The manuscript presents my research on hyperbolic Partial Differential Equations (PDE), especially on conservation laws. My works began with this thought in my mind: ''Existence and uniqueness of solutions is not the end but merely the beginning of a theory of differential equations. The really interesting questions concern the behavior of solutions.'' (P.D. Lax, The formation and decay of shock waves 1974). To study or highlight some behaviors, I started by working on geometric optics expansions (WKB) for hyperbolic PDEs. For conservation laws, existence of solutions is still a problem (for large data, $L^\infty$ data), so I early learned method of characteristics, Riemann problem, $BV$ spaces, Glimm and Godunov schemes, \ldots In this report I emphasize my last works since 2006 when I became assistant professor. I use geometric optics method to investigate a conjecture of Lions-Perthame-Tadmor on the maximal smoothing effect for scalar multidimensional conservation laws. With Christian Bourdarias and Marguerite Gisclon from the LAMA (Laboratoire de \\ Mathématiques de l'Université de Savoie), we have obtained the first mathematical results on a $2\times2$ system of conservation laws arising in gas chromatography. Of course, I tried to put high oscillations in this system. We have obtained a propagation result exhibiting a stratified structure of the velocity, and we have shown that a blow up occurs when there are too high oscillations on the hyperbolic boundary. I finish this subject with some works on kinetic équations. In particular, a kinetic formulation of the gas chromatography system, some averaging lemmas for Vlasov equation, and a recent model of a continuous rating system with large interactions are discussed. Bernard Rousselet (Laboratoire JAD Université de Nice Sophia-Antipolis) introduced me to some periodic solutions related to crak problems and the so called nonlinear normal modes (NNM). Then I became a member of the European GDR: ''Wave Propagation in Complex Media for Quantitative and non Destructive Evaluation.'' In 2008, I started a collaboration with Bruno Lombard, LMA (Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, Marseille). We details mathematical results and challenges we have identified for a linear elasticity model with nonlinear interfaces. It leads to consider original neutral delay differential systems.

Les travaux rassemblés dans ce manuscrit d'habilitation portent sur quelques modèles d'équations aux dérivées partielles et se développent selon deux axes, l'un orienté vers des questions d'identifiabilité de paramètres, l'autre vers la commande robuste aux perturbations extérieures. Le premier axe est introduit par une présentation de l'état de l'art concernant les problèmes inverses de détermination de coefficients dans les principales équations d'évolution. Il s'articule d'abord autour de la démonstration de la stabilité du problème inverse de détermination du potentiel dans une simple équation des ondes posée en domaine borné. Cela permet de décrire divers cas plus exotiques, où l'équation des ondes est posée avec des conditions de transmission sur une interface connue, ou posée sur un réseau de branches en dimension un d'espace, ou bien encore semi-discrétisée en la variable d'espace. Le principal outil construit et employé est une inégalité de Carleman appropriée à chaque situation. La méthode qui permet d'en déduire la stabilité du problème inverse sert ensuite à la mise en place d'un schéma numérique nouveau pour la reconstruction du potentiel. D'autres études de stabilité de problèmes inverses pour des équations paraboliques et dispersives viennent conclure cette partie. Le second axe de mes travaux s'attache à la commande robuste de systèmes de dimension infinie décrits par des équations aux dérivées partielles. La principale motivation consiste à pouvoir travailler même avec ces systèmes dans un cadre de type espace d'état et obtenir des résultats en commande robuste H-infini similaires à ceux de la dimension finie. Nous détaillons ainsi un théorème ramenant, dans le cadre de systèmes de dimension infinie, la commande robuste à la résolution d'équations de Riccati. L'idée finale est de formuler des résultats théoriques de commande garantissant une certaine robustesse de la stabilité du système en assurant le rejet des perturbations. Nous présentons dans un premier temps l'étude d'un système d'optique adaptative qu'il a été possible de formuler dans un tel cadre avant d'effectuer des simulations numériques sur le modèle tronqué. C'est ensuite un système couplé fluide/structure modélisé à base d'équations aux dérivées partielles puis réduit à la dimension finie qui est présenté. Il est finalement étudié avec les outils usuels de la commande (placement de pôles, observateurs, contrôleurs d'ordre réduit) avant de faire l'objet de test sur le banc d'essai à l'origine du modèle.

