Laboratoire de Physique Théorique
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Corrections électrodynamiques quantiques en chimie quantique
Get PDFL'objectif principal de ma thèse était d'ouvrir la voie à des corrections électrodynamiques quantiques (QED) à chimie quantique. En d'autres termes, traduire les corrections QED au langage de la chimie quantique: au cadre de l'approximation à base finie. Les corrections analytiques apportées par QED ont merveilleusement pu combler un énorme pourcentage de l'écart entre la théorie de Dirac et l'expérience. Une fois le développement perturbatif est effectué (sur l'énergie par exemple), on obtient deux sortes de contributions: 1) Corrections radiatives: contenant des boucles d'électrons et/ou de photons. 2) Corrections non radiatives: les électrons échangent des photons virtuels: corrections de corrélation. Jusqu'à présent, en chimie quantique, les effets de corrélation sont très bien étudiés, alors que les corrections radiatives ne le sont pas. L'inclusion de ces corrections QED dans les calculs numériques est encore très limitée en raison de l'énorme complication qui apparaissent lorsqu'un grand nombre d'électrons orbite autour d'un potentiel nucléaire moléculaire (généralement non-radial). Les principales tentatives de prise en compte de ces corrections radiatives ont été faites en incluant certaines corrections d'ordre faible sous des formes de potentiels effectifs, par exemple : 1) Les potentiels de Uehling et Kallen-Sabry, représentant deux corrections de polarisation du vide. 2) Potentiel QED d'auto-énergie effectif, décrivant une correction d'auto-énergie. Des calculs plus précis qui incluent des corrections d'ordre supérieur compliquées ont déjà été effectués sur des systèmes "simples", tels que des atomes à un ou quelques électrons, mais pas pour les systems moléculaires à plusieurs électrons, d'où la motivation de traiter ces corrections en chimie quantique, d'une manière numérique rapide, où les corrections QED sont construites à partir de solutions qui sont développées dans la base. Au cours de ma thèse, nous avons étudié la symétrie de conjugaison de charge (C-symétrie) de l'équation de Dirac, dans le cadre de la base finie, et cette étude a donné naissance à notre article intitulé "Charge Conjugation Symmetry in the Finite Basis Approximation of the Dirac Equation ". Nous avons également effectué un nombre de tests numériques où nous avons essayé de calculer la densité de polarisation du vide dans le code DIRAC. De plus, j'ai construit des programmes qui traitaient le problème à un électron dans une base finie, en utilisant différentes prescriptions : Restricted, Inverse et Dual Kinetic Balance, où les fonctions de base sont les préférées du chimiste quantique, c'est-à-dire la sphérique Gaussiens. Nous avons finalement trouvé que dans le cas où la C-symétrie était respectée, nous obtenions des résultats plus physiques (numériques) conformes au théorème de Furry, avec des simplification du calcul numérique de la densité du vide. Nous avons également étudié le formalisme de la matrice S, où nous avons dérivé les corrections QED de premier ordre, et obtenu des expressions qui peuvent être utilisées dans un calcul numérique. Nous avons encore étudié les potentiels QED effectifs qui ont été dérivés et utilisés dans les calculs numériques. De plus, j'ai construit un programme qui simule l'électron en orbite un noyeau gaussien, où j'ai calculé la correction de polarisation du vide, et j'ai utilisé une nouvelle méthode de découpage de composants de grande quantité de mouvement, une méthode qui traduit numériquement l'idée de choisir une coupure dans l'espace de quantité de mouvement. Enfin, nous avons posé les bases de l'inclusion de ces corrections dans l'approximation à plusieurs électrons la plus simple, c'est-à-dire la théorie de Hartree Fock, qui une fois mise en œuvre, permettra l'extension à des méthodes de chimie quantique plus sophistiquées telles que la méthode des Coupled-Cluster. Le principal défi reste de gérer les divergences qui existent non seulement sur le papier mais aussi dans le calcul numérique.The main goal of my thesis was to pave the way towards quantum-chemicalizing quantum electrodynamic (QED) corrections. In other words, to translate QED connections to the language of quantum chemistry: to the framework of the finite basis approximation. In addition, we wanted to study the embedding of QED corrections in the Hartree-Fock theory.
The analytical corrections provided by QED were marvelously able to fill an enormous percentage of the gap between the relativistic theory of Dirac and the experiment. Once the perturbation expansion is performed (on energy for example), one obtains two kinds of contributions: 1) Radiative corrections: in which the representing Feynman diagrams contain electron and/or photon loops. 2) Non-radiative corrections: in which electrons exchange virtual photons, which account for correlation corrections. So far, in quantum chemistry, the correlation effects are very well studied and understood, while radiative corrections are not. The inclusion of these QED corrections in numerical computations (which approximates atomic and molecular problems) is still very limited due to the enormous complication which arises when a big number of electrons orbits a molecular (generally non-radial) nuclear potential. The main attempts to take into account these radiative corrections were done by including some of the low-order corrections in forms of effective potentials, for example: 1) The Uehling and Kallen-Sabry effective potentials, representing two low-order vacuum polarization (QED) corrections. 2) Effective self-energy QED potential, describing a low order self-energy (QED) correction. More accurate computations which include complicated higher-order corrections were already performed on "simple" systems, such as one- or few-electron atoms, but not for the many-electron molecular ones, and hence the motivation to treat these corrections in quantum chemistry in a fast numerical way, where QED corrections are constructed from solutions which are expanded in a set of basis functions. During my thesis, we studied the Charge conjugation symmetry (C-symmetry) of the Dirac equation, in the framework of the finite basis, and this study gave birth to our article titled "Charge Conjugation Symmetry in the Finite Basis Approximation of the Dirac Equation". We also performed an extensive amount of numerical tests where we tried to compute the vacuum polarization density in the DIRAC code. In addition, I constructed numerical programs that treated the one-electron problem in a finite basis approximation