After a review of the notions of Hausdorff and Fourier dimensions from fractal geometry and Fourier analysis and the properties of local times of Brownian motion, we study the Fourier structure of Brownian level sets. We show that if δa(X) is the Dirac measure of one-dimensional Brownian motion X at the level a, that is the measure defined by the Brownian local time La at level a, and μ is its restriction to the random interval [0, L−1 a (1)], then the Fourier transform of μ is such that, with positive probability, for all 0 ≤ β < 1/2, the function u → |u|β|μ(u)|2, (u ∈ R), is bounded. This growth rate is the best possible. Consequently, each Brownian level set, reduced to a compact interval, is with positive probability, a Salem set of dimension 1/2. We also show that the zero set of X reduced to the interval [0, L−1 0 (1)] is, almost surely, a Salem set. Finally, we show that the restriction μ of δ0(X) to the deterministic interval [0, 1] is such that its Fourier transform satisfies E (|ˆμ(u)|2) ≤ C|u|−1/2, u 6= 0 and C > 0. Key words: Hausdorff dimension, Fourier dimension, Salem sets, Brownian motion, local times, level sets, Fourier transform, inverse local times. / Decision Sciences / PhD. (Operations Research)

L'objet de cette thèse est l'étude du comportement asymptotique des systèmes de fonctions itérées (IFS). Dans un premier chapitre, nous présenterons les notions liées à l'étude de tels systèmes et nous rappellerons différentes applications possibles des IFS telles que les marches aléatoires sur des graphes ou des pavages apériodiques, les systèmes dynamiques aléatoires, la classification de protéines ou encore les mesures quantiques répétées. Nous nous attarderons sur deux autres applications : les chaînes de Markov d'ordre infini et d'ordre variable. Nous donnerons aussi les principaux résultats de la littérature concernant l'étude des mesures invariantes pour des IFS ainsi que ceux pour le calcul de la dimension de Hausdorff. Le deuxième chapitre sera consacré à l'étude d'une classe d'IFS composés de contractions sur des intervalles réels fermés dont les images se chevauchent au plus en un point et telles que les probabilités de transition sont constantes par morceaux. Nous donnerons un critère pour l'existence et pour l'unicité d'une mesure invariante pour l'IFS ainsi que pour la stabilité asymptotique en termes de bornes sur les probabilités de transition. De plus, quand il existe une unique mesure invariante et sous quelques hypothèses techniques supplémentaires, on peut montrer que la mesure invariante admet une dimension de Hausdorff exacte qui est égale au rapport de l'entropie sur l'exposant de Lyapunov. Ce résultat étend la formule, établie dans la littérature pour des probabilités de transition continues, au cas considéré ici des probabilités de transition constantes par morceaux. Le dernier chapitre de cette thèse est, quant à lui, consacré à un cas particulier d'IFS : les chaînes de Markov de longueur variable (VLMC). On démontrera que sous une condition de non-nullité faible et de continuité pour la distance ultramétrique des probabilités de transitions, elles admettent une unique mesure invariante qui est attractive pour la convergence faible. / The purpose of this thesis is the study of the asymptotic behaviour of iterated function systems (IFS). In a first part, we will introduce the notions related to the study of such systems and we will remind different applications of IFS such as random walks on graphs or aperiodic tilings, random dynamical systems, proteins classification or else $q$-repeated measures. We will focus on two other applications : the chains of infinite order and the variable length Markov chains. We will give the main results in the literature concerning the study of invariant measures for IFS and those for the calculus of the Hausdorff dimension. The second part will be dedicated to the study of a class of iterated function systems (IFSs) with non-overlapping or just-touching contractions on closed real intervals and adapted piecewise constant transition probabilities. We give criteria for the existence and the uniqueness of an invariant probability measure for the IFSs and for the asymptotic stability of the system in terms of bounds of transition probabilities. Additionally, in case there exists a unique invariant measure and under some technical assumptions, we obtain its exact Hausdorff dimension as the ratio of the entropy over the Lyapunov exponent. This result extends the formula, established in the literature for continuous transition probabilities, to the case considered here of piecewise constant probabilities. The last part is dedicated to a special case of IFS : Variable Length Markov Chains (VLMC). We will show that under a weak non-nullness condition and continuity for the ultrametric distance of the transition probabilities, they admit a unique invariant measure which is attractive for the weak convergence.

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Nous nous intéressons à trois problèmes issus du monde des arbres aléatoires discrets et continus. Dans un premier lieu, nous faisons une étude générale des arbres de fragmentation auto-similaires, étendant certains résultats de Haas et Miermont en 2006, notamment en calculant leur dimension de Hausdorff sous des hypothèses malthusiennes. Nous nous intéressons ensuite à une suite particulière d’arbres discrets k-aires, construite de manière récursive avec un algorithme similaire à celui de Rémy de 1985. La taille de l’arbre obtenu à la n-ième étape est de l’ordre de n^(1/k), et après renormalisation, on trouve que la suite converge en probabilité vers un arbre de fragmentation. Nous étudions également des manières de plonger ces arbres les uns dans les autres quand k varie. Dans une dernière partie, nous démontrons la convergence locale en loi d’arbres de Galton-Watson multi-types critiques quand on les conditionne à avoir un grand nombre de sommets d’un certain type fixé. Nous appliquons ensuite ce résultat aux cartes planaires aléatoire pour obtenir la convergence locale en loi de grandes cartes de loi de Boltzmann critique vers une carte planaire infinie. / We study three problems related to discrete and continuous random trees. First, we do a general study of self-similar fragmentation trees, extending some results established by Haas and Miermont in 2006, in particular by computing the Hausdorff dimension of these trees under some Malthusian hypotheses. We then work on a particular sequence of k-ary growing trees, defined recursively with a similar method to Rémy’s algorithm from 1985. We show that the size of the tree obtained at the n-th step if of order n^(1/k), and, after renormalization, we prove that the sequence convergences to a fragmentation tree. We also study embeddings of the limiting trees as k varies. In the last chapter, we show the local convergence in distribution of critical multi-type Galton-Watson trees conditioned to have a large number of vertices of a fixed type. We then apply this result to the world of random planar maps, obtaining that large critical Boltzmann-distributed maps converge locally in distribution to an infinite planar map.

L’objet de cette thèse est d’étudier plusieurs modèles probabilistes reliant les marches aléatoires et les arbres aléatoires issus de processus de branchement critiques.Dans la première partie, nous nous intéressons au modèle de marche aléatoire à valeurs dans un réseau euclidien et indexée par un arbre de Galton–Watson critique conditionné par la taille. Sous certaines hypothèses sur la loi de reproduction critique et la loi de saut centrée, nous obtenons, dans toutes les dimensions, la vitesse de croissance asymptotique du nombre de points visités par cette marche, lorsque la taille de l’arbre tend vers l’infini. Ces résultats nous permettent aussi de décrire le comportement asymptotique du nombre de points visités par une marche aléatoire branchante, quand la taille de la population initiale tend vers l’infini. Nous traitons également en parallèle certains cas où la marche aléatoire possède une dérive constante non nulle.Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les propriétés fractales de la mesure harmonique des grands arbres de Galton–Watson critiques. On comprend par mesure harmonique la distribution de sortie, hors d’une boule centrée à la racine de l’arbre, d’une marche aléatoire simple sur cet arbre. Lorsque la loi de reproduction critique appartient au domaine d’attraction d’une loi stable, nous prouvons que la masse de la mesure harmonique est asymptotiquement concentrée sur une partie de la frontière, cette partie ayant une taille négligeable par rapport à celle de la frontière. En supposant que la loi de reproduction critique a une variance finie, nous arrivons à évaluer la masse de la mesure harmonique portée par un sommet de la frontière choisi uniformément au hasard. / The aim of this Ph. D. thesis is to study several probabilistic models linking the random walks and the random trees arising from critical branching processes.In the first part, we consider the model of random walk taking values in a Euclidean lattice and indexed by a critical Galton–Watson tree conditioned by the total progeny. Under some assumptions on the critical offspring distribution and the centered jump distribution, we obtain, in all dimensions, the asymptotic growth rate of the range of this random walk, when the size of the tree tends to infinity. These results also allow us to describe the asymptotic behavior of the range of a branching random walk, when the size of the initial population goes to infinity. In parallel, we treat likewise some cases where the random walk has a non-zero constant drift.In the second part, we focus on the fractal properties of the harmonic measure on large critical Galton–Watson trees. By harmonic measure, we mean the exit distribution from a ball centered at the root of the tree by simple random walk on this tree. If the critical offspring distribution is in the domain of attraction of a stable distribution, we prove that the mass of the harmonic measure is asymptotically concentrated on a boundary subset of negligible size with respect to that of the boundary. Assuming that the critical offspring distribution has a finite variance, we are able to calculate the mass of the harmonic measure carried by a random vertex uniformly chosen from the boundary.

