Plusieurs problèmes d'optimisation liés à la théorie du transport optimal, concernant aussi des critères de concentration, sont étudiés. Il s'agit, pour ce qui est des primiers chapitres, de la minimization de fonctionnelles definies sur les mesures marginales du porblème de transport, en demandant que l'une soit concentrée et l'autre diffusée, alors que les deux doivent être proche au sense du transport de masse. D'autres chapitres portent sur des modèles différentes qui considèrent la concentration des parcours suivis par les particules lors du mouvement, en donnant des effets de congestion ou branchement. Plusieurs problèmes font apparaître des structures de dimension 1 (reseaux, supports rectifiables de mesures vectorielles, ensemble sous contraintes de longueur...) et leur régularité (blow-up) est étudiée dans les deux derniers chapitres. Les modèles viennent dans la majorité des cas de possibles applications à la planification urbaine, la biologie (arbres, feuilles et système sanguin), la géophysique (bassins fluviaux) et la mécanique des fluides. La thèse a été écrite sous la direction du Prof. Buttazzo et soutenue à l'Ecole Normale Supérieure de Pise.

Cette thèse est dédiée à l'étude des problèmes de transport optimal, alternatifs au problème de Monge-Kantorovich : ils apparaissent naturellement dans des applications pratiques, telles que la conception des réseaux de transport optimal ou la modélisation des problèmes de circulation urbaine. En particulier, nous considérons des problèmes où le coût du transport a une dèpendance non linèaire de la masse : typiquement dans ce type de problèmes, le côut pour déplacer une masse $m$ pour une longueur $\ell$ est $\varphi(m)\, \ell$, où $\varphi$ est une fonction assignée, obtenant ainsi un coût total de type $\sum\varphi(m) \ell$. \par Deux cas importants sont abordés en détail dans ce travail : le cas où la fonction $\varphi$ est subadditive (transport branché), de sorte que la masse a intérêt à voyager ensemble, de manière à réduire le coût total; le cas où $\varphi$ est superadditive (transport congestionné), où au contraire, la masse tend à diffuser autant que possible. \par Dans le cas du transport branché, nous introduisons deux nouveaux modèles: dans le premièr, le transport est décrit par des courbes de mesures de probabilité que minimisent une fonctionnelle de type géodésique (avec un coefficient que pénalise le mesures qui ne sont pas atomiques). Le second est plus dans l'esprit de la formulation de Benamou et Brenier pour les distances de Wasserstein : en particulier, le transport est décrit par paires de ``courbe de mesures--champ de vitesse'', liées par l'équation de continuité, qui minimisent une énergie adéquate (non convexe). Pour les deux modèles, on démontre l'existence de configurations minimales et l'équivalence avec d'autres formulations existantes dans la littèrature. \par En ce qui concerne le cas du transport congestionné, nous passons en revue deux modèles déjà existants, afin de prouver leur équivalence: alors que le premier de ces modèles peut être considéré comme une approche Lagrangienne du problème et il a des liens intéressants avec des questions d'équilibre pour la circulation urbaine, le second est un problème d'optimisation convexe avec contraintes de divergence. \par La preuve de l'équivalence entre les deux modèles constitue le corps principal de la deuxième partie de cette thèse et contient différents éléments d'intérêt, y compris: la théorie des flots des champs de vecteurs peu réguliers (DiPerna-Lions), la construction de Dacorogna et Moser pour les applications de transport et en particulier les résultats de régularité (que nous prouvons ici) pour une équation elliptique très dégénérés, qui ne semble pas avoir été beaucoup étudiée.