Ces dernières années, la puissance croissante des ordinateurs a permis à la fois de rassembler une quantité sans précédent de données décrivant la société moderne et d'envisager des outils numériques capables de s'attaquer à l'analyse et la modélisation les processus dynamiques qui se déroulent dans cette réalité complexe. Dans cette perspective, l'approche quantitative de la physique est un des catalyseurs de la croissance de nouveaux domaines interdisciplinaires visant à la compréhension des systèmes complexes techno-sociaux. Dans cette thèse, nous présentons dans cette thèse un cadre théorique et numérique pour simuler des épidémies de maladies infectieuses émergentes dans des contextes réalistes. Dans ce but, nous utilisons le rôle crucial de la mobilité des agents dans la diffusion des maladies infectieuses et nous nous appuyons sur l'étude des réseaux complexes pour gérer les ensembles de données à grande échelle décrivant les interconnexions de la population mondiale. En particulier, nous abordons deux différents problèmes de santé publique. Tout d'abord, nous considérons la propagation d’une épidémie au niveau mondial, et présentons un modèle de mobilité (GLEAM) conçu pour simuler la propagation d'une maladie de type grippal à l'échelle globale, en intégrant des données réelles de mobilité dans le monde entier. La dernière pandémie de grippe H1N1 2009 a démontré la nécessité de modèles mathématiques pour fournir des prévisions épidémiques et évaluer l'efficacité des politiques d'interventions. Dans cette perspective, nous présentons les résultats obtenus en temps réel pendant le déroulement de l'épidémie, ainsi qu'une analyse a posteriori portant sur les stratégies de lutte et sur la validation du modèle. Le deuxième problème que nous abordons est lié à la propagation de l'épidémie sur des systèmes en réseau dépendant du temps. En particulier, nous analysons des données décrivant les mouvements du bétail en Italie afin de caractériser les corrélations temporelles et les propriétés statistiques qui régissent ce système. Nous étudions ensuite la propagation d'une maladie infectieuse, en vue de caractériser la vulnérabilité du système et de concevoir des stratégies de contrôle. Ce travail est une approche interdisciplinaire qui combine les techniques de la physique statistique et de l'analyse des systèmes complexes dans le contexte de la mobilité des agents et de l'épidémiologie numérique. / In recent years, the increasing availability of computer power has enabled both to gather an unprecedented amount of data depicting the global interconnections of the modern society and to envision computational tools able to tackle the analysis and the modeling of dynamical processes unfolding on such a complex reality. In this perspective, the quantitative approach of Physics is catalyzing the growth of new interdisciplinary fields aimed at the understanding of complex techno-socio-ecological systems. By recognizing the crucial role of host mobility in the dissemination of infectious diseases and by leveraging on a network science approach to handle the large scale datasets describing the global interconnectivity, in this thesis we present a theoretical and computational framework to simulate epidemics of emerging infectious diseases in real settings. In particular we will tackle two different public health related issues. First, we present a Global Epidemic and Mobility model (GLEaM) that is designed to simulate the spreading of an influenza-like illness at the global scale integrating real world-wide mobility data. The 2009 H1N1 pandemic demonstrated the need of mathematical models to provide epidemic forecasts and to assess the effectiveness of different intervention policies. In this perspective we present the results achieved in real time during the unfolding of the epidemic and a posteriori analysis on travel related mitigation strategies and model validation. The second problem that we address is related to the epidemic spreading on evolving networked systems. In particular we analyze a detailed dataset of livestock movements in order to characterize the temporal correlations and the statistical properties governing the system. We then study an infectious disease spreading, in order to characterize the vulnerability of the system and to design novel control strategies. This work is an interdisciplinary approach that merges statistical physics techniques, complex and multiscale system analysis in the context of hosts mobility and computational epidemiology.

