Cette thèse s'intéresse à l'usage des formalismes d'inférence profonde comme fondement des interprétations calculatoires des systèmes de preuve, en suivant les deux approches principales: celle des preuves comme programmes et celle de la recherche de preuve comme calcul. La première contribution est le développement d'une famille de systèmes de preuve pour la logique intuitionniste dans le calcul des structures et dans les séquents imbriqués. pour lesquels des procédures de normalisation internes sont fournies. L'une de ces procédures est alors interprétée en termes calculatoires, comme un raffinement de la correspondance de Curry-Howard permettant d'introduire une forme de partage ainsi que des opérateurs de communication dans un lambda-calcul avec substitution explicite. Du coté de la recherche de preuve, la notion de preuve focalisée en logique linéaire est transférée du calcul des séquents au calcul des structures, où elle induit une forme incrémentale de focalisation, dotée d'une preuve de complétude très simple. Enfin, une autre interprétation de la recherche de preuve est donnée par l'encodage de la réduction d'un lambda-calcul avec substitution explicite dans les règles d'inférence d'un sous-système de la logique intuitionniste dans le calcul des structures.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une technique non invasive permettant l'étude de l'activité cérébrale au travers des changements hémodynamiques associés. Récemment, une technique de détection-estimation conjointe (DEC) a été développée permettant d'alterner (1) la détection de l'activité cérébrale induite par une stimulation ainsi que (2) l'estimation de la fonction de réponse hémodynamique caractérisant la dynamique vasculaire; deux problèmes qui sont généralement traités indépendamment. Cette approche considère une parcellisation a priori du cerveau en zones fonctionnellement homogènes et alterne (1) et (2) sur chacune d'entre elles séparément. De manière standard, l'analyse DEC suppose que le cerveau entier peut être activé par tous les types de stimuli (visuel, auditif, etc.). Cependant la spécialisation fonctionnelle des régions cérébrales montre que l'activité d'une région n'est due qu'à certains types de stimuli. La prise en compte de stimuli non pertinents dans l'analyse, peut dégrader les résultats. La sous-famille des types de stimuli pertinents n'étant pas la même à travers le cerveau une procédure de sélection de modèles serait très coûteuse en temps de calcul. De plus, une telle sélection a priori n'est pas toujours possible surtout dans les cas pathologiques. Ce travail de thèse propose une extension de l'approche DEC permettant la sélection automatique des conditions (types de stimuli) pertinentes selon l'activité cérébrale qu'elles suscitent, cela simultanément à l'analyse et adaptativement à travers les régions cérébrales. Des exemples d'analyses sur des jeux de données simulés et réels, illustrent la capacité de l'approche DEC parcimonieuse proposée à sélectionner les conditions pertinentes ainsi que son intérêt par rapport à l'approche DEC standard.

Assurer l'interopérabilité de manière dynamique et automatique demeure un enjeu majeur dans le développement et la mise en œuvre des systèmes logiciels modernes. En effet, ces systèmes comprennent souvent plusieurs composants qui fonctionnent conjointement afin de satisfaire aux exigences des utilisateurs. Toutefois, les disparités pouvant exister entre les interfaces et les comportements de ces composants les empêchent de fonctionner ensemble, c'est-à-dire d'interopérer. Les solutions existantes visent à concilier ces disparités à travers la mise en œuvre d'intergiciels ou la génération de médiateurs. La mise en œuvre d'intergiciels n'offre qu'une solution statique, inadaptée aux environnements fortement dynamiques, tels que les environnements ubiquitaires. Les approches pour la génération de médiateurs requièrent que les correspondances entre les interfaces des composants soient préalablement spécifiées, et n'offrent de ce fait qu'une solution partiellement automatique à l'interopérabilité. Ainsi, les solutions existantes se révèlent souvent insuffisantes, particulièrement dans les environnements où les composants devant interopérer ne sont connus qu'à l'exécution. Dans cette thèse, nous définissons une approche à l'interopérabilité basée sur la synthèse automatique de médiateurs. Tout d'abord, nous intégrons la programmation par contraintes et le raisonnement ontologique afin d'inférer les traductions nécessaires pour pallier les différences entre les interfaces des composants. Ces traductions servent de base à la synthèse de médiateurs qui coordonnent les comportements des composants afin de garantir l'absence d'interblocage lors de leurs interactions. Enfin, nous procédons à l'analyse et la génération des messages au niveau intergiciel de façon à implémenter ces médiateurs. Pour valider notre approche, nous avons développé un prototype, appelé MICS, qui effectue la synthèse dynamique de médiateurs afin d'assurer l'interopérabilité entre composants en dépit de leurs différences aussi bien au niveau applicatif qu'au niveau intergiciel. Nous avons également expérimenté MICS en considérant plusieurs cas d'études allant de la médiation entre messageries instantanées à la gestion de l'interopérabilité dans les systèmes de systèmes. Cela nous a permis d'une part de démontrer la viabilité de notre solution et d'autre part d'évaluer son efficacité.