L'étude expérimentale du transport de soluté dans les milieux poreux montre des écarts à la loi de Fick. D'autre part, des progrès importants ont été accomplis sur le transport en milieu poreux, en supposant que les fluides (et les traceurs) en mouvement dans ces milieux sont arrêtés pendant des durées aléatoires. La matrice solide rend cette idée plausible. Nous étudions un modèle utilisant cette idée en l'associant à des durées d'immobilisation sans moyenne finie, en fait distribuées par des lois de Lévy. On arrive ainsi au modèle MIM fractionnaire, ou fractal.Ce modèle est une équation aux dérivées partielles pour la densité de traceur. Il équivaut à supposer que les particules de fluide et de traceur font des déplacements régis par un processus stochastique. Ce dernier est la limite hydrodynamique de marches au hasard fondées sur des déplacements convectifs, des sauts gaussiens, et des arrêts distribués suivant une loi de Lévy. Ces deux versions du même modèle donnent deux méthodes de simulation numérique.Nous montrons comment mettre en œuvre ces méthodes. Ceci a pour but la maîtrise d'outils de simulation, afin de comparer avec des données expérimentales pour savoir si ce modèle convient pour décrire le transport dans un milieu donné. Cette simulation, pour être efficace, nécessite la connaissance des paramètres du transport de soluté au sein du milieu donné. Ils sont difficilement mesurables et/ou identifiables en pratique. Donc, il faut pouvoir les estimer à partir de grandeurs qu'on sait mesurer directement, comme la densité d'un traceur. Pour cela, nous avons mis en place une méthode d'inversion qui permet d'extraire les paramètres du modèle MIM fractionnaire, à partir de données expérimentales. Cette méthode d'inversion est basée sur la transformation de Laplace. Elle utilise le lien entre les paramètres de transport du modèle MIM fractionnaire, et les dérivées de la transformée de Laplace des solutions de ce modèle. Ce lien est exact dans un milieu semi-infini, et seulement approché dans un milieu fini.Après avoir testé cette méthode en l'appliquant à des données numériques en essayant de retrouver leurs paramètres à "l'aveugle", nous l'appliquons à des données issues d'une expérience de traçage en milieu poreux insaturé

Ce Mémoire porte sur l'analyse qualitative de quelques classes de problèmes elliptiques non linéaires.

Cette thèse présente l'étude et le développement de méthodes numériques pour la résolution d'équations de transport, en particulier d'une méthode de remapping bidimensionnel dont un avantage important par rapport aux algorithmes existants est la propriété de conservation de la masse. De nombreux cas-tests permettront de comparer ces approches entre elles ainsi qu'à des méthodes de référence. On s'intéressera en particulier aux équations dites de Vlasov-Poisson et du Centre-Guide, qui apparaissent très classiquement dans le cadre de la physique des plasmas.

Cette thèse a pour sujet la stabilisation de systèmes non-linéaires avec des mesures partielles et des entrées contraintes. Les deux premiers chapitres traitent du problème des entrées saturées dans le contexte des systèmes de dimension infinie pour des équations nonlinéaires abstraites et une équation aux dérivées partielles nonlinéaire particulière, l'équation de Korteweg-de Vries. Les outils mathématiques utilisés pour obtenir des résultats Le troisième chapitre propose une méthode de synthèse de retour de sortie pour deux équations de Korteweg-de Vries. Le quatrième chapitre concerne la synthèse d'un retour de sortie pour des systèmes non-linéaires de dimension finie pour lequel il existe un contrôle hybride. Une stratégie basée sur des observateurs grand gain est utilisée. / This thesis is about the stabilization of nonlinear systems with partial measurements and constrained input. The two first chapters deals with saturated inputs in the contex of infinite-dimensional systems for nonlinear abstract equations and for a particular partial differential equation, the Korteweg-de Vries equation. The third chapter provides an output feedback design for two Korteweg-de Vries equations using the backstepping method. The fourth chapter is about the output feedback design of nonlinear finite-dimensional systems for which there exists a hybrid controller. A high-gain observer strategy is used.

