L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement en temps long de certains processus de Markov déterministes par morceaux (PDMP) dont le flot suivi par la composante spatiale commute aléatoirement entre plusieurs flots possédant un unique équilibre attractif (éventuellement le même pour chaque flot). Nous donnerons dans un premier temps un exemple d’étude d’un tel processus construit dans le plan à partir de flots associés à des équations différentielles linéaires stables où il est déjà possible d’observer des comportements contre-intuitifs. La deuxième partie de ce manuscrit est dédiée à l’étude et la comparaison de deux modèles de compétition pour une ressource dans un environnement hétérogène. Le premier modèle est un modèle alétoire simulant l’hétérogénéité temporelle d’un environnement sur les espèces en compétition à l’aide d’un PDMP. Son étude utilise des outils maintenant classiques sur l’étude des PDMP. Le deuxième modèle est un modèle déterministe (présentant sous forme d’un système d’équations différentielles) modélisant l’impact de l’hétérogénéité spatiale d’un environnement sur ces mêmes espèces. Nous verrons que malgré leur nature très différente, le comportement en temps long de ces deux systèmes est relativement similaire et est essentiellement déterminé par le signe des taux d’invasion de chacune des espèces qui sont des quantités dépendant exclusivement des paramètres du système et modélisant la vitesse de croissance (ou de décroissance) de ces espèces lorsqu’elles sont au bord de l’extinction. / The objective of this thesis is to study the long time behaviour of some piecewise deterministic Markov processes (PDMP). The flow followed by the spatial component of these processes switches randomly between several flow converging towards an equilibrium point (not necessarily the same for each flow). We will first give an example of such a process built in the plan from two linear stable differential equations and we will see that its stability depends strongly on the switching times. The second part of this thesis is dedicated to the study and comparison of two competition models in a heterogeneous environment. The first model is a probabilistic model where we build a PDMP simulating the effect of the temporal heterogeneity of an environment over the species in competition. Its study uses classical tools in this field. The second model is a deterministic model simulating the effect of the spatial heterogeneity of an environment over the same species. Despite the fact that the nature of the two models is very different, we will see that their long time behavior is very similar. We define for both model several quantities called invasion rates modelizing the growth (or decreasing) rate speed of a species when it is near to extinction and we will see that the signs of these invasion rates fully describes the long time behavior for both systems.

Nous étudions dans ce mémoire les propriétés des ensembles de pavages engendrés par des jeux de tuiles de Wang exhibant une ou plusieurs directions de déterminisme local, en accordant une importance toute particulière aux jeux déterministes dans les quatre directions diagonales simultanément, dits 4-way déterministes. Après avoir proposé une construction alternative d’un jeu de tuiles apériodique 4-way déterministe, nous étudions plusieurs problèmes de décision sur ces objets et complétons en particulier le résultat d’indécidabilité du problème du pavage dans le cadre 4-way déterministe établi par Lukkarila en montrant l’indécidabilité du problème du pavage périodique 4-way déterministe. Nous montrons également que des familles complexes de coloriages du plan telles que celles engendrées par les substitutions restent sofiques dans un cadre 4-way déterministe. Nous proposons une bi-déterminisation des constructions de jeux de tuiles point-fixe de Durand, Romashchenko et Shen et en tirons quelques premières applications. Enfin, nous considérons l’opportunité d’élargir le rayon de la règle locale de déterminisme afin de limiter les directions d’expansivité et ainsi de permettre la construction localement déterministe de systèmes de particules et collisions non triviaux. Nous introduisons un nouveau modèle syntaxique commode afin de travailler à rayon deux et revisitons des problématiques de Lukkarila dans ce cadre. / In this thesis, we study some properties of the sets of tilings generated by Wang tilesets that exhibit one or more directions of local determinism, focusing in particular on tilesets that are simultaneously deterministic in the four diagonal directions, referred to as 4-way deterministic. After having exposed an alternative construction of a 4-way deterministic aperiodic tileset, we study several decision problems on these objects and complete in particular Lukkarila’s result of undecidability of the Domino Problem in the 4-way deterministic setting proving the undecidability of the 4-way deterministic periodic Domino Problem. We also prove that some complex families of colorings of the plane such that those generated by substitutions remain sofic in the 4-way deterministic setting. We propose a bi-determinization of the constructions by Durand, Romashchenko and Shen of fixed-point tilesets and give some first applications. Finally, we investigate the idea of extending the radius of the local rule of determinism in order to reduce the set of directions of expansiveness and thus allow the local realization of non-trivial particles and collisions systems. We introduce a new and convenient syntactic model to deal with radius two and revisit some of Lukkarila’s problems in this setting.