of the Dirac equation, using different prescriptions: Restricted, Inverse, and Dual Kinetic Balance, where basis functions are the quantum chemist's favorite ones, i.e. the spherical Gaussians. We finally found that in the case where the C-symmetry was respected, we obtained more physical (numerical) results which were in line with the Furry theorem, and simplified our numerical computation of the vacuum polarization density. We also studied the S-matrix formalism, where we derived the first-order QED corrections, and obtained expressions that can be employed in a numerical calculation. We also studied the effective QED potentials that were derived and used in numerical calculations. Furthermore, I have built a program that simulates the electron orbiting a Gaussian nuclear model, where I computed the vacuum polarization correction, and employed a new method of chopping large momentum components, a method that translates numerically the idea of choosing a cutoff in momentum space. Finally, we have set the foundation for the inclusion of these corrections in the simplest many-electron approximation, i.e. the Hartree Fock theory, which once is made working, will allow the extension to more sophisticated quantum chemical methods such as the coupled-cluster method. The main challenge is still to handle divergences that exist not only on paper but also in numerical computation
Interactions fluide-structure proche de la surface libre : application à la récupération d'énergie et aux instabilités
Get PDFCette thèse porte sur l'étude des problèmes d'interaction fluide-structure au voisinage d'une surface libre. La première partie de la thèse est consacrée à l'étude de la stabilité linéaire d'une membrane tendue dans un écoulement uniforme et parallèle à la surface libre appelée « configuration de Nemtsov ». Une approche numérique est mise en œuvre et le problème aux valeurs propres obtenu est ensuite résolu à l'aide du logiciel StabFEM développé à l'IMFT et basé sur le logiciel éléments finis FreeFEM++. Les résultats étendent la littérature actuelle associée à cette configuration à des valeurs finies de rapport de densité entre le fluide et le solide, et montrent que cette configuration est à l'origine de différents types d'instabilités incluant les instabilités fluide-structure classiques telles que des instabilités statiques et dynamiques (flottement), ainsi qu'une instabilité radiative spécifiquement due à la présence de la surface libre. Les mécanismes à la base de cette dernière instabilité sont décrits et interprétés comme une compétition entre différents types d'ondes de surface dites à énergie négative et à énergie positive qui respectivement ont pour effet de déstabiliser et stabiliser la membrane lorsqu'elles sont générées. Dans la perspective de l'utilisation de structures flexibles pour la récupération d'énergie des vagues, la seconde partie de la thèse est dédiée à l'étude du forçage par une houle incidente monochromatique d'un convertisseur d'énergie constitué d'une membrane flexible immergée parallèlement à la surface libre en présence d'un courant et reliée à un (ou plusieurs) amortisseur(s) linéaire(s) ponctuel(s) modélisant l'extraction d'énergie. L'ensemble des équations modélisant ce problème d'interaction vague-courant-membrane flexible est ensuite résolu numériquement à l'aide du logiciel StabFEM. Notre méthode est par la suite confrontée aux résultats de la littérature afin de valider la prise en compte de la flexibilité et du courant incident. L'effet de l'écoulement incident (vagues/courant) sur l'efficacité de la récupération d'énergie est étudié pour un récupérateur aux caractéristiques données (immersion, propriétés structurelles et dimensions fixées). L'étude révèle notamment que la présence d'un courant peut augmenter significativement l'efficacité de la récupération d'énergie des vagues. Ultérieurement,une étude paramétrique des principaux paramètres du récupérateur d'énergie (position et coefficient d'amortissement) est faite pour deux ondes incidentes typiques (les rapports longueur d'onde/longueur de la membrane sont de l'ordre de 1 et 2). Nous constatons que nous avons un meilleur rendement (qui peut dépasser 90%) principalement lorsque l'amortisseur est placé dans la partie aval de la membrane (au-delà du milieu). Finalement, nous proposons une analyse de stabilité linéaire de l'écoulement autour d'un cylindre bidimensionnel, rigide, immobile et à proximité d'une surface libre. Une méthode Arbitraire Eulérienne-Lagrangienne-Linéarisée (L-ALE) est mise en œuvre pour formuler ce problème dans un domaine mobile présentant une faible déformation par rapport à la configuration de référence. Après obtention des solutions stationnaires des équations de Navier Stokes en utilisant une méthode itérative de Newton dans laquelle un champ de déformation du maillage est calculé à chaque itération, une analyse de stabilité linéaire de ce champ de base est effectuée. Le calcul des efforts hydrodynamiques exercés sur la surface du cylindre montre que la force de portance diminue avec la présence de la surface libre tandis que le force de traînée augmente lorsque les déformations de la surface deviennent importantes. Par ailleurs, l'analyse de stabilité nous montre que la présence de la surface libre a une influence importante sur les seuils de stabilité. En effet, nous avons un effet déstabilisant qui se manifeste par la modification de la structure du sillage généré derrière le cylindre.This thesis focuses on the study of fluid-structure interaction problems near to the free surface. The first part of the thesis is devoted to the study of the linear stability of a tensioned membrane in a uniform flow and parallel to the free surface so-called the "Nemtsov configuration". A numerical approach is implemented and the eigenvalue problem obtained is then solved using the StabFEM software developed at IMFT and based on the finite elements software FreeFEM++. The results extend the current literature associated with this configuration to finite values of the density ratio of the fluid and the solid, and show that this configuration is at the origin of different types of instabilities including classical fluid-structure instabilities such as static (divergence) and dynamic instabilities (flutter), as well as radiative instability specifically due to the presence of the free surface. The mechanisms at the base of this latter instability are described and interpreted as a competition between different types of surface waves called negative energy and positive energy which respectively have the effect of destabilizing and stabilizing the membrane when they are generated.
