Les technologies modernes permettent d'avoir des renseignements toujours plus précis sur les interactions entre individus. Dans ce contexte, la collaboration SocioPatterns a permis de développer une infrastructure mesurant, avec une très grande résolution temporelle, la proximité face-à-face d'individus volontaires, portant des badges de radio-identi cation. Cette infrastructure a été déployée dans divers contextes, tels que des conférences scienti ques, un musée, une école ou encore un service hospitalier. La simple analyse de ces données représente un enjeu majeur pour l'étude de la dynamique humaine et soulève des questions aussi fondamentales que la recherche d'outils et de techniques d'analyse adaptés. Cette thèse présente la caractérisation statistique de la dynamique de proximité physique, mise en relation avec le contexte et les autres métadonnées disponibles, telles que l'âge, le sexe des individus, ou bien la structure de leurs réseaux sociaux virtuels. Si la structure des contacts diff ère considérablement selon le contexte, les distributions empiriques des durées des interactions et entre interactions sont très similaires. Un modèle individu-centré, présenté dans cette thèse, propose des règles d'interactions microscopiques simples susceptibles de donner lieu à cette structure macroscopique complexe des temps d'interaction. Enfin, la caractérisation de la dynamique des contacts entre individus constitue une étape cruciale pour comprendre les mécanismes de propagation de maladies telles que la grippe dans une population. Les données de proximité humaine ont permis d'étudier la quantité d'informations nécessaires sur la dynamique des contacts pour la construction de modèles épidémiologiques de contagion. De tels modèles permettent de mieux estimer a priori l'impact de stratégies de santé publique telles que la fermeture de classes et les vaccinations ciblées.

Partant des composés ATiO3 (A=Ba, Pb, Sr) bien connus pour leurs propriétés de type ferroélectriques, il est possible de concevoir des super-réseaux de basse dimensionnalité (multi-couches, phases de type ,…) où ces propriétés peuvent être modulées en fonction de la composition, de l'épaisseur des couches mises en jeu, des contraintes aux interfaces. Nous proposons ici d'étudier par calculs de premiers principes les instabilités structurales et la dynamique de réseau pour des systèmes simples dans cette famille. En définissant clairement les zones interfaciales et de cœur des couches, et en étudiant la convergence de leurs propriétés en fonction de l'épaisseur, ce travail vise à établir des potentiels interatomiques modèles, analytiques et transférables, pour la prédiction des propriétés dynamiques et des instabilités structurales de super-réseaux étendus et/ou complexes. / The aim of the present thesis is to investigate, from first-principles, the ferroelectricproperties and related phase transition behaviors in perovskite type compounds. Wewill not focus only on the bulk perovskite systems, but also on related layered superlatticeswhere the interface may play an important role and induce new phenomena.

Cette thèse développe une nouvelle approche pour la conception d'un reservoir computer, l'un des défis de la science et de la technologie modernes. La thèse se compose de deux parties, toutes deux s'appuyant sur l'analogie entre les systèmes optoelectroniques à retard et les dynamiques spatio-temporelles non linéaires. Dans la première partie (Chapitres 1 et 2) cette analogie est utilisée dans une perspective fondamentale afin d'étudier les formes auto-organisées connues sous le nom d'états Chimère, mis en évidence une première fois comme une conséquence de ces travaux. Dans la deuxième partie (Chapitres 3 et 4) la même analogie est exploitée dans une perspective appliquée afin de concevoir et mettre en oeuvre un concept de traitement de l'information inspiré par le cerveau: un réservoir computer fonctionnant en temps réel est construit dans une puce FPGA, grâce à la mise en oeuvre d'une dynamique à retard et de ses couches d'entrée et de sortie, pour obtenir un système traitement d'information autonome intelligent. / The thesis develops a novel approach to