Le Japon s’est doté du réseau sismologique à haute sensibilité (Hi-net) qui contient plus de 1000 stations permanentes, qui fournissent d’immenses ensembles des données continues au Japon. Dans le cadre d’un accord avec le NIED, nous bénéficions d’enregis- trements de fond de données à court et à long periodes pour analyser les variations de vitesse sismiques, afin de suivre l’évolution mécanique de la croûte temporelle avec une résolution temporelle mensuelle à quotidienne dans les différentes bandes de périodes. Les résultats de courte période nous aident à mieux comprendre la sismologie environnemen- tale sur les processus souterrains sous les impacts de certains forçages environnementaux environnants tels que l’hydrologie, la thermoelasticité et certains effets de charge directe. Les résultats de longues périodes montrent des réponses co- et post-sismiques différentes avec la profondeur. Il s’agit d’une méthode supplémentaire et directe pour révéler en profondeur le champ de contrainte/déformation, ce qui améliore la perception du mécanisme d’un tremblement de terre. Cette thèse comprend principalement les trois parties suivantes.La première partie est consacrée à la présentation de la relation entre la fonction de Green et les corrélations croisées. La simulation numérique à Hokkaido vérifie également l’établissement de la relation entre les deux.La seconde partie concerne l’analyse des variations transitoires de la vitesse des ondes sismiques dans la croûte provoquées par les perturbations environnementales. Les impacts des perturbations saisonnières environnementales sur la déformation de la croûte sont généralement suivis et discutés en fonction des observations géodésiques. Récemment, la surveillance du bruit sismique ambiant fournit de nouvelles informations sur la déformation continue de la croûte, révélée par les changements de vitesse sismiques temporels. Dans cette étude, nous identifions les différents facteurs environnementaux responsables des effets saisonniers locaux et montrons comment une meilleure compréhension de ces perturbations de la croûte causée par l’environnement améliore les observations des modifications des propriétés sismiques induites par la tectonique.La dernière partie consiste à étudier la réponse mécanique de la croûte aux grands séismes. La surveillance de la vitesse sismique basée sur le bruit peut directement son- der en permanence l’état mécanique de la croûte en profondeur. Dans ce travail, nous étudions la réponse de la croûte terrestre au séisme de Tohoku-oki Mw 9.0, 2011. Nous employons ici pour la première fois le réseau très dense de Hi-Net tiltmètre en tant que sismomètres de longue période (8 - 50 s) pour que la surveillance basée sur le bruit échantillonne la croûte à plus de 5 km en profondeur. L’évolution spatio-temporelle des changements de vitesse sismiques dans différentes bandes de périodes révèle une réponse sismique dépendant de la profondeur, qui est la limite pour les données des sismomètres courte période. Le résultat pourrait avoir des implications à la fois sur la réponse viscoélastique de la croûte aux grands déformations ou sur une réponse complexe des vitesses sismiques de la croûte à un ècoulement de fluide transitoire.Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration plus générale entre ISTerre- Universit Grenoble Aples et le Massachusetts Institute of Technology visant à développer des outils de surveillance dans des contextes naturels et industriels. / The Japanese High Sensitivity Seismograph Network (Hi-net) contains more than 1000 permanent stations, which provide large continuous data sets throughout Japan. In the framework of an agreement with NIED, we benefit from both short period and tilt meters data downhole recordings to analyze the seismic velocity variations, thus to follow the mechanical evolution of the crust in different time scales with a temporal re- solution from monthly to daily in different period ranges. The short period results help us better understanding the environmental seismology on the subsurface processes under the impacts of some surrounding environmental forcing such as hydrology, thermoelas- ticity, and some direct loading effects. The results from long periods show different co- and postseismic responses with depth. This is a supplementary and direct method to disclose the stress/strain field at depth improving the perception of the mechanism of an earthquake. This thesis mainly consists of the following three parts.The first part is devoted to the theoretical demonstration of the relationship between the Green’s function and cross-correlations. The numerical simulation in Hokkaido also verifies the establishment of the in-between connection.The second part is about the analysis of the transient changes of seismic wave velo- city in the crust caused by environmental perturbations. The impacts of environmental seasonal disturbances to crustal deformation are usually tracked and discussed based on geodetic observations. Recently, ambient seismic noise-based monitoring provides new insights into the continuous deformation in the crust as revealed by the temporal seismic velocity changes. In this study, we identify the different environmental factors in charge of the local seasonal effects and show how better understanding these environmentally induced crustal perturbations improves the observations of tectonic-induced seismic pro- perty changes.The last part is to study the mechanical response of the crust to large earthquakes.Noise-based seismic velocity monitoring can directly probe the mechanical state of the crust at depth continuously in time. In this work, we study the response of the crust to the Mw 9.0, 2011 Tohoku-oki earthquake. we employ here for the first time the very dense network of Hi-net tilt meters as long period (8 – 50 s) seismometers for the noise-based monitoring to sample the crust below 5 km depth. Spatio-temporal evolution of seismic velocity changes in different period bands reveals depth-dependent seismic response. The result could have implications of both nonelastic response of the crust to large strain changes or a complex response of crustal seismic velocities to transient fluid flow.This thesis is in the context of a more general collaboration between ISTerre- Universit Grenoble Aples, and the Massachusetts Institute of Technology aiming at developing tools for monitoring in natural and industrial contexts.