Nous présentons deux contributions dans le domaine de la programmation parallèle. La première est théorique : nous introduisons l’analyse SIPS, une approche nouvelle pour dénombrer le nombre d’opérations de synchronisation durant l’exécution d’un algorithme parallèle ordonnancé par vol de travail. Basée sur le concept d’horloges logiques, elle nous permet : d’une part de donner de nouvelles majorations de coût en moyenne; d’autre part de concevoir des programmes parallèles plus efficaces par adaptation dynamique de la granularité. La seconde contribution est pragmatique : nous présentons une parallélisation générique d’algorithmes pour la génération déterministe de nombres pseudo-aléatoires, indépendamment du nombre de processus concurrents lors de l’exécution. Alternative à l’utilisation d’un générateur pseudo-aléatoire séquentiel par processus, nous introduisons une API générique, appelée Par-R qui est conçue et analysée grâce à SIPS. Sa caractéristique principale est d’exploiter un générateur séquentiel qui peut “sauter” directement d’un nombre à un autre situé à une distance arbitraire dans la séquence pseudo-aléatoire. Grâce à l’analyse SIPS, nous montrons qu’en moyenne, lors d’une exécution par vol de travail d’un programme très parallèle (dont la profondeur ou chemin critique est très petite devant le travail ou nombre d’opérations), ces opérations de saut sont rares. Par-R est comparé au générateur pseudo-aléatoire DotMix écrit pour Cilk Plus, une extension de C/C++ pour la programmation parallèle par vol de travail. Le surcout théorique de Par-R se compare favorablement au surcoput de DotMix, ce qui apparait aussi expériemntalement. De plus, étant générique, Par-R est indépendant du générateur séquentiel sous-jacent. / Nós apresentamos duas contribuições para a área de programação paralela. A primeira contribuição é teórica: nós introduzimos a análise SIPS, uma nova abordagem para a estimar o número de sincronizações realizadas durante a execução de um algoritmo paralelo. SIPS generaliza o conceito de relógios lógicos para contar o número de sincronizações realizadas por um algoritmo paralelo e é capaz de calcular limites do pior caso mesmo na presença de execuções paralelas não-determinísticas, as quais não são geralmente cobertas por análises no estado-da-arte. Nossa análise nos permite estimar novos limites de pior caso para computações escalonadas pelo popular algoritmo de roubo de tarefas e também projetar programas paralelos e adaptáveis que são mais eficientes. A segunda contribuição é pragmática: nós apresentamos uma estratégia de paralelização eficiente para a geração de números pseudoaleatórios. Como uma alternativa para implementações fixas de componentes de geração aleatória nós introduzimos uma API chamada Par-R, projetada e analisada utilizando-se SIPS. Sua principal idea é o uso da capacidade de um gerador sequencial R de realizar um “pulo” eficiente dentro do fluxo de números gerados; nós os associamos a operações realizadas pelo escalonador por roubo de tarefas, o qual nossa análise baseada em SIPS demonstra ocorrer raramente em média. Par-R é comparado com o gerador paralelo de números pseudoaleatórios DotMix, escrito para a plataforma de multithreading dinâmico Cilk Plus. A latência de Par-R tem comparação favorável à latência do DotMix, o que é confirmado experimentalmente, mas não requer o uso subjacente fixado de um dado gerador aleatório. / We present two contributions to the field of parallel programming. The first contribution is theoretical: we introduce SIPS analysis, a novel approach to estimate the number of synchronizations performed during the execution of a parallel algorithm. Based on the concept of logical clocks, it allows us: on one hand, to deliver new bounds for the number of synchronizations, in expectation; on the other hand, to design more efficient parallel programs by dynamic adaptation of the granularity. The second