Cette thèse est consacrée à l'étude de deux thèmes : les grandes déviations pour les estimateurs à noyau de la densité $f_n^*$ des processus stochastiques stationnaires et l'estimateur de décrément aléatoire (EDA) pour les processus gaussiens stationnaires.<br /><br /><br />Le premier thème est la partie principale de cette thèse, constituées des quatre premiers chapitres. Dans le chapitre 1, on établit le w*-PGD(principe de grandes déviations) de $f_n^*$ et une inégalité de concentration dans le cas i.i.d.. On démontre dans le chapitre 2 la convergence exponentielle de $f_n^*$ dans $L^1(R^d)$ et une inégalité de concentration pour des suites $\phi$-mélangeants, en se basant sur une inégalité de tranport de Rio. Les chapitre 3 et 4 constituent le coeur de cette thèse : on établit (i) le PGD de $f_n^*$ pour la topologie faible $\sigma(L^1, L^{\infty})$ ; (ii) le w*-PGD de $f_n^*$ dans $L^1$ pour la topologie forte $\vert\cdot\vert_1$ ; (iii) l'estimation de grandes déviations pour l'erreur $D_n^*=\vert f_n^*(x)-f(x) \vert_1$ et (iv) l'optimalité asymptotique de $f_n^*$ au sens de Bahadur. Ces résultats sont prouvés dans le chapitre 3 pour des processus de Markov uniformément ergodiques et dans le chapitre 4 pour des processus de Markov réversibles uniformément intégrables.<br /><br /><br />Le dernier chapitre est consacré au second thème. On démontre la loi des grands nombres et le théorème de limite centrale pour l'EDA à temps discret et on établit pour la première fois l'expression explicite du biais de l'EDA à temps continu.

Nous appelons accroissements généralisés du processus empirique l'estimateur à noyau de la densité centré sur R^d pour lequel le noyau varie dans une classe de fonctions G. Ceci définit des processus stochastiques indéxés par G. Nous étudions le comportement limite de ces trajectoires aléatoires en considérant une suite de taille de fenêtre h_n qui tend vers 0. Nous donnons des résultats limites fonctionnels lorsque h_n vérifie les conditions de Csörgö-Révész-Stute, puis lorsque h_n vérifie les conditions d'Erdös-Renyi. Nous étudions également quelques comportements au second ordre dans les lois limites fonctionnelles standard du logarithme itéré pour le processus empirique uniforme local.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'optimisation du partage de charge dans un réseau supportant le routage à la source. Une modélisation générique en files d'attente alimentées par un trafic caractérisé par sa bande passante effective et l'utilisation de la théorie des Grandes Déviations nous a permis de déduire de règles d'ingénierie dans divers contextes en optimisant des fonctions de coût qui reflètent les besoins des réseaux opérationnels. Des propriétés structurelles sur les politiques optimales ont été démontrées pour des importants dans le domaine de l'ingénierie du trafic. La variabilité de la capacité des chemins d'un réseau a été intégrée à l'aide du concept de capacité effective. Nous avons mis en évidence qu'un dimensionnement basé sur une capacité moyenne peut s'avérer sous optimal et nous avons quantifié cela. Ainsi, une approche d'ingénierie de trafic adaptative a été proposée en faisant évoluer le partage en fonction des mesures réalisées sur le réseau.

Ce document de synthèse présente différents travaux de recherche centrés sur le comportement asymptotique de processus stochastiques. Ces travaux analysent des équations différentielles stochastiques ou des systèmes d'EDS dirigés par des mouvements browniens. Ils font effectivement appel au calcul asymptotique: dans les questions posées, il s'agit bien souvent de considérer la limite d'un paramètre du système dynamique. Cela peut être: le coefficient de diffusion qui tend vers $0$, le temps qui croît à l'infini, le nombre de particules dans un système de particules en interaction qui tend vers l'infini, le pas de temps d'une marche aléatoire qui tend vers $0$. Les techniques utilisées sont donc spécifiques à ces passages à la limite: grandes déviations, estimation d'intégrales par la méthode de Laplace, limite de McKean-Vlasov, propagation du chaos, critère de tension des lois de processus, décomposition spectrale des semi-groupes.

