Ce travail, à la frontière de l’analyse et des probabilités, s’intéresse à l’étude de systèmes différentiels a priori mal posés. Nous cherchons, grâce à des techniques issues de la théorie des chemins rugueux et de l’étude trajectorielle des processus stochastiques, à donner un sens à de tels systèmes puis à les résoudre, tout en montrant que les notions proposées ici étendent bien les notions classiques de solutions. Cette thèse se décompose en trois chapitres. Le premier traite des systèmes différentiels ordinaires perturbés additivement par des processus irréguliers éventuellement stochastiques ainsi que des effets de régularisation de tels processus. Le deuxième chapitre concerne l’équation de transport linéaire perturbée multiplicativement par des chemins rugueux ; enfin, le dernier chapitre s’intéresse à une équation de la chaleur non linéaire perturbée par un bruit blanc espace-temps, l’équation de quantisation stochastique phi4 en dimension 3. / In this work we investigate a priori ill-posed differential systems from an analytic and probabilistic point of view. Thanks to technics inspired by the rough path theory and pathwise study of stochastic processes, we want to define those ill-posed systems and then study them. The first chapter of this thesis is related to ordinary differential equations perturbed by some irregular (stochastic) processes and the effects induced by the regularization of such processes. The second chapter deals with the linear transport equation multiplicatively perturbed by a rough path. Finally, in the last chapter we investigate the stochastic quantization equation Phi4 in three dimensions.

[pt] Um dos principais desafios no mercado financeiro é simular preços mantendo a estrutura de correlação entre os inúmeros ativos de um portfólio. Análise de Componentes Principais emerge como uma solução para este último problema. Além disso, dada a incerteza presente nos mercados de commodities de derivados de petróleo, o investidor quer proteger seus ativos de perdas potenciais. Como uma alternativa a esse problema, a otimização de várias medidas de risco, como Value-at-risk, Conditional Value-at-risk e medida Ômega, são ferramentas financeiras importantes. Além disso, o backtest é amplamente utilizado para validar e analisar o desempenho do método proposto. Nesta dissertação, trabalharemos com um portfólio de commodities de petróleo. Vamos unir diferentes técnicas e propor uma nova metodologia que consiste na diminuição da dimensão do portfólio proposto. O passo seguinte é simular os preços dos ativos na carteira e, em seguida, otimizar a alocação do portfólio de commodities de derivados do petróleo. Finalmente, vamos usar técnicas de backtest, a fim de validar nosso método. / [en] One of the main challenges in the financial market is to simulate prices keeping the correlation structure among numerous assets. Principal Component Analysis emerges as solution to the latter problem. Also, given the uncertainty present in commodities markets, an investor wants to protect his/her assets from potential losses, so as an alternative, the optimization of various risk measures, such as Value-at-risk, Conditional Value-at-risk and Omega Ratio, are important financial tools. Additionally, the backtest is widely used to validate and analyze the performance of the proposed methodology. In this dissertation, we will work with a portfolio of oil commodities. We will put together different techniques and propose a new methodology that consists in the (potentially) decrease the dimension of the proposed portfolio. The following step is to simulate the prices of the assets in the portfolio and then optimize the allocation of the portfolio of oil commodities. Finally, we will use backtest techniques in order to validate our method.

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.