Nous étudions les propriétés métriques locales des ensembles de niveau des applicationshorizontalement différentiables entre des groupes de Carnot, c'est-à-dire différentiable par rapport à la structure sous-riemannienne intrinsèque.Nous considérons des applications dont la différentielle horizontale est surjective,et notre étude peut être vue comme une généralisation du théorème des fonctions implicites pour les groupes de Carnot.Tout d'abord, nous présentons deux notions de tangence dans les groupes de Carnot:la première basée sur la condition de platitude au sens de Reifenberg et la deuxième issue de l'analyse convexe classique.Nous montrons que dans les deux cas, l'espace tangent à un ensemble de niveau coïncide avec le noyau de la différentielle horizontale.Nous montrons que cette condition de tangence caractérise en fait les ensembles de niveaudits ‘co-abéliens', c'est-à-dire ceux pour lesquels l'espace d'arrivée est abélien, et qu'une telle caractérisation n'est pas vraie en général.Ce résultat sur les espaces tangents a plusieurs conséquences remarquables.La plus importante est que la dimension de Hausdorff des ensembles de niveau est celle à laquelle l'on s'attend.Nous montrons également la connectivité locale des ensembles de niveau, et le fait que les ensembles de niveau de dimension 1 sont topologiquement des arcs simples.Pour les ensembles de niveau de dimension 1 nous trouvons une formule de l'aire qui permet d'exprimer la mesure de Hausdorff en termes d'intégrales de Stieltjes généralisées.Ensuite, nous menons une étude approfondie du cas particulier des ensembles de niveau dans les groupes d'Heisenberg.Nous montrons que les ensembles de niveau sont topologiquement équivalents à leurs espaces tangents.Il s'avère que la mesure de Hausdorff des ensembles de niveau de codimension élevée est souvent irrégulière, étant, par exemple, localement nulle ou infinie.Nous présentons une condition simple de régularité supplémentaire pour une application pour assurer la régularité au sens d'Ahlfors des ses ensembles de niveau.Parmi d'autres résultats, nous obtenons une nouvelle caractérisation généraledes graphes Lipschitziens associés à une décomposition en produit semi-direct d'un groupe de Carnot.Nous traitons, en particulier, le cas des groupes de Carnot dont le nombre de stratesest plus grand que $2$.Cette caractérisation nous permet de déduire une nouvelle caractérisation des ensemblesde niveau co-abéliens qui admettent une représentation en tant que graphe. / Metric properties of level sets of differentiable maps on Carnot groupsAbstract.We investigate the local metric properties of level sets of mappings defined between Carnot groups that are horizontally differentiable, i.e.with respect to the intrinsic sub-Riemannian structure. We focus on level sets of mapping having a surjective differential,thus, our study can be seen as an extension of implicit function theorem for Carnot groups.First, we present two notions of tangency in Carnot groups: one based on Reifenberg's flatness condition and another coming from classical convex analysis.We show that for both notions, the tangents to level sets coincide with the kernels of horizontal differentials.Furthermore, we show that this kind of tangency characterizes the level sets called ``co-abelian'', i.e.for which the target space is abelian andthat such a characterization may fail in general.This tangency result has several remarkable consequences.The most important one is that the Hausdorff dimension of the level sets is the expected one. We also show the local connectivity of level sets and, the fact that level sets of dimension one are topologically simple arcs.Again for dimension one level set, we find an area formula that enables us to compute the Hausdorff measurein terms of generalized Stieltjes integrals.Next, we study deeply a particular case of level sets in Heisenberg groups. We show that the level sets in this case are topologically equivalent to their tangents.It turns out that the Hausdorff measure of high-codimensional level sets behaves wildly, for instance, it may be zero or infinite.We provide a simple sufficient extra regularity condition on mappings that insures Ahlfors regularity of level sets.Among other results, we obtain a new general characterization of Lipschitz graphs associated witha semi-direct splitting of a Carnot group of arbitrary step.We use this characterization to derive a new characterization of co-ablian level sets that can be represented as graphs.

