L'objet de cette thèse est la formulation et l'étude de modèles structurés de croissance dans un chemostat, qui est un appareil permettant la culture de micro-organismes dans des conditions très contrôlées. Plus particulièrement, nous serons intéressés par la description de la taille d'organismes phytoplanctoniques. Dans une première partie, nous donnons quelques précisions biologiques, présentons ensuite le dispositif expérimental, puis introduisons les modèles élémentaires utilisés pour la description mathématique du chemostat. La deuxième et principale partie de cette thèse commence par une introduction aux modèles structurés de populations, l'accent étant mis sur la description des populations cellulaires. Ensuite sont étudiés successivement des modèles discrets en temps détaillant de manière précise la division cellulaire, des modèles en équations différentielles ordinaires vérifiant la propriété dite de conservation de la matière, et enfin une classe de modèles ne vérifiant pas cette propriété. Nous terminons cette thèse par une ouverture sur les possibles applications à d'autres contextes du type de modélisation que nous développons.

L'imagerie a récemment émergée comme outil de mesure de la dynamique du zooplancton en donnant des informations à la fois taxonomiques et de structure en taille de la communauté — nécessaires à la bonne compréhension de la dynamique du zooplancton au sein de l'écosystème pélagique. Ce travail est cependant davantage centré sur l'étude de la structure en taille du zooplancton dont différents aspects seront examinés au cours de trois chapitres: méthodes, analyse et description écologique d'une série temporelle de 11 ans, modélisation. Le chapitre méthodologique évalue la validité de l'imagerie en examinant l'effet de nouveaux biais, directement issus de l'imagerie, sur ledit spectre de taille (objets en contact au cours de l'acquisition d'image, efficacité de la classification automatique, modèle utilisé pour le calcul des biovolumes et biomasses). Il s'agit d'une discussion sur ce que le scientifique veut mesurer et sur ce qu'il analyse finalement compte tenu des contraintes méthodologiques. Le second chapitre est consacré à l'évolution temporelle (1995-2005) de l'écosystème pélagique de la mer Ligure — plus spécifiquement de la station d'observation côtière de la rade de Villefranche-sur-Mer. Par l'étude combinée des données disponibles (taxonomie, structure en taille, climat, météorologie locale, hydrologie et biologie), les facteurs physiques, chimiques et biologiques déterminant pour l'écosystème sont extraits. Il s'agit principalement du climat hivernal, précipitations et températures, ainsi que de l'irradiation solaire reçu au printemps et en été. Les interactions entre ces facteurs déterminent différents états de la communauté zooplanctonique. Enfin, le dernier chapitre propose un modèle du zooplancton basé sur sa structuration en taille. Puisque les modèles classiques, en boîte, représentent difficilement la dynamique du zooplancton, l'approche par la taille fut proposée comme alternative. Le modèle présenté est exploratoire, incluant la croissance du zooplancton selon une modélisation de type “budget énergétique dynamique” et la prédation selon des rapports de taille proies/prédateurs. Le but étant de comprendre ce qui détermine la structure en taille du zooplancton dans l'environnement. Les simulations effectuées sont ainsi comparées à la dynamique observée dans les phases majeures identifiées au chapitre précédent. C'est un premier pas vers l'intégration de ce type de modèles au sein de modèles plus généraux en vue d'améliorer la qualité de représentation du zooplancton. Le présent travail enrichit la connaissance du concept plus vaste de l'observation et de l'analyse théorique de la structuration en taille du zooplancton, mais il enrichit aussi la compréhension des liens entre le zooplancton et son environnement.

L'objet de cette thèse est la formulation, l'étude de modèles<br />structurés de croissance cellulaire dans un chemostat, appareil de culture de micro-organismes en laboratoire, et l'estimation de certaines variables d'état pour ces modèles. Après de bref rappels sur la biologie des espèces considérées et la présentation du dispositif expérimental, nous introduirons les modèles classiques utilisés pour décrire le chemostat ainsi que les modèles structurés prenant en compte la division cellulaire notamment. Nous construirons et étudierons alors deux modèles en équations différentielles ordinaires de dimension 3 mettant en valeur la croissance et la division d'une cellule. Nous<br />terminerons cette partie par la construction et l'étude d'un modèle basé sur des réactions biochimiques décrivant le stockage d'une cellule. La deuxième partie de cette thèse concerne l'estimation de certaines variables d'état. Ainsi, les notions d'observabilité et d'observateur seront introduites. Des observateurs classiques seront construits pour les modèles de croissance décrits dans la première partie. Enfin, comme en biologie les modèles sont souvent mal connus, nous construirons des estimateurs hybrides, donnant les variables d'état non mesurables en utilisant les variables mesurées et la connaissance partielle du modèle. Nous terminerons ces deux parties par d'autres applications possibles.

