Les batteries électriques sont omniprésentes dans notre vie quotidienne : ordinateur, téléphone, etc. Elles jouent un rôle important dans le défi de la transition énergétique : anticiper la raréfaction des énergies fossiles et réduire la pollution, en développant le stockage des énergies renouvelables et les transports électriques. Cependant, l'estimation de l'état de charge (State of Charge – SoC) d'une batterie est difficile et les modèles de prédiction actuels sont peu robustes. En effet, une batterie est un système électrochimique complexe, dont la dynamique est influencée non seulement par ses caractéristiques internes, mais aussi par les conditions d'usages souvent non contrôlables : température, profil d’utilisation, etc. Or, une estimation précise du SoC permet de garantir une utilisation sûre de la batterie en évitant une surcharge ou surdécharge ; mais aussi d’estimer son autonomie. Dans cette étude, nous utilisons un modèle à espaces d'états gouverné par une chaîne de Markov cachée. Ce modèle est fondé sur des équations physiques et la chaîne de Markov cachée permet d’appréhender les différents «régimes de fonctionnement» de la batterie. Pour garantir l’unicité des paramètres du modèle, nous démontrons son identifiabilité à partir de contraintes simples et naturelles sur ses paramètres «physiques ». L’estimation du SoC dans un véhicule électrique doit être faîte en ligne et avec une puissance de calcul limitée. Nous estimons donc le SoC en utilisant une technique d’échantillonnage préférentiel séquentiel. D’autre part l’estimation des paramètres est faîte à partir d’une base d’apprentissage pour laquelle les états de la chaîne de Markov et le SoC ne sont pas observés. Nous développons et testons trois algorithmes adaptés à notre modèle à structure latente : un échantillonneur particulaire de Gibbs, un algorithme de Monte-Carlo EM pénalisé par des contraintes d’identifiabilité et un algorithme de Monte-Carlo EM pénalisé par une loi a priori. Par ailleurs les états cachés de la chaîne de Markov visent à modéliser les différents régimes du fonctionnement de la batterie. Nous identifions leur nombre par divers critères de sélection de modèles. Enfin, à partir de données issues de trois types de batteries (cellule, module et pack d’un véhicule électrique), notre modèle a permis d’appréhender les différentes sollicitations de la batterie et donne des estimations robustes et précises du SoC. / Electric batteries are omnipresent in our daily lives: computers, smartphones, etc. Batteries are important for anticipating the scarcity of fossil fuels and tackling their environmental impact. Therefore, estimating the State of Charge (SoC) of a battery is nowadays a challenging issue, as existing physical and statistical models are not yet robust. Indeed a battery is a complex electrochemical system. Its dynamic depends not only on its internal characteristics but also on uncontrolled usage conditions: temperature, usage profile, etc. However the SoC estimation helps to prevent overcharge and deep discharge, and to estimate the battery autonomy. In this study, the battery dynamics are described by a set of physical linear equations, switching randomly according to a Markov chain. This model is referred to as switching Markov state space model. To ensure the unicity of the model parameters, we prove its identifiability by applying straightforward and natural constraints on its “physical” parameters. Embedded applications, like electric vehicles, impose online estimated with hardware and time constraints. Therefore we estimate the SoC using a sequential importance sampling technique. Furthermore the model includes two latent variables: the SoC and the Markov chain state. Thus, to estimate the parameters, we develop and test three algorithms adapted to latent structure models: particle Gibbs sampler, Monte Carlo EM penalized with identifiability constraints, and Monte Carlo EM penalized with a prior distribution. The hidden Markov states aim to model the different “regimes” of the battery dynamics. We identify their number using different model selection criteria. Finally, when applied to various data from three battery types (cell, module and pack of an electric vehicle) our model allows us to analyze the battery dynamics and to obtain a robust and accurate SoC estimation under uncontrolled usage conditions.

