Turbulent structures are known to be important physical processes in gravel-bed rivers. A number of limitations exist that prohibit the advancement and prediction of turbulence structures for optimization of civil infrastructure, biological habitats and sediment transport in gravel-bed rivers. This includes measurement limitations that prohibit characterization of size and strength of turbulent structures in the riverine environment for different case studies as well as traditional numerical modeling limitations that prohibit modeling and prediction of turbulent structure for heterogeneous beds under high Reynolds number flows using the Navier-Stokes equations. While these limitations exist, researchers have developed various theories for the structure of turbulence in boundary layer flows including large eddies in gravel-bed rivers. While these theories have varied in details and applicable conditions, a common hypothesis has been a structural organization in the fluid which links eddies formed at the wall to coherent turbulent structures such as large eddies which may be observed vertically across the entire flow depth in an open channel. Recently physics has also seen the advancement of topological fluid mechanical ideas concerned with the study of vortex structures, braids, links and knots in velocity vector fields. In the present study the structural organization hypothesis is investigated with topological fluid mechanics and experimental results which are used to derive a vortex model for gravel-bed flows. Velocity field measurements in gravel-bed flow conditions in the laboratory were used to characterize temporal and spatial structures which may be attributed to vortex motions and reconnection phenomena. Turbulent velocity time series data were measured with ADV and decomposed using statistical decompositions to measure turbulent length scales. PIV was used to measure spatial velocity vector fields which were decomposed with filtering techniques for flow visualization. Under the specific conditions of a turbulent burst the fluid domain is organized as a braided flow of vortices connected by prime knot patterns of thin-cored flux tubes embedded on an abstract vortex surface itself having topology of a Klein bottle. This model explains observed streamline patterns in the vicinity of a strong turbulent burst in a gravel-bed river as a coherent structure in the turbulent velocity field.

Cette thèse est consacrée à l'étude des distributions énergétiques temps-fréquence et temps-échelle, qui sont deux types de représentations conjointes bilinéaires de signaux. Bien que leurs vocations respectives diffèrent, on montre dans une première partie qu'il est possible d'unifier le cadre de leur étude en les présentant comme des représentations unitaires dans un espace de Hilbert, de groupes algébriques munis de règes opératorielles particulières. Ainsi, la classe de Cohen, représentation unitaire du groupe de Weyl-Heisenberg, est attachée à des propriétés naturelles de covariance par translation en temps et en fréquence. Les distributions temps-échelle de la classe affine étant, quant à elles, des représentations du groupe affine, sont précisément les distributions covariantes par translation en temps et changement d'échelle. Ce faisant, il est ensuite possible d'élargir le champ des distributions covariantes par un couple spécifique d'opérateurs en faisant usage d'équivalences unitaires entre classe de représentations. Un autre aspect de ces représentations bilinéaires, qui est abordé dans la deuxième partie de la thèse, est lié aux formes quadratiques qui les sous-tendent. Celles-ci sont notamment responsables de l'existence d'interférences obéissant à des règles de construction géométriques en lien avec la nature des opérateurs mis en jeu. Ces règles de construction sont formalisées dans le cas de certaines distributions affines localisées, et les prédictions théoriques sont confrontées à des résultats de simulation. Enfin dans une dernière partie, nous abordons certaines situations pour lesquelles les caractérisations temps-échelle sont d'un recours avantageux face aux analyses temps-fréquence. Parmi les problématiques soulevées (qui incluent la tolérance à l'effet Doppler et l'estimation spectrale de bruits en « 1/f »), l'estimation de singularités du type hölderienne occupe une place importante dans la mesure où ces dernières développent une structuration en loi d'échelle que les représentations affines permettent de révéler.

Nous construisons des distributions propres invariantes pour la paire symétrique (gl(4,R)/gl(2,R)*gl(2,R)). Pour ceci, j'ai dans un premier temps décrit les orbites de GL(2,R)*Gl(2,R) sur ce quotient. J'ai ensuite généralisé certains résultats sur les intégrales orbitales de rang un (de J.Faraut) au rang deux. Ainsi j'ai obtenu le comportement des intégrales orbitales au voisinage des points semi-réguliers. Je me suis restreint à l'étude des distributions invariantes, propres sous l'action des opérateurs différentiels invariants à coefficients constants. données par des fonctions localement intégrables. J'ai d'abord déterminé les fonctions propres invariantes sur l'ouvert dense des éléments réguliers. Ceci est rendu possible par l'expression des parties radiales des opérateurs différentiels considérés en terme des opérateurs de Dunkl. Le comportement des intégrales orbitales m'a permis de déterminer lesquelles de ces fonctions donnaient une distribution propre invariante sur l'ensemble des éléments privés des nilpotents. Nous obtenons un espace vectoriel de dimension 6 dont certaines se prolongent naturellement à tout l'espace.