contribution is pragmatic: we present an efficient parallelization strategy for pseudorandom number generation, independent of the number of concurrent processes participating in a computation. As an alternative to the use of one sequential generator per process, we introduce a generic API called Par-R, which is designed and analyzed using SIPS. Its main characteristic is the use of a sequential generator that can perform a “jump-ahead” directly from one number to another on an arbitrary distance within the pseudorandom sequence. Thanks to SIPS, we show that, in expectation, within an execution scheduled by work stealing of a “very parallel” program (whose depth or critical path is subtle when compared to the work or number of operations), these operations are rare. Par-R is compared with the parallel pseudorandom number generator DotMix, written for the Cilk Plus dynamic multithreading platform. The theoretical overhead of Par-R compares favorably to DotMix’s overhead, what is confirmed experimentally, while not requiring a fixed generator underneath.

Cette thèse s'attache à décrire des algorithmes qui répondent à des questions provenant de la théorie des anneaux et des modules. Nous restreindrons essentiellement notre étude à des algorithmes déterministes, en temps polynomial, ainsi qu'aux anneaux et modules finis. Le premier des principaux résultats de cette thèse concerne le problème de l'isomorphisme entre modules : nous décrivons deux algorithmes distincts qui, étant donnée un anneau fini R et deux R-modules M et N finis, déterminent si M et N sont isomorphes. S'ils le sont, les deux algorithmes exhibent un tel isomorphisme. De plus, nous montrons comment calculer un ensemble de générateurs de taille minimale pour un module donné, et comment construire des couvertures projectives et des enveloppes injectives. Nous décrivons ensuite des tests mettant en évidence le caractère simple, projectif ou injectif d'un module, ainsi qu'un test constructif de l'existence d'un homomorphisme demodules surjectif entre deux modules finis, l'un d'entre eux étant projectif. Par contraste, nous montrons le résultat négatif suivant : le problème consistant à tester l'existence d'un homomorphisme de modules injectif entre deux modules, l'un des deux étant projectif, est NP-complet.La dernière partie de cette thèse concerne le problème de l'approximation du radical de Jacobson d'un anneau fini. Il s'agit de déterminer un idéal bilatère nilpotent tel que l'anneau quotient correspondant soit \presque" semi-simple. La notion de \semi-simplicité approchée" que nous utilisons est la séparabilité. / In this thesis we are interested in describing algorithms that answer questions arising in ring and module theory. Our focus is on deterministic polynomial-time algorithms and rings and modules that are finite. The first main result of this thesis concerns the module isomorphism problem: we describe two distinct algorithms that, given a finite ring R and two finite R-modules M and N, determine whether M and N are isomorphic. If they are, the algorithms exhibit such a isomorphism. In addition, we show how to compute a set of generators of minimal cardinality for a given module, and how to construct projective covers and injective hulls. We also describe tests for module simplicity, projectivity, and injectivity, and constructive tests for existence of surjective module homomorphisms between two finite modules, one of which is projective. As a negative result, we show that the problem of testing for existence of injective module homomorphisms between two finite modules, one of which is projective, is NP-complete. The last part of the thesis is concerned with finding a good working approximation of the Jacobson radical of a finite ring, that is, a two-sided nilpotent ideal such that the corresponding quotient ring is \almost" semisimple. The notion we use to approximate semisimplicity is that of separability.

