Cette thèse est consacrée à l'étude du spectre de l'opérateur de Laplace avec conditions de Dirichlet dans différents domaines du plan ou de l'espace. Dans un premier temps on s'intéresse à des triangles asymptotiquement plats et des cônes de petite ouverture. Ces problèmes admettent une reformulation semi-classique et nous donnons des développements asymptotiques à tout ordre des premières valeurs et fonctions propres. Ce type de résultat est déjà connu pour des domaines minces à profil régulier. Pour les triangles et les cônes, on prouve que le problème admet maintenant deux échelles. Dans un second temps, on étudie une famille de couches coniques indexées par leur ouverture. Là encore, on s'intéresse à la limite semi-classique quand l'ouverture tend vers zéro: on donne un développement asymptotique à deux termes des premières valeurs propres et on démontre un résultat de localisation des fonctions propres associées. Nous donnons également, à ouverture fixée, un équivalent du nombre de valeurs propres sous le seuil du spectre essentiel. / This thesis deals with the spectrum of the Dirichlet Laplacian in various two or three dimensional domains. First, we consider asymptotically flat triangles and cones with small aperture. These problems admit a semi-classical formulation and we provide asymptotic expansions at any order for the first eigenvalues and the associated eigenfunctions. These type of results is already known for thin domains with smooth profiles. For triangles and cones, we show that the problem admits now two different scales. Second, we study a family of conical layers parametrized by their aperture. Again, we consider the semi-classical limit when the aperture tends to zero: We provide a two-term asymptotics of the first eigenvalues and we prove a localization result about the associated eigenfunctions. We also estimate, for each chosen aperture, the number of eigenvalues below the threshold of the essential spectrum.

La théorie des matrices s'est développée rapidement au cours des dernières décennies en raison de son large éventail d'applications et de ses nombreux liens avec différents domaines des mathématiques, de l'économie, de l'apprentissage automatique et du traitement du signal. Cette thèse concerne trois axes principaux liés à deux objets d'étude fondamentaux de la théorie des matrices et apparaissant naturellement dans de nombreuses applications, à savoir les matrices semi-définies positives et les matrices doublement stochastiques.Un concept qui découle naturellement du domaine de l'apprentissage automatique et qui est lié à la propriété semi-définie positive est celui des matrices de similarité. En fait, les matrices de similarité qui sont semi-définies positives revêtent une importance particulière en raison de leur capacité à définir des distances métriques. Cette thèse explorera la propriété semi-définie positive pour une liste de matrices de similarité trouvées dans la littérature. De plus, nous présentons de nouveaux résultats concernant les propriétés définie positive et semi-définie trois-positive de certains matrices de similarité. Une discussion détaillée des nombreuses applications de tous ces propriétés dans divers domaines est également établie.D'autre part, un problème récent de l'analyse matricielle implique l'étude des racines des matrices stochastiques, ce qui s'avère important dans les modèles de chaîne de Markov en finance. Nous étendons l'analyse de ce problème aux matrices doublement stochastiques semi-définies positives. Nous montrons d'abord certaines propriétés géométriques de l'ensemble de toutes les matrices semi-définies positives doublement stochastiques d'ordre n ayant la p-ième racine doublement stochastique pour un entier donné p . En utilisant la théorie des M-matrices et le problème inverse des valeurs propres des matrices symétriques doublement stochastiques (SDIEP), nous présentons également quelques méthodes pour trouver des classes de matrices semi-définies positives doublement stochastiques ayant des p-ièmes racines doublement stochastiques pour tout entier p.Dans le contexte du SDIEP, qui est le problème de caractériser ces listes de nombres réels qui puissent constituer le spectre d’une matrice symétrique doublement stochastique, nous présentons quelques nouveaux résultats le long de cette ligne. En particulier, nous proposons d’utiliser une méthode récursive de construction de matrices doublement stochastiques afin d'obtenir de nouvelles conditions suffisantes indépendantes pour SDIEP. Enfin, nous concentrons notre attention sur les spectres normalisés de Suleimanova, qui constituent un cas particulier des spectres introduits par Suleimanova. En particulier, nous prouvons que de tels spectres ne sont pas toujours réalisables et nous construisons trois familles de conditions suffisantes qui affinent les conditions suffisantes précédemment connues pour SDIEP dans le cas particulier des spectres normalisés de Suleimanova. / Matrix theory has shown its importance by its wide range of applications in different fields such as statistics, machine learning, economics and signal processing. This thesis concerns three main axis related to two fundamental objects of study in matrix theory and that arise naturally in many applications, that are positive semi-definite matrices and doubly stochastic matrices.One concept which stems naturally from machine learning area and is related to the positive semi-definite property, is the one of similarity matrices. In fact, similarity matrices that are positive semi-definite are of particular importance because of their ability to define metric distances. This thesis will explore the latter desirable structure for a list of similarity matrices found in the literature. Moreover, we present new results concerning the strictly positive definite and the three positive semi-definite properties of particular similarity matrices. A detailed discussion of the many applications of all these properties in various fields is also established.On the other hand, an interesting research field in matrix analysis involves the study of roots of stochastic matrices which is important in Markov chain models in finance and healthcare. We extend the analysis of this problem to positive semi-definite doubly stochastic matrices.Our contributions include some geometrical properties of the set of all positive semi-definite doubly stochastic matrices of order n with nonnegative pth roots for a given integer p. We also present methods for finding classes of positive semi-definite doubly stochastic matrices that have doubly stochastic pth roots for all p, by making use of the theory of M-Matrices and the symmetric doubly stochastic inverse eigenvalue problem (SDIEP), which is also of independent interest.In the context of the SDIEP, which is the problem of characterising those lists of real numbers which are realisable as the spectrum of some symmetric doubly stochastic matrix, we present some new results along this line. In particular, we propose to use a recursive method on constructing doubly stochastic matrices from smaller size matrices with known spectra to obtain new independent sufficient conditions for SDIEP. Finally, we focus our attention on the realizability by a symmetric doubly stochastic matrix of normalised Suleimanova spectra which is a normalized variant of the spectra introduced by Suleimanova. In particular, we prove that such spectra is not always realizable for odd orders and we construct three families of sufficient conditions that make a refinement for previously known sufficient conditions for SDIEP in the particular case of normalized Suleimanova spectra.

