Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La théorie des jeux en champ moyen constitue un formalisme puissant introduit récemmentpour étudier des problèmes d’optimisation stochastiques avec un grand nombre d’agents. Aprèsavoir rappelé les principes de base de cette théorie et présenté quelques cas d’applicationtypiques, on étudie en détail un modèle stylisé de séminaire, de type champ moyen. Nousdérivons une équation exacte qui permet de prédire l’heure de commencement du séminaire etanalysons différents régimes limites, dans lesquels on parvient à des expressions approchées de lasolution. Ainsi on obtient un "diagramme de phase" du problème. On aborde ensuite un modèleplus complexe de population avec des effets de groupe attractifs. Grâce à une analogie formelleavec l’équation de Schrödinger non linéaire, on met en évidence des lois d’évolutions généralespour les valeurs moyennes du problème, que le système vérifie certaines lois de conservation etl’ on développe des approximations de type variationnel. Cela nous permet de comprendre lecomportement qualitatif du problème dans le régime de fortes interactions. / Mean Field Games Theory is a theoretical framework developed recently to deal withstochastic optimization problems when the number of agents is large. First the mathematicaltools are introduced heuristically, step by step, and some examples are presented in finance,economy and social problems. I study then thoroughly a seminar toymodel and derive anequation for the starting time of the meeting. The analysis of the limit regimes allows to builda "phase diagram" of the problem. In a second time, a herding problem, where individualshave their own preferences and are attracted by the group, is tackled. Thanks to a formal analogywith the Non Linear Schrödinger equation, some explicit solutions, conservation laws andso-called variational approximations are derived. Finally I use these tools to get a qualitativeunderstanding of the solution’s behaviour in the strong interaction regime.

Cette thèse porte sur la dynamique de particules dans des écoulements turbulents, en particulier sur l'apparition de structures. Deux situations physiques sont étudiées. D'une part, dans le cas du mouvement de traceurs, c'est-à-dire de particules fluides de même composition que le flot, transportés par un champ de vitesse turbulent bidimensionnel, un triplet de particules (un triangle) tend à se déformer en une structure très allongée sous l'action de l'écoulement. D'autre part, pour des particules inertielles de densité grande devant celle du fluide et soumises à une force de traînée, des distributions spatiales fortement inhomogènes peuvent apparaître, conduisant à la formation d' attracteurs étranges. L'approche suivie dans cette thèse consiste à modéliser l'action de l'écoulement turbulent en utilisant des outils de dynamique stochastique (équations de Langevin), qui permettent d'obtenir une description effective des comportements observés. Dans le cas des particules inertielles, les attracteurs sont caractérisés par une dimension fractale. L’ajout d’un bruit dans les équations du mouvement a permis d'étendre cette notion à des valeurs de dimension négatives, intrinsèques à la dynamique en l'absence de bruit. Cette thèse établit qu'il est possible de formuler les deux problèmes physiques étudiés en termes de processus stochastiques très généraux, dont le prototype est celui décrivant la sédimentation de particules en présence de bruit thermique. La détermination des caractéristiques de la solution requiert une nouvelle approche. La solution proposée ici est basée sur la théorie des grandes déviations. / This thesis deals with the dynamics of particles in turbulent flows and the formation of structures. Two physical situations are studied. First, we consider the dynamics of tracers, that is ideal fluid particles, transported by a turbulent velocity field. A triplet of such particles forms a triangle, which tends to be flattened under the action of the incompressible flow. Second, inertial particles of density higher than that of the fluid and subjected to a viscous drag force usually cluster on regions of high concentration, leading to the formation of strange attractors. The approach followed in this thesis consists in modeling the action of the turbulent flow using tools of stochastic dynamics (such as Langevin equations), which allow us to obtain a effective description of these phenomena. For inertial particles, the attractors are characterized by a non-integer fractal dimension. The addition of an external noise in the equations of motion lead to a generalization of this notion to negative values, intrinsic to the dynamics in the absence of noise. This thesis shows that it is possible to formulate the two problems in terms of very general stochastic processes, whose prototype is the one describing the sedimentation of particles in the presence of a thermal noise. The determination of the characteristics of the solution requires a new approach. The solution proposed here is based on the large deviation theory.

