Si µ est une mesure de probabilité à support compact dans uns espace vectoriel ou affine de dimension finie, le barycentre (ou centre de gravité) de µ est un point bien défini de l’espace. Mais des difficultés surgissent lorsque l’espace est remplacé par une variété riemannienne M ; dans ce cas, même en se restreignant aux variétés convexes (c’est-à-dire deux dont points quelconques sont toujours joints par une géodésique et une seule) et aux mesures à support fini, il est en général impossible d'assigner à chaque probabilité un barycentre de façon que, d'une part,pour tous λϵ [0; 1] et x et y dans M, le barycentre de µ = (1- λ ) δˣ+ λ δy soit toujours le point γ(λ), sur la géodésique telle que γ (0) = x et γ (1) = y, et que, d'autre part, soit préservée la propriété d'associativité (pour faire une moyenne, on peut commencer par faire des moyennes partielles). Dés que la mesure µ est portée par au moins trois points non tous situées sur une même géodésique, il y a de multiples façons différentes de définir son barycentre comme barycentre de barycentres partiels de barycentres partiels etc., chaque opération élémentaire ne faisant intervenir que deux points. On obtient ainsi tout un ensemble de points de M, les barycentres itérés de µ . Pour des probabilités plus générales, on appelle barycentre convexe de µ l'ensemble b(µ) des points x de M qui sont limites d'une suite (xn), ou chaque xn est un barycentre itéré d'une probabilité µn à support fini, les mesures µn tendant vers µ. / If μ is a probability measure carried on a small in a finite-dimension vectorial or affine space, the μ- barycenter (center of gravity) is a well-defined point in space. Nevertheless, difficulties arise when space is changed by Riemannian manifold M. In this case, even if we limit to convex manifolds (i.e : when any two points are joined by one geodesic and just one) and to finite-support measures, it’s, in general impossible to attribute a barycenter to each probability, in such a way, on one hand, whetever λϵ [0; 1] and x and y in M, the barycenter of µ = (1- λ ) δˣ+ λ δy will be always the point γ(λ) of the geodesic such that γ (0) = x et γ (1) =y, and on another hand, the associative property will be maintained (to make a mean, we can begin by doing partial means). Once the measure μ is carried by at least three points which are not all localed on the same geodesic, there are different manners to define its barycenter as one of partial barycenters of partial barycenters and so on, in which each elementary operation includes only two points. Thus, we get a whole set of set of points of M, the iterated barycenters of μ. For more general probabilities μ, we call convex barycenter of μ, the set b(μ) of points x of M which are limit of sequence (xn), in which each xn is an iterated barycenter of a finite support probability μn, the measure μn tending to μ.

Cette thèse présente des modèles mathématiques pour la perception visuelle et s'occupe des phénomènes où on reconnait une brèche entre ce qui est représenté et ce qui est perçu. La complétion amodale consiste en percevoir un complètement d'un object qui est partiellement occlus, en opposition avec la complétion modale, dans laquelle on perçoit un object même si ses contours ne sont pas présents dans l'image [Gestalt, 99]. Ces contours, appelés illusoires, sont reconstruits par notre système visuelle et ils sont traités par les cortex visuels primaires (V1/V2) [93]. Des modèles géométriques de l'architecture fonctionnelle de V1 on le retrouve dans le travail de Hoffman [86]. Dans [139] Petitot propose un modèle pour le complètement de contours, équivalent neurale du modèle proposé par Mumford [125]. Dans cet environnement Citti et Sarti introduisent un modèle basé sur l'architecture fonctionnelle de la cortex visuel [28], qui justifie les illusions à un niveau neurale et envisage un modèle neuro-géometrique pour V1. Une autre classe sont les illusions d'optique géométriques (GOI), découvertes dans le XIX siècle [83, 190], qui apparaissent en présence d'une incompatibilité entre ce qui est présent dans l'espace object et le percept. L'idée fondamentale développée ici est que les GOIs se produisent suite à une polarisation de la connectivité de V1/V2, responsable de l'illusion. A partir de [28], où la connectivité qui construit les contours en V1 est modelée avec une métrique sub-Riemannian, on étend cela en disant que pour le GOIs la réponse corticale du stimule initial module la connectivité, en devenant un coefficient pour la métrique. GOIs seront testés avec ce modèle. / This thesis presents mathematical models for visual perception and deals with such phenomena in which there is a visible gap between what is represented and what we perceive. A phenomenon which drew the interest most is amodal completion, consisting in perceiving a