Le dimensionnement des lots de production est une des nombreuses activités survenant dans le cadre de la planification de production. Il a pour objet de déterminer quand et combien produire de façon à réaliser le meilleur compromis possible entre la minimisation des coûts liés à la production (coûts fixes de reconfiguration de la ressource, coûts de stockage...) et la satisfaction de la demande des clients Nous nous intéressons ici un problème de planification de production par lots connu sous le nom de "Discrete Lot-sizing and Scheduling Problem" ou "DLSP". Plus précisément, nous étudions plusieurs variantes de ce problème dans lesquelles les coûts et/ou les temps de changement de produits sur la ressource sont dépendant de la séquence et nous proposons diverses extensions d'une méthode disponible dans la littérature pour la résolution exacte du problème mono-niveau, mono-ressource. Nos contributions portent à la fois sur la modélisation du problème et sur l'implémentation de méthodes efficaces de résolution. En ce qui concerne la modélisation, nous étudions l'intégration de divers aspects opérationnels dans le modèle de base afin d'en améliorer la pertinence industrielle. Ainsi nous considérons les extensions suivantes : la prise en compte d'une structure de produits "multi-attributs" qui permet de diminuer la taille du problème d'optimisation à résoudre, l'intégration de temps de changement positifs afin de mieux modéliser la perte de production causée par une reconfiguration de la ressource et la présence de plusieurs ressources parallèles dont la production doit être planifiée simultanément. En ce qui concerne la résolution du problème, nous présentons pour chacune des extensions du modèle de base une approche de résolution visant à fournir des solutions optimales exactes. En général, les résultats de nos expériences numériques montrent l'utilité pratique de ces algorithmes pour la résolution d'instances de moyenne et grande taille en des temps de calcul compatibles avec une application industrielle

Une étude des effets de couplage d'échange et de magnétorésistance dans des systèmes bicouches ferrimagnétique/ ferrimagnétique amorphes a été réalisée grâce aux résultats obtenus à l'aide de diverses techniques complémentaires : mesures d'aimantation, de susceptibilité, de magnétorésistance, réflectométrie de neutrons polarisés et dichroïsme magnétique des rayons X. Tout comme dans le système FeF2/Fe, des propriétés de décalage d'échange inhabituelles ont été observées dans les bicouches Gd40Fe60/Tb12Fe88. Elles ont pu être expliquées, à basse température et des faibles champs de refroidissement, à l'aide d'un modèle de chaîne de spins 1D considérant le gel de la configuration magnétique dans la couche de TbFe lors du refroidissement sous champ. Dans ce cadre nous avons pu expliquer les évolutions du champ d'échange et du décalage en aimantation en fonction de la valeur du champ de refroidissement. En revanche, afin d'expliquer les évolutions de la coercitivité et les effets de traînage magnétique, il nous a fallu tenir compte de l'influence de la température et du renversement du GdFe sur l'évolution des configurations magnétiques au sein du TbFe. Le rôle de domaines latéraux a également été étudié. La présence d'une paroi d'interface bien contrôlée dans les systèmes GdFe/TbFe ou GdFe/GdFe a, de plus, permis d'étudier les effets de magnétorésistance induits par une paroi magnétique d'interface. Si les variations de résistance observées à bas champ s'interprètent en terme d'anisotropie de magnétorésistance, les phénomènes de magnétorésistance intrinsèques aux matériaux amorphes doivent être pris en compte pour expliquer nos observations pour des forts champs magnétiques. Ces résultats ont été finalement utilisés pour comprendre les mesures de magnétorésistance obtenues sur des vannes de spins GdFe/GdFe/Cu/GdFe.

Cette thèse présente la fonction d'autocorrélation partielle d'un processus non stationnaire ainsi que des applications dans le domaine spectral et dans le cadre des processus périodiquement corrélés. Après avoir introduit cette fonction, nous montrons qu'elle caractérise la structure au second ordre des processus non stationnaires. Son intérêt est d'être facilement identifiable par rapport à la fonction d'autocovariance qui doit être de type positif. De plus elle conduit de façon naturelle à la définition d'un nouveau spectre dépendant du temps. Ce dernier décrit, à chaque instant, une situation stationnaire dans laquelle le présent est corrélé avec le passé de la même façon que le processus non stationnaire au même instant. L'étude des propriétés de ce spectre permet de le comparer à deux autres de même nature. On se restreint ensuite à la classe particulière des processus périodiquement corrélés. La fonction d'autocorrélation partielle fournit une nouvelle paramétrisation qui permet, en particulier, d'étendre de façon naturelle la méthode du maximum d'entropie à cette situation. Enfin nous considérons l'estimation autorégressive dans le cadre de ces processus en proposant une estimation adéquate de ces paramètres. La comparaison avec les procédures existantes est effectuée en regroupant certaines d'entre elles dans une même méthodologie mais aussi par simulation. Nous étudions également le lien entre ces approches et celles du cas vectoriel stationnaire.