In the perspective of the use of flexible structures for the wave energy harvesting, the second part of the thesis is dedicated to the study of the forcing by a monochromatic incident wave of an energy converter made up of a flexible membrane submerged parallel to the free surface in the presence of a current and connected to one (or more) punctual linear damper(s) modeling the energy extraction. The set of equations modeling this wave-current-flexible membrane interaction problem is then solved numerically using StabFEM software. Our method is then compared to the results of the literature in order to validate the inclusion of flexibility and incident current. The effect of the incident flow (waves / current) on the efficiency of energy harvesting is studied for a converter with given characteristics (immersion, structural properties and fixed dimensions). The study reveals in particular that the presence of a current can significantly increase the efficiency of wave energy recovery. Subsequently, a parametric study of the main parameters of the energy recuperator (position and damping coefficient) is made for two typical incident waves (the wavelength / membrane length ratios are of the order of 1 and 2) . We find that we have a better efficiency (which can exceed 90%) mainly when the damper is placed in the downstream part of the membrane (beyond the middle). Finally, we propose a linear stability analysis of the flow around a rigid and fixed two-dimensional cylinder, near to the free surface. A Linearized-Eulerian-Lagrangian Arbitrary method (L-ALE) is implemented to formulate this problem in a moving domain having a small deformation compared to the reference configuration. After obtaining the steady solutions of the Navier Stokes equations using an iterative Newton method in which a deformation field is computed at each iteration. We then proceed to the stability analysis of the obtained base flow. The calculation of the hydrodynamic forces exerted on the cylinder surface shows that the lift force decreases with the presence of the free surface while the drag force increases when the deformations of the surface become important. Moreover, the stability analysis shows that the presence of the free surface has an important influence on the stability thresholds. Indeed, we have a destabilizing effect which manifests itself by the modification of the wake structure generated behind the cylinder
Vers des nano-électrodes sur semi-conducteurs grand gap. Graphène/SiC, silicène/graphène/SiC et Au/AlN/SiC. Epitaxie et caractérisation NC-AFM/KPFM
Get PDFL'objectif ultime de ce travail est l'élaboration puis la caractérisation de nouveaux matériaux utilisés pour réaliser des nanopads destinés à l'électronique moléculaire. Ces nanopads doivent répondre à des critères stricts pour stabiliser, sans déformation et avec une précision atomique, la molécule dans la jonction nanopad-surface-nanopad. En combinant la microscopie à force atomique sans contact (nc-AFM) et la microscopie à sonde Kelvin (KPFM) dans un environnement ultravide (UHV), nous avons mesuré la hauteur et le travail de sortie d’une monocouche de graphène sur la face Si du 6H-SiC (0001). Ces mesures nous ont permis d’identifier trois structures de graphène : La ZLG (couche tampon), la QFMLG et la BLG. Contrairement aux autres méthodes de spectroscopie, le nc-AFM couplé à une sonde KPFM nous a permis ensuite d'identifier directement des nano-îlots de graphène aux premiers stades de nucléation, élaborée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le système graphène/SiC/graphène est prometteur pour la réalisation des jonctions en géométrie planaire. Dans la deuxième partie de cette thèse nous avons exploré la croissance de nanopads en silicène dans une chambre d’épitaxie par jets moléculaires (EJM). Nous avons démontré que la croissance du silicium sur graphène n'est pas bidimensionnelle et conduit à la formation des amas 3D ayant des branches fractales. Enfin, nous avons déposé par EJM des nano-îlots d'or sur un film mince d'AlN. Ce système est très prometteur et répond à un grand nombre de critères pour réaliser un dispositif à une seule molécule. Les nano-îlots d'or sont d'épaisseur monoatomique et peuvent être chargés électriquement avec la pointe AFM de manière contrôlée. Il reste alors, à titre de perspective, à synthétiser des nano-rubans moléculaires de graphène sur cette surface pour préparer la mesure de leur conductance à plat.The ultimate goal of this work is the elaboration and characterization of new materials used to realize nanopads for molecular electronics. These nanopads must meet strict criteria to stabilize, without deformation and with atomic precision, the molecule on the nanopad-surface-nanopad junction. By combining non-contact atomic force microscopy (nc-AFM) and Kelvin probe microscopy (KPFM) in ultra high vacuum environment (UHV), we directly measure the height and work function of graphene monolayer on the Si-face of 6H-SiC(0001) with a precision that allows us to differentiate three different graphene structures : Zero layer graphene (ZLG), Quasi free-standing monolayer graphene (QFMLG) and Bilayer graphene (BLG). Unlike any other available technique, the local nc-AFM/KPFM dual probe makes it possible to directly identify the nature of nanometer-sized graphene islands that constitute the early nuclei of graphene monolayer grown on 6H-SiC(0001) by chemical vapour deposition. In the second part of this thesis we explored the growth of silicon nanopads by molecular beam epitaxy. We have shown that the growth of silicon on graphene is not two-dimensional and leads to the formation of 3D clusters with fractal branches. Finally, we epitaxially deposited gold nanoislands on an AlN(0001) thin film. This system is very promising and meets many of the criteria required for single molecule devices. The gold islands are mono-atomic and can be electrically charged with the AFM tip. It remains then to synthesize graphene nano-ribbons (GNRs) on this surface to prepare the conductance measurement
Exact methods for Bayesian network structure learning and cost function networks
Get PDFLes modèles graphiques discrets représentent des fonctions jointes sur de grands ensembles de variables en tant qu'une combinaison de fonctions plus petites. Il existe plusieurs instanciations de modèles graphiques, notamment des modèles probabilistes et dirigés comme les réseaux Bayésiens, ou des modèles déterministes et non-dirigés comme les réseaux de fonctions de coûts. Des requêtes comme trouver l'explication la plus probable (MPE) sur un réseau Bayésiens, et son équivalent, trouver une solution de coût minimum sur un réseau de fonctions de coût, sont toutes les deux des tâches d’optimisation combinatoire NP-difficiles. Il existe cependant des techniques de résolution robustes qui ont une large gamme de domaines d'applications, notamment les réseaux de régulation de gènes, l'analyse de risques et le traitement des images. Dans ce travail, nous contribuons à l'état de l'art de l'apprentissage de la structure des réseaux Bayésiens (BNSL), et répondons à des requêtes de MPE et de minimisation des coûts sur les réseaux Bayésiens et les réseaux de fonctions de coûts. Pour le BNSL, nous découvrons un nouveau point dans l'espace de conception des algorithmes de recherche qui atteint un compromis différent entre la qualité et la vitesse de l'inférence. Les algorithmes existants optent soit pour la qualité maximale de l'inférence en utilisant la programmation linéaire en nombres entiers (PLNE) et la séparation et évaluation, soit pour la vitesse de l'inférence en utilisant la programmation par contraintes (PPC). Nous définissons des propriétés d'une classe spéciale d'inégalités, qui sont appelées "les inégalités de cluster" et qui mènent à un algorithme