design of a reservoir computer, one of the challenges of modern Science and Technology. It consists of two parts, both connected by the correspondence between optoelectronic delayed-feedback systems and spatio-temporal nonlinear dynamics. In the first part (Chapters 1 and 2), this correspondence is used in a fundamental perspective, studying self-organized patterns known as chimera states, discovered for the first time in purely temporal systems. Study of chimera states may shed light on mechanisms occurring in many structurally similar high-dimensional systems such as neural systems or power grids. In the second part (Chapters 3 and 4), the same spatio-temporal analogy is exploited from an applied perspective, designing and implementing a brain-inspired information processing device: a real-time digital reservoir computer is constructed in FPGA hardware. The implementation utilizes delay dynamics and realizes input as well as output layers for an autonomous cognitive computing system.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de systèmes complexes appliqués aux systèmes économiques. Dans cette thèse, un modèle multi-agent a été proposé, qui modélise le cycle de production. Il est consitué d'entreprises, ouvirers/foyers, et une banque, et repecte la conservation de la monnaie. Son hypothèse centrale est que les entreprises se basent sur une marge espérée pour déterminer leur production. Un scénario simple de ce modèle, ou les marges espérées sont homogènes, a été analysé dans le cadre de models de croissance stochastique. Les résultats sont la distribution de tailles d'entreprises rassemblant des lois de puissance, et leur distribution du taux de croissance de forme 'tente', ainsi qu'une dépendence de taille de la variance de la croissance. Ces résultats sont proches aux faits stylisés issus d'études empiriques. Dans un scénario plus complet, le modèle contient des caractéristiques supplémentaires: des marges espérées hétérogèges, ainsi que des paiements d'intérêts, la possibilité de faire faillite. Cela ramène le modèle aux modèles macro-économiques multi-agents. Les extensions sont décrites de façon théorique par des équations de replicateur. Les résultats nouveaux sont la distribution d'age d'entreprises actives, la distribution de leur taux de profit, la distribution de dette, des statistiques sur les faillites, et des cycles de vie caractéristiques. Tout ces résultats sont qualitativement en accord avec des résultats d'études empiriques de plusieurs pays.Le modèle proposé génère des résultats prometteurs, en respectant le principe que des résultats qui apparaissent simultanément peuvent soit etre générés par un même processus, soit par plusieurs aui qui sont compatibles. / The thesis is in the field of complex systems, applied to an economic system. In this thesis, an agent-based model has been proposed to model the production cycle. It comprises firms, workers, and a bank, and respects stock-flow consistency. Its central assumption is that firms plan their production based on an expected profit margin. A simple scenario of the model, where the expected profit margin is the same for all firms, has been analyzed in the context of simple stochastic growth models. Results are a firms' size distribution close to a power law, and tent-shaped growth rate distribution, and a growth rate variance scaling with firm size. These results are close to empirically found stylized facts. In a more comprehensive version, the model contains additional features: heterogeneous profits margins, as well as interest payments and the possibility of bankruptcy. This relates the model to agent-based macroeconomic models. The extensions are described theoretically theoretically with replicator dynamics. New results are the age distribution of active firms, their profit rate distribution, debt distribution, bankruptcy statistics, as well as typical life cycles of firms, which are all qualitatively in agreement with studies of firms databases of various countries.The proposed model yields promising results by respecting the principle that jointly found results may be generated by the same process, or by several ones which are compatible.