Les communications par satellites sont l’aboutissement de recherches menées dans les domaines de télécommunications et des technologies spatiales depuis plus de 50 ans. Les premiers satellites souffraient d’un coût exorbitant pour des performances très limitées. Les avancées technologiques apparues dans ces domaines ont permis de rendre ce rapport satisfaisant et commercialement viable ce qui a permis de multiplier leurs lancements et ainsi de mettre en place de véritables réseaux de satellites. À ce jour, il existe de nombreuses constellations de satellites géostationnaires et d’orbites basses utilisées à des fins civiles ou militaires. De manière générale, le routage au sein de ces constellations s’effectue suivant un pré-calcul des routes existantes qui est alors utilisé sur une période donnée et rafraîchi si besoin. Ce type de routage n’étant optimal que sur des topologies déterministes, nous sommes donc amenés à considérer d’autres solutions si l’on relaxe cette hypothèse. L’objectif de cette thèse est d’explorer les alternatives possibles au routage pré-calculé. En tant que piste potentielle, nous proposons de vérifier l’adéquation des protocoles de routage à réplication issus du monde des réseaux tolérants au délai, DTN, aux constellations de satellites. Afin de nous offrir un cadre d’étude pertinent à la vue de cet objectif, nous nous focalisons sur une constellation particulière à caractère quasi-déterministe n’offrant pas une connectivité directe entre tous les nœuds du système. Dans une deuxième partie nous nous intéressons à la modélisation du protocole de routage Binary Spray and Wait. Nous développons un modèle capable de déterminer théoriquement la distribution du délai d’acheminement pour tout type de réseau, homogène et hétérogène. / Satellite communication is the achievement of more than 50 years of research in the fields of telecommunications and space technologies.First satellites had exorbitant costs for very limited performances. Technological advances occurred in these areas have helped them to become commercially feasible and satisfying. This enable the increase of satellite launches and thus, building complete satellite networks.Today, there are many GEO or LEO satellite constellations used for civilian or military applications. In general, routing in these constellations is done by pre-computing existing routes. These routes are then used for a given period and refreshed if needed. This type of routing is optimal only on deterministic topologies as a consequence we need to consider other solutions if we relax this assumption. The objective of this thesis is to explore alternatives to pre-computed routing. As a potential solution, we propose to assess the suitability of replication based routing protocols issued from the world of delay tolerant networks, DTN. To provide a relevant framework to study this topic, we focus on a particular constellation that present a quasi-deterministic nature and do not provide direct connectivity between all nodes of the system. In a second part, we focus on the modeling of the Binary Spray and Wait, routing protocol. We develop a model that can theoretically determine the distribution of end-to-end delay for any type of network, homogeneous and heterogeneous. Finally, we present a possible use of this model to conduct more in-depth theoretical analysis.

