Calcul de probabilités d'événements rares liés aux maxima en horizon fini de processus stochastiques

par Jun Shao

Thèse de doctorat en Matériaux, Structures, Fiabilité

Sous la direction de Michel Fogli et de David Clair.

Soutenue le 12-12-2016

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) (laboratoire) et de Institut Pascal - Clermont Auvergne / IP (laboratoire) .

Le président du jury était Ahmed Mébarki.

Le jury était composé de Michel Fogli, David Clair, Pierre Bernard, Frédéric Bernardin.

Les rapporteurs étaient Ahmed Mébarki, Fabrice Poirion.


  • Résumé

    Initiée dans le cadre d’un projet ANR (le projet MODNAT) ciblé sur la modélisation stochastique de phénomènes naturels et la quantification probabiliste de leurs effets dynamiques sur des systèmes mécaniques et structuraux, cette thèse a pour objet le calcul de probabilités d’événements rares liés aux maxima en horizon fini de processus stochastiques, avec prise en compte des quatre contraintes imposées suivantes : (1) l’ensemble des processus considérés doit contenir les quatre grandes catégories de processus rencontrés en dynamique aléatoire, à savoir les gaussiens stationnaires, les gaussiens non stationnaires, les non gaussiens stationnaires et les non gaussiens non stationnaires ; (2) ces processus doivent pouvoir être, soit décrits par leurs lois, soit fonctions de processus décrits par leurs lois, soit solutions d’équations différentielles stochastiques, soit même solutions d’inclusions différentielles stochastiques ; (3) les événements en question sont des dépassements de seuils très élevés par les maxima en horizon fini des processus considérés et ces événements sont de très faible occurrence, donc de très faible probabilité (de l’ordre de 10 −4 à 10 −8 ), du fait de la valeur élevée des seuils ; et enfin (4) le recours à une approche Monte-Carlo pour effectuer ce type de calcul doit être banni, car trop chronophage compte tenu des contraintes précédentes. Pour résoudre un tel problème, dont le domaine d’intérêt s’étend bien au delà de la mécanique probabiliste et de la fiabilité structurale (on le rencontre notamment dans tous les secteurs scientifiques en connexion avec la statistique des valeurs extrêmes, comme par exemple les mathématiques financières ou les sciences économiques) une méthode innovante est proposée, dont l’idée maîtresse est née de l’analyse des résultats d’une étude statistique de grande ampleur menée dans le cadre du projet MODNAT. Cette étude, qui porte sur l’analyse du comportement des valeurs extrêmes des éléments d’un vaste ensemble de processus, a en effet mis en évidence deux fonctions germes dépendant explicitement de la probabilité cible (la première en dépendant directement, la seconde indirectement via une probabilité conditionnelle auxiliaire elle-même fonction de la probabilité cible) et possédant des propriétés de régularité remarquables et récurrentes pour tous les processus de la base de données, et c’est sur l’exploitation conjointe de ces propriétés et d’un principe d’approximation bas niveau-extrapolation haut niveau que s’appuie la construction de la méthode. Deux versions de celle-ci en sont d’abord proposées, se distinguant par le choix de la fonction germe et dans chacune desquelles cette fonction est approximée par un polynôme. Une troisième version est également développée, basée sur le formalisme de la deuxième version mais utilisant pour la fonction germe une approximation de type "fonction de survie de Pareto". Les nombreux résultats numériques présentés attestent de la remarquable efficacité des deux premières versions. Ils montrent également que celles-ci sont de précision comparable. La troisième version, légèrement moins performante que les deux premières, présente quant à elle l’intérêt d’établir un lien direct avec la théorie des valeurs extrêmes. Dans chacune de ses trois versions, la méthode proposée constitue à l’évidence un progrès par rapport aux méthodes actuelles dédiées à ce type de problème. De par sa structure, elle offre en outre l’avantage de rester opérationnelle en contexte industriel.

  • Titre traduit

    Calculation of probabilities of rare events related to the finite-horizon maxima of stochastic processes


  • Résumé

    Initiated within the framework of an ANR project (the MODNAT project) targeted on the stochastic modeling of natural hazards and the probabilistic quantification of their dynamic effects on mechanical and structural systems, this thesis aims at the calculation of probabilities of rare events related to the maxima of stochastic processes over a finite time interval, taking into account the following four constraints : (1) the set of considered processes must contain the four main categories of processes encountered in random dynamics, namely stationary Gaussian, non-stationary Gaussian, stationary non-Gaussian and non-stationary non-Gaussian ones ; (2) these processes can be either described by their distributions, or functions of processes described by their distributions, or solutions of stochastic differential equations, or solutions of stochastic differential inclusions ; (3) the events in question are crossings of high thresholds by the maxima of the considered processes over finite time intervals and these events are of very weak occurrence, hence of very small probability, due to the high size of thresholds ; and finally (4) the use of a Monte Carlo approach to perform this type of calculation must be proscribed because it is too time-consuming given the above constraints. To solve such a problem, whose field of interest extends well beyond probabilistic mechanics and structural reliability (it is found in all scientific domains in connection with the extreme values theory, such as financial mathematics or economical sciences), an innovative method is proposed, whose main idea emerged from the analysis of the results of a large-scale statistical study carried out within the MODNAT project. This study, which focuses on analyzing the behavior of the extreme values of elements of a large set of processes, has indeed revealed two germ functions explicitly related to the target probability (the first directly related, the second indirectly via a conditional auxiliary probability which itself depend on the target probability) which possess remarkable and recurring regularity properties for all the processes of the database, and the method is based on the joint exploitation of these properties and a "low level approximation-high level extrapolation" principle. Two versions of this method are first proposed, which are distinguished by the choice of the germ function and in each of which the latter is approximated by a polynomial. A third version has also been developed. It is based on the formalism of the second version but which uses as germ function an approximation of "Pareto survival function" type. The numerous presented numerical results attest to the remarkable effectiveness of the first two versions. They also show that they are of comparable precision. The third version, slightly less efficient than the first two, presents the interest of establishing a direct link with the extreme values theory. In each of its three versions, the proposed method is clearly an improvement compared to current methods dedicated to this type of problem. Thanks to its structure, it also offers the advantage of remaining operational in industrial context.


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