Scientific Workflows bieten flexible Möglichkeiten für die Modellierung und den Austausch komplexer Arbeitsabläufe zur Analyse wissenschaftlicher Daten. In den letzten Jahrzehnten sind verschiedene Systeme entstanden, die den Entwurf, die Ausführung und die Verwaltung solcher Scientific Workflows unterstützen und erleichtern. In mehreren wissenschaftlichen Disziplinen wachsen die Mengen zu verarbeitender Daten inzwischen jedoch schneller als die Rechenleistung und der Speicherplatz verfügbarer Rechner. Parallelisierung und verteilte Ausführung werden häufig angewendet, um mit wachsenden Datenmengen Schritt zu halten. Allerdings sind die durch verteilte Infrastrukturen bereitgestellten Ressourcen häufig heterogen, instabil und unzuverlässig. Um die Skalierbarkeit solcher Infrastrukturen nutzen zu können, müssen daher mehrere Anforderungen erfüllt sein: Scientific Workflows müssen parallelisiert werden. Simulations-Frameworks zur Evaluation von Planungsalgorithmen müssen die Instabilität verteilter Infrastrukturen berücksichtigen. Adaptive Planungsalgorithmen müssen eingesetzt werden, um die Nutzung instabiler Ressourcen zu optimieren. Hadoop oder ähnliche Systeme zur skalierbaren Verwaltung verteilter Ressourcen müssen verwendet werden. Diese Dissertation präsentiert neue Lösungen für diese Anforderungen. Zunächst stellen wir DynamicCloudSim vor, ein Simulations-Framework für Cloud-Infrastrukturen, welches verschiedene Aspekte der Variabilität adäquat modelliert. Im Anschluss beschreiben wir ERA, einen adaptiven Planungsalgorithmus, der die Ausführungszeit eines Scientific Workflows optimiert, indem er Heterogenität ausnutzt, kritische Teile des Workflows repliziert und sich an Veränderungen in der Infrastruktur anpasst. Schließlich präsentieren wir Hi-WAY, eine Ausführungsumgebung die ERA integriert und die hochgradig skalierbare Ausführungen in verschiedenen Sprachen beschriebener Scientific Workflows auf Hadoop ermöglicht. / Scientific workflows provide a means to model, execute, and exchange the increasingly complex analysis pipelines necessary for today's data-driven science. Over the last decades, scientific workflow management systems have emerged to facilitate the design, execution, and monitoring of such workflows. At the same time, the amounts of data generated in various areas of science outpaced hardware advancements. Parallelization and distributed execution are generally proposed to deal with increasing amounts of data. However, the resources provided by distributed infrastructures are subject to heterogeneity, dynamic performance changes at runtime, and occasional failures. To leverage the scalability provided by these infrastructures despite the observed aspects of performance variability, workflow management systems have to progress: Parallelization potentials in scientific workflows have to be detected and exploited. Simulation frameworks, which are commonly employed for the evaluation of scheduling mechanisms, have to consider the instability encountered on the infrastructures they emulate. Adaptive scheduling mechanisms have to be employed to optimize resource utilization in the face of instability. State-of-the-art systems for scalable distributed resource management and storage, such as Apache Hadoop, have to be supported. This dissertation presents novel solutions for these aspirations. First, we introduce DynamicCloudSim, a cloud computing simulation framework that is able to adequately model the various aspects of variability encountered in computational clouds. Secondly, we outline ERA, an adaptive scheduling policy that optimizes workflow makespan by exploiting heterogeneity, replicating bottlenecks in workflow execution, and adapting to changes in the underlying infrastructure. Finally, we present Hi-WAY, an execution engine that integrates ERA and enables the highly scalable execution of scientific workflows written in a number of languages on Hadoop.

Cette thèse porte sur les processus croissants pour l'ordre convexe que nous désignons sous le nom de peacocks. Un résultat remarquable dû à Kellerer stipule qu'un processus stochastique à valeurs réelles est un peacock si et seulement s'il possède les mêmes marginales unidimensionnelles qu'une martingale. Une telle martingale est dite associée à ce processus. Mais dans son article, Kellerer ne donne ni d'exemple de peacock, ni d'idée précise sur la construction d'une martingale associée pour un peacock donné. Ainsi, comme d'autres travaux sur les peacocks, notre étude vise deux objectifs. Il s'agit d'exhiber de nouvelles familles de peacocks et de construire des martingales associées pour certains peacocks. Dans les trois premiers chapitres, nous exhibons diverses classes de peacocks en utilisant successivement les notions de monotonie conditionnelle, de peacock très fort et de positivité totale d'ordre 2. En particulier, nous fournissons plusieurs extensions du résultat de Carr-Ewald-Xiao selon lequel la moyenne arithmétique du mouvement brownien géométrique, encore appelée "option asiatique" est un peacock. L'objet du dernier chapitre est de construire des martingales associées pour une classe de peacocks. Pour cela, nous utilisons les plongements d'Azéma-Yor et de Bertoin-Le Jan. L'originalité de ce chapitre est l'utilisation de la positivité totale d'ordre 2 dans l'étude du plongement d'Azéma-Yor / This thesis deals with real valued stochastic processes which increase in the convex order. We call them peacocks. A remarkable result due to Kellerer states that a real valued process is a peacock if and only if it has the same one-dimensional marginals as a martingale. Such a martingale is said to be associated to this process. But in his article, Kellerer provides neither an example of peacock nor a concrete idea to construct an associated martingale to a given peacock. Hence, as other investigations on peacocks, our study has two purposes. We first exhibit new families of peacocks and then, we contruct associated martingales to certain of them. In the first three chapters, we exhibit several classes of peacocks using successively the notions of conditional monotonicity, very strong peacock and total positivity of order 2. In particular, we provide many extensions of Carr-Ewald-Xiao result which states that the arithmetic mean of geometric Brownian motion, also called "Asian option" is a peacock. The purpose of the last chapter is to construct associated martingales to certain peacocks. To this end, we use Azéma-Yor and Bertoin-Le Jan embedding algorithms. The originality of this chapter is the use of total positivity of order 2 in the study of Azéma-Yor embedding algorithm

