L'objectif était de développer un outil individuel de management de la fatigue. Cet outil, dénommé Scextan®, a été conçu sous la forme d'une application informatique. Pour cela, plusieurs étapes de développement et de validation ont été franchies. Dans un premier temps, nous avons choisi d'observer le sommeil des navigateurs à la voile en solitaire qui doivent gérer une forte privation de sommeil. Les résultats ont montré que ces marins sont soumis aux mêmes principes de régulation de sommeil que l'adulte sain. Nous avons retenu ces sujets comme population expérimentale. Dans un deuxième temps, nous avons validé le logiciel Scextan® pour la mesure du rythme veille-sommeil qui s'est révélée plus précise qu'avec un agenda de sommeil manuscrit. Puis, nous avons évalué la pertinence de l'implémentation d'un modèle de prédiction mathématique de performances dans Scextan®. Chez des marins en course, le modèle a su prédire 70% de la variance des mesures. Dans un dernier temps, Scextan® a été proposé aux skippers de la course transatlantique "Route du Rhum". Seul le vainqueur de la course a utilisé de façon quasi systématique le logiciel Scextan® pour gérer son état de forme. L'agenda de Sommeil Interactif Scextan® est toujours en cours de développement, mais a déjà démontré qu'il pouvait être un outil de recherche à part entière, et qu'il tendrait rapidement à devenir un outil pédagogique. / The goal of the thesis was to develop an individual fatigue management tool called Scextan® and designed as a software application. The development of this system involved several research and validation steps. We first describe sleep patterns of single-handed sailors, who have to manage severe sleep deprivation. Results suggested that single-handed sailors are subject to the same principles of sleep regulation as healthy adults and we choose these subjects as our mains test population. In a second step, we developed and validated the Scextan® software application. Results revealed that Scextan® is more accurate than a paper-based sleep diary. The third study was to measure fatigue in single-handed ocean race and compare the results with a mathematical prediction model of performances, which was able to predict 67% of the measured fatigue. Lastly, skippers of the 2010 "Route du Rhum" single-handed transatlantic race were offered use of Scextan®. The race winner was the only sailor to use it intensively to manage and rationallyanticipate his state of alertness. Although Scextan® is still being improved, it has already proved itself to be a valuable research tool and is on the way to becoming an individual management tool.

Nous présentons et étudions des méthodes d’apprentissage non-supervisé de phénomènes extrêmes multivariés en grande dimension. Dans le cas où chacune des distributions marginales d’un vecteur aléatoire est à queue lourde, l’étude de son comportement dans les régions extrêmes (i.e. loin de l’origine) ne peut plus se faire via les méthodes usuelles qui supposent une moyenne et une variance finies. La théorie des valeurs extrêmes offre alors un cadre adapté à cette étude, en donnant notamment une base théorique à la réduction de dimension à travers la mesure angulaire. La thèse s’articule autour de deux grandes étapes : - Réduire la dimension du problème en trouvant un résumé de la structure de dépendance dans les régions extrêmes. Cette étape vise en particulier à trouver les sous-groupes de composantes étant susceptible de dépasser un seuil élevé de façon simultané. - Modéliser la mesure angulaire par une densité de mélange qui suit une structure de dépendance déterminée à l’avance. Ces deux étapes permettent notamment de développer des méthodes de classification non-supervisée à travers la construction d’une matrice de similarité pour les points extrêmes. / We present and study unsupervised learning methods of multivariate extreme phenomena in high-dimension. Considering a random vector on which each marginal is heavy-tailed, the study of its behavior in extreme regions is no longer possible via usual methods that involve finite means and variances. Multivariate extreme value theory provides an adapted framework to this study. In particular it gives theoretical basis to dimension reduction through the angular measure. The thesis is divided in two main part: - Reduce the dimension by finding a simplified dependence structure in extreme regions. This step aim at recover subgroups of features that are likely to exceed large thresholds simultaneously. - Model the angular measure with a mixture distribution that follows a predefined dependence structure. These steps allow to develop new clustering methods for extreme points in high dimension.

