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

Dans cette thèse, nous abordons le problème de la stabilisation des systèmes non linéaires. En particulier, nous nous concentrons sur les modèles où l'énergie joue un rôle fondamental. Ce cadre énergétique est adapté pour capturer les phénomènes de plusieurs domaines physiques tels que les systèmes mécaniques, les systèmes électriques, les systèmes hydrauliques, etc. Le point de départ des contrôleurs proposés sont les concepts de système passif, des sorties passives et des fonctions d'énergie (ou stockage). Dans ce travail, nous étudions deux classes de systèmes dynamiques, à savoir les Hamiltoniens à ports (PH) et les Euler-Lagrange (EL), qui conviennent pour représenter de nombreux processus physiques. Une première étape vers la construction des contrôleurs est de montrer la passivité des systèmes PH et la caractérisation de leurs sorties passives. Par la suite, nous explorons l'utilisation des différentes sorties passives dans deux techniques bien connues de contrôle par passivité (PBC), c'est-à-dire le contrôle par interconnexion (CbI) et l'équilibrage énergétique (EB), et nous comparons les résultats obtenus dans les deux approches. De plus, nous proposons une nouvelle méthodologie dans laquelle la loi de commande est composée d'un terme proportionnel (P), un terme intégral (I) et, éventuellement, un terme dérivatif (D) de la sortie passive. Dans cette stratégie, l'énergie du système en boucle fermée est façonnée sans qu'il soit nécessaire de résoudre des équations différentielles partielles (PDE). Nous analysons le scénario du régulateur PID à l'aide des différentes sorties passives précédemment caractérisées. Enfin, nous appliquons un schéma PID-PBC récemment proposé dans la littérature à un système mécanique complexe, à savoir un pendule inversé ultra flexible, représenté sous la forme d'un modèle contraint EL. La conception du contrôleur, la preuve de stabilité, ainsi que les simulations et les résultats expérimentaux sont présentés pour montrer l'applicabilité de cette technique aux systèmes physiques. / In this thesis we address the problem of stabilization of nonlinear systems. In particular, we focus on models where the energy plays a fundamental role. This energy-based framework is suitable to capture the phenomena of several physical domains, such as mechanical systems, electrical systems, hydraulic systems, etc. The starting point in the proposed controllers are the concepts of passive system, passive outputs and energy (storage) functions. In this work we study two classes of dynamical systems, namely port-Hamiltonian (PH) and Euler-Lagrange (EL), which are suitable to represent many physical processes. A first step towards the controller design is to show the passivity of the PH systems and the characterization of their passive outputs. Thereafter, we explore the use of the different passive outputs in two well-known passivity-based control (PBC) techniques, that is control by interconnection (CbI) and energy balancing (EB), and we compare the obtained results in both approaches. In addition, we propose a novel methodology in which the controller consists in a proportional (P), an integral (I) and, possibly, a derivative (D) term of the passive output. In this approach the energy of the closed-loop system is shaped without the necessity of solving partial differential equations (PDEs). We analyze the scenario of the PID controller using the different passive outputs previously characterized. Finally, we apply a PID-PBC scheme recently proposed in the literature to a complex mechanical system, namely an ultra flexible inverted pendulum, which is represented as a constrained EL model. The controller design, the stability proof, as well as simulations and experimental results are presented to show the applicability of this technique to physical systems.

Ce travail de thèse se situe dans le contexte de l'appariement d'images par difféomorphismes qui a été récemment développé dans le but d'applications à l'anatomie computationnelle et l'imagerie médicale. D'un point de vue mathématique, on utilise l'action de groupe de difféomorphismes de l'espace euclidien pour décrire la variabilité des formes biologiques. <br /><br />Le cas des images discontinues n'était compris que partiellement. La première contribution de ce travail est de traiter complètement le cas des images discontinues en considérant comme modèle d'image discontinues l'espace des fonctions à variations bornées. On apporte des outils techniques pour traiter les discontinuités dans le cadre d'appariement par difféomorphismes. Ces résultats sont appliqués à la formulation Hamiltonienne des géodésiques dans le cadre d'un nouveau modèle qui incorpore l'action d'un difféomorphisme sur les niveaux de grille de l'image pour prendre en compte un changement d'intensité. La seconde application permet d'étendre la théorie des métamorphoses développée par A.Trouvé et L.Younes aux fonctions discontinues. Il apparait que la géométrie de ces espaces est plus compliquée que pour des fonctions lisses.<br /><br />La seconde partie de cette thèse aborde des aspects plus probabilistes du domaine. On étudie une perturbation stochastique du système Hamiltonien pour le cas de particules (ou landmarks). D'un point de vue physique, on peut interpréter cette perturbation comme des forces aléatoires agissant sur les particules. Il est donc naturel de considérer ce modèle comme un premier modèle de croissance de forme ou au moins d'évolutions aléatoires de formes.<br /><br />On montre que les solutions n'explosent pas en temps fini presque sûrement et on étend ce modèle stochastique en dimension infinie sur un espace de Hilbert bien choisi (en quelque sorte un espace de Besov ou Sobolev sur une base de Haar). En dimension infinie la propriété précédente reste vraie et on obtient un important (aussi d'un point de vue numérique) résultat de convergence du cas des particules vers le cas de dimension infinie. Le cadre ainsi développé est suffisamment général pour être adaptable dans de nombreuses situations de modélisation.