L'utilisation d'aspects aléatoires a contribué de façon majeure aux dernières avancées dans le domaine de l'optimisation numérique; cela est dû en partie à la recrudescence de problèmes issus de l'apprentissage automatique (machine learning). Dans un tel contexte, les algorithmes classiques d'optimisation non linéaire, reposant sur des principes déterministes, se révèlent en effet bien moins performants que des variantes incorporant de l'aléatoire. Le coût de ces dernières est souvent inférieur à celui de leurs équivalents déterministes; en revanche, il peut s'avérer difficile de maintenir les propriétés théoriques d'un algorithme déterministe lorsque de l'aléatoire y est introduit. Effectuer une analyse de complexité d'une telle méthode est un procédé très répandu dans ce contexte. Cette technique permet déstimer la vitesse de convergence du schéma considéré et par là même d'établir une forme de convergence de celui-ci. Les récents travaux sur ce sujet, en particulier pour des problèmes d'optimisation non convexes, ont également contribué au développement de ces aspects dans le cadre déterministe, ceux-ci apportant en effet un éclairage nouveau sur le comportement des algorithmes. Dans cette thèse, on s'intéresse à l'amélioration pratique d'algorithmes d'optimisation sans dérivées à travers l'introduction d'aléatoire, ainsi qu'à l'impact numérique des analyses de complexité. L'étude se concentre essentiellement sur les méthodes de recherche directe, qui comptent parmi les principales catégories d'algorithmes sans dérivées; cependant, l'analyse sous-jacente est applicable à un large éventail de ces classes de méthodes. On propose des variantes probabilistes des propriétés requises pour assurer la convergence des algorithmes étudiés, en mettant en avant le gain en efficacité induit par ces variantes: un tel gain séxplique principalement par leur coût très faible en évaluations de fonction. Le cadre de base de notre analyse est celui de méthodes convergentes au premier ordre, que nous appliquons à des problèmes sans ou avec contraintes linéaires. Les bonnes performances obtenues dans ce contexte nous incitent par la suite à prendre en compte des aspects d'ordre deux. A partir des propriétés de complexité des algorithmes sans dérivées, on développe de nouvelles méthodes qui exploitent de l'information du second ordre. L'analyse de ces procédures peut être réalisée sur un plan déterministe ou probabiliste: la deuxième solution nous permet d'étudier de nouveaux aspects aléatoires ainsi que leurs conséquences sur l'éfficacité et la robustesse des algorithmes considérés. / Randomization has had a major impact on the latest developments in the field of numerical optimization, partly due to the outbreak of machine learning applications. In this increasingly popular context, classical nonlinear programming algorithms have indeed been outperformed by variants relying on randomness. The cost of these variants is usually lower than for the traditional schemes, however theoretical guarantees may not be straightforward to carry out from the deterministic to the randomized setting. Complexity analysis is a useful tool in the latter case, as it helps in providing estimates on the convergence speed of a given scheme, which implies some form of convergence. Such a technique has also gained attention from the deterministic optimization community thanks to recent findings in the nonconvex case, as it brings supplementary indicators on the behavior of an algorithm. In this thesis, we investigate the practical enhancement of deterministic optimization algorithms through the introduction of random elements within those frameworks, as well as the numerical impact of their complexity results. We focus on direct-search methods, one of the main classes of derivative-free algorithms, yet our analysis applies to a wide range of derivative-free methods. We propose probabilistic variants on classical properties required to ensure convergence of the studied methods, then enlighten their practical efficiency induced by their lower consumption of function evaluations. Firstorder concerns form the basis of our analysis, which we apply to address unconstrained and linearly-constrained problems. The observed gains incite us to additionally take second-order considerations into account. Using complexity properties of derivative-free schemes, we develop several frameworks in which information of order two is exploited. Both a deterministic and a probabilistic analysis can be performed on these schemes. The latter is an opportunity to introduce supplementary probabilistic properties, together with their impact on numerical efficiency and robustness.