Le sujet de notre mémoire est l'intersection entre deux domaines : La théorie des valeurs extrêmes (TVE) et les copules. L'objet de la TVE est de trouver la loi limite du maximum d'un échantillon. Grâce aux résultats de la TVE, on peut modéliser les phénomènes extrêmes. Par aillleurs, il existe une variante bivariée de la TVE. La variante bivariée de la TVE utilise une famille de copules appelées copules de valeurs extrêmes pour tenir compte de la liaison entre les deux phénomènes extrêmes. En dimension 2, toute copule de valeurs extrêmes dépend d'une fonction de Pickands. L'objet de notre mémoire est d'estimer la fonction de Pickands à partir de données. Nous avons trouvé un moyen de construire une fonction de Pickands grâce à des splines cubiques. À partir de cette construction, on obtient une famille élargie de fonctions de Pickands dans laquelle nous effectuons notre inférence statistique. Nous avons choisit l'approche bayésienne pour construire l'estimateur et les méthodes de MCMC pour les évaluations numériques. La méthode a été appliquée sur des données simulées et réelles. / The subject of our thesis is intersection between two fields: The Extreme Value Theory (EVT) and copulas. The object of EVT is to find the limit law of the maximum of a sample. Due to the results of EVT, we can model extreme phenomena. In addition, there is a bivariate variant of EVT. The bivariate variant of EVT uses a family of copulas called extreme value copulas to account for the connection between the two extreme events. Any copula with extreme values depends on a Pickands function. The object of our thesis is to estimate the Pickands function from data. We have found a way to build a Pickands function using cubic splines. From this construction, we obtain an extended family of Pickands functions in which we perform our statistical inference. We chose the Bayesian approach to build the estimator and the MCMC methods for the estimates. The method was applied on simulated and real data.

Les inondations constituent le risque naturel prédominant dans le monde et les dégâts qu’elles causent sont les plus importants parmi les catastrophes naturelles. Un des principaux facteurs expliquant les inondations sont les précipitations extrêmes. En raison des changements climatiques, l’occurrence et l’intensité de ces dernières risquent fort probablement de s’accroître. Par conséquent, le risque d’inondation pourrait vraisemblablement s’intensifier. Les impacts de l’évolution des précipitations extrêmes sont désormais un enjeu important pour la sécurité du public et pour la pérennité des infrastructures. Les stratégies de gestion du risque d’inondation dans le climat futur sont essentiellement basées sur les simulations provenant des modèles numériques de climat. Un modèle numérique de climat procure notamment une série chronologique des précipitations pour chacun des points de grille composant son domaine spatial de simulation. Les séries chronologiques simulées peuvent être journalières ou infrajournalières et elles s’étendent sur toute la période de simulation, typiquement entre 1961 et 2100. La continuité spatiale des processus physiques simulés induit une cohérence spatiale parmi les séries chronologiques. Autrement dit, les séries chronologiques provenant de points de grille avoisinants partagent souvent des caractéristiques semblables. De façon générale, la théorie des valeurs extrêmes est appliquée à ces séries chronologiques simulées pour estimer les quantiles correspondants à un certain niveau de risque. La plupart du temps, la variance d’estimation est considérable en raison du nombre limité de précipitations extrêmes disponibles et celle-ci peut jouer un rôle déterminant dans l’élaboration des stratégies de gestion du risque. Par conséquent, un modèle statistique permettant d’estimer de façon précise les quantiles de précipitations extrêmes simulées par un modèle numérique de climat a été développé dans cette thèse. Le modèle développé est spécialement adapté aux données générées par un modèle de climat. En particulier, il exploite l’information contenue dans les séries journalières continues pour améliorer l’estimation des quantiles non stationnaires et ce, sans effectuer d’hypothèse contraignante sur la nature de la non-stationnarité. Le modèle exploite également l’information contenue dans la cohérence spatiale des précipitations extrêmes. Celle-ci est modélisée par un modèle hiérarchique bayésien où les lois a priori des paramètres sont des processus spatiaux, en l’occurrence des champs de Markov gaussiens. L’application du modèle développé à une simulation générée par le Modèle régional canadien du climat a permis de réduire considérablement la variance d’estimation des quantiles en Amérique du Nord.