Cette thèse porte sur la propagation d'incertitudes et la résolution de problème inverse et leur accélération par Chaos Polynomial. L'objectif est de faire un état de l'art et une analyse numérique des méthodes spectrales de type Chaos Polynomial, d'en comprendre les avantages et les inconvénients afin de l'appliquer à l'étude probabiliste d'instabilités hydrodynamiques dans des expériences de tubes à choc de type Richtmyer-Meshkov. Le second chapitre fait un état de l'art illustré sur plusieurs exemples des méthodes de type Chaos Polynomial. Nous y effectuons son analyse numérique et mettons en évidence la possibilité d'améliorer la méthode, notamment sur des solutions irrégulières (en ayant en tête les difficultés liées aux problèmes hydrodynamiques), en introduisant le Chaos Polynomial généralisé itératif. Ce chapitre comporte également l'analyse numérique complète de cette nouvelle méthode. Le chapitre 3 a fait l'objet d'une publication dans Communication in Computational Physics, celle-ci a récemment été acceptée. Il fait l'état de l'art des méthodes d'inversion probabilistes et focalise sur l'inférence bayesienne. Il traite enfin de la possibilité d'accélérer la convergence de cette inférence en utilisant les méthodes spectrales décrites au chapitre précédent. La convergence théorique de la méthode d'accélération est démontrée et illustrée sur différents cas-test. Nous appliquons les méthodes et algorithmes des deux chapitres précédents à un problème complexe et ambitieux, un écoulement de gaz compressible physiquement instable (configuration tube à choc de Richtmyer-Meshkov) avec une analyse poussée des phénomènes physico-numériques en jeu. Enfin en annexe, nous présentons quelques pistes de recherche supplémentaires rapidement abordées au cours de cette thèse.

Les processus Markoviens continus en temps sont largement utilisés pour tenter d’expliquer l’évolution des séquences protéiques et nucléotidiques le long des phylogénies. Des modèles probabilistes reposant sur de telles hypothèses sont conçus pour satisfaire la non-homogénéité spatiale des contraintes fonctionnelles et environnementales agissant sur celles-ci. Récemment, des modèles Markov-modulés ont été introduits pour décrire les changements temporels dans les taux d’évolution site-spécifiques (hétérotachie). Des études ont d’autre part démontré que non seulement la force mais également la nature de la contrainte sélective agissant sur un site peut varier à travers le temps. Ici nous proposons de prendre en charge cette réalité évolutive avec un modèle Markov-modulé pour les protéines sous lequel les sites sont autorisés à modifier leurs préférences en acides aminés au cours du temps. L’estimation a posteriori des différents paramètres modulants du noyau stochastique avec les méthodes de Monte Carlo est un défi de taille que nous avons su relever partiellement grâce à la programmation parallèle. Des réglages computationnels sont par ailleurs envisagés pour accélérer la convergence vers l’optimum global de ce paysage multidimensionnel relativement complexe. Qualitativement, notre modèle semble être capable de saisir des signaux d’hétérogénéité temporelle à partir d’un jeu de données dont l’histoire évolutive est reconnue pour être riche en changements de régimes substitutionnels. Des tests de performance suggèrent de plus qu’il serait mieux ajusté aux données qu’un modèle équivalent homogène en temps. Néanmoins, les histoires substitutionnelles tirées de la distribution postérieure sont bruitées et restent difficilement interprétables du point de vue biologique. / Time-continuous Markovian process are widely used to understand the mechanism of nucleotidic acids and proteins evolution along phylogeny. Already existing probabilistic models based on such hypothesis are designed to satisfy the non-homogeneity of functional and environmental constraints acting across those biological sequences. Recently, Markov-modulated models have been introduced to describe site-specific temporal rate variation (heterotachy). Moreover, studies have demonstrated that not only strength but also the nature of the constraint acting on a specific site can vary over time. Here we propose to accommodate this evolutionary reality with a Markov-modulated model for proteins under which sites are authorized to change their amino acids propensities across time. Posterior estimation of the stochastic kernel hidden parameters with Monte Carlo methods is a challenging approach that we partially overcome with parallel computing. Fine-tuning are otherwise planned to accelerate convergence toward the target posterior stationnary distribution. Qualitatively, our model seems to be able to capture temporal heterogeneity from real sequences data sets whose evolutionary history is assumed to be rich in substitutional switch events. Furthermore, evaluation of the model performance suggest that he provides a better fit to the data set than the time-homogeneous equivalent model. Nonetheless, substitutional histories sampled from the posterior distribution are quite noisy and remain difficult to interpret biologically.