Ce mémoire porte sur l’étude des modèles autorégressifs avec variables exogènes et sélection d’indices. La littérature classique regorge de textes concernant la sélection d’indices dans les modèles autorégressifs. Ces modèles sont particulièrement utiles pour des données macroéconomiques mesurées sur des périodes de temps modérées à longues. Effectivement, la lourde paramétrisation des modèles complets peut souvent être allégée en utilisant la sélection d’indices aboutissant ainsi à des modèles plus parcimonieux. Les modèles à variables exogènes sont très intéressants dans le contexte où il est connu que les variables à l’étude sont affectées par d’autres variables, jouant le rôle de variables explicatives, que l’analyste ne veut pas forcément modéliser. Ce mémoire se propose donc d’étudier les modèles autorégressifs vectoriels avec variables exogènes et sélection d’indices. Ces modèles ont été explorés, entre autres, par Lütkepohl (2005), qui se contente cependant d’esquisser les développements mathématiques. Nous concentrons notre étude sur l’inférence statistique sous des conditions précises, la modélisation ainsi que les prévisions. Notre objectif est de comparer les modèles avec sélection d’indices aux modèles autorégressifs avec variables exogènes complets classiques. Nous désirons déterminer si l’utilisation des modèles avec sélection d’indices est marquée par une différence favorable au niveau du biais et de l’écart-type des estimateurs ainsi qu’au niveau des prévisions de valeurs futures. Nous souhaitons également comparer l’efficacité de la sélection d’indices dans les modèles autorégressifs ayant des variables exogènes à celle dans les modèles autorégressifs. Il est à noter qu’une motivation première dans ce mémoire est l’estimation dans les modèles autorégressifs avec variables exogènes à sous-ensemble d’indices. Dans le premier chapitre, nous présentons les séries temporelles ainsi que les diverses notions qui y sont rattachées. De plus, nous présentons les modèles linéaires classiques multivariés, les modèles à variables exogènes puis des modèles avec sélection d’indices. Dans le deuxième chapitre, nous exposons le cadre théorique de l’estimation des moindres carrés dans les modèles autorégressifs à sous-ensemble d’indices ainsi que le comportement asymptotique de l’estimateur. Ensuite, nous développons la théorie pour l’estimation des moindres carrés (LS) ainsi que la loi asymptotique des estimateurs pour les modèles autorégressifs avec sélection d’indices (SVAR) puis nous faisons de même pour les modèles autorégressifs avec variables exogènes et tenant compte de la sélection des indices (SVARX). Spécifiquement, nous établissons la convergence ainsi que la distribution asymptotique pour l’estimateur des moindres carrés d’un processus autorégressif vectoriel à sous-ensemble d’indices et avec variables exogènes. Dans le troisième chapitre, nous appliquons la théorie spécifiée précédemment lors de simulations de Monte Carlo. Nous évaluons de manière empirique les biais et les écarts-types des coefficients trouvés lors de l’estimation ainsi que la proportion de fois que le modèle ajusté correspond au vrai modèle pour différents critères de sélection, tailles échantillonnales et processus générateurs des données. Dans le quatrième chapitre, nous appliquons la théorie élaborée aux chapitres 1 et 2 à un vrai jeu de données provenant du système canadien d’information socioéconomique (CANSIM), constitué de la production mensuelle de fromage mozzarella, cheddar et ricotta au Canada, expliquée par les prix mensuels du lait de bovin non transformé dans les provinces de Québec, d’Ontario et de la Colombie-Britannique pour la période allant de janvier 2003 à juillet 2021. Nous ajustons ces données à un modèle autorégressif avec variables exogènes complet puis à un modèle autorégressif avec variables exogènes et sélection d’indices. Nous comparons ensuite les résultats obtenus avec le modèle complet à ceux obtenus avec le modèle restreint. Mots-clés : Processus autorégressif à sous-ensemble d’indices, variables exogènes, esti mation des moindres carrés, sélection de modèle, séries chronologiques multivariées, processus stochastiques, séries chronologiques. / This Master’s Thesis focuses on the study of subset autoregressive models with exoge nous variables. Many texts from the classical literature deal with the selection of indexes in autoregressive models. These models are particularly useful for macroeconomic data measured over moderate to long periods of time. Indeed, the heavy parameterization of full models can often be simplified by using the selection of indexes, thus resulting in more parsimonious models. Models with exogenous variables are very interesting in the context where it is known that the variables under study are affected by other variables, playing the role of explanatory variables, not necessarily modeled by the analyst. This Master’s Thesis therefore proposes to study vector subset autoregressive models with exogenous variables. These models have been explored, among others, by Lütkepohl (2005), who merely sketches proofs of the statistical properties. We focus