Ce travail étudie des modèles financiers pour les prix d'options, les taux d'intérêts et le risque de crédit, avec des processus stochastiques à mémoire et comportant des discontinuités. Ces modèles sont formulés en termes du mouvement Brownien fractionnaire, du processus de Lévy fractionnaire ou filtré (et doublement stochastique) et de leurs approximations par des semimartingales. Leur calcul stochastique est traité au sens de Malliavin, et des formules d'Itô sont déduites. Nous caractérisons les probabilités risque neutre en termes de ces processus pour des modèles d'évaluation d'options de type de Black-Scholes avec sauts. Nous étudions également des modèles de taux d'intérêts, en particulier les modèles de Vasicek, de Cox-Ingersoll-Ross et de Heath-Jarrow-Morton. Finalement nous étudions la modélisation du risque de crédit / This work investigates financial models for option pricing, interest rates and credit risk with stochastic processes that have memory and discontinuities. These models are formulated in terms of the fractional Brownian motion, the fractional or filtered Lévy process (also doubly stochastic) and their approximations by semimartingales. Their stochastic calculus is treated in the sense of Malliavin and Itô formulas are derived. We characterize the risk-neutral probability measures in terms of these processes for options pricing models of Black-Scholes type with jumps. We also study models of interest rates, in particular the models of Vasicek, Cox-Ingersoll-Ross and Heath-Jarrow-Morton. Finally we study credit risk models

Die Assoziation kleiner Moleküle (Liganden) in hydrophobe Bindungstaschen spielt eine fundamentale Rolle in der Biomolekularerkennung und den Selbstassemblierungsprozessen der physikalischen Chemie wässriger Lösungen. Während der Einfluss des Wassers auf die freie Energie der Bindung (die Bindungsaffinität) im thermischen Gleichgewicht in den letzten Jahren auf immer stärkere Aufmerksamkeit stößt, ist die Rolle des Wassers in der Kinetik und der Bestimmung der Bindungsraten noch weitestgehend unverstanden. Welche nanoskaligen Effekte des Wassers beeinflussen die Dynamik des Liganden in der Nähe der Bindungstasche, und wie lassen sie sich durch die chemischen Eigenschaften der Tasche steuern? Neuste Forschungen haben mithilfe von molekularen Computersimulationen eines einfachen Modells gezeigt, dass Hydrationsfluktuationen in der hydrophoben Bindungstasche an die Dynamik des Liganden koppeln und damit seine Bindungsrate beeinflussen. Da die Wasserfluktuationen wiederum durch die Geometrie und Hydrophobizität der Bindungstasche beeinflusst werden, entsteht die Möglichkeit, kontrollierte Fluktuation zu kreieren, um die Bindungsraten des Liganden zu steuern. In dieser Arbeit wird diese Perspektive mithilfe eines theoretischen Multiskalenansatzes für prototypische Schlüssel-Schloss-Systeme aufgegriffen. Wir untersuchen den Einfluss der physikochemischen Eigenschaften der Bindungstasche auf die Diffusivität und die Bindungsraten des Liganden, und wie die Orientierung eines anisotropen Liganden an die Hydrationsfluktuationen der Tasche koppelt. Damit stellen wir fest, dass kleine Änderungen der Taschentiefe eine extreme Beschleunigung der Bindungsraten bewirken kann und, dass gleichzeitig die Bindung in konkave Taschen vorteilhaft für die Reorientierungsdynamik des Liganden ist. Die Resultate dieses Projekts sollen somit helfen, maßgeschneiderte Lösungen für funktionale „Host-Guest“-Systeme sowie pharmazeutische Moleküle in biomedizinischen Anwendungen zu entwickeln. / The association of small molecules (ligands) to hydrophobic binding pockets plays an integral role in biochemical molecular recognition and function, as well as in various self-assembly processes in the physical chemistry of aqueous solutions. While the investigation of water contributions to the binding free energy (affinity) in equilibrium has attracted a great deal of attention in the last decade, little is known about the role of water in determining the rates of binding and kinetic mechanisms. For instance, what are the nanoscale water effects on ligand diffusion close to the hydrophobic docking site, and how can they be steered by the chemical composition of the pocket? Recent studies used molecular simulations of a simple prototypical pocket-ligand model to show that hydration fluctuations within the binding pocket can couple to the ligand dynamics and influence its binding rates. Since the hydration fluctuations, in turn, can be modified by the pocket’s geometry and hydrophobicity, the possibility exists to create well-controlled solvent fluctuations to steer the ligand’s binding rates. In this work, we pick up this appealing notion employing a theoretical multi-scale approach of a generic key-lock system in aqueous solution. We explore the influence of the physicochemical properties of the pocket on local ligand diffusivities and binding rates and demonstrate how the orientation of a (non-spherical) ligand couples to a pocket’s hydration fluctuations. We find that minor modulation in pocket depth can drastically speed up the binding rate and that, concurrently, binding to molded binding sites is advantageous for the rotational dynamics of the ligand. The results and discussion of this work shall, therefore, imply generic design principles for tailored solutions of functional host-guest systems as well as optimized drugs in biomedical applications.