La première partie de la thèse traite d'inférence combinatoire en Analyse Géométrique des Données (AGD). Nous proposons des tests multidimensionnels sans hypothèse sur le processus d'obtention des données ou les distributions. Nous nous intéressons ici aux problèmes de typicalité (comparaison d'un point moyen à un point de référence ou d'un groupe d'observations à une population de référence) et d'homogénéité (comparaison de plusieurs groupes). Nous utilisons des procédures combinatoires pour construire un ensemble de référence par rapport auquel nous situons les données. Les statistiques de test choisies mènent à des prolongements originaux : interprétation géométrique du seuil observé et construction d'une zone de compatibilité.La seconde partie présente l'étude de l'absentéisme dans les Industries Electriques et Gazières de 1995 à 2011 (avec construction d'une cohorte épidémiologique). Des méthodes d'AGD sont utilisées afin d'identifier des pathologies émergentes et des groupes d'agents sensibles.

Dans un nombre croissant d'applications, les perturbations rencontrées s'éloignent fortement des modèles classiques qui les modélisent par une gaussienne ou un mélange de gaussiennes. C'est en particulier le cas des bruits impulsifs que nous rencontrons dans plusieurs domaines, notamment celui des télécommunications. Dans ce cas, une modélisation mieux adaptée peut reposer sur les distributions alpha-stables. C'est dans ce cadre que s'inscrit le travail de cette thèse dont l'objectif est de concevoir de nouvelles méthodes robustes pour l'estimation conjointe état-bruit dans des environnements impulsifs. L'inférence est réalisée dans un cadre bayésien en utilisant les méthodes de Monte Carlo séquentielles. Dans un premier temps, cette problématique a été abordée dans le contexte des systèmes de transmission OFDM en supposant que les distorsions du canal sont modélisées par des distributions alpha-stables symétriques. Un algorithme de Monte Carlo séquentiel a été proposé pour l'estimation conjointe des symboles OFDM émis et des paramètres du bruit $\alpha$-stable. Ensuite, cette problématique a été abordée dans un cadre applicatif plus large, celui des systèmes non linéaires. Une approche bayésienne non paramétrique fondée sur la modélisation du bruit alpha-stable par des mélanges de processus de Dirichlet a été proposée. Des filtres particulaires basés sur des densités d'importance efficaces sont développés pour l'estimation conjointe du signal et des densités de probabilité des bruits

L'évaluation du risque lié aux contaminants est généralement basée sur des données collectées au cours d'essais monospécifiques (à une seule espèce). Par conséquent, les interactions entre espèces, bien qu'elles structurent les écosystèmes, ne sont pas prises en compte. Pour explorer les effets des contaminants sur la dynamique des espèces en interaction, cette thèse vise à modéliser le fonctionnement d'un microcosme de laboratoire de deux litres incluant trois espèces, la daphnie Daphnia magna, la lentille d'eau Lemna minor et la microalgue Pseudokirchneriella subcapitata, exposées à une contamination par le cadmium. La dynamique des trois espèces ainsi que leurs interactions et les effets du cadmium ont été décrits par un modèle mécaniste basé sur des équations différentielles ordinaires couplées. Les principaux processus intervenant dans ce microcosme de trois espèces ont donc été formalisés, notamment la croissance et la survie des daphnies, la croissance et la sédimentation des algues, la croissance des lentilles, le broutage des algues par les daphnies, la compétition interspécifique entre algues et lentilles et les effets du cadmium sur ces différents processus. Les paramètres du modèle ont été estimés par inférence bayésienne, en utilisant simultanément toutes les données issues de différentes expérimentations en laboratoire, réalisées au cours de la thèse spécialement pour cette étude / Contaminant risk assessment is generally based on data collected during single species bioassays (including only one species). As a consequence, interactions between species that occur in ecosystems are not taken into account. To investigate the effects of contaminants on interacting species dynamics, this thesis aims at modelling the functioning of a 2-L laboratory microcosm with three species, the daphnid Daphnia magna, the duckweed Lemna minor and the microalgae Pseudokirchneriella subcapitata, exposed to cadmium contamination. We modelled the dynamics of the three species, their interactions and the effects of cadmium using a mechanistic model based on coupled ordinary differential equations. The main processes occurring in this three-species microcosm were thus formalized, including growth and survival of daphnids, growth and settling of algae, growth of duckweeds, grazing of algae by daphnids, interspecific competition between the algae and duckweeds, and the effects of cadmium on these processes. We estimated model parameters by Bayesian inference, using simultaneously all the data issued from multiple laboratory experiments specifically conducted for this study during the thesis

Ces travaux se placent dans le contexte de l'étude des champs profonds hyperspectraux produits par l'instrument d'observation céleste MUSE. Ces données permettent de sonder l'Univers lointain et d'étudier les propriétés physiques et chimiques des premières structures galactiques et extra-galactiques. La première problématique abordée dans cette thèse est l'attribution d'une signature spectrale pour chaque source galactique. MUSE étant un instrument au sol, la turbulence atmosphérique dégrade fortement le pouvoir de résolution spatiale de l'instrument, ce qui génère des situations de mélange spectral pour un grand nombre de sources. Pour lever cette limitation, des approches de fusion de données, s'appuyant sur les données complémentaires du télescope spatial Hubble et d'un modèle de mélange linéaire, sont proposées, permettant la séparation spectrale des sources du champ. Le second objectif de cette thèse est la détection du Circum-Galactic Medium (CGM). Le CGM, milieu gazeux s'étendant autour de certaines galaxies, se caractérise par une signature spatialement diffuse et de faible intensité spectrale. Une méthode de détection de cette signature par test d'hypothèses est développée, basée sur une stratégie de max-test sur un dictionnaire et un apprentissage des statistiques de test sur les données. Cette méthode est ensuite étendue pour prendre en compte la structure spatiale des sources et ainsi améliorer la puissance de détection tout en conservant un contrôle global des erreurs. Les codes développés sont intégrés dans la bibliothèque logicielle du consortium MUSE afin d'être utilisables par l'ensemble de la communauté. De plus, si ces travaux sont particulièrement adaptés aux données MUSE, ils peuvent être étendus à d'autres applications dans les domaines de la séparation de sources et de la détection de sources faibles et étendues. / This work takes place in the context of the study of hyperspectral deep fields produced by the European 3D spectrograph MUSE. These fields allow to explore the young remote Universe and to study the physical and chemical properties of the first galactical and extra-galactical structures.The first part of the thesis deals with the estimation of a spectral signature for each galaxy. As MUSE is a terrestrial instrument, the atmospheric turbulences strongly degrades the spatial resolution power of the instrument thus generating spectral mixing of multiple sources. To remove this issue, data fusion approaches, based on a linear mixing model and complementary data from the Hubble Space Telescope are proposed, allowing the spectral separation of the sources.The second goal of this thesis is to detect the Circum-Galactic Medium (CGM). This CGM, which is formed of clouds of gas surrounding some galaxies, is characterized by a spatially extended faint spectral signature. To detect this kind of signal, an hypothesis testing approach is proposed, based on a max-test strategy on a dictionary. The test statistics is learned on the data. This method is then extended to better take into account the spatial structure of the targets, thus improving the detection power, while still ensuring global error control.All these developments are integrated in the software library of the MUSE consortium in order to be used by the astrophysical community.Moreover, these works can easily be extended beyond MUSE data to other application fields that need faint extended source detection and source separation methods.