L'objectif de cette thèse est d'une part l'étude de la stabilité des équilibres de certains modèles épidémiologiques et d'autre part la construction d'un observateur pour l'estimation des états non mesurés et d'un paramètre clé pour un modèle intra-hôte. Nous proposons des extensions des modèles du type SIR, SIRS et SIS et nous étudions la stabilité globales de leur équilibres. En présence de plusieurs souches de pathogène d'un modèle SIS, on montre que le principe de compétition exclusive est vérifié: la souche qui maximise un seuil remporte la compétition en éliminant les autres souches. Il se trouve aussi que la souche gagnante est celle qui donne à l'équilibre le minimum de population hôte susceptible. Ceci peut être interprété comme étant un principe de pessimisation. En considérant ce modèle avec cette fois une loi de contact de type fréquence-dépendante, on montre que la dynamique change et qu'un équilibre de coexistence existe et qui est globalement asymptotiquement stable sous certaines conditions. Le comportement asymptotique des deux équilibres frontières est aussi prouvé. L'étude de la stabilité des états d'équilibres est essentiellement faite par la construction des fonctions de Lyapunov combiné avec le principe d'invariance de LaSalle. On considère un modèle intra-hôte structuré en classe d'âge du parasite Plasmodium falciparum avec une force d'infection général. Nous développons une méthode d'estimation de la charge parasitaire totale dont on ne sait mesurée par les méthodes actuellement connues. Pour cela nous utilisons les outils de la théorie du contrôle, plus particulièrement les observateurs à entrées inconnues, pour estimer les états non mesurés à partir des états mesurés (données). De cela nous déduisons une méthode d'estimation d'un paramètre inconnu qui représente le taux d'infection des globules rouges saines par les parasites / The purpose of this thesis is on the one hand to study stability of equilibria of some epidemic models and secondly to construct an observer to estimate the non-measured states and a key parameter in a within host model. We propose extensions of classical models SIR, SIRS and SIS and we study the global stability of their equilibria. In presence of multiple pathogen strains, we proved that competitive exclusion principle holds: the strain having the largest threshold wins the competition by eliminating the others. It turns out that the winning strain is the one for which the equilibrium gives the minimum of the susceptible host population. This can be interpreted as pessimization principle. By considering the same model with two strains and a frequency-dependent type of the contact law, we prove that dynamics changes and a coexistence equilibrium exists and it is globally asymptotically stable under some conditions. The asymptotic behavior of the two other boundary equilibria is also established. The stability study of equilibrium states is mainly done by construction Lyapunov functions combined with LaSalle's invariance principle. We consider an age-structured within-host model of the Plasmodium falciuparum parasite with a general infection force. We develop a method to estimate the total parasite burden that cannot be measured by the current methods. To this end, we use some tools from control theory, more precisely observers with unknown inputs, to estimate the non measured states from the measured ones (data). From this, we deduce a method to estimate an unknown parameter that represents infection rate of healthy reed blood cells by the parasites

L'objet de cette thèse est la formulation et l'étude de modèles proie-prédateur avec une structure en taille du prédateur, afin de décrire les populations de phytoplancton et zooplancton. Cette étude a été motivée par les données collectées par le Laboratoire d'Océanographie de Villefranche-Sur-Mer dont l'évolution depuis 1966 du spectre de taille du zooplancton dans la baie de Villefranche. Dans une première partie nous présentons les diverses données collectées et proposons différents modèles dans un cadre assez général, ayant soit une structure continue donnant lieu à une équation aux dérivées partielles couplée avec une équation différentielle ordinaire, ou soit une structure discrète, pouvant correspondre à des stades de développement et donnant lieu à un système d'équations différentielles ordinaires. Ensuite une étude mathématique de ces modèles est faite pour certains cas particuliers (stabilité des équilibres, stabilisation d'un équilibre par un contrôle positif). Le cannibalisme étant présent au sein du zooplancton, nous mettons l'accent sur son étude, notamment sur un modèle comprenant deux classes de taille de prédateurs. Nous montrons que le cannibalisme peut stabiliser la dynamique ou encore être une stratégie évolutionnairement stable. Finalement nous tentons de confronter numériquement ces modèles aux données : les simulations donnent des résultats qualitativement proches des observations.