completion of a partially occluded object, in contrast with the modal completion, where we perceive an object even though its boundaries are not present [Gestalt theory, 99]. Such boundaries reconstructed by our visual system are called illusory contours, and their neural processing is performed by the primary visual cortices (V1/V2), [93]. Geometric models of the functional architecture of primary visual areas date back to Hoffman [86]. In [139] Petitot proposed a model of single boundaries completion through constraint minimization, neural counterpart of the model of Mumford [125]. In this setting Citti and Sarti introduced a cortical based model [28], which justifies the illusions at a neural level and provides a neurogeometrical model for V1. Another class of phenomena are Geometric optical illusions (GOIs), discovered in the XIX century [83, 190], arising in presence of a mismatch of geometrical properties between an item in object space and its associated percept. The fundamental idea developed here is these phenomena arise due to a polarization of the connectivity of V1/V2, responsible for the misperception. Starting from [28] in which the connectivity building contours in V1 is modeled as a sub-Riemannian metric, we extend it claiming that in GOIs the cortical response to the stimulus modulates the connectivity of the cortex, becoming a coefficient for the metric. GOIs will be tested through this model.

On considère ici deux sujets différents, en utilisant des idées issues de la théorie de l'information : 1) Context Tree Weighting est un algorithme de compression de texte qui calcule exactement une prédiction Bayésienne qui considère tous les modèles markoviens visibles : on construit un "arbre de contextes", dont les nœuds profonds correspondent aux modèles complexes, et la prédiction est calculée récursivement à partir des feuilles. On étend cette idée à un contexte plus général qui comprend également l'estimation de densité et la régression, puis on montre qu'il est intéressant de remplacer les mixtures Bayésiennes par du "switch", ce qui revient à considérer a priori des suites de modèles plutôt que de simples modèles. 2) Information Geometric Optimization (IGO) est un cadre général permettant de décrire plusieurs algorithmes d'optimisation boîte noire, par exemple CMA-ES et xNES. On transforme le problème initial en un problème d'optimisation d'une fonction lisse sur une variété Riemannienne, ce qui permet d'obtenir une équation différentielle du premier ordre invariante par reparamétrage. En pratique, il faut discrétiser cette équation, et l'invariance n'est plus valable qu'au premier ordre. On définit l'algorithme IGO géodésique (GIGO), qui utilise la structure de variété Riemannienne mentionnée ci-dessus pour obtenir un algorithme totalement invariant par reparamétrage. Grâce au théorème de Noether, on obtient facilement une équation différentielle du premier ordre satisfaite par les géodésiques de la variété statistique des gaussiennes, ce qui permet d'implémenter GIGO. On montre enfin que xNES et GIGO sont différents dans le cas général, mais qu'il est possible de définir un nouvel algorithme presque invariant par reparamétrage, GIGO par blocs, qui correspond exactement à xNES dans le cas Gaussien. / We study two different topics, using insight from information theory in both cases: 1) Context Tree Weighting is a text compression algorithm that efficiently computes the Bayesian combination of all visible Markov models: we build a "context tree", with deeper nodes corresponding to more complex models, and the mixture is computed recursively, starting with the leaves. We extend this idea to a more general context, also encompassing density estimation and regression; and we investigate the benefits of replacing regular Bayesian inference with switch distributions, which put a prior on sequences of models instead of models. 2) Information Geometric Optimization (IGO) is a general framework for black box optimization that recovers several state of the art algorithms, such as CMA-ES and xNES. The initial problem is transferred to a Riemannian manifold, yielding parametrization-invariant first order differential equation. However, since in practice, time is discretized, this invariance only holds up to first order. We introduce the Geodesic IGO (GIGO) update, which uses this Riemannian manifold structure to define a fully parametrization invariant algorithm. Thanks to Noether's theorem, we obtain a first order differential equation satisfied by the geodesics of the statistical manifold of Gaussians, thus allowing to compute the corresponding GIGO update. Finally, we show that while GIGO and xNES are different in general, it is possible to define a new "almost parametrization-invariant" algorithm, Blockwise GIGO, that recovers xNES from abstract principles.

