Archive pour 23 février 2011

Fractales dans la tour Eiffel


La tour Eiffel est une tour de fer puddlé de 325 mètres de hauteur située à Paris, à l’extrémité nord-ouest du parc du Champs de Mars, en bordure de la Seine. Construite par Gustave Eiffel et ses collaborateurs pour l’Exposition universelle de Paris de 1889, et initialement nommée tour de 300 mètres, ce monument est devenu le symbole de la capitale française, et un site touristique de premier plan : il s’agit du neuvième site français le plus visité en 2006, et du premier monument payant visité au monde, avec 6,893 millions de visiteurs en 2007

On retrouve, aussi, l’autosimilarité des fractals dans de nombreuses structures comlexes. C’est cette propriéte propre aux fractals qui a permis de modeliser ces structures. Mandelbrot s’étonnait d’avoir pu inventer « cette corne d’abondance. Des gens auraient du le voir avant ! La tour eiffel est fractale. La vague d’Hokusai est fractale» disait-il.

Chronologie des fractales :


Biographie de Sierpinski


Waclaw Fransizek Sierpinski est mathématicien polonais né à Varsovie, en Pologne, le 21 octobre 1969. Il fait ses études dans sa ville  natale. Il reçoit ensuite, son  doctorat en 1908, et devient professeur à l’université de Lvov. Il y consacre alors ses recherches à la théorie des nombres. Après la première guerre mondiale, il obtient en 1919 un poste à  l’université de Varsovie où il y restera jusqu’à sa mort. Entre temps, il aura écrit plus de 700 articles et 50 livres dont « La théorie des nombres irrationnels » (1910),  « La théorie des nombres » (1912). Déporté par les nazis, il ne put reprendre ses travaux qu’après la guerre.

On lui doit des résultats sur les fondements de la théorie des ensembles, en topologie* (avec son compatriote Kuratowski), sur les équations diophantiennes** (Théorie élémentaire des nombres, 1964), en théorie des nombres, et par-dessus tout les premiers objets fractals qu’étudiera Benoît Mandelbrot.

Professeur éminent, il fut membre de nombreuses sociétés savantes à travers le monde et publie certains de ses travaux en français (L’hypothèse du continu, 1934; les ensembles analytiques et projectifs, 1950).

Sierpinski fonde également une école mathématique polonaise avec deux jeunes mathématiciens polonais Zygmunt Janiszewski (1888-1920) et Stephan Mazurkiewicz (1888-1945) en créant la revue mathématique « Fundamenta mathematicae » (1920), encore présente aujourd’hui !

*La topologie est une branche des mathématiques concernant l’étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).

**L’équation ax + by = c, où les coefficients a, b, et c, sont trois entiers relatifs et où les inconnues x et y sont entiers relatifs, est une des équations diophantiennes les plus simples à résoudre.


Biographie de Benoit Mandelbrot


quand la redaction et la mise en page de notre TPE fut en fin achevée, il nous parut evident et important d’ajouter une biographie brève mais concise du grand maitre des Fractales, Benoit Mandelbrot.

Benoît Mandelbrot est un mathématicien franco-américain, né à Varsovie le 20 novembre 1924 et mort le 14 octobre 2010 à Cambridge, dans le Massachussets. Il a travaillé, au début de sa carrière, sur des applications originales de la théorie de l’information, puis développé ensuite les objets fractals.

 Son oncle Szolem Mandelbrojt était professeur de mathématiques au Collège de France. Sa famille a quitté la Pologne pour Paris afin de fuir la menace hitlérienne. C’est à Paris qu’il fut initié aux mathématiques par deux oncles. L’invasion allemande force la famille à se réfugier ensuite à Brive-la-Gaillarde, où il est aidé, pour la continuation de ses études, par le rabbin David Feuerwerker. Après avoir fréquenté le lycée Edmond-Perrier de Tulle, il poursuit ses études au lycée du Parc, à Lyon.