Dans de nombreux domaines tels que l’apprentissage statistique, la recherche opérationnelle ou encore la conception de circuits, une tâche est modélisée par un jeu de paramètres que l’on cherche à optimiser pour prendre la meilleure décision possible. Mathématiquement, le problème revient à minimiser une fonction de l’objectif recherché par des algorithmes itératifs. Le développement de ces derniers dépend alors de la géométrie de la fonction ou de la structure du problème. Dans une première partie, cette thèse étudie comment l’acuité d’une fonction autour de ses minima peut être exploitée par le redémarrage d’algorithmes classiques. Les schémas optimaux sont présentés pour des problèmes convexes généraux. Ils nécessitent cependant une description complète de la fonction, ce qui est rarement disponible. Des stratégies adaptatives sont donc développées et prouvées être quasi-optimales. Une analyse spécifique est ensuite conduite pour les problèmes parcimonieux qui cherchent des représentations compressées des variables du problème. Leur géométrie conique sous-jacente, qui décrit l’acuité de la fonction de l’objectif, se révèle contrôler à la fois la performance statistique du problème et l’efficacité des procédures d’optimisation par une seule quantité. Une seconde partie est dédiée aux problèmes d’apprentissage statistique. Ceux-ci effectuent une analyse prédictive de données à l’aide d’un large nombre d’exemples. Une approche générique est présentée pour à la fois résoudre le problème de prédiction et le simplifier en groupant soit les variables, les exemples ou les tâches. Des méthodes algorithmiques systématiques sont développées en analysant la géométrie induite par une partition des données. Une analyse théorique est finalement conduite lorsque les variables sont groupées par analogie avec les méthodes parcimonieuses. / In numerous fields such as machine learning, operational research or circuit design, a task is modeled by a set of parameters to be optimized in order to take the best possible decision. Formally, the problem amounts to minimize a function describing the desired objective with iterative algorithms. The development of these latter depends then on the characterization of the geometry of the function or the structure of the problem. In a first part, this thesis studies how sharpness of a function around its minimizers can be exploited by restarting classical algorithms. Optimal schemes are presented for general convex problems. They require however a complete description of the function that is rarely available. Adaptive strategies are therefore developed and shown to achieve nearly optimal rates. A specific analysis is then carried out for sparse problems that seek for compressed representation of the variables of the problem. Their underlying conic geometry, that describes sharpness of the objective, is shown to control both the statistical performance of the problem and the efficiency of dedicated optimization methods by a single quantity. A second part is dedicated to machine learning problems. These perform predictive analysis of data from large set of examples. A generic framework is presented to both solve the prediction problem and simplify it by grouping either features, samples or tasks. Systematic algorithmic approaches are developed by analyzing the geometry induced by partitions of the data. A theoretical analysis is then carried out for grouping features by analogy to sparse methods.