Dans un environnement fortement concurrentiel, les industriels doivent constamment améliorer leurs produits pour rester compétitifs et satisfaire au mieux leurs clients tout en minimisant les coûts et la prise de risques en conception. En phase préliminaire de conception ou de (re-)engineering, prédire les performances de nouveaux produits est une tâche difficile. En effet, l’impact des changements opérés sur les caractéristiques du produit relativement aux performances de celui-ci ne peut être estimé que de façon imprécise. Décideurs et concepteurs doivent pourtant identifier les performances à améliorer en limitant les efforts d’ingénierie déployés pour des améliorations innovantes. Bien que plusieurs indicateurs de plus-value aient été proposés par la communauté de la décision multicritère pour évaluer a priori l’amélioration que confère un changement de configuration à un produit, ils semblent néanmoins reposer sur des hypothèses de réalisabilité des gains de performance peu réalistes dans le contexte manufacturier.Sur la base de techniques d’analyse multicritère et de théorie des possibilités, cette thèse propose une extension de ces indices de plus-values lorsque la vraisemblance des améliorations espérées ne peut être évaluée de façon précise comme c’est le cas en phase de conception préliminaire. Cette connaissance imparfaite des relations entre les actions d’amélioration et les performances espérées rend la question « comment se fixer des objectifs ambitieux lorsque l’on conçoit ou améliore un produit tout en faisant en sorte que ces objectifs restent à la portée du manufacturier ? » d’autant plus complexe. Ainsi, les améliorations qu’il faut planifier doivent à la fois avoir un impact significatif sur la performance du produit et correspondre à des compétences maîtrisées par le manufacturier. Plusieurs approches de la littérature se sont intéressées à ces deux aspects de l’amélioration, mais peu d’entre elles les considèrent conjointement. Nous proposons dans cette thèse plusieurs approches qualitatives et possibilistes qui concilient les deux points de vue à travers des problèmes d’optimisation multi-attributs. La notion d’interaction entre deux dimensions de la performance y est centrale. Un exemple relatif à la conception d’un robot autonome est proposé pour illustrer chacune de nos propositions. Cette étude de cas est issue du challenge Robafis qui est organisé annuellement par l’Association Française d’ingénierie Système (AFIS) pour promouvoir l’ingénierie système dans les écoles d’ingénieurs. / In a highly competitive and unstable environment, manufacturers must constantly improve their products to remain competitive and satisfy their customers while minimizing incurred costs and risk taking at the design stage. At the early stages of (re-)engineering, performances forecasting of new product is complicated. Indeed, the impacts of any characteristic change on the product performance are not precisely known. Decision makers must thus identify the performances to be improved while limiting the engineering efforts spent on innovative upgrades. Although some theoretical worth indexes have been proposed in the multiple criteria decision-making literature to estimate the expectable gains when improving changes are planned, they generally rely on non-realistic assumptions on the achievability of the expected improvements that cannot hold in manufacturing contexts. Based on multi-criteria decision analysis techniques and uncertainty theory, this thesis proposes an extension of the worth index concept when the likelihood of the expected improvements is not precisely known as it is the case at the preliminary stages of design activities. This poor knowledge of the relationships between improvement actions and expected performances makes the issue “how to set ambitious targets when improving or designing product while these targets remain within the reach of the manufacturer” all the thornier. Thus, improvements to be focused on are those which both have a significant positive impact on product performance and correspond to operational changes properly under control by the manufacturer. While some approaches in the literature have already addressed each of the two aspects of the improvement problem, few deal with both of them at the same time. We investigate several qualitative and possibilistic approaches that conciliate both points of view as multi attributes optimization problems. The notion of interaction between any two objectives to be simultaneously satisfied is central in our framework. An illustrative example related to the design phase of autonomous robot is provided. This case study is issued from the robotic challenge Robafis that is organized annually by the French association of Systems Engineering AFIS to promote Systems Engineering practice in engineers’ schools.

Cette thèse est consacrée à l’étude statistique des systèmes complexes à travers l’analyse de signaux expérimentaux, de signaux synthétiques et de signaux générés à partir de modèles théoriques. On a choisi la turbulence comme paradigme d’ ́etude en raison de ses propriétés: dynamique non linéaire, comportement multi-échelle, cascade d’énergie, intermittence ... Afin de faire une caractérisation statistique d’un système complexe on s’intéresse à l’étude de la distribution (fonction de densité de probabilité), des corrélations et dépendances, et des relations de causalité de Wiener, des signaux qui décrivent le système. La théorie de l’information apparaît comme un cadre idéal pour developer ce type d’analyse. Dans le cadre de la théorie de l’information on a développé deux méthodologies, différentes mais reliées, pour analyser les propriétés d’auto similarité d’un système complexe, et plus précisément de la turbulence. La première méthodologie est basée sur l’analyse des incréments du processus étudié, avec l’entropie de Shannon et la divergence de Kullback-Leibler. La deuxième méthode, qui permet d’analyser des processus non stationnaires, est basée sur l’analyse du processus avec le taux d’entropie de Shannon. On a étudié la relation entre les deux méthodologies, lesquelles caractérisent la distribution d’information du système et la déformation de la distribution des incréments, à travers les échelles. / Most of the time when studying a system, scientists face processes whose properties are a priori unknown. Characterising these processes is a major task to describe the studied system. During this thesis, which combines signal processing and physics, we were mainly motivated by the study of complex systems and turbulence, and consequently, we were interested in the study of regularity and self-similarity properties, long range dependence structures and multi-scale behavior. In order to perform this kind of study, we use information theory quantities, which are functions of the probability density function of the analysed process, and so depend on any order statistics of its PDF. We developed different, but related, data analysis methodologies, based on information theory, to analyse a process across scales τ. These scales are usually identified with the sampling parameter of Takens embedding procedure, but also with the size of the increments of the process. The methodologies developed during this thesis, can be used to characterize stationnary and non-stationnary processes by analysing time windows of length T of the studied signal.