avec une qualité d'inférence beaucoup plus puissante que celle basée sur la PPC, et beaucoup plus rapide que celle basée sur la PLNE. Nous combinons cet algorithme avec des idées originales pour une propagation renforcée ainsi qu'une représentation de domaines plus compacte, afin d'obtenir des performances dépassant l'état de l'art dans le solveur open source ELSA (Exact Learning of bayesian network Structure using Acyclicity reasoning). Pour les réseaux de fonctions de coûts, nous identifions une faiblesse dans l'utilisation de la relaxation continue dans une classe spécifique de solveurs, y compris le solveur primé "ToulBar2". Nous prouvons que cette faiblesse peut entraîner des décisions de branchement sous-optimales et montrons comment détecter un ensemble maximal de telles décisions qui peuvent ensuite être évitées par le solveur. Cela permet à ToulBar2 de résoudre des problèmes qui étaient auparavant solvables uniquement par des algorithmes hybrides.Discrete Graphical Models (GMs) represent joint functions over large sets of discrete variables as a combination of smaller functions. There exist several instantiations of GMs, including directed probabilistic GMs like Bayesian Networks (BNs) and undirected deterministic models like Cost Function Networks (CFNs). Queries like Most Probable Explanation (MPE) on BNs and its equivalent on CFNs, which is cost minimisation, are NP-hard, but there exist robust solving techniques which have found a wide range of applications in fields such as bioinformatics, image processing, and risk analysis. In this thesis, we make contributions to the state of the art in learning the structure of BNs, namely the Bayesian Network Structure Learning problem (BNSL), and answering MPE and minimisation queries on BNs and CFNs. For BNSL, we discover a new point in the design space of search algorithms, which achieves a different trade-off between inference strength and speed of inference. Existing algorithms for it opt for either maximal strength of inference, like the algorithms based on Integer Programming (IP) and branch-and-cut, or maximal speed of inference, like the algorithms based on Constraint Programming (CP). We specify properties of a specific class of inequalities, called cluster inequalities, which lead to an algorithm that performs much stronger inference than that based on CP, much faster than that based on IP. We combine this with novel ideas for stronger propagation and more compact domain representations to achieve state-of-the-art performance in the open-source solver ELSA (Exact Learning of bayesian network Structure using Acyclicity reasoning). For CFNs, we identify a weakness in the use of linear programming relaxations by a specific class of solvers, which includes the award-winning open-source ToulBar2 solver. We prove that this weakness can lead to suboptimal branching decisions and show how to detect maximal sets of such decisions, which can then be avoided by the solver. This allows ToulBar2 to tackle problems previously solvable only by hybrid algorithms
Analyses moléculaires du traitement et de l'apprentissage visuels chez les abeilles mellifères
Get PDFIci, nous avons développé des études couvrant l'exploration des propriétés de l'opsine et les changements d'expression des gènes dans le cerveau de l'abeille pendant l'apprentissage et la rétention des couleurs afin de combler ce vide. Nous avons caractérisé la distribution de l'opsine dans le système visuel des abeilles, en nous concentrant sur la présence de deux types d'opsines vertes (Lop1 et Lop2). Nous avons confirmé que Lop1 n'est présente que dans les ommatidies de l'œil composé, tandis que Lop2 était confinée aux ocelles. Nous discutons des raisons de cette ségrégation spatiale, puis développons une approche CRISPR/Cas9 pour déterminer les éventuelles différences fonctionnelles entre ces opsines. Nous avons créé avec succès des abeilles mutantes adultes lop1 et lop2 au moyen de la technologie CRISPR/Cas9 et nous avons également développé des mutants du gène blanc comme contrôle de l'efficacité de notre méthode. Nous décrivons la méthodologie CRISPR/Cas9 utilisée dans notre travail et présentons les résultats des tests fonctionnels des mutants générés au moyen d'un protocole de conditionnement dans lequel les abeilles apprennent à inhiber la phototaxie vers la lumière chromatique basée sur la punition par choc électrique (protocole Icarus). Les mutants White et Lop2 ont appris à inhiber la phototaxie spontanée à la lumière bleue mais pas les mutants Lop1. Ces résultats indiquent que les réponses phototactiques à la lumière bleue sont médiées principalement par les photorécepteurs à œil composé contenant Lop1 mais pas par le système ocellaire qui contiennent Lop2. En conséquence, les mutants blancs et Lop2 présentaient une mémoire aversive pour la couleur comparable aux abeilles témoins, mais les mutants Lop1 ne présentaient aucune mémoire. Nous discutons ces résultats en termes de vision chromatique et des conséquences que la mutation induite pourrait avoir sur d'autres mécanismes de signalisation neuronale. Enfin, nous avons analysé l'expression immédiate des gènes précoces (IEG) dans des zones spécifiques du cerveau de l'abeille après l'apprentissage des couleurs dans un environnement de réalité virtuelle (VR). Nous avons soumis les abeilles à une VR 2D dans laquelle seuls les mouvements latéraux des stimuli étaient possibles et à une VR 3D qui procurait une sensation plus immersive. Nous avons analysé les niveaux d'expression relative de trois IEG (kakusei, Hr38 et Egr1) dans les calices des corps de champignons, les lobes optiques et le reste du cerveau après l'apprentissage de la discrimination des couleurs. Dans la réalité virtuelle 3D, les apprenants qui ont réussi ont présenté une régulation positive d'Egr1 uniquement dans les calices des corps de champignons, révélant ainsi une implication privilégiée de ces régions cérébrales dans l'apprentissage associatif des couleurs. Pourtant, dans le 2D VR; Egr1 était régulé à la baisse dans les OL, tandis que Hr38 et kakusei étaient régulés à la baisse dans les calices des MB. Bien que les deux scénarios VR pointent vers des activations spécifiques des calices des corps de champignons (et des circuits visuels dans la VR 2D), la différence détectée suggère que les différentes contraintes des deux VR peuvent conduire à différents types de phénomènes neuronaux. Alors que les scénarios VR 3D permettant la navigation et l'apprentissage exploratoire peuvent conduire à une régulation positive de l'IEG, les scénarios VR 2D dans lesquels les mouvements sont limités induisent des niveaux plus élevés d'activité inhibitrice dans le cerveau de l'abeille. Dans l'ensemble, nous proposons une série de nouvelles explorations du système visuel, y compris de nouvelles analyses fonctionnelles et le développement de nouvelles méthodes pour étudier la fonction de l'opsine, qui font progresser notre compréhension de la vision et de l'apprentissage visuel des abeilles.Honey bees are endowed with the capacity of color vision as they possess three types of photoreceptors in their retina that are maximally sensitive in the ultraviolet, blue and green domains owing to the presence of corresponding opsin types. While the behavioral aspects of color vision have been intensively explored based on the easiness by which free-flying bee foragers are trained to color stimuli paired with sucrose solution, the molecular underpinnings of this capacity have been barely explored. Here we developed studies that spanned the exploration of opsin properties and changes of gene expression in the bee brain during color learning and retention in controlled laboratory protocols to fill this void. We characterized opsin distribution in the honey bee visual system, focusing on the