Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour but le développement de méthodes de prise de décisions optimales (statiques ou séquentielles) ou de traitement de signaux par des méthodes d'appren- tissage automatique. Ils répondent cependant à un certain nombre de contraintes qui ont été imposées par l'objectif de prendre en compte la présence de l'humain dans la boucle de décision ou de traitement ou même comme générateur des signaux que l'on analyse. La présence de l'humain rend la nature des données que l'on traite assez imprévisible et, à une même situation en apparence, des décisions diffé- rentes peuvent être prises. Dans les domaines de l'apprentissage statistique, du contrôle optimal ou du traitement du signal ceci se traduit par la nécessité de gérer l'incertain, de traiter le caractère stochastique du système ainsi que la non-stationnarité de celui-ci. Ainsi, les décisions que l'on considère optimales peuvent dépendre de manière aléatoire de la situation mais de plus, cette dépendance peut varier avec le temps. Des méthodes d'optimisation convergeant vers une solution globale ne sont donc pas adaptées mais des méthodes permettant d'apprendre au fil de l'eau et de poursuivre l'évolution de la solution optimale seront préférées. Par ailleurs, dans le cas où les décisions résultent en une action sur le monde extérieur, il est né- cessaire de quantifier le risque pris en accomplissant ces actions, particulièrement si ces actions doivent avoir un impact sur l'humain. Ceci passe par une estimation de l'incertitude sur le résultat des actions possibles et la sélection en conséquence de ces actions. Une autre implication est qu'il ne sera pas tou- jours envisageable de tester toutes les actions possibles pour en estimer les effets puisque ces actions peuvent ne pas être acceptables pour l'humain. Ainsi, il faudra apprendre à partir d'exemples de situa- tions imposées ce qui se traduit par une phase d'inférence utilisant les informations observables pour en déduire des conséquences sur des situations que l'on ne peut observer. Les travaux exposés dans ce manuscrit apportent des contributions théoriques permettant de tenir compte de ces contraintes et des applications à des problèmes concrets imposant ces contraintes seront exposées.