement, nos analyses sur les réponses des albatros aux bateaux de pêche suggèrent que les albatros modulent leurs réponses en fonction de l’espèce et des contraintes énergétiques, et que les rencontres de bateaux ont peu d’influence sur les stratégies suivies par les individus lors de leur trajet suivant. Ainsi le comportement d’attraction aux bateaux de pêche pourrait être un phénomène local (à l’échelle du rayon de perception) et largement opportuniste. Globalement, nos résultats empiriques ancrés dans un socle théorique solide suggèrent que l’approvisionnement des oiseaux marins ne peut pas se résumer à rencontrer des ressources rares et imprévisibles, et semble pouvoir impliquer des processus de sélection des ressources rencontrées et/ou de choix entre utilisation de mémoire individuelle ou d’information publique. Les ressources anthropiques à ce titre pourraient ne constituer que des ressources parmi d’autres. De nombreux outils d’analyses utilisés ici sont facilement transférables à d’autres oiseaux marins ou d’autres prédateurs à place centrale. Élargir les comparaisons à d’autres organismes est en effet nécessaire pour mieux comprendre les variations complexes mises en évidence ici dans la plasticité comportementale et leurs conséquences vis-à-vis des changements environnementaux. / It is essential to understand how animals make foraging decisions to acquire food in order to better anticipate their responses to environmental changes. Breeding seabirds make central-place foraging trips at sea, from their colony. The deployment of small GPS devices on them reveals that they travel for tens to thousands of kilometers, in search of prey for which very little information is known. The behavioural strategies they use to increase their chances to encounter prey, and the implications of these strategies with regards to human fishing activities remain open questions. This thesis offers to examine these questions in three chapters, through theoretical simulations, empirical analyses of foraging trips of various species and populations of seabirds, and the spatiotemporal matching of seabirds and fishing vessels movements. First, our random walk simulations indicate that straight-line phases within path are not sufficient to conclude that seabirds anticipate where to find their prey, contrary to previous conclusions proposed in the literature. However it is possible and easy to analyze biases in the directions individuals follow when they forage, to infer which sources of information they use to decide where to forage. Second, we compare individual fidelity strategies between species, populations and/or ecological contexts through the use of multivariate statistical models (GLMM). Many seabirds display individual fidelity in the direction they forage from the colony, suggesting they rely on memory. Our results show that this is also the case in different species and populations of tropical seabirds, where individuals can remain faithful to a foraging direction for several consecutive days. These results are surprising and difficult to explain as the species we studied are targeting prey whose distribution is supposedly very stochastic and ephemeral. It suggests that the use of memory might be much more widespread in foraging seabirds than anticipated, at least for decisions at large spatial scales. Finally, our analyses on the responses of albatrosses to fishing boats suggest that their responses can be modulated according to species and energetic constraints, and that encounters of fishing boats during a foraging trip have little influence on the strategy used by individuals on their next foraging trip. The attraction of albatrosses to boats might be mainly a local process (at the scale of the perception range) and may be largely opportunistic. Overall, our empirical results anchored in a solid theoretical framework suggest that seabird’s foraging cannot be summarized as encountering rare and unpredictable resources, but might imply resource selection processes after resources are encountered, and/or a decision as to rely either on memory or public information. With that regard, anthropic resources may only be one type of resources among others for seabirds. Many of the analytical tools used here could be transferred to other seabirds and other central place foragers. Indeed, a wider comparative approach is necessary to understand the complex variations in behavioural plasticity observed here, and their consequences regarding future environmental changes.