La thèse est composée de trois parties. La première présente un certain nombre de mesures de dépendance extrême. Une application sur les actions et les obligations de 49 pays montre que la théorie des valeurs extrêmes multivariées conduit aux résultats différents de ceux issus du coefficient de corrélation, mais relativement proches de ceux obtenus du rho de Spearman conditionnel multivarié. Cette partie évalue aussi le risque de pertes importantes simultanées. La deuxième partie examine les déterminants des co-mouvements extrêmes entre 5 pays core et 49 pays non core. Les mécanismes de transmission des chocs varient de la période moins récente à la période récente, des pays développés aux pays émergents, des chocs normaux aux chocs extrêmes. La troisième partie étudie le rôle de valeur refuge de l’or sur la période 1986-2012. Les gains positifs extrêmes de l'or peuvent être liés aux pertes extrêmes du S&P. Cependant, ce lien n'est pas toujours valable, il évolue dans le temps et serait conditionné par d'autres facteurs. / The thesis consists of three parts. The first part introduces a number of measures of extreme dependency. An application on stock and bond markets of 49 countries shows the multivariate extreme value theory leads to results which are different from those from the correlation coefficient, but relatively close to those obtained from multivariate conditional Spearman's rho. This part also assesses the risk of simultaneous losses. The second part examines the determinants of extreme co-movements between 5 core countries and 49 non-core countries. Transmission mechanisms of shocks vary from less recent to recent period, from developed to emerging markets, from normal to extreme shocks. The third part examines the role of safe haven of gold over the period 1986-2012. Extreme positive gains of gold can be linked to extreme losses of S&P. However, this relationship is not always valid, it evolves over time and could be determined by other factors.

Ce travail de recherche porte sur les aspects géométriques desmathématiques et de l'informatique.<br />Il est fortement motivé par des applications telles que la conception assistée par ordinateur,<br />l'imagerie médicale, le calcul scientifique et la simulation ou encore la réalité virtuelle et<br />le multimédia. Plus précisément, cette thèse propose une analyse de la géométrie des surfaces<br />tant d'un point de vue local que global.<br />Tout d'abord, étant donnée une surface lisse connue via un échantillonnage, nous étudions le<br />problème de l'estimation des quantités différentielles locales: normale, courbures et quantités<br />d'ordre supérieur. Une méthode d'estimation utilisant un ajustement polynomial est développée:<br />les propriétés de convergence sont établies et un algorithme est proposé et implémenté.<br />D'un point de vue global, nous analysons les lignes d'extrême de courbure sur une surface,<br />appelées ridges. Pour le cas d'une surface discrétisée par un maillage, des conditions<br />précises d'échantillonnage sont données, et sous ces hypothèses, un algorithme produisant une<br />approximation topologiquement certifiée des ridges est développé. Dans le cas d'une surface<br />paramétrée, nous établissons que les ridges ont une structure implicite globale, et étudions les<br />singularités de la courbe associée dans le domaine de paramétrage en termes de systèmes zerodimensionnels.<br />Pour une paramétrisation polynomiale, ces équations sont aussi polynomiales<br />et des méthodes spécifiques de calcul formel sont développées pour calculer la topologie de la<br />courbe singulière des ridges.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la statistique des valeurs extrêmes. Elle y apporte deux contributions principales. Dans la littérature récente en statistique des valeurs extrêmes, un modèle de queues de distributions a été introduit afin d'englober aussi bien les lois de type Pareto que les lois à queue de type Weibull. Les deux principaux types de décroissance de la fonction de survie sont ainsi modélisés. Un estimateur des quantiles extrêmes a été déduit de ce modèle mais il dépend de deux paramètres inconnus, le rendant inutile dans des situations pratiques. La première contribution de cette thèse est de proposer des estimateurs de ces paramètres. Insérer nos estimateurs dans l'estimateur des quantiles extrêmes précédent permet alors d'estimer des quantiles extrêmes pour des lois de type Pareto aussi bien que pour des lois à queue de type Weibull d'une façon unifiée. Les lois asymptotiques de nos trois nouveaux estimateurs sont établies et leur efficacité est illustrée sur des données simulées et sur un jeu de données réelles de débits de la rivière Nidd se situant dans le Yorkshire en Angleterre. La seconde contribution de cette thèse consiste à introduire et estimer une nouvelle mesure de risque appelé Conditional Tail Moment. Elle est définie comme le moment d'ordre a>0 de la loi des pertes au-delà du quantile d'ordre p appartenant à ]0,1[ de la fonction de survie. Estimer le Conditional Tail Moment permet d'estimer toutes les mesures de risque basées sur les moments conditionnels telles que la