L'analyse idempotente étudie les espaces linéaires de dimension infinie dans lesquels l'opération maximum se substitue à l'addition habituelle. Nous démontrons un ensemble de résultats dans ce cadre, en soulignant l'intérêt des outils d'approximation fournis par la théorie des domaines et des treillis continus. Deux champs d'étude sont considérés : l'intégration et la convexité. En intégration idempotente, les propriétés des mesures maxitives à valeurs dans un domaine, telles que la régularité au sens topologique, sont revues et complétées ; nous élaborons une réciproque au théorème de Radon-Nikodym idempotent ; avec la généralisation Z de la théorie des domaines nous dépassons différents travaux liés aux représentations de type Riesz des formes linéaires continues sur un module idempotent. En convexité tropicale, nous obtenons un théorème de type Krein-Milman dans différentes structures algébriques ordonnées, dont les semitreillis et les modules idempotents topologiques localement convexes ; pour cette dernière structure nous prouvons un théorème de représentation intégrale de type Choquet : tout élément d'un compact convexe K peut être représenté par une mesure de possibilité supportée par les points extrêmes de K. Des réflexions sont finalement abordées sur l'unification de l'analyse classique et de l'analyse idempotente. La principale piste envisagée vient de la notion de semigroupe inverse, qui généralise de façon satisfaisante à la fois les groupes et les semitreillis. Dans cette perspective nous examinons les propriétés "miroir" entre semigroupes inverses et semitreillis, dont la continuité fait partie. Nous élargissons ce point de vue en conclusion.

Nous établissons une nouvelle décomposition des surmartingales, additive dans l'algèbre Max-Plus. Elle consiste essentiellement à exprimer toute surmartingale quasi-continue à gauche de la classe (D) comme une espérance conditionnelle d'un certain processus de running supremum. Comme application, nous montrons comment la décomposition Max-Plus permet en particulier de résoudre le problème Américain d'arrêt optimal sans avoir à calculer le prix de l'option. Ensuite, nous donnons quelques exemples illustratifs basés sur des processus de diffusion uni-dimensionnels. Une autre application intéressante concerne l'assurance de portefeuille. Nous proposons en effet une nouvelle approche au problème classique de maximisation d'utilité, avec garantie Américaine. Pour cela, nous nous ramenons à un problème général de martingales, sous contrainte de dominer un obstacle, ou de façon équivalente son enveloppe de Snell, à toute date intermédiaire. L'optimisation est relative à l'ordre convexe sur la valeur terminale, de manière à minimiser le rôle de la fonction d'utilité. Nous montrons l'optimalité de la "martingale Max-Plus" et nous traitons un exemple explicite dans le cadre d'un Brownien géométrique. Par ailleurs, nous exploitons les liens entre les martingales d'Azéma-Yor et la décomposition Max-Plus pour résoudre certains problèmes d'optimisation de portefeuille sous contraintes d'état et d'autres relatifs aux options Américaines perpétuelles. Nous retrouvons en particulier, d'une manière élémentaire, la plupart des résultats classiques sur les frontières Américaines de processus de Lévy. Le dernier chapitre propose de nouvelles méthodes numériques pour valoriser les contrats Swing.

On appelle suite récurrente stochastique (SRS) dirigée par une suite de matrices aléatoires une suite de variables aléatoires telles que le terme de rang n+1 est obtenu en multipliant celui de rang n par la enième matrice. Cette thèse porte sur le comportement asymptotique de telles suites. Dans la première partie, les matrices sont inversibles et on donne un critère de séparation des exposants de Lyapunov quand la suite de matrices suit une mesure de Gibbs sur un sous-shift de type fini. Dans la seconde partie, les produits se font au sens max-plus. On montre que le comportement des SRS au premier ordre est essentiellement déterminé par celui de certains blocs diagonaux et que la propriété de perte de mémoire, qui assure la stabilité des SRS, est générique. Si une suite de matrices (ou d'applications topicales) aléatoires est i.i.d. et a la propriété de perte de mémoire, alors les SRS qu'elle dirige vérifient des théorèmes limites. Ce résultat est obtenu par la méthode du trou spectral.