L’expression musicale requiert le contrôle sur quelles notes sont jouées ainsi que comment elles se jouent. Les synthétiseurs audios conventionnels offrent des contrôles expressifs détaillés, cependant au détriment du réalisme. La synthèse neuronale en boîte noire des audios et les échantillonneurs concaténatifs sont capables de produire un son réaliste, pourtant, nous avons peu de mécanismes de contrôle. Dans ce travail, nous introduisons MIDI-DDSP, un modèle hiérarchique des instruments musicaux qui permet tant la synthèse neuronale réaliste des audios que le contrôle sophistiqué de la part des utilisateurs. À partir des paramètres interprétables de synthèse provenant du traitement différentiable des signaux numériques (Differentiable Digital Signal Processing, DDSP), nous inférons les notes musicales et la propriété de haut niveau de leur performance expressive (telles que le timbre, le vibrato, l’intensité et l’articulation). Ceci donne naissance à une hiérarchie de trois niveaux (notes, performance, synthèse) qui laisse aux individus la possibilité d’intervenir à chaque niveau, ou d’utiliser la distribution préalable entraînée (notes étant donné performance, synthèse étant donné performance) pour une assistance créative. À l’aide des expériences quantitatives et des tests d’écoute, nous démontrons que cette hiérarchie permet de reconstruire des audios de haute fidélité, de prédire avec précision les attributs de performance d’une séquence de notes, mais aussi de manipuler indépendamment les attributs étant donné la performance. Comme il s’agit d’un système complet, la hiérarchie peut aussi générer des audios réalistes à partir d’une nouvelle séquence de notes. En utilisant une hiérarchie interprétable avec de multiples niveaux de granularité, MIDI-DDSP ouvre la porte aux outils auxiliaires qui renforce la capacité des individus à travers une grande variété d’expérience musicale. / Musical expression requires control of both what notes are played, and how they are performed. Conventional audio synthesizers provide detailed expressive controls, but at the cost of realism. Black-box neural audio synthesis and concatenative samplers can produce realistic audio, but have few mechanisms for control. In this work, we introduce MIDI-DDSP a hierarchical model of musical instruments that enables both realistic neural audio synthesis and detailed user control. Starting from interpretable Differentiable Digital Signal Processing (DDSP) synthesis parameters, we infer musical notes and high-level properties of their expressive performance (such as timbre, vibrato, dynamics, and articulation). This creates a 3-level hierarchy (notes, performance, synthesis) that affords individuals the option to intervene at each level, or utilize trained priors (performance given notes, synthesis given performance) for creative assistance. Through quantitative experiments and listening tests, we demonstrate that this hierarchy can reconstruct high-fidelity audio, accurately predict performance attributes for a note sequence, independently manipulate the attributes of a given performance, and as a complete system, generate realistic audio from a novel note sequence. By utilizing an interpretable hierarchy, with multiple levels of granularity, MIDI-DDSP opens the door to assistive tools to empower individuals across a diverse range of musical experience.

L'objectif de cette thèse est d'une part l'étude de la stabilité des équilibres de certains modèles épidémiologiques et d'autre part la construction d'un observateur pour l'estimation des états non mesurés et d'un paramètre clé pour un modèle intra-hôte. Nous proposons des extensions des modèles du type SIR, SIRS et SIS et nous étudions la stabilité globales de leur équilibres. En présence de plusieurs souches de pathogène d'un modèle SIS, on montre que le principe de compétition exclusive est vérifié: la souche qui maximise un seuil remporte la compétition en éliminant les autres souches. Il se trouve aussi que la souche gagnante est celle qui donne à l'équilibre le minimum de population hôte susceptible. Ceci peut-être interprété comme étant un principe de pessimisation. En considérant ce modèle avec cette fois une loi de contact de type fréquence-dépendante, on montre que la dynamique change et qu'un équilibre de coexistence existe et qui est globalement asymptotiquement stable sous certaines conditions. Le comportement asymptotique des deux équilibres frontières est aussi prouvée. L'étude de la stabilité des états d'équilibres est essentiellement faite par la construction des fonctions de Lyapunov combiné avec le principe d'invariance de LaSalle. On considère un modèle intra-hôte structuré en classe d'âge du parasite Plasmodium falciparum avec une force d'infection général. Nous développons une méthode d'estimation de la charge parasitaire totale dont on ne sait mesurée par les méthodes actuellement connues. Pour cela nous utilisons les outils de la théorie du contrôle, plus particulièrement les observateurs à entrées inconnues, pour estimer les états non mesurés à partir des états mesurés (données). De cela nous déduisons une méthode d'estimation d'un paramètre inconnu qui représente le taux d'infection des globules rouges saines par les parasites.