Nous présentons deux contributions dans le domaine de la programmation parallèle. La première est théorique : nous introduisons l’analyse SIPS, une approche nouvelle pour dénombrer le nombre d’opérations de synchronisation durant l’exécution d’un algorithme parallèle ordonnancé par vol de travail. Basée sur le concept d’horloges logiques, elle nous permet : d’une part de donner de nouvelles majorations de coût en moyenne; d’autre part de concevoir des programmes parallèles plus efficaces par adaptation dynamique de la granularité. La seconde contribution est pragmatique : nous présentons une parallélisation générique d’algorithmes pour la génération déterministe de nombres pseudo-aléatoires, indépendamment du nombre de processus concurrents lors de l’exécution. Alternative à l’utilisation d’un générateur pseudo-aléatoire séquentiel par processus, nous introduisons une API générique, appelée Par-R qui est conçue et analysée grâce à SIPS. Sa caractéristique principale est d’exploiter un générateur séquentiel qui peut “sauter” directement d’un nombre à un autre situé à une distance arbitraire dans la séquence pseudo-aléatoire. Grâce à l’analyse SIPS, nous montrons qu’en moyenne, lors d’une exécution par vol de travail d’un programme très parallèle (dont la profondeur ou chemin critique est très petite devant le travail ou nombre d’opérations), ces opérations de saut sont rares. Par-R est comparé au générateur pseudo-aléatoire DotMix écrit pour Cilk Plus, une extension de C/C++ pour la programmation parallèle par vol de travail. Le surcout théorique de Par-R se compare favorablement au surcoput de DotMix, ce qui apparait aussi expériemntalement. De plus, étant générique, Par-R est indépendant du générateur séquentiel sous-jacent. / Nós apresentamos duas contribuições para a área de programação paralela. A primeira contribuição é teórica: nós introduzimos a análise SIPS, uma nova abordagem para a estimar o número de sincronizações realizadas durante a execução de um algoritmo paralelo. SIPS generaliza o conceito de relógios lógicos para contar o número de sincronizações realizadas por um algoritmo paralelo e é capaz de calcular limites do pior caso mesmo na presença de execuções paralelas não-determinísticas, as quais não são geralmente cobertas por análises no estado-da-arte. Nossa análise nos permite estimar novos limites de pior caso para computações escalonadas pelo popular algoritmo de roubo de tarefas e também projetar programas paralelos e adaptáveis que são mais eficientes. A segunda contribuição é pragmática: nós apresentamos uma estratégia de paralelização eficiente para a geração de números pseudoaleatórios. Como uma alternativa para implementações fixas de componentes de geração aleatória nós introduzimos uma API chamada Par-R, projetada e analisada utilizando-se SIPS. Sua principal idea é o uso da capacidade de um gerador sequencial R de realizar um “pulo” eficiente dentro do fluxo de números gerados; nós os associamos a operações realizadas pelo escalonador por roubo de tarefas, o qual nossa análise baseada em SIPS demonstra ocorrer raramente em média. Par-R é comparado com o gerador paralelo de números pseudoaleatórios DotMix, escrito para a plataforma de multithreading dinâmico Cilk Plus. A latência de Par-R tem comparação favorável à latência do DotMix, o que é confirmado experimentalmente, mas não requer o uso subjacente fixado de um dado gerador aleatório. / We present two contributions to the field of parallel programming. The first contribution is theoretical: we introduce SIPS analysis, a novel approach to estimate the number of synchronizations performed during the execution of a parallel algorithm. Based on the concept of logical clocks, it allows us: on one hand, to deliver new bounds for the number of synchronizations, in expectation; on the other hand, to design more efficient parallel programs by dynamic adaptation of the granularity. The second contribution is pragmatic: we present an efficient parallelization strategy for pseudorandom number generation, independent of the number of concurrent processes participating in a computation. As an alternative to the use of one sequential generator per process, we introduce a generic API called Par-R, which is designed and analyzed using SIPS. Its main characteristic is the use of a sequential generator that can perform a “jump-ahead” directly from one number to another on an arbitrary distance within the pseudorandom sequence. Thanks to SIPS, we show that, in expectation, within an execution scheduled by work stealing of a “very parallel” program (whose depth or critical path is subtle when compared to the work or number of operations), these operations are rare. Par-R is compared with the parallel pseudorandom number generator DotMix, written for the Cilk Plus dynamic multithreading platform. The theoretical overhead of Par-R compares favorably to DotMix’s overhead, what is confirmed experimentally, while not requiring a fixed generator underneath.