La génomique comparative est un sujet essentiel pour éclaircir la biologie évolutionnaire. La première étape pour dépasser une connaissance seulement descriptive est de développer une méthode pour représenter le contenu du génome. Nous avons choisi la représentation modulaire des génomes pour étudier les lois quantitatives qui réglementent leur composition en unités élémentaires de type fonctionnel ou évolutif. La première partie de la thèse se fonde sur l'observation que le nombre de domaines ayant la même fonction est lié à la taille du génome par une loi de puissance. Puisque les catégories fonctionnelles sont des agrégats de familles de domaines, on se demande comment le nombre de domaines dans la même catégorie fonctionnelle est lié à l'évolution des familles. Le résultat est que les familles suivent également une loi de puissance. Le deuxième partie présente un modèle positif qui construit une réalisation à partir des composants liés dans un réseau de dépendance. L'ensemble de toutes les réalisations reproduit la distribution des composants partagés et la relation entre le nombre de familles distinctes et la taille du génome. Le dernier chapitre étend l'approche modulaire aux écosystèmes microbiens. Sur la base des constatations que nous avons faites sur les lois de puissance pour les familles de domaines, nous avons analysé comment le nombre de familles dans un metagénome en est influencé. Par conséquence, nous avons défini une nouvelle observable dont la forme fonctionnelle comprend des informations quantitatives sur la composition originelle du metagénome. / Comparative genomics is as a fundamental discipline to unravel evolutionary biology. To overcome a mere descriptive knowledge of it the first challenge is to develop a higher-level description of the content of a genome. Therefore we used the modular representation of genomes to explore quantitative laws that regulate how genomes are built from elementary functional and evolutionary ingredients. The first part sets off from the observation that the number of domains sharing the same function increases as a power law of the genome size. Since functional categories are aggregates of domain families, we asked how the abundance of domains performing a specific function emerges from evolutionary moves at the family level. We found that domain families are also characterized by family-dependent scaling laws. The second chapter provides a theoretical framework for the emergence of shared components from dependency in empirical component systems with non-binary abundances. We defined a positive model that builds a realization from a set of components linked in a dependency network. The ensemble of resulting realizations reproduces both the distribution of shared components and the law for the growth of the number of distinct families with genome size. The last chapter extends the component systems approach to microbial ecosystems. Using our findings about families scaling laws, we analyzed how the abundance of domain families in a metagenome is affected by the constraint of power-law scaling of family abundance in individual genomes. The result is the definition of an observable, whose functional form contains quantitative information on the original composition of the metagenome.

Les transformations physiques et chimiques qui apparaissent au sein de milieux granulaires réactifs induisent des réorganisations dynamiques et structurelles importantes. Largement utilisés pour des applications industrielles, le comportement de ces matériaux en évolution doit être compris. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement les réarrangements d'un empilement granulaire modèle soumis à des transformations localisées d'un ou plusieurs grains. Les dispositifs expérimentaux mis au point permettent un suivi bidimensionnel de la structure environnante alors qu'un ou plusieurs grains réduisent de tailles et/ou sont tirés hors de l'empilement. La réponse moyenne du matériau aux temps longs s'apparentent aux écoulements quasi-statiques couramment observés dans les silos. Le comportement instantané de l'empilement est quant à lui très hétérogène dans l'espace et dans le temps. Il présente une dynamique intermittente avec des évènements décorrélés en temps et des ampleurs distribuées en loi de puissance. Les tailles des grains en évolution jouent un rôle important sur la réponse dynamique de l'empilement granulaire notamment en lien avec l'apparition de phénomènes de structuration pour les plus petits intrus. Par ailleurs, la présence d'un second grain en évolution à proximité d'un premier génère des effets coopératifs. Une distance caractéristique de séparation pour l'émergence de ces phénomènes est mise en évidence, elle ne dépend que de l'empilement et non de la taille des grains en évolution. Enfin, les évolutions instantanées des fractions volumiques locales montrent des distributions similaires suggérant un unique mécanisme de réarrangements structuraux. / Physical and chemical transformations appearing in reactive granular media yield strong dynamical and structural reorganizations. Widely used for industrial applications, the behavior of these evolving materials needs to be understood. In this work, we experimentally study the rearrangements of a model granular packing undergoing localized transformations of one or several grains. The experimental setups allow a two-dimensional tracking of the surrounding structure while one or several grains are either reducing in size or being pulled out of the packing. The average long-term response of the material is similar to quasi-static flows commonly observed in silos. The instantaneous behavior of the packing is heterogeneous in space and time. It shows an intermittent dynamic with events decorrelated in time whose amplitudes are power-law distributed. The sizes of the evolving grains play an important role on the dynamical response of the granular packing by the appearance of arches for the smallest intruders. Moreover, the presence of a second evolving grain generates cooperative effects. A characteristic distance between the two intruders is found, it does depend on the packing properties and not on the size of the evolving grains. Finally, instantaneous evolutions of local densities show similar distributions suggesting a unique mechanism in terms of structural reorganizations.