Le travail de cette thèse a pour objet les interactions entre deux approches d'étude des équations différentielles: la théorie des modèles des corps différentiellement clos d'une part et l'étude dynamique des équations différentielles réelles d'autre part. Dans le premier chapitre, on présente un formalisme d'algèbre différentielle, en termes de D-schémas à la Buium au-dessus du corps des nombres réels (muni de la dérivation triviale), qui permet de rendre compte de ces deux approches d'étude en même temps. Le résultat principal est un critère d'orthogonalité aux constantes pour le type générique d'une D-variétés réelle absolument irréductible, basé sur la dynamique topologique de son flot réel analytique associé. Le deuxième chapitre est consacré aux équations différentielles algébriques décrivant le flot géodésique de variétés algébriques réelles munies de 2-formes symétriques non-dégénérées. A l'aide du critère précédent, on démontre un théorème d'orthogonalité aux constantes "en courbure strictement négative'', s'appuyant sur les résultats d'Anosov et de ses successeurs concernant la dynamique topologique - la propriété de mélange topologique faible - du flot géodésique d'une variété riemannienne compacte à courbure strictement négative. En dimension 2, on conjecture en fait une description plus précise - son type générique est minimal de prégéométrie triviale - de la structure associée aux équations différentielles géodésiques unitaires. On présente, dans le troisième chapitre, des motivations et des résultats partiels concernant cette conjecture. / This thesis is dedicated to studying the interactions between two different approaches regarding differential equations: the model-theory of differentially closed fields on the one side and the dynamical analysis of real differential equations, on the other side. In the first chapter, we present a formalism from differential algebra, in terms of D-varieties à la Buium over the field of real numbers (endowed with the trivial derivation), that allows one to realise both approaches at the same time. The main result is a criterion of orthogonality to the constants, based on the topological dynamic of its associated real analytic flow. The second chapter is dedicated to the algebraic differential equations describing the (unitary) geodesic flow of a real algebraic variety endowed with an algebraic, non-degenerated symmetric 2-form. Using the previous criterion, we prove a theorem of orthogonality to the constants "in negative curvature'', that relies on the results of Anosov and of his followers, regarding the topological dynamic - the weakly mixing topological property - for the geodesic flow of a compact Riemannian manifold with negative curvature. In dimension 2, we conjecture a more precise description - its generic type is minimal and has a trivial pregeometry- for the structure associated to the unitary geodesic equation. In the third chapter, we present some motivations and partial results on this conjecture.