Sequential data are encountered in many contexts of everyday life and in numerous scientific applications. They can for instance be SMS typeset on mobile phones, web pages reached while crossing hyperlinks, system logs or DNA samples, to name a few. Generating such data defines a sequential process. This thesis is concerned with the modeling of sequential processes from observed data. Sequential processes are here modeled using probabilistic models, namely discrete time Markov chains (MC), Hidden Markov Models (HMMs) and Partially Observable Markov Models (POMMs). Such models can answer questions such as (i) Which event will occur a couple of steps later? (ii) How many times will a particular event occur? and (iii) When does an event occur for the first time given the current situation? The last question is of particular interest in this thesis and is mathematically formalized under the notion of First Passage Times (FPT) dynamics of a process. The FPT dynamics is used here to solve the three following problems related to machine learning and data mining: (i) HMM/POMM induction, (ii) supervised sequence classification and (iii) relevant subgraph mining. Firstly, we propose a novel algorithm, called POMMStruct, for learning the structure and the parameters of POMMs to best fit the empirical FPT dynamics observed in the samples. Experimental results illustrate the benefit of POMMStruct in the modeling of sequential processes with a complex temporal dynamics while compared to classical induction approaches. Our second contribution is concerned with the classification of sequences. We propose to model the FPT in sequences with discrete phase-type (PH) distributions using a novel algorithm called PHit. These distributions are used to devise a new string kernel and a probabilistic classifier. Experimental results on biological data shows that our methods provides state-of-the-art classification results. Finally, we address the problem of mining subgraphs, which are relevant to model the relationships between selected nodes of interest, in large graphs such as biological networks. A new relevance criterion based on particular random walks called K-walks is proposed as well as efficient algorithms to compute this criterion. Experiments on the KEGG metabolic network and on randomly generated graphs are presented.

Dans ce travail nous abordons deux problèmes non résolus en Probabilité appliquée. Nous les approchons tous deux sous un angle nouveau, en utilisant des outils aussi variés que les chaînes de Markov, les mouvements Browniens, les transformations de Schwarz-Christoffel, les processus de Poisson et la théorie des temps d'arrêts optimaux. Problème de la ruine pour N joueurs Le problème de la ruine pour $N$ joueurs est un problème célèbre dont la solution pour $N=2$ est connue depuis longtemps. Nous l'abordons premièrement en toute généralité, en le modélisant comme un problème d'absorption pour une chaîne de Markov. Nous obtenons les distributions associées à ce problème et nous décrivons un algorithme (appelé {it folding algorithm}) permettant de diminuer considérablement le nombre d'opérations nécessaires à une résolution complète. Cette étude nous permet de mettre en avant un certain nombres de relations de récurrence satisfaites par les probabilités de ruines associées à chaque état de la chaîne de Markov. Nous étudions ensuite une version asymptotique du problème de la ruine pour 3 joueurs. Nous utilisons les propriétés d'invariance des mouvements Browniens par transformations conformes pour décrire une résolution de ce problème via les transformations de Schwarz-Christoffel. Cette méthode dépasse le cadre strict du problème de la ruine pour 3 joueurs et s'applique à d'autres problèmes de temps d'atteinte d'un bord par un mouvement Brownien. Problème de Robbins Ce problème s'inscrit dans le cadre de la théorie des temps d'arrêts optimaux. C'est un problème d'analyse séquentielle dans lequel un observateur examine $n$ variables aléatoires indépendantes de manière séquentielle et doit en sélectionner exactement une sans rappel. L'objectif est de déterminer une stratégie qui permette de minimiser le rang moyen de l'observation sélectionnée. Nous décrivons un modèle alternatif de ce problème, dans lequel le décideur observe un nombre aléatoire d'arrivées distribuées suivant un processus de Poisson homogène sur un horizon fixe $t$. Nous prouvons l'existence d'une stratégie optimale pour chaque horizon, et nous montrons que la fonction de perte associée à cette stratégie est uniformément continue sur $R$. Nous décrivons une fonction de perte restreinte qui permet d'obtenir une estimation de la valeur asymptotique du problème, et nous obtenons la valeur asymptotique associée à des stratégies spécifiques. Nous obtenons ensuite une équation intégro-diffférentielle sur la fonction de perte associée à la stratégie optimale. Finalement nous étudions les valeurs asymptotiques du problème et nous les comparons à celles du problème en temps discret. Nous concluons cette thèse en décrivant des stratégies spécifiques qui permettent d'obtenir des estimations sur le comportement asymptotique de la fonction de perte.