Les marches aléatoires avec recherche de cible peuvent modéliser des réactions nucléaires ou la quête de nourriture par des animaux. Dans cette thèse, nous identifions des stratégies qui minimisent le temps moyen de première rencontre d’une cible (MFPT) pour plusieurs types de marches aléatoires. Premièrement, pour des marches symétriques ou avec biais, nous déterminons la distribution des temps de première sortie par une ouverture dans une paroi en forme de secteur angulaire, d’anneau ou de rectangle. Nous concluons sur la minimisation du MFPT en termes de la géométrie du confinement. Deuxièmement, pour des marches alternant entre diffusions volumique et surfacique, nous déterminons le temps moyen de première sortie par une ouverture dans la surface de confine- ment. Nous montrons qu’il existe un taux de désorption optimal qui minimise le MFPT. Nous justifions la généralité de l’optimalité par l’étude des rôles de la géométrie, de l’adsorption sur la surface et d’un biais en phase volumique. Troisièmement, pour des marches actives composées de phases balistiques entrecoupées par des réorientations aléatoires, nous obtenons l’expression du taux de réorientation qui minimise le MFPT en géométries sphériques de dimension deux ou trois. Dans un dernier chapitre, nous modélisons le mouvement de cellules eucaryotes par des marches browniennes actives. Nous expliquons pourquoi le temps de persistance évolue expo- nentiellement avec la vitesse de la cellule. Nous obtenons un diagramme des phases des types de trajectoires. Ce modèle minimal permet de quantifier l’efficacité des processus de recherche d’antigènes par des cellules immunitaires. / Random search processes can model nuclear reactions or animal foraging. In this thesis, we identify optimal search strategies which minimize the mean first passage time (MFPT) to a target for various processes. First, for symmetric and biased Brownian particles, we compute the distribution of exit times through an opening within the boundary of angular sectors, annuli and rectangles. We conclude on the optimizability of the MFPT in terms of geometric parameters. Second, for walks that switch between volume and surface diffusions, we determine the mean exit time through an opening inside the bounding surface. Under analytical criteria, an optimal desorption rate minimizes the MFPT. We justify that this optimality is a general property through a study of the roles of the geometry, of the adsorption properties and of a bias in the bulk random walk. Third, for active walks composed of straight runs interrupted by reorientations in a random direction, we obtain the expression of the optimal reorientation rate which minimizes the MFPT to a centered spherical target within a spherical confinement, in two and three dimensions. In a last chapter, we model the motion of eukaryotic cells by active Brownian walks. We explain an experimental observation: the persistence time is exponentially coupled with the speed of the cell. We also obtain a phase diagram for each type of trajectories. This model is a first step to quantify the search efficiency of immune cells in terms of a minimal number of biological parameters.