presence of two types of green opsins (Amlop1 and Amlop2), one of which (Amlop2) was discovered upon sequencing of the bee genome. We confirmed that Amlop1 is present in ommatidia of the compound eye but not in the ocelli, while Amlop2 is confined to the ocelli. We developed a CRISPR/Cas9 approach to determine possible functional differences between these opsins. We successfully created Amlop1 and Amlop2 adult mutant bees by means of the CRISPR/Cas9 technology and we also produced white-gene mutants as a control for the efficiency of our method. We tested our mutants using a conditioning protocol in which bees learn to inhibit attraction to chromatic light based on electric-shock punishment (Icarus protocol). White and Amlop2 mutants learned to inhibit spontaneous attraction to blue light while Amlop1 mutants failed to do so. These results indicate that responses to blue light, which is also partially sensed by green receptors, are mediated mainly by compound-eye photoreceptors containing Amlop1 but not by the ocellar system in which photoreceptors contain Amlop2. Accordingly, 24 hours later, white and Amlop2 mutants exhibited an aversive memory for the punished color that was comparable to control bees but Amlop1 mutants exhibited no memory. We discuss these findings based on controls with eyes or ocelli covered by black paint and interpret our results by discussing use of chromatic vs. achromatic vision via the compound eyes and the ocelli, respectively. Finally, we analyzed immediate early gene (IEG) expression in specific areas of the bee brain following color vision learning in a virtual reality (VR) environment. We changed the degrees of freedom of this environment and subjected bees to a 2D VR in which only lateral movements of the stimuli were possible and to a 3D VR which provided a more immersive sensation. We analyzed levels of relative expression of three IEGs (kakusei, Hr38, and Egr1) in the calyces of the mushroom bodies, the optic lobes and the rest of the brain after color discrimination learning. In the 3D VR, successful learners exhibited Egr1 upregulation only in the calyces of the mushroom bodies, thus uncovering a privileged involvement of these brain regions in associative color learning. Yet, in the 2D VR, Egr1 was downregulated in the OLs while Hr38 and kakusei were coincidently downregulated in the calyces of the MBs in the learned group. Although both VR scenarios point towards specific activations of the calyces of the mushroom bodies (and of the visual circuits in the 2D VR), the difference in the type of expression detected suggests that the different constraints of the two VRs may lead to different kinds of neural phenomena. While 3D VR scenarios allowing for navigation and exploratory learning may lead to IEG upregulation, 2D VR scenarios in which movements are constrained may induce higher levels of inhibitory activity in the bee brain. Overall, we provide a series of new explorations of the visual system, including new functional analyses and the development of novel methods to study opsin function, which advances our understanding of honey bee vision and visual learning
Sur l'utilisation des relations d'entrelacement dans l'étude des générateurs de Markov auto-adjoints. Application aux inégalités spectrales et fonctionnelles et à l'analyse de sensibilité
Get PDFCette thèse s'inscrit dans une série de travaux menés par Aldéric Joulin, Michel Bonnefont et collaborateurs, dont le but est d'appliquer des relations d'entrelacement pour obtenir des informations sur certains générateurs de Markov. Le présent travail traite de trois propriétés plus spécifiquement : les inégalités de Poincaré, de Sobolev logarithmiques et les estimations spectrales, pour les générateurs de Markov auto-adjoints. Les deux inégalités ci-dessus sont des outils classiques d'analyse infini-dimensionnelle, qui présentent des liens intéressants avec les générateurs sus-mentionnés et les propriétés de la mesure de Boltzmann-Gibbs associée. Le premier chapitre propose une approche basée sur les semi-groupes de Feynman-Kac pour déduire de nouvelles estimations en relation avec l'inégalité de Sobolev logarithmique. Les résultats sont obtenu en utilisant le lien entre générateurs et processus stochastiques, plus particulièrement via un théorème de représentation des semi-groupes de Feynman-Kac. Deux exemples illustrent la méthode. Le deuxième chapitre pousse la réflexion amorcée par l'inégalité de Poincaré sur l'estimation des valeurs propres desdits générateurs en proposant une vision algébrique pour l'estimation de ces dernières. Ce travail fait écho à un article récent d'Emanuel Milman sur le sujet, où une approche par transport optimal était privilégiée. Les multiplicités associées sont également discutées, en lien notamment avec de récents travaux de Franck Barthe et Boaz Klartag. Enfin, le dernier chapitre traite d'une application des inégalités de Poincaré à l'analyse de sensibilité, où ces dernières sont utilisées pour faire un lien entre deux familles d'indices de sensibilité. Une méthode d'estimation en lien avec cette inégalité en dimension deux est proposée, basée sur des techniques d'éléments finis. Cette approche est amplement détaillée et implémenté sur l'exemple classique d'un modèle de crue simplifié.This thesis is part of a series of works carried out by Aldéric Joulin, Michel Bonnefont et alius, which aims at using intertwining relations to infer properties of some Markov generators. The present work deals specifically with three properties : Poincaré inequalities, logarithmic Sobolev inequalities and spectral estimates. Both above inequalities are widely use tools in infinite-dimensional analysis, that relate to the latter generators and underlying Boltzmann-Gibbs invariant distribution. In the first chapter, a method based on Feynman-Kac semigroups is proposed to infer new estimates, in relation to the logarithmic Sobolev inequality. The connexion between generators and stochastic processes is explored via a representation theorem for Feynman-Kac semigroups. The method is illustrated on two examples. In the second chapter, an algebraic approach to the estimation of eigenvalues of the aforementioned generators is discussed. This work echoes a related recent article by Emanuel Milman, in which he used optimal transport results in this very purpose. Multiplicities are addressed as well, in relation to the recent work of Franck Barthe and Boaz Klartag. In the last chapter, the relation between Poincaré inequalities and sensitivity analysis is investigated, particularly in order to compare two types of sensitivity indices. An estimation method related to this inequality is developed in dimension two, using finite elements methods. This approach is explained in much details and implemented on a simplified flood model
Caractéristiques des tourbillons de mésoéchelle dans l'océan Atlantique tropical et leurs interactions avec l'atmosphère