Nous étudions dans cette thèse le problème de l’exploration parallèle d’un graphe à l’aide des multiples, synchronisés et mobiles agents. Chaque agent est une entité individuelle qui peut, indépendamment des autres agents, visiter les sommets du graphe ou parcourir ses arêtes. Le but de ensemble des agents est de visiter tous les sommets de graphe.Nous étudions d’abord l’exploration du graphe dans un modèle où chaque agent est équipé de mémoire interne, mais les noeuds n’ont pas de mémoire. Dans ce modèle les agents sont autorisés à communiquer entre eux en échangeant des messages. Nous présentons des algorithmes qui s’exécutent dans un minimum de temps possible pour polynomiale nombre d’agents (polynomiale en nombre de sommets du graphe). Nous étudions aussi quelle est l’impact de différentes méthodes des communications. Nous étudions des algorithmes où les agents peuvent se communiquer à distance arbitraire,mais aussi où communication est possible seulement entre les agents situés dans le même sommet. Dans les deux cas nous présentons des algorithmes efficaces. Nous avons aussi obtenu des limites inférieures qui correspondent bien à la performance des algorithmes.Nous considérons également l’exploration de graphe en supposant que les mouvements des agents sont déterminés par le soi-disant rotor-router mécanisme. Du point de vue d’un sommet fixé, le rotor- router envoie des agents qui visitent les sommet voisins dans un mode round-robin. Nous étudions l’accélération défini comme la proportion entre le pire des cas de l’exploration d’un agent unique et des plusieurs agents. Pour générales graphes, nous montrerons que le gain de vitesse en cas de multi-agent rotor-router est toujours entre fonction logarithmique et linéaire du nombre d’agents. Nous présentons également des résultats optimaux sur l’accélération de multi-agent rotor-router pour cycles, expanseurs, graphes aléatoires, cliques, tores de dimension fixé et une analyse presque optimale pour hypercubes.Finalement nous considérons l’exploration sans collision, où chaque agent doit explorer le graphe de manière indépendante avec la contrainte supplémentaire que deux agents ne peuvent pas occuper le même sommet. Dans le cas où les agents sont donnés le plan de graphe, on présente un algorithme optimal pour les arbres et un algorithme asymptotiquement optimal pour générales graphes. Nous présentons aussi des algorithmes dans le cas de l’exploration sans collision des arbres et des générales graphes dans la situation où les agents ne connaissent pas le graphe. Nous fermons la thèse par des observations finales et une discussion de problèmes ouverts liés dans le domaine de l’exploration des graphes. / In this thesis we study the problem of parallel graph exploration using multiple synchronized mobile agents. Each mobile agent is an entity that can, independently of other agents, visit vertices of the graph and traverse its edges. The goal of the agents is to visit all vertices of the graph. We first study graph exploration in the model where agents are equipped with internal memory but no memory is available at the nodes. Agents in this model are also allowed to communicate between each other by exchanging messages. We present algorithms working in a minimal possible time for a team of polynomial size (in the number of vertices of the graph). We also study the impact of the available range of communication by analysing algorithms for agents which can communicate at arbitrary distance, or only with other agents located at the same node. We present efficient algorithms and lower bounds that almost match our positive results in both communication models. We also consider graph exploration when movements of agents are determined according to the so-called rotor-router mechanism. From the perspective of a fixed node, the rotor-router sends out agents which visit the node along its outgoing edges, ina round-robin fashion. We study the speedup which is the ratio between the worst-case exploration of a single agent and of multiple agents. We first show that the speed up for general graphs for the multi-agent rotor-router is always between logarithmic and linear in the number of agents. We also present a tight analysis of the speedup for the multi-agent rotor-router for cycles, expanders, random graphs, cliques, constant dimensional tori and an almost-tight analysis for hypercubes. Finally we consider collision-free exploration, where each agent has to explore the graph independently with the additional constraint that no two agents can occupy the same node at the same time. In the case when agents are given the map of the graph, we show an optimal algorithm for trees and an asymptotically optimal algorithm for general graphs. We also present algorithms for collision-free exploration of trees and general graphs in the case when agents have no initial knowledge about the graph. We close the thesis with concluding remarks and a discussion of related open problems in the area of graph exploration.

Cette thèse de doctorat propose un modèle d'évaluation, des options avec sauts, volatilité et taux d'intérêt stochastiques, dont la solution analytique généralise les formules de Black & Scholes (1973), Heston (1993), Bates (1996) et Bakshi, Cao & Chen (1997). Après avoir exploré la capacité des schémas GARCH à modéliser la structure par terme de la volatilité de l'indice S&P500 sur le CBOE, la volatilité stochastique devient le coeur probabiliste du paradigme d'incomplétude des marchés. Mais faire de la volatilité stochastique ne permet pas encore de capturer les grandes valeurs de kurtosis pour les options courtes. Le problème leptokurtique est alors résolu en adoptant une classe de distributions générées par des processus de diffusion à sauts. L'effet d'une fréquence aléatoire des sauts poissonniens dans le processus des rentabilités est examiné sur le CBOE. Par ailleurs, l'auteur propose une extension académique du modèle en présence de dividendes stochastiques.

Habilitation à Diriger des Recherches : Processus aléatoires invariants d'échelle et analyse multirésolution pour la modélisation d'observations de systèmes physiques

Cette thèse propose une approche, par les méthodes du groupe de renormalisation non perturbatif, des phénomènes critiques dans les systèmes hors de l'équilibre. Ce travail se scinde en deux parties. La première présente une analyse méthodologique des propriétés de convergence et de précision des approximations les plus couramment utilisées dans ce formalisme : le développement en dérivées et le développement en champ. La seconde partie est consacrée à l'exploration des processus de réaction-diffusion. D'une part, est apportée la première détermination analytique en toute dimension des exposants critiques (universels) caractérisant la classe d'universalité de la percolation dirigée. D'autre part, le diagramme de phase complet des marches aléatoires avec branchement et annihilation impaires est établi et confirmé par des simulations numériques. Cette analyse révèle des effets non perturbatifs qui modifient qualitativement les propriétés (non universelles) communément admises de ce diagramme --- issues des théories de perturbation.