Un simulateur de la dynamique forestière, basé sur un modèle d'arbre dépendant des distances, est élaboré, calibré et évalué à partir des données accumulées sur le dispositif sylvicole expérimental de Paracou en Guyane française. Il met en oeuvre des arbres, localisés au sein d'un peuplement et dotés de règles de vie décrites par des sous-modèles de croissance, de mortalité et de recrutement en fonction d'un pas de temps de trois ans.<br /><br />Le modèle de croissance est dérivé d'un type « potentiel x réducteur » adapté aux spécifités de la forêt dense tropicale humide de Guyane. Il prédit l'accroissement d'un arbre en fonction de son diamètre à l'instant t et de son environnement immédiat décrit par deux indices de compétition : l'un rend compte de la pression subie par l'arbre en début de période de croissance et l'autre de l'évolution de cette pression dans un passé proche. La prise en compte de quinze groupes d'espèces, homogènes du point de vue de la croissance, améliore considérablement son efficacité. Quatre modèles de mortalité prédisent la mort sur pied et la mort par chablis primaire, secondaire ou complexe d'un arbre, et un modèle de recrutement permet de gérer l'apparition de nouveaux individus sur des placeaux de 100m2 en fonction de la place disponible dans le peuplement.<br /><br />Le simulateur, programmé en langage SmallTalk-80 selon la technique des systèmes multi-agents, est doté d'une interface conviviale permettant à l'utilisateur : (i) de suivre l'évolution virtuelle dans le temps d'un peuplement et de chacun des individus qui le constituent par le biais de cartes et de graphiques ; (ii) de réaliser à tout moment une gamme très variée d'interventions de manière à tester des scénarios sylvicoles. Les différents essais réalisés montrent que le peuplement que nous avons généré présente un comportement satisfaisant quelle que soit l'intensité des perturbations imposées, mais que sa réactivité est faible au regard d'un modèle matriciel calibré à partir des mêmes données. Nous proposons différentes voies d'amélioration et soulignons l'intérêt que peut présenter ce type de modèle pour la communauté scientifique et, à plus long terme, le gestionnaire forestier.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la fiabilité et la cyclabilité des jonctions Tunnel magnétique pour mieux comprendre les mécanismes de dégradation et de claquage de la barrière. Une étude de l'endurance de la barrière MgO jusqu'au claquage électrique est présentée. Les échantillons ont été testés sous un mode impulsionnel. Par l'étude de l'effet de retard entre des impulsions successives, une durée de vie optimale des JTM est observée pour une valeur intermédiaire de retard entre les impulsions correspondant à un compromis optimal entre la densité moyenne de charge piégée dans la barrière et la modulation temporelle de charge. En outre, un modèle de piégeage / dépiégeage de charge a été développé qui appuie cette interprétation. L'étude souligne le rôle des pièges de charges dans le mécanisme de claquage de la barrière tunnel. Elle montre aussi que l'endurance extrêmement longue pourrait être obtenue en réduisant la densité des sites de piégeage d'électrons dans la barrière tunnel. Puis, une étude de l'endurance et le bruit basse fréquence a été dans les jonctionS CoFeB/MgO/CoFeB pour STT-MRAM ou TA-MRAM. Une corrélation a été observée et expliquée par la présence de sites de piégeage d'électrons dans la barrière de MgO et le rôle des phénomènes de charge/ décharge à la fois dans la fiabilité et la puissance du bruit en 1 / f électrique. Ces résultats prouvent que le test du bruit basse fréquence peut être utilisé comme une caractérisation prédictive de l'endurance. Enfin, en perspectives, des mesures complémentaires en été proposées pour développer plus le modèle de charge/décharge, une optimisation de la barrière pourrait ainsi être réaliser pour réduire le nombre des pièges de charge au sein de la barrière et par conséquent améliorer la fiabilité des jonctions Tunnel.

