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Les sciences du numérique et leurs applications

En informatique et sciences du numérique, les recherches débouchent sur des applications ayant un impact dans de nombreux domaines industriels ou de la vie quotidienne : santé, loisirs...

Climat : relever le défi du réchauffement

Dossier Pour La Science no 89, octobre-décembre 2015

dossier Pour la Science 89Les modèles climatiques et les résultats des simulations numériques convergent tous vers un constat inéluctable : le climat change globalement, la température augmente et continuera d’augmenter sur la planète Terre. On comprend de mieux en mieux certains paradoxes apparents comme des hivers rigoureux en Europe ou un réchauffement en apparence moins rapide au cours de la dernière décennie. Les climatosceptiques, qui nient l’évidence, sont de plus en plus isolés et leurs arguments sont de plus en plus faciles à démonter.

Les impacts de ce changement sont nombreux et parfois angoissants : montée du niveau des mers, perte de biodiversité, acidification des océans, désertification, la liste est longue. Mais que peut-on faire face à ce constat ? Devant la difficulté à y remédier, il est tentant de baisser les bras. Pourtant les expériences de science participative et les initiatives de la société civile ou des collectivités montrent que tout un chacun peut agir pour infléchir les rejets de gaz à effet de serre. La science informatique peut contribuer à relever le défi de la transition énergétique.

Le dossier de Pour la Science sur le climat fait le point sur toutes ces questions, et bien d’autres encore, par exemple les impacts économiques et les enjeux financiers.

Tous ces aspects sont débattus lors de la conférence COP21 qui se tient à Paris en décembre 2015.

Jocelyne Erhel

 

Brèves de Maths

Collectif, Nouveau Monde éditions, octobre 2014

 breves imgÀ quoi servent les mathématiques ? Il est difficile de faire une seule réponse brève à cette question, tant les secteurs de l’activité humaine qu'elles concernent sont nombreux. C’est particulièrement vrai pour la compréhension de notre environnement : climat, géologie, écologie, science spatiale, économie, régulation démographique, politique mondiale, etc.

Mais la somme de toutes ces réponses brèves pourrait bien constituer... le livre collectif Brèves de Maths (Nouveau Monde éditions) qui illustre, de façon accessible, la variété des problèmes scientifiques dans lesquels la recherche mathématique actuelle joue un rôle important. Cet ouvrage propose une sélection des meilleures contributions du projet Un jour, une brève lancé en 2013 dans le cadre de l’initiative internationale Mathématiques de la planète Terre.

Ainsi, prévoir l'ampleur du changement climatique ou prédire l'arrivée de catastrophes naturelles, contrôler les pandémies et endiguer la transmission des maladies infectieuses, ou encore concevoir des modèles économiques viables, qui tiennent compte de l'humain et pas uniquement du profit, voilà quelques exemples de défis où la place des mathématiques est centrale.

Soulignons que « Brèves de Maths » ne se contente pas de présenter toutes ces applications, mais qu'il aborde aussi les notions fondamentales qui y sont associées. On n'y découvre pas uniquement pour quoi mais aussi comment les chercheurs se mobilisent autour de ces sujets de société. Un levier pour éclairer notre opinion de citoyennes et citoyens.                        

Thierry Viéville

Façonner l'imaginaire : de la création numérique 3D aux mondes virtuels animés

Marie-Paule Cani, leçon inaugurale au Collège de France (février 2015)

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Accéder à la vidéo.

D'aussi loin que remonte l'Histoire, l'Homme a toujours utilisé des représentations visuelles pour communiquer, prier, s’amuser mais aussi pour renforcer sa compréhension des phénomènes complexes ou encore pour appuyer son raisonnement. Des premiers dessins dans les grottes de nos ancêtres jusqu’aux derniers jeux vidéo, les supports et les outils ont beaucoup évolué. C'est en s'inscrivant dans cette histoire que Marie-Paule Cani s’interroge dans sa leçon inaugurale au Collège de France sur la place de l’outil numérique par rapport aux techniques employées depuis longtemps par les artistes. Après avoir rappelé que les solutions informatiques classiques, plutôt destinées à un monde d’ingénieurs, souffrent d'une complexité d’utilisation et d'une difficulté à appréhender l’imaginaire, elle décrit des approches nouvelles – souvent qualifiées d’expressives.