Les marches aléatoires en<br />milieu aléatoire constituent un modèle permettant de décrire<br />des phénomènes de diffusion et de transport en milieux<br />inhomogènes, possédant néanmoins des propriétés de<br />régularité à grande échelle. Le premier chapitre,<br />introductif, illustre la richesse de comportements des marches<br />aléatoires en milieu aléatoire. Le second chapitre concerne la<br />marche de Sinai (cas récurrent) et répond négativement à une<br />conjecture d'Erdös et Révész initialement posée pour la<br />marche aléatoire simple. Il révèle un paradoxe lié au<br />phénomène de localisation obtenu par Sinai. Dans le troisième<br />chapitre, nous nous intéressons à la limite supérieure de la<br />marche de Sinai en paysage aléatoire et traitons une conjecture de<br />Révész. Les quatrième et cinquième chapitres concernent les<br />marches aléatoires en milieu aléatoire transientes de vitesse<br />nulle. Un résultat classique de Kesten, Kozlov et Spitzer dit que<br />le temps d'atteinte du niveau n converge en loi, après<br />renormalisation, vers une variable aléatoire positive stable, mais<br />ils n'obtiennent pas la description de son paramètre. Nous<br />présentons ici une nouvelle preuve de ce résultat: une analyse<br />fine du potentiel associé à l'environnement nous permet<br />d'obtenir une caractérisation complète de la loi stable limite.<br />Le cas d'environnements de Dirichlet s'avère être<br />particulièrement explicite.

Nous étudions dans cette thèse le problème de l'exploration parallèle d'un graphe à l'aide des multiples, synchronisés et mobiles agents. Chaque agent est une entité individuelle qui peut, indépendamment des autres agents, visitez les sommets du graphe ou parcourir ses arêtes. Le but de ensemble des agents est de visiter tous les sommets de graphe. Nous étudions d'abord l'exploration du graphe dans un modèle où chaque agent est équipé de mémoire interne, mais les nœuds n'ont pas de mémoire. Dans ce modèle les agents sont autorisés à communiquer entre eux en échangeant des messages. Nous présentons des algorithmes qui s'exécutent dans un minimum de temps possible pour polynomiale nombre d'agents (polynomiale en nombre de sommets du graphe). Nous étudions aussi quelle est l'impacte de différent méthodes des communications. Nous étudions des algorithmes où les agents peuvent se communiquer à distance arbitraire, mais aussi où communication est possible seulement entre les agents situés dans le même sommet. Dans les deux cas nous présentons des algorithmes efficaces. Nous avons aussi obtenu des limites inférieures qui correspondent bien à la performance des algorithmes. Nous considérons également l'exploration de graphe en supposant que les mouvements des agents sont déterminés par le soi-disant rotor-router mécanisme. Du point de vue d'un sommet fixé, le rotor- router envoie des agents qui visitent les sommet voisins dans un mode round-robin. Nous étudions l'accélération défini comme la proportion entre le pire des cas de l'exploration d'un agent unique et des plusieurs agents. Pour générales graphes, nous montrerons que le gain de vitesse en cas de multi-agent rotor-router est toujours entre fonction logarithmique et linéaire du nombre d'agents. Nous présentons également des résultats optimaux sur l'accélération de multi-agent rotor-router pour cycles, expanseurs, graphes aléatoires, cliques, tores de dimension fixé et une analyse presque optimale pour hypercubes. Finalement nous considérons l'exploration sans collision, où chaque agent doit explorer le graphe de manière indépendante avec la contrainte supplémentaire que deux agents ne peuvent pas occuper le même sommet. Dans le cas où les agents sont donnés le plan de graphe, on présente un algorithme optimal pour les arbres et un algorithme asymptotiquement optimal pour générales graphes. Nous présentons aussi des algorithmes dans le cas de l'exploration sans collision des arbres et des générales graphes dans la situation où les agents ne connaissent pas le graphe. Nous fermons la thèse par des observations finales et une discussion de problèmes ouverts liés dans le domaine de l'exploration des graphes.

Le transport turbulent de particules est un phénomène important qui intervient dans de nombreux processus naturels et industriels. Comprendre ses propriétés et, en particulier, la création de grandes fluctuations de densité, est fondamental pour améliorer les modèles et affiner les prévisions. Cela représente de nombreux enjeux économiques, environnementaux et de santé. Une étude Lagrangienne de la séparation de paires de traceurs a été menée en s'appuyant sur l'analyse des données de simulations numériques à très haute résolution. Elle a permis de souligner les défaillances des approches de type champ moyen qui sont à la base des modèles les plus couramment utilisés. Pour la séparation, on constate que la transition entre le régime balistique de Batchelor et le régime explosif de Richardson a lieu à des temps données par le temps moyen de dissipation de l'énergie cinétique turbulente. Aussi, il est montré que la loi de Richardson peut s'interpréter comme un comportement diffusif des différences de vitesse. Des arguments phénoménologiques permettent d'interpréter cet effet par la décorrélation de différences d'accélération et la stationnarité aux temps longs du taux local de transfert d'énergie cinétique. Les moments d'ordres élevés de la séparation et de la vitesse sont aussi étudiés pour aborder la question des "événements violents" dans la distribution des distances. Enfin, un modèle d'éjection de masse est proposé et utilisé pour examiner les fluctuations de la densité de particules lourdes transportées dans un environnement aléatoire.