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In many areas of science, especially geophysics, geography and meteorology, the data are often directions or axes rather than scalars or unrestricted vectors. Directional statistics considers data which are mainly unit vectors lying in two- or three-dimensional space (R² or R³). One way in which directional data arise is as normals to foliations. A (codimension-1) foliation of {R} {d} is a system of non-intersecting (d-1)-dimensional surfaces filling out the whole of {R} {d}. At each point z of {R} {d}, any given codimension-1 foliation determines a unit vector v normal to the surface through z. The problem considered here is that of reconstructing the foliation from observations ({z}{i}, {v}{i}), i=1,...,n. One way of doing this is rather similar to fitting smooth splines to data. That is, the reconstructed foliation has to be as close to the data as possible, while the foliation itself is not too rough. A tradeoff parameter is introduced to control the balance between smoothness and closeness. The approach used in this thesis is to take the surfaces to be surfaces of constant values of a suitable real-valued function h on {R} {d}. The problem of reconstructing a foliation is translated into the language of Schwartz distributions and a deep result in the theory of distributions is used to give the appropriate general form of the fitted function h. The model parameters are estimated by a simplified Newton method. Under appropriate distributional assumptions on v{1},...,v{n}, confidence regions for the true normals are developed and estimates of concentration are given.

Recent attempts to elucidate a climatic effect on erosion rates at the catchment scale have generally found little or no correlation between precipitation and erosion rates, yet climate has been shown to exert a significant control on landscape properties such as drainage density, slope and relief. That erosion rates to do not directly reflect climatic conditions may not come as a surprise, since erosion rates will tend to keep pace with uplift rates in a tectonically active landscape. The interplay between erosion rates and climate may therefore be better understood with reference to the erosional efficiency of the landscape. Erosional efficiency governs how steep the landscape must become to balance uplift rates, and has also recently been postulated to affect the width to length (or spacing) ratio of first order basins, and the distribution of hillslopes within a landscape, via the relative inputs of diffusive and advective transport. This study constrains the efficiency of sediment transport along a climatic transect spanning a precipitation range of over two orders of magnitude in the Chilean Coastal Cordillera (26˚-41˚S), combining long-term erosion rates derived from concentrations of cosmogenic Be-10 in quartz in fluvial sediments with topographic metrics. The effects of changes in the relative input of diffusive and advective processes is investigated by studying the basin spacing ratios and distribution of hillslopes for a variety of natural landscapes and landscapes generated using the CHILD model. Sediment transport efficiency was found to peak at the transition between arid and semiarid climates, where herbaceous vegetation has almost entirely replaced bare ground, and to level off as climate becomes more humid, providing a background sediment transport efficiency value which will be applicable in both semi-arid and humid landscapes. Basin spacing ratios in natural landscapes show little variation along the transect, suggesting that changes in climate have little effect on this apparently universal catchment property, although maximum basin length attained appears to be linked to sediment transport efficiency. Slopes are consistently lower in the southern region where vegetation and sediment transport efficiency are uniform; here, lower slopes are maintained despite relatively high erosion rates thanks to higher sediment transport efficiency than in the north. Results from the CHILD landscapes show an increase in width to length ratio with decreasing sediment transport efficiency; this relationship is at odds with both the data from the study area and with data from previous studies. Results therefore indicate that, in natural landscapes, climate and vegetation cover exert a first order control on sediment transport efficiency. While climate and vegetation play little or no part in controlling the ratio of catchment dimensions, they may exert some control on the maximum dimensions of catchments and may help to modify the distribution of mean basin slope via their effects on hillslope processes.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.