L'objet de cette thèse est d'établir des résultats asymptotiques pour l'estimateur du quantile conditionnel par la méthode des polynômes locaux ainsi qu'à la généralisation de ces résultats pour les M-estimateurs. Nous étudions ces estimateurs et plus particulièrement leur représentation de Bahadur et leur biais. Nous donnons en outre un résultat sur les intervalles de confiance uniformes construits à partir de cette représentation pour le quantile conditionnel et ses dérivées.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine des matrices aléatoires et des techniques de grandes déviations. On s'attachera dans un premier temps à donner des inégalités de déviations pour différentes fonctionnelles du spectre qui reflètent leurs comportement de grandes déviations, pour des matrices de Wigner vérifiant une propriété de concentration indexée par un paramètre alpha ∈ (0,2]. Nous présenterons ensuite le principe de grandes déviations obtenu pour la plus grande valeur propre des matrices de Wigner sans queues Gaussiennes, dans la lignée du travail de Bordenave et Caputo, puis l'étude des grandes déviations des traces de matrices aléatoires que l'on aborde dans trois cas : le cas des beta-ensembles, celui des matrices de Wigner Gaussiennes, et enfin des matrices de Wigner sans queues Gaussiennes. Le cas Gaussien a été l'occasion de revisiter la preuve de Borell et Ledoux des grandes déviations des chaos de Wiener, que l'on prolonge en proposant un énoncé général de grandes déviations qui nous permet donner une autre preuve des principes de grandes déviations des matrices de Wigner sans queues Gaussiennes. Enfin, nous donnons une nouvelle preuve des grandes déviations de la mesure spectrale empirique des beta-ensembles associés à un potentiel quadratique, qui ne repose que sur leur représentation tridiagonale. / This thesis falls within the theory of random matrices and large deviations techniques. We mainly consider large deviations problems which involve a heavy-tail phenomenon. In a first phase, we will focus on finding concentration inequalities for different spectral functionals which reflect their large deviations behavior, for random Hermitian matrices satisfying a concentration property indexed by some alpha ∈ (0,2]. Then we will present the large deviations principle we obtained for the largest eigenvalue of Wigner matrices without Gaussian tails, in line with the work of Bordenave and Caputo. Another example of heavy-tail phenomenon is given by the large deviations of traces of random matrices which we investigate in three cases: the case of beta-ensembles, of Gaussian Wigner matrices, and the case of Wigner matrices without Gaussian tails. The Gaussian case was the opportunity to revisit Borell and Ledoux's proof of the large deviations of Wiener chaoses, which we investigate further by proposing a general large deviations statement, allowing us to give another proof of the large deviations principles known for the Wigner matrices without Gaussian tail. Finally, we give a new proof of the large deviations principles for the beta-ensembles with a quadratic potential, which relies only on the tridiagonal representation of these models. In particular, this result gives a proof of the large deviations of the GUE and GOE which does not rely on the knowledge of the law of the spectrum.

Le but de cette thèse est de développer la théorie de Freidlin-Wentzell pour des modèles des épidémies, afin de prédire le temps mis par les perturbations aléatoires pour éteindre une situation endémique "stable". Tout d'abord nous proposons une nouvelle démonstration plus courte par rapport à celle établit récemment (sous une hypothèse un peu différente, mais satisfaite dans tous les exemples de modèles de maladie infectieuses que nous avons à l'esprit) par Kratz et Pardoux (2017) sur le principe de grandes déviations pour les modèles des épidémies. Ensuite nous établissons un principe de grandes déviations pour des EDS poissoniennes réfléchies au bord d'un ouvert suffisamment régulier. Nous établissons aussi un résultat concernant la zone du bord la plus probable par laquelle le processus solution de l'EDS de Poisson va sortir du domaine d'attraction d'un équilibre stable de sa loi des grands nombres limite. Nous terminons cette thèse par la présentation des méthodes "non standard aux différences finis", appropriés pour approcher numériquement les solutions de nos EDOs ainsi que par la résolution d'un problème de contrôle optimal qui permet d'avoir une bonne approximation du temps d'extinction d'un processus d'infection. / In this thesis, we develop the Freidlin-Wentzell theory for the "natural'' Poissonian random perturbations of the above ODE in Epidemic Dynamics (and similarly for models in Ecology or Population Dynamics), in order to predict the time taken by random perturbations to extinguish a "stable" endemic situation. We start by a shorter proof of a recent result of Kratz and Pardoux (under a somewhat different hypothesis which is satisfied in all the cases we have examined so far), which establishes the large deviations principle for epidemic models. Next, we establish the large deviations principle for reflected Poisonian SDE at the boundary of a sufficiently regular open set. Then, we establish the result for the most likely boundary area by which the process will exit the domain of attraction of a stable equilibrium of an ODE. We conclude this thesis with the presentation of the "non - standard finite difference" methods, suitable to approach numerically the solutions of our ODEs as well as the resolution of an optimal control problem which allows to have a good approximation of the time of extinction of an endemic situation.