Value-at-Risk, la Conditional Tail Expectation, la Conditional Value-at-Risk, la Conditional Tail Variance ou la Conditional Tail Skewness. Ici, on s'intéresse à l'estimation de ces mesures de risque dans le cas de pertes extrêmes c'est-à-dire lorsque p tend vers 0 lorsque la taille de l'échantillon augmente. On suppose également que la loi des pertes est à queue lourde et qu'elle dépend d'une covariable. Les estimateurs proposés combinent des méthodes d'estimation non-paramétrique à noyau avec des méthodes issues de la statistique des valeurs extrêmes. Le comportement asymptotique de nos estimateurs est établi et illustré aussi bien sur des données simulées que sur des données réelles de pluviométrie provenant de la région Cévennes-Vivarais. / This thesis can be viewed within the context of extreme value statistics. It provides two main contributions to this subject area. In the recent literature on extreme value statistics, a model on tail distributions which encompasses Pareto-type distributions as well as Weibull tail-distributions has been introduced. The two main types of decreasing of the survival function are thus modeled. An estimator of extreme quantiles has been deduced from this model, but it depends on two unknown parameters, making it useless in practical situations. The first contribution of this thesis is to propose estimators of these parameters. Plugging our estimators in the previous extreme quantiles estimator allows us to estimate extreme quantiles from Pareto-type and Weibull tail-distributions in an unified way. The asymptotic distributions of our three new estimators are established and their efficiency is illustrated on a simulation study and on a real data set of exceedances of the Nidd river in the Yorkshire (England). The second contribution of this thesis is the introduction and the estimation of a new risk measure, the so-called Conditional Tail Moment. It is defined as the moment of order a>0 of the loss distribution above the quantile of order p in (0,1) of the survival function. Estimating the Conditional Tail Moment permits to estimate all risk measures based on conditional moments such as the Value-at-Risk, the Conditional Tail Expectation, the Conditional Value-at-Risk, the Conditional Tail Variance or the Conditional Tail Skewness. Here, we focus on the estimation of these risk measures in case of extreme losses i.e. when p converges to 0 when the size of the sample increases. It is moreover assumed that the loss distribution is heavy-tailed and depends on a covariate. The estimation method thus combines nonparametric kernel methods with extreme-value statistics. The asymptotic distribution of the estimators is established and their finite sample behavior is illustrated both on simulated data and on a real data set of daily rainfalls in the Cévennes-Vivarais region (France).

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Face aux changements climatiques actuels et à l'augmentation des populations, la vulnérabilité du sol et des services écosystémiques qu’il rend s’accroît. En particulier dans les zones climatiques méditerranéennes, les modèles météorologiques prévoient une augmentation des sécheresses estivales et une augmentation des températures accompagnées par l’apparition plus fréquente d’évènements extrêmes de type canicule et sécheresse. Ces événements, leur intensité, leur durée et la soudaineté avec laquelle ils arrivent, sont de nature à affecter la structure et la fonction des écosystèmes avec des conséquences principalement négatives sur leur biodiversité et leurs fonctions et services. Par ailleurs, l’apport de compost au sol pourrait constituer une solution pour prévenir et atténuer les effets des sécheresses et des canicules dans les agrosystèmes méditerranéens. Les objectifs de ce travail étaient de caractériser les effets à court et à long-terme de perturbations de type canicule et/ou sécheresse appliquées à un sol méditerranéen agricole (structures et fonctions des communautés microbiennes édaphiques) et d’étudier les impacts d’épandage préalable de composts sur la réponse à court et à long-terme de ces communautés microbiennes (structures et fonctions) vis-à-vis d’un événement extrême de canicule-sécheresse. Nos travaux nous ont permis d’évaluer l’influence de chacun des facteurs température élevée et sécheresse dans la perturbation canicule et sécheresse associées sur les paramètres microbiologiques et physico-chimiques du sol. Les effets de cette combinaison des deux perturbations a induit des réponses similaires à l’une ou l’autre des perturbations appliquées individuellement en bénéficiant des effets positifs et négatifs sur la communauté microbienne de chaque type de perturbation. Nous avons mis en évidence une durée seuil de la perturbation canicule-sécheresse sur la résistance de la communauté microbienne induisant un changement de structure taxonomique et fonctionnelle. Cette déstructuration de la communauté microbienne est durable et n’a pas permis de résilience. L’ajout préalable de composts de différents types au champ a amélioré la structure physico-chimique et stimulé les microorganismes indigènes du sol. Cependant, face