Get PDFCette thèse est basée sur la description de la dynamique à mésoéchelle dans l'océan Atlantique tropical (TAO), et des processus physiques qui la caractérisent. À partir de l'analyse de données satellite et in situ, cette thèse étudie i) les caractéristiques des tourbillons et leur variation saisonnière, ii) la structure verticale thermohaline des tourbillons et les mécanismes à la base de leur formation, et iii) leur interaction avec les flux de chaleur et d'eau douce à l'interface air-mer. Dans une première partie, à partir des données altimétriques de hauteur de mer de 1993 à 2016, nous montrons que les tourbillons cycloniques et anticycloniques sont principalement formés au bord est du bassin et qu'ils se propagent d'est en ouest avec des durées de vie typiques de 1-5 mois. Ces tourbillons ont des amplitudes, rayons et EKE de ~1-5 cm, ~30-90 km, et ~50-350 cm² s-² respectivement, et qui présentent des variations saisonnières marquées, notamment dans la rétroflexion du courant nord-Brésil (NBC) et à l'ouest du contre-courant nord équatorial (NECC). Les instabilités barotropes sont en majorité responsables de la formation des tourbillons dans le NECC, mais dans la rétroflexion du NBC, les processus de formation sont plus complexes même si les instabilités baroclines semblent jouer un rôle prépondérant. Dans une deuxième partie, la structure verticale thermohaline des tourbillons a été étudiée dans deux systèmes de coordonnées, en les colocalisant avec les profils de température/salinité (T/S) des flotteurs Argo, sur la période 2000-2017. En coordonnées Z (profondeur), les anomalies de T/S dans les tourbillons sont majoritairement induites par le déplacement vertical des isopycnes lié au passage des tourbillons. Dans les régions équatoriales, ces anomalies sont maximales dans la pycnocline et les tourbillons ont une extension verticale de 200 à 500 m. Par contre, entre les latitudes |15°-30°|, les anomalies sont plus profondes et les tourbillons ont une signature jusqu'à 800-1000 m. En coordonnées isopycnales (densité), les anomalies de T/S peuvent être positives, négatives ou non significatives (négligeables) quelle que soit la nature du tourbillon. Près de la moitié des tourbillons ont des anomalies de T/S non significatives en leur lieu de formation, suggérant que des processus frictionnels sont à l'origine de leur formation. L'autre moitié est composée à plus de 70% de tourbillons de subsurface, et seraient formés par mélange diapycnal ou par advection isopycnale de masse d'eau à grande échelle. Dans une troisième partie, l'interaction des tourbillons avec les flux de chaleur et d'eau douce à l'interface air-mer a été abordée à partir des données satellite de température et salinité de surface de la mer (SST, SSS), des flux de chaleurs et d'eau douce. Dans les tourbillons, les anomalies de SST induisent proportionnellement des anomalies de flux de chaleurs latente, sensible et infrarouge. De plus, les tourbillons contribuent à environ 10% de la variabilité totale des flux de chaleurs. Cependant, contrairement à d'autres régions océaniques, aucun lien direct n'a été mis en évidence entre ces anomalies de flux de chaleur et de précipitations au-dessus des tourbillons dans le TAO. Néanmoins, dans la zone de convergence intertropicale (ITCZ), une corrélation significative mais faible existe, suggérant que les tourbillons peuvent moduler les flux de chaleur et d'eau douce dans cette région. Quant aux anomalies de SSS dans les tourbillons, leur variabilité représente jusqu'à 30% de la variabilité totale et au niveau de l'ITCZ, les flux d'eau douce atmosphérique joueraient un rôle important dans leur variabilité. Enfin, même si les advections horizontale et verticale et le mélange vertical, sources d'anomalies des SST/SSS des tourbillons ont été partiellement mis en lumières, l'utilisation future de modèles numériques à haute résolution sera nécessaire pour comprendre le rôle et contribution respective de chacun de ces processus.This thesis is based on mesoscale dynamics in the tropical Atlantic Ocean (TAO), and involved physical processes. From the analysis of satellite and in situ data, it aims to study i) eddy characteristics and their seasonal variation, ii) eddy vertical thermohaline structure and mains processes driving their formation, and iii) eddy interaction with heat and freshwater fluxes at air-sea interface. Firstly, using sea level altimetry data from 1993 to 2016, we show that cyclonic eddies (CEs) and anticyclonic eddies (AEs) are mainly formed at the eastern boundaries of the basin and propagate westwards with typical lifetimes of 1-5 months. They have amplitudes, radii, and eddy kinetic energy (EKE) of ~1-5 cm, ~30-90 km, and ~50-350 cm² s-2, respectively. These characteristics exhibit a marked seasonal variation, especially in the North Brazil Current (NBC) retroflection and in the western part of the North Equatorial Countercurrent (NECC). Barotropic instabilities are the main mechanisms that drive eddy formation in the western part of NECC, but in the NBC retroflection, eddy formation processes are more complex even if baroclinic instabilities seem to play a significant role. Secondly, eddy vertical thermohaline structures were studied in two different coordinate systems. Eddies were co-located with temperature/salinity (T/S) profiles from Argo floats, over the period 2000-2017. In Z (depth) coordinates, T/S anomalies inside eddies are mostly induced by the vertical isopycnal displacement due to eddy passage. In equatorial regions, anomalies are maximal in the pycnocline layer and eddies have a vertical extension of 200-500 m. Contrastingly, between latitudes |15°-30°|, anomalies are deeper and eddies have a signature down to 800-1000 m depth. In isopycnal (density) coordinates, T/S anomalies can be positive, negative, or non-significant (negligible) regardless eddy polarities. Nearly half of eddies have non-significant T/S anomalies at their formation sites, suggesting that frictional processes are responsible of their formation. The other half is composed of more than 70% of subsurface eddies, and would be formed by diapycnal mixing or large-scale isopycnal water mass advection.
Thirdly, eddy interaction with heat and freshwater fluxes at the air-sea interface was studied using satellite sea surface temperature and salinity (SST, SSS), heat and freshwater fluxes data. Within eddies, SST anomalies induce proportionally latent and sensible heat flux and infrared flux anomalies. Furthermore, eddies contribute about 10% of the total heat flux variability. However, unlike other ocean regions, no direct link has been evidenced between heat flux and precipitation anomalies over eddies in the TAO. Nevertheless, in the Intertropical Convergence Zone (ITCZ), a significant but weak correlation was found, suggesting that eddies may modulate heat and freshwater fluxes in this region. Concerning SSS anomalies in eddies, their variability represents up to 30% of the total variability. Underneath ITCZ, atmospheric freshwater fluxes would play an important role in their variability. Finally, even if horizontal and vertical advection and vertical mixing, sources of eddy SST/SSS anomalies, have been partially highlighted, future investigations using high resolution numerical models are needed to understand the role and the respective contribution of each process
Interprétabilité a priori et explicabilité a posteriori dans le traitement automatique des langues
Get PDFAvec l'avènement des architectures Transformer en Traitement Automatique des Langues il y a quelques années, nous avons observé des progrès sans précédents dans diverses tâches de classification ou de génération de textes. Cependant, l'explosion du nombre de paramètres et de la complexité de ces modèles "boîte noire" de l'état de l'art, rendent de plus en plus évident le besoin désormais urgent de transparence dans les approches d'apprentissage automatique.
La capacité d'expliquer, d'interpréter et de comprendre les décisions algorithmiques deviendra primordiale à mesure que les modèles informatiques deviennent de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. En utilisant les méthodes de l'IA eXplicable (XAI), nous pouvons par exemple diagnostiquer les biais dans des ensembles de données, des corrélations erronées qui peuvent au final entacher le processus d'apprentissage des modèles, les conduisant à apprendre des raccourcis indésirables, ce qui pourrait conduire à des décisions algorithmiques injustes, incompréhensibles, voire risquées. Ces modes d'échec de l'IA peuvent finalement éroder la confiance que les humains auraient pu placer dans des applications bénéfiques.