Tato diplomová práce se zabývá teorií fraktálů a popisuje patričné potíže při zavedení pojmu fraktál. Dále se v práci navrhuje několik metod, které se použijí na aproximaci fraktálních dimenzí různých množin zobrazených na zařízeních s konečným rozlišením. Tyto metody se otestují na takových množinách, jejichž dimenze známe, a na závěr se výsledky porovnávají.

This Master's thesis deals with history of Fractal geometry and describes the fractal science development. In the begining there are essential Fractal science terms explained. Then description of fractal types and typical or most known examples of them are mentioned. Fractal knowledge application besides computer graphics area is discussed. Thesis informs about fractal geometry practical usage. Few present software packages or more programs which can be used for making fractal pictures are described in this work. Some of theirs capabilities are described. Thesis' practical part consists of slides, demonstrational program and poster. Electronical slides represents brief scheme usable for fractal geometry realm lectures. Program generates selected fractal types. Thesis results are projected on poster.

Fractals is a relatively new mathematical topic which received thorough treatment only starting with 1960's. Fractals can be observed everywhere in nature and in day-to-day life. To give a few examples, common fractals are the spiral cactus, the romanesco broccoli, human brain and the outline of the Swedish map. Fractal dimension is a dimension which need not take integer values. In fractal geometry, a fractal dimension is a ratio providing an index of the complexity of fractal pattern with regard to how the local geometry changes with the scale at which it is measured. In recent years, fractal analysis is used increasingly in many areas of engineering and technology. Among others, fractal analysis is used in signal and image compression, computer and video design, neuroscience and fractal based cancer modelling and diagnosing.   This study consists of two main parts. The first part of the study aims to understand the appearance of an irregular Cantor set generated by the chaotic dynamical system generated by the logistic function on the unit interval [0,1]. In order to understand this irregular Cantor set, we studied the topological properties of the Cantor Middle-thirds set and the generalised Cantor sets, all of which have zero length. The necessity to compare these sets with regard to their size led us to the second part of this paper, namely the dimension studies of fractals. More complex fractals were presented in the second part, three definitions of dimension were introduced. The fractal dimension of the irregular Cantor set generated by the logistic mapping was estimated and we found that the Hausdorff dimension has the widest scope and greatest flexibility in the fractal studies. / Fraktaler är ett relativt nytt ämne inom matematik som fick sitt stora genomslag först efter 60-talet.  En fraktal är ett självliknande mönster med struktur i alla skalor. Några vardagliga exempel på fraktaler är spiralkaktus, romanescobroccoli, mänskliga hjärnan, blodkärlen och Sveriges fastlandskust. Bråktalsdimension är en typ av dimension där dimensionsindexet tillåts att anta alla icke-negativa reella tal. Inom fraktalgeometri kan dimensionsindexet betraktas som ett komplexitetsindex av mönstret med avseende på hur den lokala geometrin förändras beroende på vilken skala mönstret betraktas i. Under det senaste decenniet har fraktalanalysen använts alltmer flitigt inom tekniska och vetenskapliga tillämpningar. Bland annat har fraktalanalysen använts i signal- och bildkompression, dator- och videoformgivning, neurovetenskap och fraktalbaserad cancerdiagnos.   Denna studie består av två huvuddelar. Den första delen fokuserar på att förstår hur en fraktal kan uppstå i ett kaotiskt dynamiskt system. För att vara mer specifik studerades den logistiska funktionen och hur denna ickelinjära avbildning genererar en oregelbunden Cantormängd på intervalet [0,1]. Vidare, för att förstå den oregelbundna Cantormängden studerades Cantormängden (eng. the Cantor Middle-Thirds set) och de generaliserade Cantormängderna, vilka alla har noll längd. För att kunna jämföra de olika Cantormängderna med avseende på storlek, leds denna studie vidare till dimensionsanalys av fraktaler som är huvudämnet i den andra delen av denna studie. Olika topologiska fraktaler presenterades, tre olika definitioner av dimension introducerades, bland annat lådräkningsdimensionen och Hausdorffdimensionen. Slutligen approximerades dimensionen av den oregelbundna Cantormängden med hjälp av Hausdorffdimensionen. Denna studie demonstrerar att Hausdorffdimensionen har större omfattning och mer flexibilitet för fraktalstudier.