De nombreuses études, aussi bien expérimentales que théoriques, ont été menées pour l'industrie électrique afin de comprendre et d'être capable de prédire les mécanismes intervenant lors d'une coupure électrique par arc. Ces études ont montré la grande diversité et complexité des phénomènes physiques et chimiques mis en œuvre. L'arc électrique créé juste après la séparation des contacts est poussé par les forces électromagnétiques vers une zone d'extinction. Durant son développement et sa propagation, l'énergie lui est fournie par effet Joule et est dissipée par différents modes de transfert thermique. Son expansion rapide induit des effets de compressibilité avec la propagation d'ondes de pression. Le rayonnement intense du plasma créé, ainsi que les phénomènes aux pieds des électrodes, induisent une ablation des parois qui change la composition chimique du milieu et rend plus complexe la modélisation de l'ensemble des phénomènes couplés par hydrodynamique, électromagnétisme, transferts thermiques et diffusion d'espèces chimiques en régime fortement instationnaire. Le rôle du transfert radiatif est primordial dans la mesure où, d'une part, il conditionne le champ de température et donc les propriétés de transport, notamment électriques, et, d'autre part, participe pour une grande part à la thermo-dégradation des parois.La modélisation de l'ensemble des phénomènes physico-chimiques a beaucoup progressé durant les vingt dernières années mais le calcul du transfert radiatif demeure un point bloquant dans l'avancement des méthodes de modélisation.En effet, le champ de rayonnement est caractérisé par une luminance qui dépend de la longueur d'onde, de la position spatiale, de la direction de propagation, ainsi que du temps au travers ici des variations des champs de température et de la composition chimique.La prise en compte rigoureuse de toutes ces dépendances demeure inaccessible à l'heure actuelle pour des simulations complètes d'extinction d'arc, en particulier à cause de la complexité des spectres d'émission et d'absorption des milieux plasmas. Le recours à des modèles approchés pour le traitement spectral et/ou pour les dépendances géométriques et directionnelles est nécessaire.Ce travail a été mené en collaboration entre le Laboratoire EM2C et la société Schneider Electric. Il fait suite à des travaux de collaboration antérieurs dont l'objectif était la détermination des propriétés radiatives fondamentales des plasmas d'arc (Thèse S. Chauveau).Le but principal du présent travail est de développer des modèles approchés mais précis, ainsi que des outils de simulation numérique avec différents degrés de finesse, pour le calcul du champ de puissance radiative et des flux pariétaux dans des chambres de coupure électrique basse tension. Les modèles et outils développés doivent être implémentés dans des codes de simulation hydrodynamique dédiés soit à des géométries bidimensionnelles simplifiées, soit à des géométries industrielles complexes et tridimensionnelles. Ces outils doivent Les études expérimentales menées sur des maquettes représentatives des dispositifs industriels montrent la présence de vapeurs plastiques et métalliques dues à l'ablation et à l'érosion des parois. La composition chimique change par ailleurs fortement avec le temps entre la naissance et l'extinction de l'arc électrique. Bien que les modèles développés ici puissent être adaptés à cette composition chimique complexe, nous supposerons tout le long de ce travail que le milieu gazeux est un plasma d'air à l'équilibre thermique et chimique local. / Non fourni.