Automata theory, one of the main branches of theoretical computer science, established its roots in the middle of the 20th century. One of its most fundamental concepts is that of a finite automaton, a basic yet powerful model of computation. In essence, finite automata provide a method to finitely represent possibly infinite sets of strings. Such a set of strings is also called a language, and the languages which can be described by finite automata are known as regular languages. Owing to their versatility, regular languages have received a great deal of attention over the years. Other formalisms were shown to be expressively equivalent to finite automata, most notably regular grammars, regular expressions, and monadic second order (MSO) logic. To increase expressiveness, the fundamental idea underlying finite automata and regular languages was also extended to describe not only languages of strings, or words, but also of infinite words by Büchi and Muller, finite trees by Doner and Thatcher and Wright, infinite trees by Rabin, nested words by Alur and Madhusudan, and pictures by Blum and Hewitt, just to name a few examples. In a parallel line of development, Schützenberger introduced weighted automata which allow the description of quantitative properties of regular languages. In subsequent works, many of these descriptive formalisms and extensions were combined and their relationships investigated. For example, weighted regular expressions and weighted logics have been developed as well as regular expressions for trees and pictures, regular grammars for trees, pictures, and nested words, and logical characterizations for regular languages of trees, pictures, and nested words. In this work, we focus on two of these extensions and their relationship, namely weighted automata and weighted logics. Just as the classical Büchi-Elgot-Trakhtenbrot Theorem established the coincidence of regular languages with languages definable in monadic second order logic, weighted automata have been shown to be expressively equivalent to a specific fragment of a weighted monadic second order logic by Droste and Gastin. We explore several aspects of weighted automata and of this weighted logic. More precisely, the thesis considers the following topics. In the first part, we extend the classical Feferman-Vaught Theorem to the weighted setting. The Feferman-Vaught Theorem is one of the fundamental theorems in model theory. The theorem describes how the computation of the truth value of a first order sentence in a generalized product of relational structures can be reduced to the computation of truth values of first order sentences in the contributing structures and the evaluation of an MSO sentence in the index structure. The theorem itself has a long-standing history. It builds upon work of Mostowski, and was shown in subsequent works to hold true for MSO logic. Here, we show that under appropriate assumptions, the Feferman-Vaught Theorem also holds true for a weighted MSO logic with arbitrary commutative semirings as weight structure. In the second part, we lift four decidability results from max-plus word automata to max-plus tree automata. Max-plus word and tree automata are weighted automata over the max-plus semiring and assign real numbers to words or trees, respectively. We show that, like for max-plus word automata, the equivalence, unambiguity, and sequentiality problems are decidable for finitely ambiguous max-plus tree automata, and that the finite sequentiality problem is decidable for unambiguous max-plus tree automata. In the last part, we develop a logic which is expressively equivalent to quantitative monitor automata. Introduced very recently by Chatterjee, Henzinger, and Otop, quantitative monitor automata are an automaton model operating on infinite words. Quantitative monitor automata possess several interesting features. They are expressively equivalent to a subclass of nested weighted automata, an automaton model which for many valuation functions has decidable emptiness and universality problems. Also, quantitative monitor automata are more expressive than weighted Büchi-automata and their extension with valuation functions. We introduce a new logic which we call monitor logic and show that it is expressively equivalent to quantitative monitor automata.

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L'Algèbre tropicale peut être considérée comme un domaine relativement nouveau en mathématiques. Elle apparait dans plusieurs domaines telles que l'optimisation, la synchronisation de la production et du transport, les systèmes à événements discrets, le contrôle optimal, la recherche opérationnelle, etc. La première partie de ce manuscrit est consacrée a l'étude des applications de l'algèbre tropicale à l'analyse numérique matricielle. Nous considérons tout d'abord le problème classique de l'estimation des racines d'un polynôme univarié. Nous prouvons plusieurs nouvelles bornes pour la valeur absolue des racines d'un polynôme en exploitant les méthodes tropicales. Ces résultats sont particulièrement utiles lorsque l'on considère des polynômes dont les coefficients ont des ordres de grandeur différents. Nous examinons ensuite le problème du calcul des valeurs propres d'une matrice polynomiale. Ici, nous introduisons une technique de mise à l'échelle générale, basée sur l'algèbre tropicale, qui s'applique en particulier à la forme compagnon. Cette mise à l'échelle est basée sur la construction d'une fonction polynomiale tropicale auxiliaire, ne dépendant que de la norme des matrices. Les raciness (les points de non-différentiabilité) de ce polynôme tropical fournissent une pré-estimation de la valeur absolue des valeurs propres. Ceci se justifie en particulier par un nouveau résultat montrant que sous certaines hypothèses faites sur le conditionnement, il existe un groupe de valeurs propres bornées en norme. L'ordre de grandeur de ces bornes est fourni par la plus grande racine du polynôme tropical auxiliaire. Un résultat similaire est valable pour un groupe de petites valeurs propres. Nous montrons expérimentalement que cette mise à l'échelle améliore la stabilité numérique, en particulier dans des situations où les données ont des ordres de grandeur différents. Nous étudions également le problème du calcul des valeurs propres tropicales (les points de non-différentiabilité du polynôme caractéristique) d'une matrice polynômiale tropicale. Du point de vue combinatoire, ce problème est équivalent à trouver une fonction de couplage: la valeur d'un couplage de poids maximum dans un graphe biparti dont les arcs sont valués par des fonctions convexes et linéaires par morceaux. Nous avons développé un algorithme qui calcule ces valeurs propres tropicales en temps polynomial. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons à la résolution de problèmes d'affectation optimale de très grande taille, pour lesquels les algorithms séquentiels classiques ne sont pas efficaces. Nous proposons une nouvelle approche qui exploite le lien entre le problème d'affectation optimale et le problème de maximisation d'entropie. Cette approche conduit à un algorithme de prétraitement pour le problème d'affectation optimale qui est basé sur une méthode itérative qui élimine les entrées n'appartenant pas à une affectation optimale. Nous considérons deux variantes itératives de l'algorithme de prétraitement, l'une utilise la méthode Sinkhorn et l'autre utilise la méthode de Newton. Cet algorithme de prétraitement ramène le problème initial à un problème beaucoup plus petit en termes de besoins en mémoire. Nous introduisons également une nouvelle méthode itérative basée sur une modification de l'algorithme Sinkhorn, dans lequel un paramètre de déformation est lentement augmenté. Nous prouvons que cette méthode itérative(itération de Sinkhorn déformée) converge vers une matrice dont les entrées non nulles sont exactement celles qui appartiennent aux permutations optimales. Une estimation du taux de convergence est également présentée.

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