Dans un premier temps, elle explique qu'elle s’est intéressée à l’analyse du geste humain pour reproduire une sculpture virtuelle. Puis, devant les limitations de cette idée, principalement la difficulté à bien déformer un objet, elle a étudié des techniques construisant un objet 3D à partir de dessins. Le défi consiste alors à enrichir les formes extraites de ces croquis pour en déduire des volumes ; ces solutions font appel à des connaissances implicites (en exploitant des symétries par exemple) ou explicites (décrites dans l’objet reconstruit). Dans son exposé, elle traite plusieurs exemples pour illustrer ces algorithmes originaux, principalement dans le domaine des formes naturelles (chevelures, végétation) et des vêtements. Enfin, Marie-Paule Cani conclut en exposant plusieurs défis : développer les bonnes interfaces s’adaptant à l’expertise de l’utilisateur allant du grand public au professionnel, arriver à s’abstraire des modèles particuliers et, in fine, étendre ces résultats à des contenus animés pour sculpter des mouvements.

Pascal Guitton

Les mathématiques de la Terre

Textes et documents pour la classe n°1062, 15 octobre 2013

couverture TDC n°1062À l’occasion de l’année 2013, déclarée par l’Unesco "année des Mathématiques de la Planète Terre"    (cf. l’interview de C. Rousseau, coordinatrice de l’année), ce numéro de la revue Textes et documents pour la classe (TDC) illustre des domaines de recherche où les mathématiciens coopèrent avec physiciens, chimistes, économistes, biologistes… à modéliser le monde dans lequel nous vivons. Quand la société s’interroge sur son avenir, il faut répondre à des questions telles que : l’influence de l’activité humaine sur l’évolution du climat ; l’origine, l’évolution et la remédiation de la pollution des sols et des nappes phréatiques ; l’évaluation des ressources aquatiques et leur évolution en fonction des pêches ; la validité de la poursuite d’une croissance exponentielle dans un monde fini. Le fascicule aborde ces différents points et d’autres dans des articles assez courts, faciles à lire et bien illustrés.

Pour chaque domaine, la simulation numérique consiste à définir un modèle mathématique et ensuite à le résoudre à l’aide d’un ordinateur. Le premier article écrit par T. Goudon décrit la démarche en plusieurs pages. Il fixe ainsi les mots qui vont revenir au long des articles suivants présentant chacun l’un des domaines cités, mais sous deux formes : soit celle d’un article classique, soit celle d’une fiche plus courte accompagnée de documents d’illustration destinés à être utilisés avec des élèves.

La lecture de ces présentations apporte un éclairage utile sur les domaines investis par les mathématiciens dans les applications mais peu sur le contenu de leur travail. Un modèle est toujours traduit par une équation à résoudre mais là, d’équations, il n’y en a pas ! C’est certainement un choix compréhensible de la rédaction, qui facilite la lecture pour ceux qui ne sont pas familiers du langage mathématique. Entrer plus profondément dans l’illustration mathématique implique donc la médiation d’un mathématicien. Pour cela, le niveau requis correspond à celui d’une terminale scientifique, hormis pour le joli article historique sur le mètre révolutionnaire qui peut illustrer une leçon de trigonométrie.

Bernard Philippe

Entre les Hommes et les machines : automatique et traitement du signal

Revue DocSciences n°15, mai 2013

couverture DocSciences n°15Ce numéro de la revue DocSciences, éditée par le CRDP de l'académie de Versailles, est le cinquième volet de la série Informatique. Réalisé en partenariat avec Inria et le CNRS, à l'initiative du comité éditorial d'Interstices, il invite tous les curieux de sciences à découvrir deux disciplines méconnues : l’automatique et le traitement du signal.

Les sciences enfouies au cœur du quotidien : éditorial par Michel Bidoit, directeur de l’Institut des sciences de l’information du CNRS et Pascal Guitton, directeur de la recherche d’Inria.

Traitement du signal et des images, automatique : deux sciences que l’on dit parfois « enfouies ». Elles forment pourtant, avec l’informatique, les piliers des sciences du numérique et de travaux de recherche d’Inria, du CNRS et des universités. Elles sont au cœur des interactions des machines avec le monde extérieur, au travers de capteurs, dont il faut extraire les informations, et d’actionneurs, qu’il faut commander.