Cette thèse est consacrée à la modélisation de la formation spontanée de chemins préférentiels par des marcheurs déposant des traces attractives sur leurs trajectoires. Plus précisément, par une démarche pluridisciplinaire couplant modélisation et expérimentation, elle vise à dégager un ensemble de règles minimales individuelles permettant l'apparition d'un tel phénomène. Dans ce but, nous avons étudié sous différents angles les modèles minimaux que sont les marches aléatoires renforcées (MAR).Ce travail comporte deux parties principales. La première démontre de nouveaux résultats dans le domaine des probabilités et statistiques. Nous avons généralisé le travail publié par M. Benaïm et O. Raimond en 2010 afin d'étudier l'asymptotique d'une classe de MAR auxquelles les demi-tours sont interdits. Nous avons également développé une procédure statistique permettant, sous certaines conditions adéquates de régularité, d'estimer les paramètres de MAR paramétrées et d'évaluer des marges d'erreur.Dans la seconde partie, sont décrits les résultats et analyses d'une étude comportementale et expérimentale de la fourmi Linepithema humile. Une partie de notre réflexion est centrée sur le rôle et la valeur des paramètres du modèle proposé par J.-L. Deneubourg et al. en 1990. Nous nous sommes aussi demandés dans quelle mesure une MAR peut reproduire les déplacements d'une fourmi dans un réseau. Dans ces objectifs, nous avons mené des expériences confrontant des fourmis à des réseaux à une ou plusieurs bifurcations. Nous avons appliqué aux données expérimentales les outils statistiques développés dans cette thèse. Nous avons aussi effectué une étude comparative entre les simulations de plusieurs modèles et les expériences. / This thesis is devoted to the modelisation of the spontaneous formation of preferential paths by walkers that deposit attractive trails on their trajectories. More precisely, through a multidisciplinary approach, which combines modelisation and experimentation, this thesis aims to bring out a set of minimal individual rules that allow the apparition of this phenomena. In this purpose, we study in several ways the minimal models, which are the Reinforced Random Walks (RRW).This work contains two main parts. The first one proves some new results in the field of probability and statistics. We have generalized the work published by M. Benaïm and O. Raimond in 2010 in order to study the asymptotics of a class of RRW, to which U-turns are forbidden. We developped also a statistical procedure that allows under some appropriate regularity hypotheses to estimate the parameters of parametized RRW and to evaluate margins of error.In the second part, we describe the results and the analyses of a experimental and behavioral study of the Linepithema humile ants. One part of our reflection is centered on the role and the value of the parameters of the model defined by J.-L. Deneubourg et al. in 1990. We investigated also the extent to which RRW could reproduce the moving of an ant in a network. To these purposes, we performed experiments that confront ants to a network of one or several forks. We applied to experimental data the statistical tools developed in this thesis and we performed a comparative study between experiments and simulations of several models.