à des perturbations de type canicule-sécheresse (telles que nous les avons testées), il semble que l’apport préalable de compost n’ait pas d’effets majeurs sur l’amélioration de la qualité du sol en terme de stabilité microbienne, mais que l’historique saisonnier influencerait cette stabilité / Current climate change and increasing populations’ growth enhance soil and ecosystem services vulnerability. Meteorological models predicted an increase in summer drought and higher air temperature with more frequent occurrence of extreme events like heat-waves and drought. Intensity and duration of these events may affect structure and functions of ecosystems and thereby the biodiversity and the functions of soil. The amendment of soils with composts could be an alternative to prevent and mitigate the effects of drought and heat waves in the Mediterranean agroecosystems. The objectives of this work were to characterize the effects of short and long-term high temperature and/or drought perturbation on soil Mediterranean microbial communities (structures and functions) and to study the impacts of compost amendment on short and long-term functional and taxonomic responses of microbial communities subjected to drought and high temperature. Our work allowed us to evaluate the influence of each factor (drought or high temperature) within the combined perturbation (drought and high temperature) on microbiological and physico-chemical soil properties. The effects of this combined perturbation induced similar or different responses of each of perturbations applied individually involving positive and negative effects on the microbial community. This work had shown threshold resistance duration inducing a change in taxonomic and functional microbial community structure after high temperature and drought perturbation. This abrupt shift in the community response did not allow resilience. Compost amendments improved the physico-chemical soil structure and stimulated indigenous soil microorganisms. However, it seemed that seasonal soil variations history rather than compost amendment influences soil microbial stability

Ces dernières décennies, nous avons assisté à l'émergence du concept de copule en modélisation statistique. Les copules permettent de faire une analyse séparée des marges et de la structure de dépendance induite par une distribution statistique. Cette séparation facilite l'incorporation de lois non gaussiennes, et en particulier la prise en compte des dépendances non linéaires entre les variables aléatoires. La finance et l'hydrologie sont deux exemples de sciences où les copules sont très utilisées. Cependant, bien qu'il existe beaucoup de familles de copules bivariées, le choix reste limité en plus grande dimension: la construction de copules multivariées/en grande dimension reste un problème ouvert aujourd'hui. Cette thèse présente trois contributions à la modélisation et à l'inférence de copules en grande dimension. Le premier modèle proposé s'écrit comme un produit de copules bivariées, où chaque copule bivariée se combine aux autres via un graphe en arbre. Elle permet de prendre en compte les différents degrés de dépendance entre les différentes paires. La seconde copule est un modèle à facteurs basé sur une classe nonparamétrique de copules bivariées. Elle permet d'obtenir un bon équilibre entre flexibilité et facilité d'utilisation. Cette thèse traite également de l'inférence paramétrique de copules dans le cas général, en établissant les propriétés asymptotiques d'un estimateur des moindres carrés pondérés basé sur les coefficients de dépendance. Les modèles et méthodes proposés sont appliqués sur des données hydrologiques (pluies et débits de rivières). / In the last decades, copulas have been more and more used in statistical modeling. Their popularity owes much to the fact that they allow to separate the analysis of the margins from the analysis of the dependence structure induced by the underlying distribution. This renders easier the modeling of non Gaussian distributions, and, in particular, it allows to take into account non linear dependencies between random variables. Finance and hydrology are two examples of scientific fields where the use of copulas is nowadays standard. However, while many bivariate families exist in the literature, multivariate/high dimensional copulas are much more difficult to construct. This thesis presents three contributions to copula modeling and inference, with an emphasis on high dimensional problems. The first model writes as a product of bivariate copulas and is underlain by a tree structure where each edge represents a bivariate copula. Hence, we are able to model different pairs with different dependence properties. The second one is a factor model built on a nonparametric class of bivariate copulas. It exhibits a good balance between tractability and flexibility. This thesis also deals with the parametric inference of copula models in general. Indeed, the asymptotic properties of a weighted least-squares estimator based on dependence coefficients are established. The models and methods have been applied to hydrological data (flow rates and rain falls).