our study on statistical inference under precise conditions, modeling and forecasting for these models. Our goal is to compare restricted models to full classical autoregressive models with exogenous variables. We want to determine whether the use of restricted models is marked by a favorable difference in the bias and standard deviation properties of the estimators as well as in forecasting future values. We also compare the efficiency of index selection in autoregressive models with exogenous variables to that in autoregressive models. It should be noted that a primary motivation in this Master’s Thesis is the estimation in subset autoregressive models with exogenous variables. In the first chapter, we present time series as well as the various concepts which are attached to them. In addition, we present the classical multivariate linear models, models with exogenous variables and then we present subset models. In the second chapter, we present the theoretical framework for least squares estimation in subset autoregressive models as well as the asymptotic behavior of the estimator. Then, we develop the theory for the estimation of least squares (LS) as well as the asymptotic distribution of the estimators for the subset autoregressive models (SVAR), and we do the same for the subset autoregressive models with exogenous variables (SVARX). Specifically, we establish the convergence as well as the asymptotic distribution for the least squares estimator of a subset autoregressive process with exogenous variables. In the third chapter, we apply the theory specified above in Monte Carlo simulations. We evaluate empirically the biases and the standard deviations of the coefficients found during the estimation as well as the proportion of times that the adjusted model matches the true model for different selection criteria, sample size and data generating processes. In the fourth chapter, we apply the theory developed in chapters 1 and 2 to a real dataset from the Canadian Socio-Economic Information System (CANSIM) consisting of the monthly production of mozzarella, cheddar and ricotta cheese in Canada, explained by the monthly prices of unprocessed bovine milk in the provinces of Quebec, Ontario and British Columbia from January 2003 to July 2021. We fit these data with a full autoregressive model with exogenous variables and then to a subset autoregressive model with exogenous variables. Afterwards, we compare the results obtained with the complete model to those obtained with the subset model. Keywords : Subset autoregressive process, exogenous variables, least squares estimation, model selection, multivariate time series, stochastic process, time series.

Dans cette thèse de doctorat, nous présentons les travaux que nous avons effectués dans trois directions reliées : la compression de données en alphabet infini, les statistiques bayésiennes en dimension infinie, et les mélanges de distributions discrètes multivariées. Dans le cadre de la compression de données sans perte, nous nous sommes intéressé à des classes de sources stationnaires sans mémoire sur un alphabet infini, définies par une condition d'enveloppe à décroissance exponentielle sur les distributions marginales. Un équivalent de la redondance minimax de ces classes a été obtenue. Un algorithme approximativement minimax ainsi que des a-priori approximativement les moins favorables, basés sur l'a-priori de Jeffreys en alphabet fini, ont en outre été proposés. Le deuxième type de travaux porte sur la normalité asymptotique des distributions a-posteriori (théorèmes de Bernstein-von Mises) dans différents cadres non-paramétriques et semi-paramétriques. Tout d'abord, dans un cadre de régression gaussienne lorsque le nombre de régresseurs augmente avec la taille de l'échantillon. Les théorèmes non-paramétriques portent sur les coefficients de régression, tandis que les théorèmes semi-paramétriques portent sur des fonctionnelles de la fonction de régression. Dans nos applications au modèle de suites gaussiennes et à la régression de fonctions appartenant à des classe de Sobolev ou de régularité hölderiennes, nous obtenons simultanément le théorème de Bernstein-von Mises et la vitesse d'estimation fréquentiste minimax. L'adaptativité est atteinte pour l'estimation de fonctionnelles dans ces applications. Par ailleurs nous présentons également un théorème de Bernstein-von Mises non-paramétrique pour des modèles exponentiels de dimension croissante. Enfin, le dernier volet de ce travail porte sur l'estimation du nombre de composantes et des variables pertinentes dans des modèles de mélange de lois multinomiales multivariées, dans une optique de classification non supervisée. Ce type de modèles est utilisé par exemple pour traiter des données génotypiques. Un critère du maximum de vraisemblance pénalisé est proposé, et une inégalité oracle non-asymptotique est obtenue. Le critère retenu en pratique comporte une calibration grâce à l'heuristique de pente. Ses performances sont meilleurs que celles des critères classiques BIC et AIC sur des données simulées. L'ensemble des procédures est implémenté dans un logiciel librement accessible.