Cette grammaire de l’amuzgo (ISO 639-3) ou n͂omndaa (littéralement ‘le mot de l’eau’) tend à combler un manque de travaux théoriques sur cette langue otomangue de la branche orientale (branche qu’elle partage avec le mixtec). La source référentielle Ethnologue lui attribue le statut ‘en développement’. Pourtant, l’amuzgo reste vulnérable sur le plan socio-politique de par son statut de langue indigène du Mexique : le village Xochistlahuaca (Etat de Guerrero) est la 16è municipalité la plus pauvre du pays. En employant des approches non-concaténatives de phonologie et de morphologie, telles la phonologie gabaritique, la morphologie templatique, et des formalismes non-lexicalistes comme le Paradigm Function Morphology, cette grammaire cherche à modéliser des systèmes complexes représentés dans cette langue. Des approches non-linéaires sont plus aptes à rendre compte des inventaires élaborés comme les tons, et (dans une échelle scalaire) la phonation non-modale, la nasalisation, et la balisticité (un contraste phonétique et articulatoire au niveau de la syllabe). Ces systèmes complexes comprennent des fonctions lexico-grammaticales par grades à travers des structures diverses dans la grammaire, de la lexicalité à la phonologie interne, de la dérivation à la flexion. / This grammar of Amuzgo (ISO 639-3), endonymically n͂omndaa, literally ‘the word of water’) seeks to fill a lack in theoretical work on this Otomanguean language from the Eastern branch (shared with Mixtec). Rated as developing by the reference Ethnologue, this language is nevertheless in a constant position of socio-political vulnerability as an indigenous language of Mexico, spoken in the village of Xochistlahuaca (Guerrero State), also the 16th poorest municipality in the country. Using non-concatenative approaches in phonology and morphology such as autosegmental phonology, templatic morphology and non-lexical morphological formalisms such as Paradigm Function Morphology, this grammar seeks to model complex systems represented in this language. Non-linear approaches account for elaborate inventories of tone, and, in a gradient scale, non-modal phonation and autosegments like nasalization and ballisticity, a syllable level contrast of phonetic and articulatory saliency. These complex systems display gradient lexical-grammatical functions across structures in the grammar, from lexicality to internal phonology, to derivation and inflection.