Découvrez leur omniprésence dans notre quotidien. Dans le secteur de la santé, elles aident le médecin à analyser les signaux et images des organes, guident les gestes du chirurgien, permettent à des patients de mieux contrôler leur maladie et peuvent aider à compenser certaines déficiences. Dans l’automobile, elles permettent une conduite plus sûre et plus économe ou, dans un futur proche, de concevoir des véhicules autonomes, sans conducteur et circulant en flotte. Dans la maison de demain, elles amélioreront le confort et la sécurité et réduiront la dépense énergétique.

Avec ce numéro de DocSciences, partez à la découverte de ces disciplines, de leurs méthodes et de quelques problèmes qu’elles abordent et des progrès qu’elles induisent.


Informatique et médecine

Revue DocSciences n°13, octobre 2010

couverture DocSciences n°13Ce numéro de DocSciences est le fruit de la rencontre entre médecine et informatique. À première vue, ces deux disciplines semblent bien éloignées : que peut apporter l’informatique, science in silico du traitement automatique de l’information, à la médecine, science plus expérimentale in vivo ?

Pourtant, cette rencontre est fructueuse : la modélisation mathématique et la simulation informatique permettent de réaliser de façon répétée des expériences in vitro. Leur but ? Aider au diagnostic, participer à la conception et l’évaluation de nouvelles thérapies, contribuer à l’enseignement de la médecine, ou encore préparer et simuler des interventions chirurgicales virtuelles. Construire un modèle mathématique, c’est exprimer un phénomène observé à l’aide d’équations, en y incluant les connaissances médicales. La simulation numérique est alors la résolution de ces équations grâce à un ordinateur. En médecine, cette modélisation est particulièrement délicate, tant les structures des organes et leur fonctionnement - mécanique ou électro-chimique - sont complexes. Cependant, bien qu’imparfaites, les simulations numériques conduisent à des résultats exploitables par les médecins.

Désormais, un nombre croissant de chercheurs travaille à cette interface. Ce numéro présente le résultat de leurs recherches selon deux axes complémentaires : l’un thérapeutique visant à une meilleure prise en charge des patients, l’autre plus fondamental cherchant à mieux comprendre le fonctionnement des organes tels que les muscles, le cœur ou le cerveau.

La revue DocSciences, éditée par le CRDP de l'académie de Versailles, est destinée plus particulièrement aux enseignants et aux lycéens. Ce numéro est le troisième réalisé en partenariat avec Inria.


Échecs, tennis, football… Les classements sont-ils fiables ?

Pour la Science n°393 juillet 2010

Après les grands tournois de Roland-Garros ou Wimbledon, après la coupe du monde de football, qui ne s’est pas posé de questions sur les méthodes de classement des joueurs ou des équipes, sur la pertinence de l’évolution au jour le jour de ces classements et des comparaisons de classements d’équipes et de joueurs de générations différentes ? La revue Pour la Science a choisi de mettre ce sujet à la une de son numéro de juillet 2010. Ces questions, outre qu'elles présentent un intérêt financier évident pour les pronostiqueurs et les parieurs, posent des problèmes scientifiques difficiles. Les méthodes les plus fines reposent sur des modèles statistiques complexes connus sous le nom d’inférence bayésienne. La lecture de cet article vous expliquera, avec des exemples simples, les principes qui ont été initialement utilisés et leurs défauts que les méthodes les plus élaborées tentent de corriger.

À lire aussi, dans le même numéro : "Les radars passifs, voir sans être vu".
Le radar est un système désormais banal utilisé notamment pour le contrôle de l’activité aérienne, ou le contrôle de vitesse sur les routes. Les dispositifs les plus courants sont des systèmes actifs qui émettent des signaux et cherchent à observer les échos réfléchis par les cibles à portée du radar. Aujourd’hui, des systèmes passifs, c’est-à-dire qui n’émettent pas de signal, mais cherchent seulement à détecter les signaux émis ou réfléchis par les cibles, arrivent sur le marché après plusieurs décennies de recherche. Ces nouveaux systèmes, qui ont l’avantage de n’être pas détectables, sont devenus efficaces grâce à la mise en œuvre de traitements très sophistiqués des signaux reçus. Ces radars passifs nécessitent donc des calculs très lourds, qui sont rendus possibles grâce à la puissance des ordinateurs actuels.