Les communautés végétales constituent des systèmes complexes au sein desquels de nombreuses espèces, pouvant présenter une large variété de traits fonctionnels, interagissent entre elles et avec leur environnement. En raison de la quantité et de la diversité de ces interactions les mécanismes qui gouvernent les dynamiques des ces communautés sont encore mal connus. Les approches basées sur la modélisation permettent de relier de manière mécaniste les processus gouvernant les dynamiques des individus ou des populations aux dynamiques des communautés qu'ils forment. L'objectif de cette thèse était de développer de telles approches et de les mettre en oeuvre pour étudier les mécanismes sous-jacents aux dynamiques des communautés. Nous avons ainsi développés deux approches de modélisation. La première s'appuie sur un cadre de modélisation stochastique permettant de relier les dynamiques de populations aux dynamiques des communautés en tenant compte des interactions intra- et interspécifiques et de l'impact des variations environnementale et démographique. Cette approche peut-être aisément appliquée à des systèmes réels et permet de caractériser les populations végétales à l'aide d'un petit nombre de paramètres démographiques. Cependant nos travaux suggèrent qu'il n'existe pas de relation simple entre ces paramètres et les traits fonctionnels des espèces, qui gouvernent pourtant leur réponse aux facteurs externes. La seconde approche a été développée pour dépasser cette limite et s'appuie sur le modèle individu-centré Nemossos qui représente de manière explicite le lien entre le fonctionnement des individus et les dynamiques de la communauté qu'ils forment. Afin d'assurer un grand potentiel d'application à Nemossos, nous avons apportés une grande attention au compromis entre réalisme et coût de paramétrisation. Nemossos a ainsi pu être entièrement paramétré à partir de valeur de traits issues de la littérature , son réalisme a été démontré, et il a été utilisé pour mener des expériences de simulations numériques sur l'importance de la variabilité temporelle des conditions environnementales pour la coexistence d'espèces fonctionnellement différentes. La complémentarité des deux approches nous a permis de proposer des éléments de réponse à divers questions fondamentales de l'écologie des communautés incluant le rôle de la compétition dans les dynamiques des communautés, l'effet du filtrage environnementale sur leur composition fonctionnel ou encore les mécanismes favorisant la coexistence des espèces végétales. Ici ces approches ont été utilisées séparément mais leur couplage peut offrir des perspectives intéressantes telles que l'étude du lien entre le fonctionnement des plantes et les dynamiques des populations. Par ailleurs chacune des approches peut être utilisée dans une grande variété d'expériences de simulation susceptible d'améliorer notre compréhension des mécanismes gouvernant les communautés végétales. / Plant communities are complex systems in which multiple species differing by their functional attributes interact with their environment and with each other. Because of the number and the diversity of these interactions the mechanisms that drive the dynamics of theses communities are still poorly understood. Modelling approaches enable to link in a mechanistic fashion the process driving individual plant or population dynamics to the resulting community dynamics. This PhD thesis aims at developing such approaches and to use them to investigate the mechanisms underlying community dynamics. We therefore developed two modelling approaches. The first one is based on a stochastic modelling framework allowing to link the population dynamics to the community dynamics whilst taking account of intra- and interspecific interactions as well as environmental and demographic variations. This approach is easily applicable to real systems and enables to describe the properties of plant population through a small number of demographic parameters. However our work suggests that there is no simple relationship between these parameters and plant functional traits, while they are known to drive their response to extrinsic factors. The second approach has been developed to overcome this limitation and rely on the individual-based model Nemossos that explicitly describes the link between plant functioning and community dynamics. In order to ensure that Nemossos has a large application potential, a strong emphasis has been placed on the tradeoff between realism and parametrization cost. Nemossos has then been successfully parameterized from trait values found in the literature, its realism has been demonstrated and it has been used to investigate the importance of temporal environmental variability for the coexistence of functionally differing species. The complementarity of the two approaches allows us to explore various fundamental questions of community ecology including the impact of competitive interactions on community dynamics, the effect of environmental filtering on their functional composition, or the mechanisms favoring the coexistence of plant species. In this work, the two approaches have been used separately but their coupling might offer interesting perspectives such as the investigation of the relationships between plant functioning and population dynamics. Moreover each of the approaches might be used to run various simulation experiments likely to improve our understanding of mechanisms underlying community dynamics.