Les interactions à longue portée concernent de nombreux systèmes naturels. Un exemple notable est celui de la gravitation newtonienne qui est pertinent dans le cas de l'étude de systèmes d'étoiles ou d'amas de galaxies. Ces systèmes ont notamment la particularité de ne pas respecter l'additivité des potentiels thermodynamiques et présentent une dynamique dominée par les effets collectifs. Une caractéristique remarquable est qu'après une évolution très rapide, ces systèmes restent piégés dans des états quasi-stationnaires pendant un temps qui peut être extrêmement grand (divergeant avec la taille du système). C'est seulement sur des échelles de temps plus longue que les simulation montre que ces systèmes relaxent à l’équilibre thermodynamique.Les états quasi-stationnaire sont interprétés théoriquement comme les solution stationnaires de l'équation de Vlasov. Cette équation de champs moyen représente un très bonne approximation de la dynamique macroscopique des systèmes en interaction à longue portée dans la limite ou le nombre de particule tend vers l'infini. Dans une premier temps, nous nous attacherons à comprendre, en fonction de la portée de la force de paire et de sa régularisation à court distance, quel est le champs de validité de cette équation, et en particulier, dans quelle cas le phénomène d'état quasi-stationnaire est attendu.Dans une seconde partie, combinant les approches théoriques et numériques, nous étudions la modification de la dynamique des systèmes à longue portée soumis à différentes sortes de perturbation non-Hamiltonienne. La robustesse des états quasi-stationnaires en présence des différentes perturbation est analysée en détails. / Long range interactions concern numerous natural systems. A notable example is the one of the gravitation which is relevant in the case of the study of a stars system or galaxy clusters. In particular, these systems does not respect the additivity of thermodynamical potential and present a dynamics dominated by collective effects. One of the most remarkable feature is that, after a very rapid evolution, these systems remains trapped into quasi-stationary states up to a very long time (diverging with the system size). It is only on longer time scales, that simulations have shown that the system relaxes to thermal equilibrium.Quasi-stationary states are theoretically interpreted as solutions of the Vlasov equation. This mean filed equation represents a very good approximation of the dynamics of long range systems in the limit of a large number of particles. Firstly we give a limit on the validity of the Vlasov equation depending of the range of the pair force and on its short scales regularisation. In a second part, using theoretical an numerical approach, we study the modification of the dynamics of long range systems when subjected to different kinds of non-Hamiltonian perturbations. In particular, the robustness of quasi-stationary states, in presence of this different perturbations is analysed in details.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés initialement aux transitions de phase qui ont lieu dans les cristaux liquides (CL), d'un point de vue théorique et numérique. En effet, les résultats présentés ici découlent de simulations numériques Monte Carlo (MC) et de développements analytiques basés sur des modèles de physique statistique et de matière condensée. Une forte analogie existe entre les systèmes de spins et les CL.Par exemples, ces derniers présentent des phases où les molécules sont toutes alignées dans le même sens comparables aux spins dans les matériaux ferromagnétiques. D'autres phases, dites cholesteriques, sont caractérisées par un arrangement moléculaire ressemblant beaucoup aux structures helimagnétiques. Mais les CL étant un état de la matière intermédiaire, situé entre le solide et le liquide, il est nécessaire de tenir compte des mouvements des molécules dans les modèles et d'adapter en conséquence l'algorithme de MC utilisé.Après une courte introduction sur les CL et leurs applications dans le premier chapitre, le second chapitre est longuement dédié aux méthodes MC et à l'adaptation de l'algorithme de Metropolis-Hastings afin d'introduire la mobilité des molécules.Le chapitre III est en quelque sorte un cas test pour simuler les CL. On considère un ensemble de molécules sur réseau et dont le nombre est inférieur au nombre de sites du réseau. L'interaction entre spins de plus proches voisins est de type Potts. L'état de plus basse énergie correspond au cas où tous les spins sont tassés au fond de la cuve.Ce système est d'abord traité par une étude de champ moyen dont les résultats sont confirmés par les simulations. Il apparaît que les couches de surface subissent une fusion et que le cœur du solide restant subit une transition du premier ordre.Le quatrième chapitre est consacré à des structures topologiques particulières que sont les skyrmions et des structures en bandes que l'on peut trouver dans les CL. A l'aide d'interactions Dzyaloszhinski-Moria (DM) D en présence d'une interaction d'échange J dans des films minces, nous étudions dans un premier temps les excitations des ondes de spin, également appelées magnons, qui sont le résultat d'une excitation collective de spins. Grâce aux fonctions de Green, nous calculons le spectre d'ondes de spin permettant ainsi de déterminer les propriétés à T = 0 et à température finie. Dans un deuxième temps, nous appliquons un champ magnétique H orthogonal au film mince faisant apparaître un cristal de skyrmions. En utilisant des simulations MC, nous montrons des vortex pour lesquels chaque centre peut être considéré comme le nœud d'une super-structure. Nous parlons alors de cristal de skyrmions. Selon les valeurs de D/H les simulations peuvent montrer également une structure semblable à celle que l'on trouve dans certains CL.Le chapitre suivant est consacré à l'étude de la dynamique conduisant à la formation des phases nématique et smectique à l'aide d'un modèle mobile de Potts. Nous observons ici les mécanismes qui se produisent pour former un cristal liquide nématique ou smectique lors du refroidissement à partir d'une phase isotrope. Le choix des interactions est crucial pour modéliser ces deux phases.Dans le chapitre VI, nous traitons de l'interaction dipolaire dans les nano dots avec un modèle de spin d'Heisenberg. La première partie du chapitre est consacrée à l'état fondamental présentant un vortex autour du centre du dott. Les spins sont coplanaires au plan du dot sauf à proximité du centre du dot où ils ont une composante z non nulle. Nous étudions ensuite l'effet de la température et la fusion du dot. La température de fusion du dot ne dépend pas de la taille du système, ce qui est très différent de ce qui se passe dans le cas des spins localisés. Ce chapitre n'est pas directement lié aux CL, mais est le premier pas dans la construction d'un modèle plus complet pour décrire le mécanisme conduisant aux phases cholestériques. / In this thesis, we are initially interested in the phase transitions that take place in liquid crystals (LC), from a theoretical and numerical point of view. Indeed, the results presented here are derived from Monte Carlo (MC) simulations and analytical developments based on statistical physics and condensed matter models. A strong analogy exists between spin systems and LC. For example, the latter have phases where the molecules are all aligned in the same direction (orientational order) comparable to spins in ferromagnetic materials. Other phases, called cholesteric, are characterized by a molecular arrangement very similar to the helimagnetic structures. But LC being an intermediate state of matter, between the solid and the liquid phase, it is necessary to take into account the motions of the molecules in the models and to adapt accordingly the MC algorithm.After a short and general introduction on LC and their applications in the first chapter, the second chapter is devoted to MC methods and the adaptation of the Metropolis-Hastings algorithm in order to introduce the mobility of molecules in our systems.Chapter III is a test case to simulate LC. We consider a set of molecules on a lattice. The number of molecules is smaller than the number of the lattice sites to allow for a molecule mobility between sites. The interaction between nearest neighbouring spins is supposed to be a Potts model. The lowest energy state corresponds to the case where all the spins are packed at the bottom of the tank. This solid ground state becomes a liquid at high temperatures.This system is first treated with a mean-field analysis whose results are confirmed by the MC simulations. It appears that the surface layers undergo a melting and that the core of the remaining solid undergoes a first-order phase transition.The following chapter is devoted to particularly topological structures which are skyrmions and stripe structures. These structures are often observed in LC. We use a Dzyaloshinski-Moria (DM) interaction of strength D in addition to an exchange interaction J to study properties of thin films. In a first part of the chapter, we study the spin-wave excitations, also termed magnons, that are the result of a collective excitation of spins. Using the Green's function, we calculate the spin-wave spectrum which is used next to determine properties at T=0 and at finite temperatures. In the second part of the chapter, we apply a magnetic field H orthogonal to the thin film making appear a crystal of skyrmions. Using MC simulations, we show that skyrmions arranged on a super-structure of a triangular geometry. Depending on the value of D/H, these simulations also show a labyrinth-like structure very close to the filament-shaped structures found in certain LC.The next chapter is devoted to the study of the dynamics leading to the formation of the nematic and smectic phases using a mobile Potts model. We observe here how the nematic and smectic LC are dynamically formed upon cooling from the isotropic phase. The choice of the interactions is crucial to model these two phases.In the chapter VI, we deal with the dipolar interaction in nanodots using the Heisenberg spin model. The first part of the chapter is devoted to the determination of the ground state exhibiting a vortex around the center of the dot. The spins lie in the xy plane at the border of the dot but go out of the xy plane at the dot center to give rise to a non-zero z component. We then study the effect of the temperature and the melting of the dot. The melting temperature of the dot do not depend on the size of the system. This is very different with the case of localised spins where the transition temperature increases with increasing the film thickness. This chapter is not directly related to LC. It was the first step towards a more complicated model describing the mechanism leading to cholesteric LC phases.