本論文は,様々なネットワーク最適化問題の数学的構造について様々な観点から調べたものである.主たる結果はネットワーク最適化問題の代表例である最大流問題に,関するいくつかの結果と,Min-Plus代数に値をもつ行列の固有値と固有ベクトルに関する特徴づけに関する結果からなっている. / 博士(理学) / Doctor of Philosophy in Science / 同志社大学 / Doshisha University

[pt] Neste trabalho apresentam-se três tipos de técnicas de análise do colapso estrutural através do método dos elementos finitos: análise linearizada da carga crítica, análise incremental da carga crítica e análise não linear completa. Na análise linearizada da carga crítica formulou-se um problema de autovalor empregando matrizes de rigidez baseadas na configuração indeformada da estrutura e materiais com comportamento linear elástico. No caso da análise incremental da carga crítica, o problema de autovalor foi formulado empregando matrizes de rigidez incrementais para levar em consideração os grandes deslocamentos e propriedades não lineares do material. Finalmente, na análise não linear completa a configuração deformada da estrutura e propriedades não lineares do material são atualizadas durante todo o processo incremental-iterativo até atingir a carga crítica. Desenvolveu-se uma implementação computacional para estudar as três técnicas de análise em estruturas planas como vigas, colunas, pórticos e arcos, empregando elementos isoparamétricos bidimensionais para estado plano de tensões. A configuração deformada da estrutura, devido aos grandes deslocamentos e rotações dos elementos, foi considerada através de uma formulação Lagrangeana Total, enquanto o comportamento inelástico do material foi modelado empregando um modelo elastoplástico de Von Mises (J2) com encruamento isotrópico. Nos exemplos apresentados mostrou-se a influência da não linearidade geométrica e física na estimativa de cargas críticas e no comportamento pós-crítico, podendo ocorrer bifurcações ao longo da trajetória de equilíbrio fundamental definida no espaço carga-deslocamentos. / [en] This work presents three kinds of techniques for collapse analysis using the finite element method: linear buckling analysis, nonlinear buckling analysis and full nonlinear analysis. The linear buckling analysis requires the definition of an eigenvalue problem using a stiffness matrix formulation based on the initial configuration of the structure and under the assumption of a linear elastic material behavior. In the case of nonlinear buckling analysis, the eigenvalue problem was formulated employing an incremental stiffness matrix in order to consider the effects of large displacements and nonlinear material properties in the critical load estimation. Finally, the full nonlinear analysis takes into account the deformed configuration and the nonlinear material properties of the structure, updating both of them through all the incremental-iterative process up to reaching the critical load. A Finite Element computational program, using plane stress isoperimetric bidimensional elements, was developed to study the three analysis techniques applied to plane structures such as beams, columns, frames and arches. The deformed configuration of the structure, due to large displacements and rotations, was considered through the Total Lagrangian formulation, whereas the inelastic material behavior was modeled using the Von Mises plasticity model with isotropic hardening. The examples presented in this article show the influence of geometric and material nonlinearity in the critical load estimation and the postcritical behavior, being this the reason for the potential occurrence of bifurcation points over the fundamental equilibrium path defined in the load-displacement space.

For noiseless sampled data, we describe the close connections between Prony--like methods, namely the classical Prony method, the matrix pencil method and the ESPRIT method. Further we present a new efficient algorithm of matrix pencil factorization based on QR decomposition of a rectangular Hankel matrix. The algorithms of parameter estimation are also applied to sparse Fourier approximation and nonlinear approximation.