La représentation de l’information mnésique est toujours une question d’intérêt majeur en neurobiologie, mais également, du point de vue informatique, en apprentissage artificiel. Dans certains modèles de réseaux de neurones artificiels, nous sommes confrontés au dilemme de la récupération de l’information sachant, sur la base de la performance du modèle, que cette information est effectivement stockée mais sous une forme inconnue ou trop complexe pour être facilement accessible. C’est le dilemme qui se pose pour les grands réseaux de neurones et auquel tente de répondre le paradigme du « reservoir computing ».Le « reservoir computing » est un courant de modèles qui a émergé en même temps que le modèle que nous présentons ici. Il s’agit de décomposer un réseau de neurones en (1) une couche d’entrée qui permet d’injecter les exemples d’apprentissage, (2) un « réservoir » composé de neurones connectés avec ou sans organisation particulière définie, et dans lequel il peut y avoir des mécanismes d’adaptation, (3) une couche de sortie, les « readout », sur laquelle un apprentissage supervisé est opéré. Nous apportons toutefois une particularité, qui est celle d’utiliser les délais axonaux, temps de propagation d’une information d’un neurone à un autre. Leur mise en oeuvre est un apport computationnel en même temps qu’un argument biologique pour la représentation de l’information. Nous montrons que notre modèle est capable d’un apprentissage artificiel efficace et prometteur même si encore perfectible. Sur la base de ce constat et dans le but d’améliorer les performances nous cherchons à comprendre les dynamiques internes du modèle. Plus précisément nous étudions comment la topologie du réservoir peut influencer sa dynamique. Nous nous aidons pour cela de la théorie des groupes polychrones. Nous avons développé, pour l’occasion, des algorithmes permettant de détecter ces structures topologico-dynamiques dans un réseau, et dans l’activité d’un réseau de topologie donnée.Si nous comprenons les liens entre topologie et dynamique, nous pourrons en tirer parti pour créer des réservoirs adaptés aux besoins de l’apprentissage. Finalement, nous avons mené une étude exhaustive de l’expressivité d’un réseau en termes de groupes polychrones, en fonction de différents types de topologies (aléatoire, régulière, petit-monde) et de nombreux paramètres (nombre de neurones, connectivité, etc.). Nous pouvons enfin formuler un certain nombre de recommandations pour créer un réseau dont la topologie peut être un support riche en représentations possibles. Nous tentons également de faire le lien avec la théorie cognitive de la mémoire à traces multiples qui peut, en principe, être implémentée et étudiée par le prisme des groupes polychrones. / How memory information is represented is still an open question in neurobiology, but also, from the computer science point of view, in machine learning. Some artificial neuron networks models have to face the problem of retrieving information, knowing that, in regard to the model performance, this information is actually stored but in an unknown form or too complex to be easily accessible. This is one of the problems met in large neuron networks and which « reservoir computing » intends to answer.« Reservoir computing » is a category of models that has emerged at the same period as, and has propoerties similar to the model we present here. It is composed of three parts that are (1) an input layer that allows to inject learning examples, (2) a « reservoir » composed of neurons connected with or without a particular predefined, and where there can be adaptation mecanisms, (3) an output layer, called « readout », on which a supervised learning if performed. We bring a particularity that consists in using axonal delays, the propagation time of information from one neuron to another through an axonal connexion. Using delays is a computational improvement in the light of machin learning but also a biological argument for information representation.We show that our model is capable of a improvable but efficient and promising artificial learning. Based on this observation and in the aim of improving performance we seek to understand the internal dynamics of the model. More precisely we study how the topology of the reservoir can influence the dynamics. To do so, we make use of the theory of polychronous groups. We have developped complexe algorithms allowing us to detect those topologicodynamic structures in a network, and in a network activity having a given topology.If we succeed in understanding the links between topology and dynamics, we may take advantage of it to be able to create reservoir with specific properties, suited for learning. Finally, we have conducted an exhaustive study of network expressivness in terms of polychronous groups, based on various types of topologies (random, regular, small-world) and different parameters (number of neurones, conectivity, etc.). We are able to formulate some recommandations to create a network whose topology can be rich in terms of possible representations. We propose to link with the cognitive theory of multiple trace memory that can, in principle, be implemented and studied in the light of polychronous groups.