Le numérique et les sciences du vivant

Revue DocSciences n°8, novembre 2009

couverture

« Le grand livre de la nature est écrit en langage mathématique. »
Cette phrase de Galilée, célèbre sous cette forme synthétique – un vrai slogan – marque les débuts de la science moderne. Et il est vrai que les quatre derniers siècles ont largement confirmé la puissance des mathématiques pour la compréhension du monde physique.

Mais il n’est pas certain que la nature dont parlait Galilée incluait le monde vivant…
De fait, la biologie n’a pas bénéficié des mathématiques à la hauteur de la physique. Pourquoi ? Plutôt que de mettre en cause les biologistes eux-mêmes, ce que d’aucuns n’hésitent pourtant pas, malicieusement, à faire, il est certainement plus juste de s’interroger sur les spécificités de cette science. La quasi-absence de lois universelles directement exprimables sous forme mathématique et la très grande variété d’objets biologiques, et plus encore de leurs interrelations, peuvent expliquer le rôle sans cesse croissant de l’informatique en biologie, non pas seulement à travers les moyens de calcul qu’elle rend disponibles, mais par la diversité des modélisations qu’elle permet.

Cette diversité est manifeste dans les articles de ce numéro de DocSciences, rédigés par des chercheurs qui ont placé leur domaine d’activité à l’interface du numérique et du vivant.
De la population à la molécule, le tout dans le contexte des processus évolutifs, leurs travaux font appel aux équations différentielles comme aux techniques de synthèse d’images, aux processus markoviens comme aux algorithmes d’analyse de chaînes de caractères…

Tous les domaines de l’informatique sont désormais sollicités dans cette enthousiasmante exploration du vivant.

La revue DocSciences, éditée par le CRDP de l'académie de Versailles, est destinée plus particulièrement aux enseignants et aux lycéens. Ce numéro est le deuxième réalisé en partenariat avec Inria, dont de nombreuses équipes de recherche travaillent à la conception de modèles en biologie, médecine, écologie et environnement.


Les maths au quotidien

Matthieu Colonval et Abdelatif Roumadni (Ellipses, mai 2009)

couverture

Qu’est-ce que le système binaire ? Comment opérait-on, jusque dans les années soixante-dix, avec une règle à calcul ? Comment colorier une carte géographique de telle sorte que deux États voisins n’y apparaissent pas de la même couleur ? Comment vérifier qu’un numéro de sécurité sociale est correct grâce à la clé associée ? Comment s’élabore une image de synthèse ? Qu’est-ce que le système de codage RSA ? Comment résoudre les tours de Hanoï ou gagner au jeu de Nim ? Si ces questions ont particulièrement retenu notre attention, c’est qu’elles relèvent plus directement de l’informatique. Mais cet ouvrage en aborde de nombreuses autres et y répond en mettant en œuvre des outils mathématiques étudiés au lycée. Un ouvrage stimulant, lisible à plusieurs niveaux, à déguster par tranches, dans l’ordre ou dans le désordre, au fil des problèmes abordés, qu’ils relèvent de la vie pratique « au quotidien » ou de la réflexion scientifique.

 

Le traitement de l’information

Canal Académie 2009

Colloque organisé par l’Académie des sciences en janvier 2009.
Écouter la première partie avec Odile Macchi, Matthias Fink et Olivier Faugeras.
Écouter la seconde partie avec Claude Berrou et Albert Fert.

Les sciences de l'information ont révolutionné notre quotidien et notre société. Communications et télévision, voiture, commerce et banque, santé, jeux et loisirs, etc. : tous les secteurs de notre société s'appuient sur les outils développés par cette science jeune, née au milieu du siècle dernier.

Dans ces deux enregistrements d'une heure chacun, issus d'un colloque organisé par l’Académie des sciences en janvier 2009, cinq volets expliquant des percées de cette science sont présentés de façon très simple par des chercheurs de renom. Le premier enregistrement s'ouvre sur un bref tour d'horizon de l'étendue quasi-tentaculaire des sciences de l'information dans notre société, présenté par Odile Macchi. Mathias Fink parle ensuite du retournement temporel et de son impact en communications, puis Olivier Faugeras d'imagerie appliquée notamment à la santé. Dans le second enregistrement, Claude Berrou introduit le concept de diversité et ses applications en communications, tandis qu'Albert Fert parle de la spintronique (en particulier de la magnétorésistance géante) et de son impact sur les technologies de l’information et de la communication.