Après avoir quitté l’École polytechnique (promotion 1944), où il a suivi les cours d’un spécialiste du calcul des probabilités (Paul Lévy), il s’intéresse aux phénomènes d’information, les idées de Claude Shannon étant alors en plein essor. Intrigué par la loi de Zipf, empirique et contestée, il la pose en termes de minimisation des coûts de stockage et d’utilisation des mots par l’esprit. Par élimination de la variable de coût entre les deux équations, se révèle une loi qui n’a, cette fois-ci, plus rien d’empirique : c’est la loi de Mandelbrot, dont celle de Zipf n’est qu’un cas particulier, et qui répond mieux qu’elle aux observations (expliquant en particulier le coude toujours observé dans les distributions, et non expliqué par la loi de Zipf). Ce travail lui vaut une notoriété immédiate, en particulier grâce à un ouvrage de Léon Brillouin : Science et théorie de l’information, qui aura d’ailleurs un succès bien plus grand dans sa traduction anglaise : Science and information theory (les conventions typographiques catastrophiques de l’ouvrage français n’y sont pas étrangères.

Il quitte alors la France une année, vers la Californie, mais y revient en 1949, jusqu’en 1958, époque où il retourne à nouveau aux États-Unis d’Amérique, attiré, d’après lui, par une plus grande liberté de créativité, non restreinte à une seule discipline précise. Il travaille comme chercheur chez IBM sur la transmission optimale dans les milieux bruités, tout en poursuivant son travail sur des objets étranges jusque là assez négligés par les mathématiciens : les objets à complexité récursivement définie, comme la courbe de Von Koch, auxquels il pressent une unité. Le mathématicien Felix Hausdorff a d’ailleurs préparé le terrain en définissant pour ces objets une dimension non-entière, la dimension de Hausdorff. Quant au mathématicien Gaston Julia, il a défini des objets qui ont un air de famille avec le tout.

Il signe en 1973 dans une revue d’économie l’article Formes nouvelles du hasard dans les sciences. Cet article critique le manque d’intérêt des chercheurs de nombreuses disciplines pour les fluctuations aléatoires, se cantonnant trop à étudier les moyennes à long terme. Il cite des exemples pris dans son domaine à IBM, la transmission du signal, mais également dans des domaines inattendus : les crues du Nil, la forme des nuages, celle des fleuves.

Son travail sur les fractales en tant que mathématicien à IBM lui a valu un Emeritus Fellowship au laboratoire de recherche T. J. Watson. Ses travaux y ont été repris par son collaborateur, Richard Voss. Il a été lauréat de la médaille Franklin en 1986.

En plus de la découverte des fractales en mathématiques, il a montré le grand nombre d’objets bien décrits par des fractales dans la nature, conduisant ainsi à de nouveaux terrains de recherche. Des fractales se retrouvent également dans des phénomènes étudiés en théorie du chaos.

Professeur à l’université Yale (1987), conférencier au Conservatoire national des arts et métiers (1994, 2000).

En 1991, Mandelbrot, systématiquement invité à tout hasard à chaque congrès portant sur les fractales, se rendit compte qu’il y en avait eu plus d’un par jour en moyenne cette année-là.

Le 23 novembre 1990, il est fait chevalier de la Légion d’honneur, et est promu officier le 1er janvier 2006, une distinction qui lui est remise le 11 septembre 2006 par son camarade de promotion à l’École polytechnique, le sénateur Pierre Laffitte.

Benoît Mandelbrot est également à l’origine en 1961 d’un modèle d’évolution des cours de la bourse basée sur la géométrie fractale. Cette théorie financière a l’avantage de mieux détecter la survenue des variations extrêmes, ce que ne permet pas l’usage de l’analyse technique basée sur la théorie de Dow. D’abord reconnue pertinente, elle a été ensuite mise de côté pour cause de complexité, avant d’être réutilisée depuis la fin des années 1990, riches en turbulences financières.

En 2004, il a publié Une approche fractale des marchés dans lequel il dénonce les outils mathématiques de la finance parce qu’il les juge inadaptés. Cette même année, il avait demandé, sans succès, que les banques et les grandes institutions financières consacrent une petite partie de leur budget à la recherche fondamentale.

En 1994, dans La Dramaturgie, Yves Lavandier affirme que la théorie fractale s’applique à merveille aux mécanismes du récit. La forme simple protagoniste-objectif-obstacles se retrouve à différentes échelles : la série, l’œuvre unitaire, l’acte logistique, l’acte dramatique, la séquence, la scène, jusqu’à certains dialogues. C’est la spécificité de chaque composant et la combinaison de milliers de formes simples qui donnent à chaque récit son caractère unique et son apparente originalité.

bibliographie:
* Les Objets fractals : forme, hasard, et dimension, trad., Flammarion, 1973.
* Les Objets fractals, survol du langage fractal, Flammarion, 1975, 1984, 1989, 1995.
* (en)The Fractal Geometry of Nature, Benoît Mandelbrot, 1982.
* Fractales, hasard et finance, Flammarion, 1959, 1997.
* (en)The (Mis)Behaviour of Markets, Benoît Mandelbrot, Profile Books, 2004.
* Une approche fractale des marchés, Benoît Mandelbrot & Richard Hudson, éditions Odile Jacob, 2005.