O principal objetivo deste estudo é descrever modelos para séries temporais de ativos financeiros que sejam robustos às tradicionais hipóteses: distribuição gaussiana e continuidade. O primeiro capítulo está preocupado em apresentar, de uma maneira geral, os conceitos matemáticos mais importantes relacionadas a processos estocásticos e difusões. O segundo capítulo trata de processos de incrementos independentes e estacionários, i.e., processos de Lévy, suas trajetórias estocásticas, propriedades distribucionais e, a relação entre processos markovianos e martingales. Alguns dos resultados apresentados neste capítulo são: a estrutura e as propriedades dos processos compostos de Poisson, medida de Lévy, decomposição de Lévy-Itô e representação de Lévy-Khinchin. O terceiro capítulo mostra como construir processos de Lévy por meio de transformações lineares, inclinação da medida de Lévy e subordina ção. Uma atenção especial é dada aos processos subordinados, tais como os modelos variância gama, normal gaussiana invertida e hiperbólico generalizado. Neste capítulo também é apresentado um exemplo pragmático com dados brasileiros de estimação de parâmetros por meio do método de máxima Verossimilhança. O quarto capítulo é devotado aos modelos multidimensionais e, introduz os conceito de cópula ordinária e de Lévy. Mostra-se que é possível caracterizar a dependência entre os componentes de um processo de Lévy multidimensional por meio da cópula de Lévy. Entre os resultados apresentados estão as generalizações do teorema de Sklar e a família de cópulas de Arquimedes aos processos de Lévy. Este capítulo também apresenta alguns exemplos que utilizam métodos de Monte Carlo, para simular processos de Lévy bidimensionais. / The main objective of this study is to describe models for financial assets time series that are robust to the traditional hypothesis: gaussian distributed and continuity. The first chapter are devoted to introduce the most important mathematical tools related to difusions and stochastic processes in general. The second chapter is concerned in the study of independent and stationary increments, i.e., Lévy processes, their sample paths behavior, distributional properties, and the relation to Markov and martingales processes. Some of the results presented are the structure and properties of a compound Poisson processes, Lévy measure, Lévy-Itô decomposition and Lévy-Khinchin representation. The third chapter demonstrates how to construct Lévy processes via linear transformation, tempering the Lévy measure and subordination. A special attention is given to several types of subordinated processes, comprising the variance gamma, the normal inverse gaussian and the generalized hyperbolic models. A pragmatic example of parameter estimation for brazilian data using the method of maximum likelihood is also given. Chapter four is devoted to multidimensional models, which introduces the notion of ordinary and Lévy copulas. It is shown that modelling via Lévy copula it is possible to characterize the dependence among components of multidimensional Lévy processes. Some of the results presented are generalizations of the Sklar’s theorem and the Archmedian family of copulas for Lévy processes. This chapter also presents some examples using Monte Carlo methods for simulating bidimensional Lévy processes.