On s’intéresse au problème de contrôle impulsionnel à horizon infini avec facteur d’oubli pour les processus de Markov déterministes par morceaux (PDMP). Dans un premier temps, on modélise l’évolution d’un système opto-électronique par des PDMP. Afin d’optimiser la maintenance du système, on met en place un problème de contrôle impulsionnel tenant compte à la fois du coût de maintenance et du coût lié à l’indisponibilité du matériel auprès du client.On applique ensuite une méthode d’approximation numérique de la fonction valeur associée au problème, faisant intervenir la quantification de PDMP. On discute alors de l’influence des paramètres sur le résultat obtenu. Dans un second temps, on prolonge l’étude théorique du problème de contrôle impulsionnel en construisant de manière explicite une famille de stratégies є-optimales. Cette construction se base sur l’itération d’un opérateur dit de simple-saut-ou-intervention associé au PDMP, dont l’idée repose sur le procédé utilisé par U.S. Gugerli pour la construction de temps d’arrêt є-optimaux. Néanmoins, déterminer la meilleure position après chaque intervention complique significativement la construction de telles stratégies et nécessite l’introduction d’un nouvel opérateur. L’originalité de la construction de stratégies є-optimales présentée ici est d’être explicite, au sens où elle ne nécessite pas la résolution préalable de problèmes complexes. / We are interested in a discounted impulse control problem with infinite horizon forpiecewise deterministic Markov processes (PDMPs). In the first part, we model the evolutionof an optronic system by PDMPs. To optimize the maintenance of this equipment, we study animpulse control problem where both maintenance costs and the unavailability cost for the clientare considered. We next apply a numerical method for the approximation of the value function associated with the impulse control problem, which relies on quantization of PDMPs. The influence of the parameters on the numerical results is discussed. In the second part, we extendthe theoretical study of the impulse control problem by explicitly building a family of є-optimalstrategies. This approach is based on the iteration of a single-jump-or-intervention operator associatedto the PDMP and relies on the theory for optimal stopping of a piecewise-deterministic Markov process by U.S. Gugerli. In the present situation, the main difficulty consists in approximating the best position after the interventions, which is done by introducing a new operator.The originality of the proposed approach is the construction of є-optimal strategies that areexplicit, since they do not require preliminary resolutions of complex problems.

Les cœurs de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium (RNR-Na ) sont constitués d’assemblages combustibles disposés selon un réseau hexagonal régulier, compact en régime de fonctionnement nominal.Sous l’effet de l’irradiation et de la température, les assemblages sont amenés à se déformer axialement et radialement.Les objectifs de cette thèse sont la compréhension des phénomènes neutroniques intervenant lors d’une telle déformation du cœur, l’impact sur la conception ainsi que la mise au point de schémas de calcul neutroniques déterministes innovants aptes à en évaluer l’amplitude.La première partie de ces travaux est dédiée au développement d’une modélisation analytique des causes de variations de réactivité lors de la déformation du cœur. Cette analyse a permis d’identifier à la fois les causes de ces variations de réactivité et l’impact du déplacement des assemblages en fonction de leurs directions et de leurs positions dans le cœur.Un premier schéma neutronique basé sur la méthode de projection de maillage a été conçu et développé à l’aide des codes ERANOS (BISTRO, H3D et VARIANT) et du solveur SNATCH Le deuxième schéma conçu se base sur la transformation géométrique du maillage de calcul : le maillage est modifié en fonction du champ des déformations des assemblages. Cette fonctionnalité a été implémentée pour le solveur SNATCH, initialement prévu pour la résolution de l’équation de Boltzmann pour de mailles régulières.Enfin un modèle itératif basé sur la méthode de projection de maillage a été mis en place afin de déterminer les champs de déformations les plus réactifs en fonction de l’énergie mécanique fournie au cœur dans sa configuration nominale. / The fuel assemblies of SFR cores (sodium fast reactors) are normally arranged in hexagonal regular lattices, whose compactness is ensured in nominal operating conditions by thermal expansion of assemblies pads disposed on the six assembly wrapper faces.During the reactor operations, thermal expansion phenomena and irradiation creep phenomena occur and they cause the fuel assemblies to bow and to deform both radially and axially.The main goal of this PhD is the understanding of the neutronic aspects and phenomena occurring in case of core and lattice deformations, as much as the design and implementation of deterministic neutronic calculation schemes and methods in order to evaluate the consequences for the core design activities and the safety analysis.The first part of this work is focused on the development of an analytical model with the purpose to identify the neutronic phenomena that are the main contributors to the reactivity changes induced by lattice and core deformations.A first scheme based on the spatial mesh projection method has been conceived and implemented for the ERANOS codes (BISTRO, H3D and VARIANT) and to the SNATCH solver.The second calculation scheme propose is based on mesh deformation: the computing mesh is deformed as a function of the assembly displacement field. This methodology has been implemented for the solver SNATCH, which normally allows the Boltzmann equation to be solved for a regular mesh. Finally, an iterative method has been developed in order to fulfill an a-priori estimation of the maximal reactivity insertion as a function of the postulated mechanical energy provided to the core, as much as the deformation causing it.