L'objectif principal de la thèse consiste à explorer des problématiques propres aux sciences sociales et à les étudier à l'aide d'outils issus du champ de la physique statistiques et des systèmes complexes. Le travail de la thèse s'est ainsi décliné sur trois grands sujets dont la problématique principale est la question de l'agrégation d'entités individuelles en une structure collective. Le premier sujet est centré sur un exemple paradigmatique de l'émergence d'un comportement collectif macroscopique inattendu à partir de règles individuelles simples: le modèle de ségrégation de Schelling. Nous avons notamment proposé une résolution analytique inédite de ce modèle et nous avons étudié analytiquement et via des simulations l'impact de différentes formes de coopération entre agents individuels sur le comportement collectif global. Cette thématique a été développée à la fois d'un point de vue économique et d'un point de vue physique. Le second sujet porte sur l'exploration de bases de données bibliométriques. Nous avons ainsi produit des 'cartes des sciences' représentant le champ des systèmes complexes (sa structure interne étant décrypté via une analyse des références utilisées par ~140000 articles) ou encore l'état de la recherche au sein d'un établissement tel que l'ENS de Lyon. Enfin, le troisième thème porte sur l'élaboration de modèles basés sur des outils des sciences 'dures' mais sociologiquement fondés. Nous présentons ainsi le processus d'élaboration d'un modèle construit avec une équipe de sociologues. Enfin, nous développons un modèle d'opinion répondant spécifiquement à une question: l'existence de structures qui durent à partir d'entités qui ne durent pas. / This thesis explores the problems raised by the aggregation of entities into a global, collective level, an old problem encountered in many fields of science. We work on three projects related to the aggregation problem in social systems, using tools derived from statistical physics, and more generally quantitative tools. The first project focus on a paradigmatic model of the emergence of puzzling macroscopic behavior from simple individual rules, Schelling's segregation model. We hence propose an analytical resolution of this model and we studied analytically and via simulations the effect of several forms of cooperation between individual agents on the collective behavior. These questions are tackled in a mutually beneficial way for both economics and physics. The second project is based on the exploration of huge databases on scientific literature. We hence produce several 'science maps' representing the fields of complex systems (its internal structure and coherence being analysed through the references used by ~140000 relevant articles) and the research carried out in a scientific institution such as the ENS de Lyon. Finally, the third project deals with the elaboration of models of social phenomena based on natural sciences tools but sociologically grounded. We hence present the elaboration process of a model built with a team of sociologists. We then propose an opinion model specifically designed to explore a single question: the existence of lasting structure from non lasting entities.

Le risque est une propriété inhérente de chaque projet. En effet, tout projet est soumis, durant l’ensemble de son cycle de vie, à de nombreux risques qui sont d’origine interne et externe dont la maîtrise est un enjeu crucial pour la réussite du projet. Beaucoup d'outils de gestion des risques ont été développés, mais ont la faiblesse récurrente de ne représenter que le projet et traitent le risque de façon isolée. Les risques affectant le projet et étant générés par ce dernier, il est nécessaire de prendre en compte les nombreuses et complexes interactions entre projet, environnement et risques.Les travaux réalisés visent à mettre en place une méthode de gestion des risques inhérents aux projets en général et plus particulièrement aux projets du domaine compétitif des énergies renouvelables.Cette méthode s’appuie sur un cadre formel et des outils applicatifs permettant d’optimiser le management des risques liés au projet. En effet, un cadre de modélisation servant de support à la méthode et ayant pour but de faciliter la modélisation du projet en tant que système complexe a été déterminé. De plus, la représentation des interactions inhérentes au projet et la prise de décision ont été rendues possibles par la nature des attributs caractérisant les entités du projet et de son environnement, et les différents modèles d’évaluation, d’interprétation et de choix des alternatives. Cette méthode a été adaptée à la prise en compte des incertitudes inhérentes au projet et à son environnement. Pour cela, nous avons d’abord procédé à l’identification et à la description des incertitudes via la réalisation d’une base de connaissances relatives aux facteurs de risques et à la documentation des variables incertaines. Les incertitudes ont ensuite été formalisées, propagée et évaluées. / Risk is an inherent property of each project. Indeed, any project faces, throughout its whole life cycle, numerous risks. Those risks can have an internal or an external origin. Be able to control risks is a crucial stake for the project success. Many risk management tools have been developed, but have the recurring weakness of representing only the project and treating the risk in isolation. Risks affect the project and are generated by the project itself. So, it is necessary to consider the numerous and complex interactions between project, environment and risks.The work carried out aims to develop a risk management method suitable for all types of projects and more particularly for projects of the competitive field of renewable energies.This method relies on a formal framework, as well as on application tools to optimize project risk management. Indeed, a modeling framework which supports the method and aims to facilitate the modeling of the project as a complex system has been developed. Moreover, the representation of the interactions and the decision making have been allowed by the nature of the attributes characterizing the entities of the project and its environment and the different models for evaluation, interpretation and selection of alternatives. This method was adapted to the uncertain context. For this purpose, uncertainties have been identified and described via the realization of a data base on risk factors. Then, uncertainties have been formalized, propagated and evaluated.