Cette thèse est divisée en trois parties. Dans la première partie, nous commençons par décrire des résultats très connus en théorie du contrôle géométrique tels que le théorème de Chow-Rashevsky, la condition de rang de Kalman, l'application Entrée-Sortie et le test linéaire. De plus, nous définissons et nous étudions brièvement la contrôlabilité locale au voisinage d'un contrôle de référence au premier et au second ordre. Dans la deuxième partie, nous donnons une preuve élémentaire du lemme de Franks linéaire pour les flots géodésiques qui utilise des techniques basiques de théorie du contrôle géométrique. Dans la dernière partie, étant donnée une variété Riemanienne compacte, nous prouvons un lemme de Franks uniforme au second ordre pour les flots géodésiques et on applique le résultat à la théorie de la persistance. Dans cette partie, nous introduisons avec plus de détails les notions de contrôlabilité locale au premier et au second ordre. En effet, nous donnons un résultat de contrôlabilité au second ordre dont la preuve est longue et technique. / This thesis is devided into three parts. In the first part we begin by describing some well known results in geometric control theory such as the Chow Rashevsky Theorem, the Kalman rank condition, the End-Point Mapping and the linear test. Moreover, we define and study briefly local controllability around a reference control at first and second order. In the second part we provide an elementary proof of the Franks lemma for geodesic flows using basic tools of geometric control theory. In the last part, given a compact Riemannian manifold, we prove a uniform Franks' lemma at second order for geodesic flows and apply the result in persistence theory. In this part we introduce with more details notions of local controllability at first and second order. In fact, we provide a second order controllability result whose proof is long and technical.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à des problèmes de segmentation d'images sous contraintes géométriques. Cette problématique a émergé suite à l'analyse de plusieurs méthodes classiques de détection de contours qui a été faite. En effet, ces méthodes classiques (Modèles déformables, contours actifs géodésiques, 'fast marching', etc...) se révèlent caduques quand des données de l'image sont manquantes ou de mauvaise qualité. En imagerie médicale par exemple, des phénomènes d'occlusion peuvent se produire : des organes peuvent se masquer en partie l'un l'autre (ex du foie). Par ailleurs, deux objets qui se jouxtent peuvent posséder des textures intrinsèques homogènes si bien qu'il est difficile d'identifier clairement l'interface entre ces deux objets. La définition classique d'un contour qui est caractérisé comme étant le lieu des points connexes présentant une forte transition de luminosité ne s'applique donc plus. Enfin, dans certains contextes d'étude, comme en géophysique, on peut disposer en plus des doneées d'imagerie, de données géométriques à intégrer au processus de segmentation.<br /><br />Pour pallier ces difficultés, nous proposons ici des modèles de segmentation intégrant des contraintes géométriques et satisfaisant les critères classiques de détection avec en particulier la régularité sur le contour que cela implique.

Dans tout ce qui suit, nous considérons une variété riemannienne compacte de dimension au moins égale à 2. A tout domaine (suffisamment régulier) , on peut associer la première valeur propre ?Ù de l’opérateur de Laplace-Beltrami avec condition de Dirichlet au bord. Nous dirons qu’un domaine est extrémal (sous entendu, pour la première valeur propre de l’opérateur de Laplace-Beltrami) si est un point critique de la fonctionnelle Ù? ?O sous une contrainte de volume V ol(Ù) = c0. Autrement dit, est extrémal si, pour toute famille régulière {Ot}te (-t0,t0) de domaines de volume constant, telle que Ù 0 = Ù, la dérivée de la fonction t ? ?Ot en 0 est nulle. Rappelons que les domaines extrémaux sont caractérisés par le fait que la fonction propre, associée à la première valeur propre sur le domaine avec condition de Dirichlet au bord, a une donnée de Neumann constante au bord. Ce résultat a été démontré par A. El Soufi et S. Ilias en 2007. Les domaines extrémaux sont donc des domaines sur lesquels peut être résolu un problème elliptique surdéterminé. L’objectif principal de cette thèse est la construction de domaines extrémaux pour la