Les exposés sont, presque en totalité, pédagogiques et faciles à comprendre, même sans les diapositives utilisées lors du colloque. Ils donnent un éclairage intéressant sur des découvertes scientifiques souvent méconnues qui transforment notre quotidien.

 

La réalité virtuelle refait le monde

Journal du CNRS, avril 2008

couverture

Dans son numéro d'avril 2008, le Journal du CNRS publie un dossier très intéressant sur la réalité virtuelle. Le premier article (Le virtuel en renfort du réel) présente les définitions et les principaux usages, à travers un ensemble de témoignages de chercheurs français qui livrent chacun leur vision. Il reflète ainsi la vitalité de cette communauté - dans toute sa diversité. Le second (Un outil plein d'avenir) décrit quelques pistes d'évolution à envisager dans ce domaine aujourd'hui en pleine effervescence... Enfin, le troisième article (Litige dans les mondes virtuels) évoque des problématiques, réelles ou fantasmées, liées aux usages de la réalité virtuelle.

 

Intégrer images réelles et images 3D : postproduction et réalité augmentée

Gilles Simon, Julien Decollogne (Dunod, mars 2006)

couverture

Différentes techniques numériques de postproduction et de réalité augmentée permettent d'intégrer de façon réaliste des objets infographiques dans des séquences d'images réelles. La réalité augmentée immerge l’utilisateur dans un environnement où des objets virtuels 3D se superposent exactement, souvent en temps réel, à l’environnement observé. Les applications interactives concernent l’assistance ou l’aide à la décision en milieu industriel ou médical, ou encore l'apprentissage en simulateur (véhicule, chirurgie). Les effets spéciaux cinématographiques ou l’étude de projets architecturaux se font, eux, en temps différé. D'autres applications étonnantes sont à découvrir. Ce livre explique quelles sont les principales difficultés à résoudre : calibration de la caméra et de sa trajectoire à partir de la scène, contraintes liées au temps réel... et nous montre comment, à moins de tout faire « manuellement » comme ce fut le cas jusqu'à récemment, il a fallu des recherches scientifiques pour aboutir aux résultats maintenant opérationnels.

 

Peer-to-peer, comprendre et utiliser

Fabrice Le Fessant (Eyrolles 2006)

couverture

Cet ouvrage propose un tour d'horizon des différents usages du « peer-to-peer ». Il est centré sur la pratique courante du peer-to-peer pour l'échange de fichiers, et sur l'utilisation des principaux logiciels permettant de se connecter aux réseaux de pair à pair les plus connus, comme eDonkey ou BitTorrent. Cependant, l'auteur s'attache à donner une introduction très simple aux principes qui sous-tendent le peer-to-peer, montrant comment les ordinateurs connectés ainsi sont tour à tour demandeurs et donneurs, clients et serveurs. Il nous donne une idée de ce que cette technologie pourra nous apporter dans le futur, loin du seul partage de fichiers qui lui a donné une réputation sulfureuse. Le livre constitue en outre une introduction élémentaire aux réseaux et aux aspects pratiques d'une connexion à l'Internet.

 

GridCafé

couverture

Accéder au site web

Ce site élaboré par le CERN aborde d'une manière conviviale les technologies de grille et leurs applications. Rappelons que le but des grilles est d'offrir un service permettant de partager de la puissance de calcul et de très grandes capacités de mémoire : il s'agit en quelque sorte de transformer les ordinateurs du monde en une immense ressource partagée ! Mais cela constitue un gigantesque défi technologique et scientifique pour l'informatique, où les problèmes algorithmiques sont à résoudre à une échelle vertigineuse. De cette nouvelle architecture émerge aussi un nouveau mode d'organisation, qu'il nous faut bien comprendre pour ne pas en être le jouet.

Bien entendu, ce site hébergé à l'origine par le Cern ne prétend ni à l'exhaustivité ni à l'impartialité, un bon nombre d'exemples qu'il propose viennent du Cern. Ce laboratoire de physique des hautes énergies est en effet un acteur majeur dans ce domaine. La nouvelle version en ligne fait maintenant partie du portail e-ScienceCity. À visiter en complément des documents Interstices Les réseaux grillent les limitations et La programmation des grilles informatiques.