Ces travaux de thèse présentent une étude expérimentale des fluctuations d'une particule Brownienne soumise à deux différentes conditions hors-équilibre dans un fluide . Le but est de comprendre d'une manière générale la relation entre les fluctuations spontanées, la fonction de réponse linéaire et la production totale d'entropie des processus loin de l'équilibre thermique. La première partie est consacrée à l'étude du mouvement d'une particule colloïdale dans un état stationnaire périodique hors-équilibre induit par une force non-conservative et à sa réponse à une perturbation externe. Nous analysons la dynamique du système dans le contexte des différentes approches généralisées de fluctuation-dissipation. Nous montrons que ces relations théoriques sont satisfaites par les données expérimentales quand on prend en compte le rôle du courant du à la rupture du bilan détaillé. Dans une deuxième partie nous étudions les fluctuations et la réponse d'une particule Brownienne dans deux types de bains vieillissants qui relaxent vers l'équilibre thermique: un verre colloïdal de Laponite et une solution aqueuse de gélatine. Dans ce cas-là nous montrons que le flux de chaleur de la particule vers le bain pendant sa relaxation représente une correction hors-équilibre du théorème de fluctuation-dissipation. Donc, le flux de chaleur joue le même rôle que le courant dans un état stationnaire. En conséquence, les résultats de la thèse mettent en évidence l'importance générale de la production totale d'entropie pour quantifier les relations de fluctuation-dissipation généralisées dans les systèmes hors-équilibre. / This thesis describes an experimental study on fluctuations of a Brownian particle immersed in a fluid, confined by optical tweezers and subject to two different kinds of non-equilibrium conditions. We aim to gain a rather general understanding of the relation between spontaneous fluctuations, linear response and total entropy production for processes away from thermal equilibrium. The first part addresses the motion of a colloidal particle driven into a periodic non-equilibrium steady state by a nonconservative force and its response to an external perturbation. The dynamics of the system is analyzed in the context of several generalized fluctuation-dissipation relations derived from different theoretical approaches. We show that, when taking into account the role of currents due to the broken detailed balance, the theoretical relations are verified by the experimental data. The second part deals with fluctuations and response of a Brownian particle in two different aging baths relaxing towards thermal equilibrium: a Laponite colloidal glass and an aqueous gelatin solution. The experimental results show that heat fluxes from the particle to the bath during the relaxation process play the same role of steady state currents as a non-equilibrium correction of the fluctuation-dissipation theorem. Then, the present thesis provides evidence that the total entropy production constitutes a unifying concept which links the statistical properties of fluctuations and the linear response function for non-equilibrium systems either in stationary or non stationary states.

Le but de cette thèse est de définir puis d'étudier différentes notions d'irrégularité uniforme ou ponctuelle permettant de traduire le fait qu'une fonction peut avoir des 'grands accroissements' à toutes les échelles. Pour cela on 'inverse' les notions de régularité Höldérienne usuelles. L'objectif principal du travail est ensuite de relier ces différentes notions à la théorie des ondelettes. Les critères ondelettes établis vont ainsi permettre de définir des fonctions ou des champs aléatoires dont le comportement est différent suivant la gamme d'échelles considérée. Par ailleurs, si on se place du point de vue ponctuel, une question naturelle est celle de la définition d'une analyse multifractale -dite faible- liée à la notion d'irrégularité ponctuelle. Les ondelettes vont alors permettre de définir des séries d'ondelettes multifractales pour l'irrégularité ponctuelle. Enfin, nous étudions des exemples de champs aléatoires où des propriétés de régularité directionelle apparaissent. Nous nous sommes ainsi centré sur l'étude d'un modèle de champ aléatoire gaussien particulier vérifiant une relation d'autosimilarité matricielle. Nous avons ensuite généralisé ce modèle et introduit des champs gaussiens autosimilaires par rapport à un groupe / The main purpose of this thesis is the definition and the study of different concepts of uniform or pointwise irregularity which enable one to account for the fact that a function may have 'large increments' at any scales. To this end, we 'invert' the usual notions of Hölderian regularity. The main goal is then to relate these different concepts to wavelet theory. The wavelet criteria supplied enable to define functions or random fields the behavior of which differ with respect the family of scales chosen. Moreover, if we consider the pointwise point of view, a natural question is that of the definition of a weak multifractal analysis related to pointwise irregularity. Finally, we study examples of random fields with some properties of directional regularity. Thus we focus on the study of a special model of operator scaling Gaussian field. We then extend this model and introduced group self-similar Gaussian fields