Le fer est un élément essentiel à la vie car il possède un rôle clé dans de nombreux processus biologiques.Malgré son abondance au niveau de la croûte terrestre, le fer est très faiblement biodisponible. Pour contourner ce problème, la majorité des micro-organismes a développé différents systèmes particulièrement efficaces pour l'acquisition de cet élément. Le mécanisme le plus répandu implique la production et la sécrétion de petites molécules chélatrices ayant une forte affinité pour le fer. Après sécrétion dans le milieu extracellulaire, ces composés chélatent le Fe3+ et le transportent ensuite au travers de la membrane externe via des transporteurs TonB-dépendants (TBDT). Durant cette thèse, nous avons mis en place un protocoleefficace permettant d'aller rapidement du clonage à la cristallisation de ces cibles afin d'étudier la structure tridimensionnelle de cette famille de protéines. Ainsi, nous avons pu résoudre et étudier la structure de plusieurs TBDT, de bactéries Gram-négatives. Ainsi nous avons mis en évidence un mouvement du domaine de signalisation en présence du ligand, proposé un mécanisme de transporteur de la molécule d'hème par le système shu chez Shigella dysenteriae. Chez les bactéries du genre Pseudomonas, nous avons élucidé et caractérisé au niveau structural les mystères de l'énantiosélectivité des pyochélines. En parallèle, nous nous sommes intéressé au devenir du ferri-sidérophore au niveau du périplasme, chez P. aeruginosa, ainsi qu'au transport du fer au travers de la membrane interne grâce à un transporteur ABC FpvCDEF ayant laparticularité de posséder deux protéines périplasmiques associées capables d'interagir avec le sidérophore.

La Théorie de la Fonctionnelle de la Densité dépendant du temps constitue un outil de choix pour l'étude des mécanismes élémentaires d'irradiation moléculaire. Mais les approximations qui lui sont inhérentes n'éliminent pas un effet non physique appelé auto-interaction, ce qui fausse complètement les propriétés d'irradiation. La voie la plus prometteuse permettant de supprimer l'auto-interaction sans introduire aucun paramètre libre supplémentaire est d'utiliser des fonctionnelles "orbitales dépendantes" (méthodes SIC). Seulement, le formalisme usuel qui en découle n'est pas hermitique, faussant dramatiquement les prédictions physiques dans le cas dynamique, et les tentatives visant à rétablir l'hermiticité connaissent toutes des pathologies indésirables. Ainsi, la question, dans le cas dépendent du temps, d'un formalisme SIC exact (TDSIC), satisfaisant les lois de conservation et numériquement manipulable reste une question ouverte. Nous proposons une nouvelle formulation purement variationnelle, contraignant l'orthonormalité et utilisant le degré de liberté de transformation unitaire. Cela permet d'écrire les équations TDSIC exactes sous une forme hermitique (dans le sous espace occupé), satisfaisant toutes les lois de conservation et menant à un schéma numérique de propagation clair. Le prix à payer est que le hamiltonien résultant est explicitement non local, ce qui est plus gourmand numériquement parlant. Cela nous a conduit à proposer, dans un deuxième temps, une approximation locale particulièrement intéressante, que nous avons baptisée "Generalized SIC-Slater". Enfin, nous proposons un ensemble de résultats numériques sur des systèmes moléculaires variés afin de soumettre les formalismes développés au verdict de la nature et les comparer aux formalismes SIC usuels.

Cette thèse est dédiée à l'analyse de stabilité des systèmes à pas d'échantillonnage variable et à la commande dynamique de l'échantillonnage. L'objectif est de concevoir des lois d'échantillonnage permettant de réduire la fréquence d'actualisation de la commande par retour d'état, tout en garantissant la stabilité du système.Tout d'abord, un aperçu des récents défis et axes de recherche sur les systèmes échantillonnés est présenté. Ensuite, une nouvelle approche de contrôle dynamique de l'échantillonnage, "échantillonnage dépendant de l'état", est proposée. Elle permet de concevoir hors-ligne un échantillonnage maximal dépendant de l'état défini sur des régions coniques de l'espace d'état, grâce à des LMIs.Plusieurs types de systèmes sont étudiés. Tout d'abord, le cas de système LTI idéal est considéré. La fonction d'échantillonnage est construite au moyen de polytopes convexes et de conditions de stabilité exponentielle de type Lyapunov-Razumikhin. Ensuite, la robustesse vis-à-vis des perturbations est incluse. Plusieurs applications sont proposées: analyse de stabilité robuste vis-à-vis des variations du pas d'échantillonnage, contrôles event-triggered et self-triggered, et échantillonnage dépendant de l'état. Enfin, le cas de système LTI perturbé à retard est traité. La construction de la fonction d'échantillonnage est basée sur des conditions de stabilité L2 et sur un nouveau type de fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii avec des matrices dépendant de l'état. Pour finir, le problème de stabilisation est traité, avec un nouveau contrôleur dont les gains commutent en fonction de l'état du système. Un co-design contrôleur/fonction d'échantillonnage est alors proposé