Le but principal de cette thèse est d'obtenir des résultats d'existence et d'unicité pour des équations aux dérivées partielles dispersives avec conditions aux limites non homogènes. L'approche privilégiée est l'adaptation de techniques issues de la théorie classique des problèmes aux limites hyperboliques (que l'on rappelle au chapitre 1, en améliorant légèrement un résultat). On met en évidence au chapitre 3 une classe d'équations linéaires qu'on peut qualifier de dispersives satisfaisant des critères “minimaux”, et des résultats d'existence et d'unicité pour le problème aux limites associé à celles-ci sont obtenus au chapitre 4.Le fil rouge du mémoire est le modèle d'Euler-Korteweg, pour lequel on aborde l'analyse du problème aux limites sur une version linéarisée au chapitre 2. Toujours pour cette version linéarisée, on prouve un effet Kato-régularisant au chapitre 3. Enfin l'analyse numérique du modèle est abordée au chapitre 5. Pour cela, on commence par utiliser les résultats précédents pour décrire une manière simple d'obtenir les conditions aux limites dites transparentes dans le cadre des équations précédemment décrites puis on utilise ces conditions aux limites pour le modèle d'Euler-Korteweg semi-linéaire afin d'observer la stabilité/instabilité des solitons, ainsi qu'un phénomène d'explosion en temps fini. / The main aim of this thesis is to obtain well-posedness results for boundary value problems especially with non-homogeneous boundary conditions. The approach that we chose here is to adapt technics from the classical theory of hyperbolic boundary value problems (for which we give a brief survey in the first chapter, and a slight generalization). In chapter 3 we delimitate a class of linear dispersive equations, and we obtain well-posedness results for corresponding boundary value problems in chapter 4.The leading thread of this memoir is the Euler-Korteweg model. The boundary value problem for a linearized version is investigated in chapter 2, and the Kato-smoothing effect is proved (also for the linearized model) in chapter 3. Finally, the numerical analysis of the model is made in chapter 5. To begin with, we use the previous abstract results to show a simple way of deriving the so-called transparent boundary conditions for the equations outlined in chapter 3, and those conditions are then used to numerically solve the semi-linear Euler-Korteweg model. This allow us to observe the stability and instability of solitons, as well as a finite time blow up.

Cette thèse est articulée autour de deux facettes de l’étude des équations auxdérivées partielles. Dans une première partie, on étudie la stabilité des solutionspériodiques pour des lois de conservation. On démontre d’abord la stabilité asymptotiquedans L1 des solutions périodiques de lois de conservation scalaires et inhomogènes.On montre ensuite un résultat de stabilité structurelle des roll-waves. Plusprécisément, on montre que les solutions périodiques d’un système hyperbolique sansviscosité sont limites des solutions du problème avec viscosité, quand le terme deviscosité tend vers 0. Dans une deuxième partie, on s’intéresse à un système d’équationsaux dérivées partielles issu de la biologie : le modèle de Patlak-Keller-Segelen dimension 2 ; il décrit les phénomènes de chimiotactisme. Pour ce modèle, onconstruit un schéma de type volume fini, ce qui permet d’approcher la solution touten gardant certaines propriétés du système : positivité, conservation de la masse,estimation d’énergie. / This thesis is organized around two aspects of the study of partial differentialequations. In a first part, we study the stability of periodic solutions for conservationlaws. First, we prove asymptotic L1-stability of periodic solutions of scalarinhomogeneous conservation laws. Then, we show a result on structural stability ofroll-waves. More precisely, we prove that periodic solutions of a hyperbolic systemwithout viscosity are the limits of the solutions of the problem with viscosity, as theviscous term tends to 0. In a second part, we study a system of partial differentialequations derived from biology: the model of Patlak-Keller-Segel in dimension 2, describingthe phenomena of chemotaxis. For this model, we construct a finite-volumescheme, which approaches the solution while keeping some properties of the system:positivity, conservation of mass, energy estimate.