Les mouvements collectifs observés dans la nature, tels les nuées d'étourneaux ou les bancs de poissons, peuvent être décrits dans le cadre d'un nouveau type de matière condensée fondamentalement hors d'équilibre : la matière active polaire. Elle est constituée de particules, dites polaires, capables d'utiliser de l'énergie qu'on leur injecte pour se mouvoir dans une direction propre. Nous avons réalisé un système bidimensionnel de disques polaires soumis à une vibration homogène qui n'interagissent que par contact. Ces disques se comportent comme des marcheurs aléatoires, dont les trajectoires présentent une longueur de persistance grande devant leur taille et contrôlée par les fluctuations angulaires de la polarité des disques. Les modes d'alignement résultant du couplage entre la persistance du mouvement et l'interaction de coeur dur entre les particules sont complexes. En particulier, nous observons que seules 10% des collisions se traduisent par un alignement effectif de type ferromagnétique. Pourtant, nous observons l'émergence de mouvements collectifs spontanés au sein du système caractérisés par des fluctuations géantes de densité. Ces résultats montrent la robustesse de l'ordre polaire observé dans les modèles théoriques et numériques de la matière active polaire 2D sur substrat.

Quand le mouvement de particules sous l'action d'un forçage extérieur est restreint par des mécanismes d'exclusion ou de blocage, des corrélations spatio-temporelles non triviales peuvent être observées, dans une dynamique caractérisé par des hétérogénéités spatiales et grandes fluctuations dans le temps.Dans cette thèse, nous étudions deux exemples d'un tel type de mouvement, en prenant en considération deux processus d'exclusion sur des réseaux discrètes en 2d et en 1d.Le premier modèle est inspiré par les mécanismes de relaxation lents observés dans le cisaillement ou le forçage de systèmes colloïdaux ou granulaires: pour des densités élevées, en augmentant le forçage la viscosité peut croitre énormément. Nous expliquons le mécanisme de blocage à grandes densités comme conséquence de l'existence simultanée de régions bloquées et mobiles dans le système, et nous déterminons la signature d'une telle dynamique par le moyen de la thermodynamique des histoires. Nous mesurons aussi l'extension spatiale des structures hétérogènes et fournissons un modèle phénoménologique reliant les propriétés microscopiques de la dynamique au comportement macroscopique de l'écoulement.Le deuxième modèle consiste en un processus d'exclusion en une dimension, incluant les effets dus à la présence structurelle d'un défaut dynamique localisé. Inspirés par la complexité et la richesse du processus de translation du ARN messager, nous proposons un nouveau modèle pour la dynamique de particules dont le mouvement est affecté par des modification stochastiques et structurelles de leur conditions de transport. Nous fournissons une description complète du modèle, avec la caractérisation de tous les régimes dynamiques possibles et une explication quantitative des profils macroscopiques du courant. / When the motion of particles driven by external forces is restricted by exclusion mechanisms or bottlenecks, non-trivial space-time correlations in their motion may be observed, giving rise to a dynamics which involves spatial heterogeneities and large fluctuations in time.Here we study two examples of such kind of motion, considering two exclusion processes on discrete lattices in 2d and 1d.The first model is inspired by the slow relaxation occurring when stirring or shearing colloidal or granular materials: at high densities (or packing fractions) increasing the external forcing may lead to a strong increase in the viscosity. We explain the blockage dynamics at high density as the coexistence of blocked and mobile regions and we determine the signature of such dynamics with the use of the thermodynamics of histories. We also quantify the spatial extension of such structures and provide a phenomenological model relating the microscopic properties of the dynamics to the macroscopic flow behavior.The second model consists in a one-dimensional exclusion process incorporating a structural, localized, dynamical defect. Inspired by the complexity and richness of mRNA translation, we propose a new model for the dynamics arising when the particles flow is regulated by structural or conformational changes in the transport medium. We provide a complete description of the model, characterizing all the possible dynamical regimes and addressing a quantitative explanation of the macroscopic current profiles.