Mathématiques appliquées: Des fractales contre le bruit des voitures


Cela fait une vingtaine d’années que l’équipe de Bernard Sapoval, directeur de recherche au CNRS cherche à caractériser la façon dont vibrent les objets de forme irrégulière quand ils sont excités par des ondes sonores ou mécaniques. « Dans la nature, on en trouve un grand nombre, explique le physicien. Ils absorbent les ondes bien mieux que les objets lisses. Les côtes maritimes déchiquetées, par exemple, ont un rôle d’amortisseur pour les vagues qui viennent s’y briser. Cela est lié, entre autres, au fait que la surface au contact des ondes est plus grande que la surface apparente. »
Au cours de ses recherches, Bernard Sapoval montre que les surfaces fractales, identiques à elles-mêmes à différentes échelles, permettent de reproduire ce phénomène. Et donc d’avoir des applications dans la lutte contre le bruit. Il se rapproche alors de l’entreprise Colas qui finance en partie la fabrication d’une cavité acoustique de forme fractale. Et les premiers résultats sont encourageants !
ils aboutissent donc à la conception d’un prototype de mur antibruit en collaboration avec Didier Peyrard, directeur technique de Somaro (filiale de Colas). « Même si le motif fractal du mur se répétait, il n’était pas facile de trouver des formes complexes qui puissent être fabriquées par moulage » rappelle Bernard Sapoval. Les tests réalisés en chambre réverbérante ont montré que l’écran absorbe les ondes sonores de basses fréquences, caractéristiques d’un bruit de circulation, comme aucun mur ne le faisait jusqu’à présent. Et le chercheur ne compte pas s’arrêter là : « Bien que cela revienne plus cher à produire, nous savons déjà que nous pourrons faire mieux avec une structure plus grande. »
Les automobilistes pourront bientôt admirer des fractales au bord de la route. Et les riverains apprécier le silence. La société Colas, spécialisée dans la construction de routes, devrait en effet commercialiser tres prochainement ce  mur antibruit très performant. 

« Une approche fractale des marchés »


 En réalité, c’est par hasard que Mandelbrot a commencé à étudier le cours des marchés boursiers. En effet, alors que celui-ci, étudiait encore la répartition des revenus et des patrimoines, Houthakker , un imminent économiste qui s’intéressait à ses travaux, l’invita à faire une présentation lors d’un de ses séminaires à Harvard en 1960. Mandelbrot arriva un peu en avance, et lorsqu’il se rendit à la salle de cour, il découvrit avec surprise que les graphiques dont il avait besoin avaient déjà été tracé au tableau. Lorsqu’il remercia Houthakker de cette délicate attention, ce dernier, interloqué, lui expliqua qu’il s’agissait en fait de l’historique des prix à terme sur le coton, à la bourse de Chicago. Mandelbrot venait de trouver un nouvel objet pour ses travaux: Les cours boursiers. « Je devins alors fasciné par ce sujet, car il impliquait de merveilleux exemples dont l’importante quantité de mesure présente des variations totalement erratiques et irrégulières, en un mot chaotiques » confia-t-il dans l’une de ses interviews, à Anthony Barcellos, aujourd’hui professeur à l’American River College.

Mandelbrot a ainsi publié de nombreux livres sur l’économie et la finance. Non pas pour donner à l’investisseur des recettes pour s’enrichir, mais parce qu’il était choqué qu’un système aussi riche de complexité qu’une société humaine fût représenté avec les méthodes simplistes qui prévalaient, et prévalent encore malgré les difficultés avérés de ces théories à prévoir les crises et les ruptures de marchés. 

Comme il l’explique lui-même : « les marchés, comme les océans, ont des turbulences. Parfois, la variation des cours est infime alors que d’autres fois, elle est énorme. Seul les fractales peuvent expliquer ce type de changement ».