Cette thèse propose une analyse de certaines des politiques considérées actuellement comme étant des éléments-clé de toute stratégie de développement, avec l’objectif de contribuer au récent débat sur le développement international. Je considère en particulier l’élaboration, la mise en oeuvre et l’évaluation des politiques de protection sociale, de développement participatif et d’intégration régionale. Le premier chapitre repose sur l’idée que, pour être efficaces en matière de réduction de la pauvreté, les politiques de protection sociale doivent avoir pour double objectif de permettre aux ménages pauvres d’accéder à des ressources suffisantes pour satisfaire leurs besoins de base, ainsi que de réduire le risque auquel les ménages non pauvres sont confrontés de voir leur niveau de bien-être diminuer sous le seuil de pauvreté. Je propose une méthode permettant d’estimer le degré de vulnérabilité à la pauvreté des ménages. La vulnérabilité est ici définie comme la probabilité pour un ménage de se trouver sous le seuil de pauvreté dans le futur, étant données ses caractéristiques actuelles. Dans le second chapitre, je me place dans un contexte de ciblage des programmes de protection sociale par un score approximant le niveau de vie (proxy-means testing). La précision, et donc l’efficacité, de cette approche pour identifier les ménages pauvres dépendent de la capacité à prédire avec exactitude le niveau de bien-être des ménages, laquelle découle de la sélection de variables pertinentes. Je propose une méthode basée sur l’estimation d’un échantillon aléatoire de modèles de consommation, pour identifier les variables dont la corrélation avec le bien-être des ménages est à la fois élevée et robuste. Ces variables appartiennent à différentes catégories, y compris la possession de biens durables, l’accès aux services d’énergie domestique et d’assainissement, la qualité et le statut d’occupation du logement, et le niveau d’éducation des membres du ménage. Les troisième et quatrième chapitres de cette thèse proposent une analyse ex-post des politiques de développement, et portent en particulier sur les conséquences inattendues d’un programme de développement participatif et les raisons de l’insuffisante performance de politiques d’intégration régionale, respectivement. Le troisième chapitre évalue dans quelle mesure la réaction des deux groupes rebelles présents aux Philippines face à la mise en oeuvre d’un programme participatif d’aide au développement est compatible avec l’idée que ces deux groupes ont différentes idéologies, caractéristiques et raisons pour lutter contre le gouvernement. Il utilise une base de données collectées en utilisant les reportages d’un journal local concernant les épisodes de guerre impliquant ces deux groupes, ainsi que les prédictions d’un modèle d’insurrection basé sur la recherche de rente (rent-seeking). Les résultats sont conformes à la classification proposée de ces deux groupes rebelles ; leur réaction face au projet dépend de leur position idéologique. Le dernier chapitre analyse l’impact des guerres civiles en Afrique sur la performance des communautés économiques régionales, approximée par la synchronisation des cycles économiques des différents partenaires régionaux. Les résultats montrent que la synchronisation des cycles économiques diminue avec l’occurrence de guerres civiles, non seulement pour les pays directement affectés, mais également pour leurs voisins en paix. / In this thesis, I aim to contribute to the recent international development debate, by providing an analysis of some of the policies that are considered key elements of a development strategy. Focusing on social protection, community-based development and regional integration, I consider aspects related to their design, implementation and evaluation. In the first chapter, I propose a method to estimate ex ante vulnerability to poverty, defined as the probability of being poor in the near future given one’s current characteristics. This is based on the premise that effective social protection policies should aim not only to help the poor move out of poverty, but also to protect the vulnerable from falling into it. In the second chapter, I consider the issue of identifying the poor in a context of targeting social protection programs using a Proxy-Means Testing (PMT) approach, which precision, and therefore usefulness relies on the selection of indicators that produce accurate predictions of household welfare. I propose a method based on model random sampling to identify indicators that are robustly and strongly correlated with household welfare, measured by per capita consumption. These indicators span the categories of household private asset holdings, access to basic domestic energy, education level, sanitation and housing. The third and fourth chapters of this thesis provide an ex-post analysis of development policies and focus in particular on the unintended consequences of a community-driven program and on the reasons for the lack of progress in regional economic integration. The third chapter assesses whether the reaction of the two distinct rebel groups that operate in the Philippines to the implementation of a large-scale community-driven development project funded by foreign aid is consistent with the idea that these two groups have different ideologies, characteristics and motives for fighting. It is based on a unique geo-referenced dataset that we collected from local newspaper reports on the occurrence of conflict episodes involving these rebel groups, and on the predictions of a rent-seeking model of insurgency. The findings are consistent with the proposed classification of the rebel groups; the impact of the foreign aid project on each rebel group depends on their ideological stance. In the last chapter, I analyze how civil conflicts affect the economic fate of African regional economic communities through its effect on the synchronicity of regional partners’ economies. I find that conflict decreases business cycle synchronicity when it occurs within a regional economic community, both for the directly affected countries and for their more peaceful regional peers.