première valeur propre de l’opérateur de Laplace-Beltrami avec condition de Dirichlet au bord. Nous donnons des résultats d’existence de domaines extrémaux dans le cas de petits volumes ou bien dans le cas de volumes proches du volume de la variété. Nos résultats permettent ainsi de donner de nouveaux exemples non triviaux de domaines extrémaux. Le premier résultat que nous avons obtenu affirme que si une variété admet un point critique non dégénéré de la courbure scalaire, alors pour tout volume petit il existe un domaine extrémal qui peut être construit en perturbant une boule géodésique centrée en ce point critique non dégénéré de la courbure scalaire. La méthode que nous utilisons pour construire ces domaines extrémaux revient à étudier l’opérateur (non linéaire) qui à un domaine associe la donnée de Neumann de la première fonction propre de l’opérateur de Laplace-Beltrami sur le domaine. Il s’agit d’un opérateur (hautement non linéaire), nonlocal, elliptique d’ordre 1. Dans Rn × R/Z, le domaine cylindrique Br × R/Z, o`u Br est la boule de rayon r > 0 dans Rn, est un domaine extrémal. En étudiant le linéarisé de l’opérateur elliptique du premier ordre défini par le problème précédent et en utilisant un résultat de bifurcation, nous avons démontré l’existence de domaines extrémaux nontriviaux dans Rn × R/Z. Ces nouveaux domaines extrémaux sont proches de domaines cylindriques Br × R/Z. S’ils sont invariants par rotation autour de l’axe vertical, ces domaines ne sont plus invariants par translations verticales. Ce deuxi`eme r´esultat donne un contre-exemple à une conjecture de Berestycki, Caffarelli et Nirenberg énoncée en 1997. Pour de grands volumes la construction de domaines extrémaux est techniquement plus difficile et fait apparaître des phénomènes nouveaux. Dans ce cadre, nous avons dû distinguer deux cas selon que la première fonction propre Ø0 de l’opérateur de Laplace-Beltrami sur la variété est constante ou non. Les résultats que nous avons obtenus sont les suivants : 1. Si Ø0 a des points critiques non dégénérés (donc en particulier n’est pas constante), alors pour tout volume assez proche du volume de la variété, il existe un domaine extrémal obtenu en perturbant le complément d’une boule géodésique centrée en un des points critiques non dégénérés de Ø0. 2. Si Ø0 est constante et la variété admet des points critiques non dégénérés de la courbure scalaire, alors pour tout volume assez proche du volume de la variété il existe un domaine extrémal obtenu en perturbant le complément d’une boule géodésique centrée en un des points critiques non dégénérés de la courbure scalaire / In what follows, we will consider a compact Riemannian manifold whose dimension is at least 2. Let Ù be a (smooth enough) domain and ?O the first eigenvalue of the Laplace-Beltrami operator on Ù with 0 Dirichlet boundary condition. We say that Ù is extremal (for the first eigenvalue of the Laplace-Beltrami operator) if is a critical point for the functional Ù? ?O with respect to variations of the domain which preserve its volume. In other words, Ù is extremal if, for all smooth family of domains { Ù t}te(-t0,t0) whose volume is equal to a constant c0, and Ù 0 = Ù, the derivative of the function t ? ?Ot computed at t = 0 is equal to 0. We recall that an extremal domain is characterized by the fact that the eigenfunction associated to the first eigenvalue of the Laplace-Beltrami operator over the domain with 0 Dirichlet boundary condition, has constant Neumann data at the boundary. This result has been proved by A. El Soufi and S. Ilias in 2007. Extremal domains are then domains over which can be solved an elliptic overdeterminated problem. The main aim of this thesis is the construction of extremal domains for the first eigenvalue of the Laplace-Beltrami operator with 0 Dirichlet boundary condition. We give some existence results of extremal domains in the cases of small volume or volume closed to the volume of the manifold. Our results allow also to construct some new nontrivial exemples of extremal domains. The first result we obtained states that if the manifold has a nondegenerate critical point of the scalar curvature, then, given a fixed volume small enough, there exists an extremal domain that can be constructed by perturbation of a geodesic ball centered in that nondegenerated critical point of the scalar curvature. The methode used is based on the study of the operator