Mais tentons de rentrer un peu plus dans le vif du sujet. La première propriété fractale des marchés réside dans le fait que si l’on vous met sous les yeux la courbe retraçant le cours d’une action sans vous donner l’échelle de temps, vous ne pourrez dire si vous en suivez le cours d’une action sur un an, un mois, une semaine, un jour ou une heure. Ainsi, qu’elle que soit l’échelle de temps à laquelle on se réfère pour suivre la courbe des fluctuations, elle représente la même allure. On retrouve donc le principe d’auto-similarité des fractals, l’invariance de la forme, qu’elle que soit l’échelle donnée.

L’autre propriété des marchés est au cœur de  la divergence qui existe entre les économistes quant à la compréhension et l’analyse des marchés. Ces derniers sont-ils efficients ou inefficients ? Pour bien saisir cette épineuse question, qui est aujourd’hui au cœur du monde financier, nous répondrons de manière structuré en trois partie, les marchés efficient, les marchés inefficients, et la place des fractals.

Les marchés efficients.

 

La théorie d’efficience des marchés  considère que l’information est diffusé simultanément et que  les opérateurs réagissent correctement et quasi-simultanément à cette même information, en supposant qu’ils ont les capacités et le savoir nécessaire pour les interpréter et réagir avec justesse.

Ainsi, les marchés efficients dépendent totalement de l’information objective. Une information positive entraînera une réaction positive et une information négative engendra une réaction négative, et toutes ces réactions restent indépendantes les unes des autres.

On assiste alors à un mouvement Brownien. Mouvement qui suit une marche aléatoire, dite aussi marche de l’ivrogne ( regardez marcher un ivrogne dans la rue, la direction qu’il emprunte n’a aucune logique, il va à droite puis à gauche, il se cogne contre les murs etc…etc… ).

 

Les marchés inefficients.

 

La théorie d’efficience des marchés est partiellement inexacte dans la réalité. L’information n’est pas vraiment diffusé simultanément mais de manière asymétrique. Certains investisseurs disposent  d’une plus grande capacité de recherches et d’informations priviligiés, que d’autres n’auront pas forcément. De plus, les hommes ne sont pas des machines et il se peut que les gestionnaires réagissent de manière irrationnelle à l’information.

Ainsi, dans les marchés inefficients, on suppose que d’autres facteurs que l’information interviennent : Le cours en lui-même tout d’abord ou plutôt son évolution récente. Cela revient à dire, en simplifiant quelque peu, que si  le cours d’un actif a tendance à augmenter, ce même cour aura par la suite plus de chance d’augmenter que de baisser, mais surtout le facteur humain, la psychologie humaine. Est-ce que les gens ont plutôt peur ? Ont-ils plus tendance à se tourner vers le risque ? etc…etc… Aujourd’hui on va jusqu’à tenter de déterminer le niveau de peur , d’aversion au risque  des gens, pour mieux anticiper la fluctuation des marchés.

La place des fractales

 

Les fractales ne peuvent être utilisé et mentionné que dans un marché inefficient.  Premièrement, parce que l’autosimilarité, soit l’invariance de la forme quelque soit l’échelle, est impossible dans un mouvement Brownien. Et parce que les fractales ne suivent pas du tout une marche aléatoire ! Du fait de fait de cette même autosimilarité, il existe un ordre évident dans leur structure et cela fait partie de leur propriété même.

Mais comment peut-on utiliser les fractales dans le monde de la finance ? Tout d’abord les fractales permettent de mieux comprendre l’immense complexité des marchés, simplifié à tort par la théorie d’efficience des marchés. Par ailleurs, comme dans la nature, elles apportent un nouvel éclairage sur des mouvements du marché d’apparence chaotique qui semblaient à première vue inexplicable.  les fractales font  aussi preuve d’un réel apport en terme de régulation, en ce qui concerne les principes de bulles financière,  des phénomènes d’auto-amplification etc… etc…  Malheuresement, cette apport ne reste que très modérément utilisé (voir interview de Steve Ohana, Professeur à L’ESCP).

En réalité, les économistes et les ingénieurs financiers n’ont pas encore saisi et défini  totalement et complètement ce que pourraient apporter les fractales à la finance. Hormis les deux notions que nous venons de citer notre savoir en la matière reste assez limité. Nul doute que dans l’avenir les découvertes seront nombreuses et les fractals finiront par occupé une place conséquente dans ce monde aussi compliqué qu’interressant, mais encore faudrait-il que la majorité des opérateurs aient admis que les marchés sont bel et bien inefficients, du moins en partie.