Ce mémoire est constitué de 3 parties.La NP-complétude de la satisfaction de combinaisons booléennes de contraintes de sous-arbres est démontrée dans l'article [Ven87] ; la partie I de ce mémoire étudie dans quelle mesure l'ajout de contraintes régulières laisse espérer conserver la complexité NP. Ce modèle étendu définit une nouvelle classe de langages dont l'expressivité est comparée à celle des Rigid Tree Automata [JKV11]. Puis un début de formalisation des t-dags est donné.Les patterns ont été étudiés, principalement du point de vue des contraintes sur les données qu'ils demandent. La partie II de ce mémoire les étudie plus finement, en mettant de côté les données. Les squelettes sont définis en tant qu'intermédiaire de calcul et le fait que leur syntaxe caractérise leur sémantique est démontré. Puis un lemme de pompage est donné dans un cas restreint, un autre dans le cas général est étudié et conjecturé. Ensuite des fragments de combinaisons booléennes de patterns sont comparés en expressivité pour terminer avec l'étude de la complexité des problèmes de model-checking, satisfaisabilité et DTD-satisfaisabilité sur les dits fragments.Le contenu de la partie III constitue l'article [FMS11], c'est la démonstration de la caractérisation des langages des automates fortement déterministes de niveau 2 par des systèmes d'équations récurrentes caténatives. Celle-ci utilise, entre autres, des techniques de réécriture, la notion d'inconnues non-réécrivables et les ordres noethériens. Cette caractérisation constitue le cas de base de la récurrence démontrée dans [Sén07]. / This thesis is in 3 parts.The NP-completeness of satisfiability of boolean combinations of subtree constraints is shown in the article [Ven87] ; in the part I of this thesis, we study whether adding regular contraints lets hope for keeping the same complexity. This extended model defines a new class of languages which is compared in expressivity to the Rigid Tree Automata [JKV11]. Then a begining of formalisation of the t-dags is developped.The patterns have been studied mainly from the point of view of the constraints they demand on the data. The part II of this thesis study them more finely, by putting aside the data. The skeletons are defined as calculus intermediate and the characterisation holding between their syntax and their semantics is shown. Then a pumping lemma is prooved in a restreict case, another one is conjectured in the most general case. Then fragments of boolean combinations of patterns are compared in expressivity, this parts ends with the study of complexity of model-checking, satisfiability and DTD-satisfiability on these fragments.The content of part III constitutes the article [FMS11], it is the demonstration of the characterisation of strongly-deterministic 2-level pushdown automata by recurrent catenative equation systems. This proof uses in particular, some rewriting techniques, unrewritable unknowns and noetherian orders. This characterisation provides the base case of the recurrence shown in [Sén07].