Cette thèse porte sur la physique statistique des systèmes hors d’équilibre maintenus dans un état stationnaire. Plus spécifiquement, ce travail s’intéresse à des quantités macroscopiques conservées (le volume, la masse, etc.) qui peuvent être échangées entre plusieurs systèmes hors d’équilibre en contact. Cette mise en contact d’un ou plusieurs systèmes est une situation fondamentale en thermodynamique classique des systèmes à l’équilibre, en ce qu’elle permet de définir la notion de paramètre thermodynamique conjugué comme la température, la pression, le potentiel chimique, etc., qui dérivent d’un même potentiel thermodynamique. Dans les systèmes hors d’équilibre stationnaires, l’existence de tels paramètres conjugués dérivant d’un potentiel thermodynamique (énergie libre) demeure une question ouverte. En se focalisant sur la situation du contact entre deux systèmes stochastiques hors d’équilibre quelconques de particules sur réseau dans des états homogènes, nous montrons l’existence d’une fonction de grande déviation attachée aux densités globales des deux systèmes, lorsque la fréquence d’échange de particules entre ces derniers est faible. Cette fonction de grandes déviations hors d'équilibre, analogue de l’énergie libre, vérifie une équation dite de Hamilton-Jacobi. Nous identifions les conditions naturelles pour lesquelles la fonction de grandes déviations est additive, menant ainsi à la définition de potentiels chimiques hors-équilibre. Néanmoins, nous montrons que ceux-ci dépendent de façon générique de la dynamique au contact et ne vérifient donc pas d’équation d’état. En l’absence de bilan détaillé macroscopique, l’équation de Hamilton-Jacobi est beaucoup plus difficile à résoudre. Une analyse perturbative par rapport aux forçages hors-équilibres permet de se convaincre que l’additivité est génériquement brisée dès les premiers ordres de perturbation en l’absence de bilan détaillé. Au-delà de la propriété d’additivité, cette fonction de grandes déviations peut être liée dans un certain nombre de cas au travail exercé par un potentiel extérieur à travers une relation de type second principe de la thermodynamique. Nous discutons également différentes façons d’y avoir accès expérimentalement.Fort de cette analyse théorique générale, nous illustrons celle-ci sur des systèmes stochastiques sur réseau classiques (Zero Range Process et Driven Lattice Gases) ainsi que sur un modèle de transport de masse original, exactement soluble. Nous appliquons également notre analyse sur des systèmes de particules auto-propulsées indépendantes. Dans chaque cas, l’importance du contact est alors pleinement révélée, en accord avec la littérature récente, que ce soit au niveau de la dynamique elle-même ou de la position de ce dernier vis-à-vis des systèmes. / This thesis deals with the statistical physics of out-of-equilibrium systems maintained in a steady state. More specifically, this work focuses on macroscopic conserved quantities (volume, mass, etc.) that can be exchanged between several out-of-equilibrium systems brought into contact. The contact between two systems is a fundamental situation in classical thermodynamics of equilibrium systems, since it allows one to define the notion of intensive thermodynamic parameter such as temperature, pressure, chemical potential, etc., derived from the same thermodynamic potential. For non-equilibrium steady state systems, the general existence of such intensive parameters remains an open issue. By focusing on the contact situation between two out-of-equilibrium stochastic systems on lattice in homogeneous states, we show the existence of a large deviation function attached to the overall densities of both systems, when the frequency of particle exchange between them is low. This large deviations function, analogous to a free energy, satisfies a so-called Hamilton-Jacobi equation. We identify the natural conditions for which the large deviation function is additive, leading to the definition of non-equilibrium chemical potentials. Nevertheless, we show that the latter generically depends on the contact dynamics and therefore do not obey any equation of state. In the absence of a macroscopic detailed balance, the Hamilton-Jacobi equation is much more difficult to solve. A perturbative analysis with respect to the driving forces allows one to show that additivity is generically broken. Beyond this additivity property, this large deviations function can – under certain assumptions – be related to the work applied by an external potential through a generalisation of the second law. We also discuss different ways to get access experimentally to this out-of-equilibrium free energy.Based on this general theoretical analysis, we eventually provide several illustrations on standard stochastic lattice models (Zero Range Process and Driven Lattice gases in particular) as well as a detailed analysis of an original, exactly solvable, mass transport model. Standard models of independent self-propelled particles are also discussed. The importance of the contact is eventually fully revealed, in agreement with recent literature, either in terms of the dynamics at contact itself or because of its position with respect to both systems.