Codakia orbicularis est un mollusque bivalve appartenant à la famille des Lucinidae et établissant des symbioses avec des bactéries sulfo-oxydantes (symbiotes) au sein de ses branchies. Dans l’hypothèse où toute symbiose nécessite une régulation par des molécules de dialogue, une étude chimique exhaustive pourrait aboutir à la mise en évidence des métabolites impliqués. Le travail de ce manuscrit porte donc sur l'isolement de métabolites secondaires à partir des branchies de ce bivalve et sur l'évaluation de l'activité antibactérienne des molécules isolées. Douze composés ont été isolés des branchies de Codakia orbicularis et leurs structures ont été déterminées par les méthodes spectroscopiques usuelles. Parmi ces molécules, une seule est nouvelle et a été nommée orbicularisine. Elle présente un squelette indolone spirotetracyclique inédit. Parmi les molécules isolées, seules quatre d’entre elles présentent une activité antibactérienne à savoir le soufre S8, la 4-hydroxybenzaldéhyde et deux monoglycérolipides. L'orbicularisine est inactive contre un panel de lignées cellulaires cancéreuses et de kinases. Le nouveau squelette de l’orbicularisine pourrait permettre d'aboutir à une nouvelle famille de molécules par synthèse organique et ainsi d'accroître la diversité moléculaire autour de ce motif inédit. Il sera également intéressant de déterminer l'origine des molécules isolées (procaryote ou eucaryote), particulièrement pour l’orbicularisine, et leurs rôles dans le cadre de la symbiose. Les résultats chimiques obtenus sur C. orbicularis et sur les Lucinidae en général sont intéressants puisque les espèces côtières appartenant aux bivalves ont été peu exploitées en chimie jusqu’à ce jour. / Codakia orbicularis is a bivalve mollusk belonging to the family Lucinidae harboring sulfur-oxidizing bacterial endosymbionts within its gills. Considering that any symbiosis is most likely regulated by dialogue molecules, an exhaustive chemical study could lead to identify the involved metabolites. Thus, the aim of this thesis focuses on the isolation of secondary metabolites from the gills of this bivalve and the evaluation of the antibacterial activity of the isolated molecules. Twelve compounds were isolated from the gills of Codakia orbicularis and their structures were determined by usual spectroscopic methods. Among these molecules, only one presented a new structure and has been named orbicularisine. The latter presents an undescribed spirotetracyclic indolone skeleton. Regarding the biological activities, among the isolated molecules, only four of them identified as S8 sulfur, 4-hydroxybenzaldehyde and two monoglycerolipids presented an antibacterial activity. Orbicularisine was inactive against a panel of cell lines and kinase. The orbicularisine new skeleton is an interesting start for the synthesis of new family of molecules, thus enhancing its molecular diversity. It will be interesting to determine the origin of the isolated molecules (prokaryotic or eukaryotic), especially for the new orbicularisine, and their roles in the frame of the symbiosis. The chemical results obtained on C. orbicularis and on lucinids in general are interesting since the coastal species belonging to Bivalves have not been chemically explored.

Dans cette thèse nous regardons plusieurs modèles de populations structurés s’écrivant à l’aide d’équations de transport. Le caractère bien posé ainsi que la positivité des solutions sont montrés de manière systématique au sens des sémiologues dans un cadre L1. Un premier travail est consacré à un système de type proie prédateur structuré en âge. Une étude de stabilité des équilibres nous permet de formuler explicitement un seuil un seuil d’extinction ainsi qu’in seuil pouvant amener à l’explosion des populations. On obtient numériquement la possibilité d’un cycle limite ainsi que la convergence vers un équilibre de coexistence des populations. Dans un cas particulier, ce modèle se réécrit comme un système différentiel à retard. A l’aide de fonctionnelle de Lyapunov, on montre la stabilité globale de cet équilibre sous certaines conditions. On étudie également 2 modèles structuré en taille, issus de la dynamique cellulaire. L’un est composé de deux équations de transport où la cellule peut être soit prolifèrent soit quiescente ; et le deuxième est une équation de type transport/ diffusion avec des conditions aux bords FELLER. On vérifie à chaque fois l’irréductibilité du semi groupe puis des arguments de faibles capacité L1 nous donne l’existence d’un « gap spectral » sous certaines conditions. On démontre ainsi dans certains cas la croissance exponentielle asynchrone du semi groupe / This thesis is dedicated to some structured populations models described with transport or transport-diffusion equations. The well-posedness, in the semigroupes setting in L1 and the positivity of the solutions are systematically shown. A first work is dedicated to an age-structured predator/prey system. A stability study of the equilibria allow us to give explicit formulations of an extinction threshold and an threshold which can lead to explosion of solutions. We numerically obtain the possibility to get a limit cycle and the convergence to a coexistence equilibrium of the populations. In a specific case, this model rewrites as a delay differential system. Using Lyapunov functional, we show the global stability of this equilibrium under some assumptions. We also study two size-structured models that come from cellular dynamics. The first one consists on two transport equations, where the cell can either proliferate or be quiescent, and the second one is a transport-diffusion equation with Feller boundary conditions. The irreducibility of the semigroup governing this latter model is always satisfied using the Hopf maximum principle. However, the irreducibility for the first model is true only under a necessary and sufficient condition that we give. We also show for these two models, using some weak compactness arguments in L1, the existence of a `spectral gap' (essential type strictly less than the type) ensuring the asynchronous exponential growth of the semigroup.