Cette thèse traite de quatre sujets en rapport avec les dynamiques non-réversibles. Chacun fait l'objet d'un chapitre qui peut être lu indépendamment.Le premier chapitre est une introduction générale présentant les problématiques et quelques résultats majeurs de physique statistique computationnelle.Le second chapitre concerne la résolution numérique d'équations aux dérivées partielles hypoelliptiques, c'est-à-dire faisant intervenir un opérateur différentiel inversible mais non coercif. Nous prouvons la consistance de la méthode de Galerkin ainsi que des taux de convergence pour l'erreur. L'analyse est également conduite dans le cas d'une formulation point-selle, qui s'avère être la plus adaptée dans les cas qui nous intéressent. Nous démontrons que nos hypothèses sont satisfaites dans un cas simple et vérifions numériquement nos prédictions théoriques sur cet exemple.Dans le troisième chapitre nous proposons une stratégie générale permettant de construire des variables de contrôle pour des dynamiques hors-équilibre. Cette méthode permet en particulier de réduire la variance des estimateurs de coefficient de transport par moyenne ergodique. Cette réduction de variance est quantifiée dans un régime perturbatif. La variable de contrôle repose sur la solution d'une équation aux dérivées partielles. Dans le cas de l'équation de Langevin cette équation est hypoelliptique, ce qui motive le chapitre précédent. La méthode proposée est testée numériquement sur trois exemples.Le quatrième chapitre est connecté au troisième puisqu'il utilise la même idée de variable de contrôle. Il s'agit d'estimer la mobilité d'une particule dans le régime sous-amorti, où la dynamique est proche d'être Hamiltonienne. Ce travail a été effectué en collaboration avec G. Pavliotis durant un séjour à l'Imperial College London.Le dernier chapitre traite des processus de Markov déterministes par morceaux, qui permettent l'échantillonnage de mesure en grande dimension. Nous prouvons la convergence exponentielle vers l'équilibre de plusieurs dynamiques de ce type sous un formalisme général incluant le processus de Zig-Zag (ZZP), l'échantillonneur à particule rebondissante (BPS) et la dynamique de Monte Carlo hybride randomisée (RHMC). La dépendances des bornes sur le taux de convergence que nous démontrons sont explicites par rapport aux paramètres du problème. Cela permet en particulier de contrôler la taille des intervalles de confiance pour des moyennes empiriques lorsque la dimension de l'espace des phases sous-jacent est grande. Ce travail a été fait en collaboration avec C. Andrieu, A. Durmus et N. Nüsken. / This thesis deals with four topics related to non-reversible dynamics. Each is the subject of a chapter which can be read independently. The first chapter is a general introduction presenting the problematics and some major results of computational statistical physics. The second chapter concerns the numerical resolution of hypoelliptic partial differential equations, i.e. involving an invertible but non-coercive differential operator. We prove the consistency of the Galerkin method as well as convergence rates for the error. The analysis is also carried out in the case of a saddle-point formulation, which is the most appropriate in the cases of interest to us. We demonstrate that our assumptions are met in a simple case and numerically check our theoretical predictions on this example. In the third chapter we propose a general strategy for constructing control variates for nonequilibrium dynamics. In particular, this method reduces the variance of transport coefficient estimators by ergodic mean. This variance reduction is quantified in a perturbative regime. The control variate is based on the solution of a partial differential equation. In the case of Langevin's equation this equation is hypoelliptic, which motivates the previous chapter. The proposed method is tested numerically on three examples. The fourth chapter is connected to the third since it uses the same idea of a control variate. The aim is to estimate the mobility of a particle in the underdamped regime, where the dynamics are close to being Hamiltonian. This work was done in collaboration with G. Pavliotis during a stay at Imperial College London. The last chapter deals with Piecewise Deterministic Markov Processes, which allow measure sampling in high-dimension. We prove the exponential convergence towards the equilibrium of several dynamics of this type under a general formalism including the Zig-Zag process (ZZP), the Bouncy Particle Sampler (BPS) and the Randomized Hybrid Monte Carlo (RHMC). The dependencies of the bounds on the convergence rate that we demonstrate are explicit with respect to the parameters of the problem. This allows in particular to control the size of the confidence intervals for empirical averages when the size of the underlying phase space is large. This work was done in collaboration with C. Andrieu, A. Durmus and N. Nüsken