Dans ce travail, nous explorons plus spécifiquement deux aspects majeurs de l'XAI, dans le contexte des tâches et des modèles de Traitement Automatique des Langues : dans la première partie, nous abordons le sujet de l'interprétabilité intrinsèque, qui englobe toutes les méthodes qui sont naturellement faciles à expliquer. En particulier, nous nous concentrons sur les représentations de plongement de mots, qui sont une composante essentielle de pratiquement toutes les architectures de TAL, permettant à ces modèles mathématiques de manipuler le langage humain d'une manière plus riche sur le plan sémantique. Malheureusement, la plupart des modèles qui génèrent ces représentations les produisent d'une manière qui n'est pas interprétable par les humains. Pour résoudre ce problème, nous expérimentons la construction et l'utilisation de modèles de plongement de mots interprétables, qui tentent de corriger ce problème, en utilisant des contraintes qui imposent l'interprétabilité de ces représentations.
Nous utilisons ensuite ces modèles, dans une configuration nouvelle, simple mais efficace, pour tenter de détecter des corrélations lexicales, erronées ou non, dans certains ensembles de données populaires en TAL. Dans la deuxième partie, nous explorons les méthodes d'explicabilité post-hoc, qui peuvent cibler des modèles déjà entraînés, et tenter d'extraire diverses formes d'explications de leurs décisions. Ces méthodes peuvent aller du diagnostic des parties d'une entrée qui étaient les plus pertinentes pour une décision particulière, à la génération d'exemples adversariaux, qui sont soigneusement conçus pour aider à révéler les faiblesses d'un modèle. Nous explorons un nouveau type d'approche, en partie permis par les architectures Transformer récentes, très performantes mais opaques : au lieu d'utiliser une méthode distincte pour produire des explications des décisions d'un modèle, nous concevons et mettons au point une configuration qui apprend de manière jointe à exécuter sa tâche, tout en produisant des explications en langage naturel en forme libre de ses propres résultats. Nous évaluons notre approche sur un ensemble de données de grande taille annoté avec des explications humaines, et nous jugeons qualitativement certaines des explications générées par notre approche.With the advent of Transformer architectures in Natural Language Processing a few years ago, we have observed unprecedented progress in various text classification or generation tasks. However, the explosion in the number of parameters, and the complexity of these state-of-the-art blackbox models, is making ever more apparent the now urgent need for transparency in machine learning approaches. The ability to explain, interpret, and understand algorithmic decisions will become paramount as computer models start becoming more and more present in our everyday lives. Using eXplainable AI (XAI) methods, we can for example diagnose dataset biases, spurious correlations which can ultimately taint the training process of models, leading them to learn undesirable shortcuts, which could lead to unfair, incomprehensible, or even risky algorithmic decisions. These failure modes of AI, may ultimately erode the trust humans may have otherwise placed in beneficial applications. In this work, we more specifically explore two major aspects of XAI, in the context of Natural Language Processing tasks and models: in the first part, we approach the subject of intrinsic interpretability, which encompasses all methods which are inherently easy to produce explanations for. In particular, we focus on word embedding representations, which are an essential component of practically all NLP architectures, allowing these mathematical models to process human language in a more semantically-rich way. Unfortunately, many of the models which generate these representations, produce them in a way which is not interpretable by humans. To address this problem, we experiment with the construction and usage of Interpretable Word Embedding models, which attempt to correct this issue, by using constraints which enforce interpretability on these representations. We then make use of these, in a simple but effective novel setup, to attempt to detect lexical correlations, spurious or otherwise, in some popular NLP datasets. In the second part, we explore post-hoc explainability methods, which can target already trained models, and attempt to extract various forms of explanations of their decisions. These can range from diagnosing which parts of an input were the most relevant to a particular decision, to generating adversarial examples, which are carefully crafted to help reveal weaknesses in a model. We explore a novel type of approach, in parts allowed by the highly-performant but opaque recent Transformer architectures: instead of using a separate method to produce explanations of a model's decisions, we design and fine-tune an architecture which jointly learns to both perform its task, while also producing free-form Natural Language Explanations of its own outputs. We evaluate our approach on a large-scale dataset annotated with human explanations, and qualitatively judge some of our approach's machine-generated explanations
Modélisation mathématique de l'allongement de l'axe antéro-postérieur de l'embryon vertébré
Get PDFAu cours du développement de l'embryon de vertébré, des milliers de cellules s'auto-organisent suivant une chorégraphie très précise et complexe pour former les tissus et les organes du futur adulte. L'objectif de cette thèse est de comprendre les mécanismes régissant la morphogenèse des tissus qui constituent la partie caudale de l'embryon, en combinant des approches mathématiques, numériques et expérimentales. Dans la première partie, nous développons des modèles mathématiques hydrodynamiques multi-espèces basés sur des équations aux dérivées partielles, pour comprendre comment les tissus neuraux et mésodermiques se forment pendant l'allongement de l'embryon. Ces modèles prennent en compte les propriétés biologiques observées dans l'embryon telles que la croissance et la viscosité des tissus, ainsi que l'interaction inter-tissulaire. En dérivant des problèmes à frontières libres et des problèmes de transmission, nous analysons la dynamique des tissus et obtenons des propriétés qualitatives des modèles mathématiques : saut de pression, effet fantôme.
Il émerge de notre analyse théorique des modèles de nouvelles hypothèses biologiques sur les mécanismes cellulaires et tissulaires gouvernant la dynamique tissulaire, que nous confirmons ensuite expérimentalement en intégrant les données biologiques aux modèles mathématiques.
Dans la deuxième partie, nous examinons de plus près le comportement des cellules pendant la croissance des embryons d'oiseau. Nous réalisons des expériences biologiques sur des cellules souches pour étudier l'effet de deux protéines dans la spécification et la migration cellulaire. Nous découvrons une zone où les cellules sont spatialement hétérogènes dans leur expression en protéines. Nous développons ensuite un modèle agent-centré qui prend en compte la spécification et la migration des cellules pour comprendre le rôle de cette hétérogénéité. Le modèle met en évidence un paradoxe surprenant : le chaos (l'hétérogénéité) peut soutenir un processus apparemment très ordonné (la morphogenèse).
Grâce à une approche interdisciplinaire, notre analyse multi-échelle de la croissance des tissus révèle les mécanismes cellulaires sous-jacents qui régissent la formation des tissus. Les résultats de cette thèse reposent sur le développement d'outils mathématiques adéquats (limite incompressible, problèmes à frontières libres) qui dépassent le cadre de la biologie du développement (mécanique des fluides visqueux, croissance des tissus et oncologie).During vertebrate embryo development, thousands of cells self-organize in a very precise and complex choreography to form the tissues and organs of the future adult. The objective of this thesis is to understand the mechanisms orchestrating the morphogenesis of the tissues which form the caudal part of the embryo, by combining mathematical, numerical, and experimental approaches. In the first part, we develop hydrodynamic multi-species mathematical models based on partial differential equations, to understand how the neural and mesodermal tissues form during embryo elongation. These models consider biological properties observed in the embryo such as tissue growth and viscosity, and inter-tissue interaction. By deriving free boundary problems and transmission problems, we analyse tissue dynamics and obtain qualitative properties of the mathematical models: pressure jump, ghost effect.