that to a given domain associes the Neumann data of the first eigenfunction of the Laplace-Beltrami operator over the domain. It is a highly nonlinear, non local, elliptic first order operator. In Rn × R/Z, the circular-cylinder-type domain Br × R/Z, where Br is the ball of radius r > 0 in Rn, is an extremal domain. By studying the linearized of the elliptic first order operator defined in the previous problem, and using some bifurcation results, we prove the existence of nontrivial extremal domains in Rn × R/Z. Such extremal domains are closed to the circular-cylinder-type domains Br × R/Z. If they are invariant by rotation with respect to the vertical axe, they are not invariant by vertical translations. This second result gives a counterexemple to a conjecture of Berestycki, Caffarelli and Nirenberg stated in 1997. For big volumes the construction of extremal domains is technically more difficult and shows some new phenomena. In this context, we had to distinguish two cases, according to the fact that the first eigenfunction Ø0 of the Laplace-Beltrami operator over the manifold is constant or not. The results obtained are the following : 1. If Ø0 has a nondegenerated critical point (in particular it is not constant), then, given a fixed volume closed to the volume of the manifold, there exists an extremal domain obtained by perturbation of the complement of a geodesic ball centered in a nondegenerated critical point of Ø0. 2. If Ø0 is constant and the manifold has some nondegenerate critical points of the scalar curvature, then, for a given fixed volume closed to the volume of the manifold, there exists an extremal domain obtained by perturbation of the complement of a geodesic ball centered in a nondegenerate critical point of the scalar curvature

Nous définissons des formes normales géodésiques pour les séries générales des groupes de réflexions complexes G(de,e,n). Ceci nécessite l'élaboration d'une technique combinatoire afin de déterminer des décompositions réduites et de calculer la longueur des éléments de G(de,e,n) sur un ensemble générateur donné. En utilisant ces formes normales géodésiques, nous construisons des intervalles dans G(e,e,n) qui permettent d'obtenir des groupes de Garside. Certains de ces groupes correspondent au groupe de tresses complexe B(e,e,n). Pour les autres groupes de Garside, nous étudions certaines de leurs propriétés et nous calculons leurs groupes d'homologie sur Z d'ordre 2. Inspirés par les formes normales géodésiques, nous définissons aussi de nouvelles présentations et de nouvelles bases pour les algèbres de Hecke associées aux groupes de réflexions complexes G(e,e,n) et G(d,1,n) ce qui permet d'obtenir une nouvelle preuve de la conjecture de liberté de BMR (Broué-Malle-Rouquier) pour ces deux cas. Ensuite, nous définissons des algèbres de BMW (Birman-Murakami-Wenzl) et de Brauer pour le type (e,e,n). Ceci nous permet de construire des représentations de Krammer explicites pour des cas particuliers des groupes de tresses complexes B(e,e,n). Nous conjecturons que ces représentations sont fidèles. Enfin, en se basant sur nos calculs heuristiques, nous proposons une conjecture sur la structure de l'algèbre de BMW. / We define geodesic normal forms for the general series of complex reflection groups G(de,e,n). This requires the elaboration of a combinatorial technique in order to determine minimal word representatives and to compute the length of the elements of G(de,e,n) over some generating set. Using these geodesic normal forms, we construct intervals in G(e,e,n) that give rise to Garside groups. Some of these groups correspond to the complex braid group B(e,e,n). For the other Garside groups that appear, we study some of their properties and compute their second integral homology groups. Inspired by the geodesic normal forms, we also define new presentations and new bases for the Hecke algebras associated to the complex reflection groups G(e,e,n) and G(d,1,n) which lead to a new proof of the BMR (Broué-Malle-Rouquier) freeness conjecture for these two cases. Next, we define a BMW (Birman-Murakami-Wenzl) and Brauer algebras for type (e,e,n). This enables us to construct explicit Krammer's representations for some cases of the complex braid groups B(e,e,n). We conjecture that these representations are faithful. Finally, based on our heuristic computations, we propose a conjecture about the structure of the BMW algebra.