Cette thèse porte sur la dynamique des grandes échelles des écoulements géophysiques turbulents, en particulier sur leur organisation en écoulements parallèles orientés dans la direction est-ouest (jets zonaux). Ces structures ont la particularité d'évoluer sur des périodes beaucoup plus longues que la turbulence qui les entoure. D'autre part, on observe dans certains cas, sur ces échelles de temps longues, des transitions brutales entre différentes configurations des jets zonaux (multistabilité). L'approche proposée dans cette thèse consiste à moyenner l'effet des degrés de liberté turbulents rapides de manière à obtenir une description effective des grandes échelles spatiales de l'écoulement, en utilisant les outils de moyennisation stochastique et la théorie des grandes déviations. Ces outils permettent d'étudier à la fois les attracteurs, les fluctuations typiques et les fluctuations extrêmes de la dynamique des jets. Cela permet d'aller au-delà des approches antérieures, qui ne décrivent que le comportement moyen des jets.Le premier résultat est une équation effective pour la dynamique lente des jets, la validité de cette équation est étudiée d'un point de vue théorique, et les conséquences physiques sont discutées. De manière à décrire la statistique des évènements rares tels que les transitions brutales entre différentes configurations des jets, des outils issus de la théorie des grandes déviations sont employés. Des méthodes originales sont développées pour mettre en œuvre cette théorie, ces méthodes peuvent par exemple être appliquées à des situations de multistabilité. / This thesis deals with the dynamics of geophysical turbulent flows at large scales, more particularly their organization into east-west parallel flows (zonal jets). These structures have the particularity to evolve much slower than the surrounding turbulence. Besides, over long time scales, abrupt transitions between different configurations of zonal jets are observed in some cases (multistability). Our approach consists in averaging the effect of fast turbulent degrees of freedom in order to obtain an effective description of the large scales of the flow, using stochastic averaging and the theory of large deviations. These tools provide theattractors, the typical fluctuations and the large fluctuations of jet dynamics. This allows to go beyond previous studies, which only describe the average jet dynamics. Our first result is an effective equation for the slow dynamics of jets, the validityof this equation is studied from a theoretical point of view, and the physical consequences are discussed. In order to describe the statistics of rare events such as abrupt transitions between different jet configurations, tools from large deviation theory are employed. Original methods are developped in order to implement this theory, those methods can be applied for instance in situations of multistability.

Cette thèse est consacrée à l'étude de quelques propriétés du modèle d'exclusion asymétrique unidimensionnel, un modèle exactement soluble de particules en interaction présentant un état stationnaire hors d'équilibre.<br />Dans une première partie, nous expliquons les liens que le modèle d'exclusion asymétrique entretient avec d'autres modèles de la physique statistique, en particulier des modèles de croissance, de polymère dirigé en milieu aléatoire, ou encore des modèles de vertex. Après avoir récapitulé quelques résultats connus, nous expliquons comment le modèle d'exclusion peut être étudié en utilisant l'Ansatz de Bethe.<br />La deuxième partie est consacrée au calcul par Ansatz de Bethe des fluctuations du courant dans le modèle d'exclusion partiellement asymétrique avec des conditions aux bords périodiques. Utilisant une formulation fonctionnelle des équations de Bethe, nous obtenons des expressions exactes pour les trois premiers cumulants du courant. À partir de ces expressions exactes et de calculs effectués pour de petits systèmes, nous conjecturons ensuite une expression combinatoire explicite pour tous les cumulants du courant.<br />Dans la troisième partie, nous présentons le modèle d'exclusion à plusieurs classes de particules, qui généralise le modèle étudié dans les deux premières parties. Nous montrons que ses probabilités stationnaire peuvent s'écrire sous la forme de traces de produits de matrices. Nous expliquons ensuite la formulation algébrique de l'Ansatz de Bethe pour ce modèle.