Biological hypotheses on the cellular and tissular mechanisms governing tissue dynamics emerge from our theoretical analysis of the models, which we then confirm experimentally by integrating the biological data to the mathematical models. In the second part, we take a closer look at the cell behaviour during the growth of bird embryos. We conduct biological experiments on stem-like cells to investigate the effect of two proteins in cell specification and migration. We discover a zone where cells are spatially heterogeneous in their protein expression. We then develop an agent-based model that considers cell specification and migration to understand the role of this heterogeneity. The model highlights a surprising paradox: chaos (heterogeneity) can sustain an apparently very ordered process (morphogenesis). Through an interdisciplinary approach, our multi-scale analysis of tissue growth reveals the underlying cellular mechanisms governing tissue formation. The results in this thesis rely on the development of adequate mathematical tools (incompressible limit, free boundary problems) which go beyond the scope of developmental biology (viscous fluid mechanics, tissue growth and oncology)
Deux notions d'hyperbolicité en codimension complexe un pour les variétés complexes compactes
Get PDFCette thèse est consacrée à l'introduction de deux notions nouvelles d'hyperbolicité pour les variétés complexes compactes lisses, ainsi qu'à l'introduction de deux notions nouvelles de positivité pour les classes de cohomologie de De Rham. D'après S. Kobayashi, toute variété complexe, qui n'est a priori supposée ni kählérienne ni compacte, est appelée hyperbolique si sa pseudo-distance de Kobayashi est une distance. En utilisant la propriété de contraction des distances, on voit que toute application holomorphe du plan complexe C dans une variété Kobayashi-hyperbolique est constante. Réciproquement, Brody a démontré qu'une variété complexe compacte X est hyperbolique au sens de Kobayashi si toute application holomorphe de C dans X est constante. La conjecture de Kobayshi-Lang prédit que le fibré canonique K_X de toute variété complexe compacte Kobayashi-hyperbolique X devrait être ample. En particulier, grâce au théorème de plongement de Kodaira, toute telle variété devrait être projective, donc aussi kählérienne. M. Gromov a introduit en 1991 la notion de variété kählérienne hyperbolique en demandant l'existence d'une métrique kählérienne dont le relèvement au revêtement universel est une forme différentielle d-exacte ayant un potentiel borné. Gromov montre, entre autres, que toute variété kählérienne hyperbolique est Kobayashi hyperbolique. De plus, il est maintenant connu que toute variété kählérienne hyperbolique au sens de Gromov est projective. En prenant comme point de départ l'observation de phénomènes d'hyperbolicité sur de nombreux exemples de variétés complexes compactes non kählérienne, l'objectif principal de cette thèse est d'étendre la théorie de l'hyperbolicité au contexte non kählérien. Plus précisément, nous proposons une théorie dans laquelle les courbes entères sont remplacées par des applications holomorphes de C^n-1 dans les variétés complexes n-dimensionnelles X et les formes différentielles de bidegré (1, 1) sur X sont remplacées par de telles formes de bidegré (n - 1, n - 1). Ainsi, on commence par introduire la notion d'hyperbolicité équilibrée généralisant l'hyperbolicité kählérienne de Gromov au moyen des métriques équilibrées introduites par Gauduchon en 1977. On généralise ensuite l'hyperbolicité au sens de Brody en introduisant la notion d'hyperbolicité divisorielle. Pour ce faire, nous dégageons une notion de croissance sous-exponentielle pour les applications holomorphes de C^n-1 dans les variétés complexes compactes n-dimensionnelles X que nous considérons comme l'une de nos principales observations. Notre premier résultat principal affirme que toute variété équilibrée hyperbolique est divisoriellement hyperbolique. L'introduction de deux notions de positivité pour les classes de cohomologie de De Rham de degré 2, que nous appelons classes divisoriellement kählériennes et divisoriellement nef et dont nous étudions les propriétés de base, a pour but d'initier la construction d'une théorie de la positivité pour les variétés complexes compactes hyperboliques dans un ou l'autre de nos deux sens nouveaux introduits dans cette thèse. En particulier, nous conjecturons que le fibré canonique K_X de toute variété hyperbolique X devrait être au moins divisoriellement nef.The goal of this thesis is to introduce two new notions of hyperbolicity for compact complex manifolds and two new notions of positivity for real De Rham cohomology classes of degree 2 on such manifolds. According to S. Kobayashi, a complex manifold, that need not be either Kähler or compact, is said to be hyperbolic if its Kobayashi pseudo-distance is a distance. Using the distance-decreasing property of holomorphic maps, one shows that any holomorphic map from the complex plane C to a Kobayashi hyperbolic manifold is constant. Conversely, Brody proved that a compact complex manifold X is hyperbolic in the sense of Kobayashi if any holomorphic map from C to X is constant. The Kobayshi-Lang conjecture predicts that the canonical bundle K_X of any Kobayashi-hyperbolic compact complex manifold X ought to be ample. In particular, the manifold X would be projective ecao in this case by Kodaira's Embedding Theorem. On the other hand, Gromov introduced the notion of K ahler hyperbolicity for compact Kähler manifolds X. Whenever X is Kähler hyperbolic, he proved that X is also Kobayashi hyperbolic and its canonical bundle K_X is big. It is now known that K_X is even ample, hence X is projective, The main goal of this thesis is to propose a hyperbolicity theory for compact complex manifolds in which entire maps are replaced by non-degenerate holomorphic maps from C^n-1 to n-dimensional compact complex manifolds X and differential forms of bidegree (1, 1) on X are replaced by (n - 1, n - 1)-forms. We start by introducing the notion of balanced hyperbolicity as a generalisation of Kâhler hyperbolicity. We go on to introduce the notion of divisorial hyperbolicity as a generalisation of the Brody hyperbolicity. Our first main result asserts that any balanced hyperbolic compact complex manifold is also divisorially hyperbolic. We also introduce the notions of divisorially Kähler and divisorially nef De Rham cohomology classes of degree 2 and study their properties. They are intended to kickstart a positivity theory in bidegree (n - 1, n - 1) for the compact complex n-dimensional manifolds that are hyperbolic in our two new senses. In particular, we conjecture that the canoncal bundle KX of any such hyperbolic manifold X ought to be at least divisorially nef