For noiseless sampled data, we describe the close connections between Prony--like methods, namely the classical Prony method, the matrix pencil method and the ESPRIT method. Further we present a new efficient algorithm of matrix pencil factorization based on QR decomposition of a rectangular Hankel matrix. The algorithms of parameter estimation are also applied to sparse Fourier approximation and nonlinear approximation.

Tato dizertační práce se zabývá dvěma případy interakce tělesa s tekutinou (FSI). První z nich se zabývá analýzou vzájemné interakce mezi rotorem čerpadla a kapalinou uvnitř těsnící spáry. Vliv těsnící spáry na dynamiku celého stoje je popsán pomocí dynamických parametrů, které jsou také označovaný jako přídavné účinky. V současnosti používané modely těsnících spár používají pro stanovení dynamických parametrů řadu zjednodušujících předpokladů. V této práci je prezentováno pět různých analýz dynamických parametrů těsnící spáry čerpadla na okysličovadlo. Každá z těchto pěti analýz používá jinou míru zjednodušení výpočetního modelu. V případě největšího zjednodušení je modelován pouze objem kapaliny uvnitř těsnící spáry. Nejkomplexnější analýza pro stanovení dynamických parametrů těsnící spáry používá pro výpočet model celého čerpadla s excentrickou polohou rotoru. Druhá část této dizertační práce definuje novou metodu pro řešení interakce kapaliny s pružným tělesem. Tato metoda využívá řešení inverzního problému kmitání. Přímý problém kmitání, který je také označován jako problém vlastních hodnot, používá jako vstupy pro řešení matice hmotnosti, tuhosti a tlumení, které jsou dohromady označovány jako koeficientové matice, na základě kterých je v nejobecnějším případě stanovena Jordanovská matice a také modální matice pravostranných a levostranných vlastních vektorů. Při řešení inverzního problému kmitání jsou stanoveny koeficientové matice na základě Jordanovské matice a modálních matic pravostranných a levostranných vlastních vektorů. Existují dva případy inverzního problému kmitání. V případě, že jsou známy všechny vstupní vlastní čísla a vlastní vektory, pak se jedná o tzv. plný problém. Naopak v případě, že alespoň 1 mód kmitání soustavy není znám, tak se jedná o tzv. částečný problém. V této práci je prezentováno 5 algoritmů pro řešení inverzního problému v kmitání. Nicméně pro každý typ inverzního problému kmitání je prezentován jeden univerzální algoritmus. Algoritmus pro řešení plných problémů byl poprvé prezentován v roce 1979 Otakarem Daňkem. Algoritmy pro řešení částečných problémů, které jsou prezentovány v této práci, jsou vůbec prvními algoritmy pro řešení tohoto typu inverzního problému kmitání. Univerzální algoritmus pro řešení částečných problémů je označován jako algoritmus pro řešení částečných problémů s volbou doplňkových vlastních hodnot. Aplikace těchto dvou univerzálních algoritmů pro řešení inverzního problému kmitání pro případ plných i částečných problémů je ukázána na řešení dvou případů interakce pružného tělesa s kapalinou.

Pensionsmyndigheten's (the Swedish Pensions Agency) current calculation of the internal rate of return for 7.7 million premium pension savers is both time and resource consuming. This rate of return mirrors the overall performance of the funded part of the pension system and is analyzed internally, but also reported to the public monthly and yearly based on differently sized data samples. This thesis aims to investigate the possibility of utilizing other approaches in order to improve the performance of these calculations. Further, the study aims to verify the results stemming from said calculations and investigate their robustness. In order to investigate competitive matrix methods, a sample of approaches are compared to the more classical numerical methods. The approaches are compared in different scenarios aimed to mirror real practice. The robustness of the results are then analyzed by a stochastic modeling approach, where a small error term is introduced aimed to mimic possible errors which could arise in data management. It is concluded that a combination of Halley's method and the Jacobi-Davidson algorithm is the most robust and high performing method. The proposed method combines the speed and robustness from numerical and matrix methods, respectively. The result show a performance improvement of 550% in time, while maintaining the accuracy of the current server computations. The analysis of error propagation suggests the output error to be less than 0.12 percentage points in 99 percent of the cases, considering an introduced error term of large proportions. In this extreme case, the modeled expected number of individuals with an error exceeding 1 percentage point is estimated to be 212 out of the whole population. / Pensionsmyndighetens nuvarande beräkning av internräntan för 7,7 miljoner pensionssparare är både tid- och resurskrävande. Denna avkastning ger en översikt av hur väl den fonderade delen av pensionssystemet fungerar. Detta analyseras internt men rapporteras även till allmänheten varje månad samt årligen baserat på olika urval av data. Denna uppsats avser att undersöka möjligheten att använda andra tillvägagångssätt för att förbättra prestanda för denna typ av beräkningar. Vidare syftar studien till att verifiera resultaten som härrör från dessa beräkningar och undersöka deras stabilitet. För att undersöka om det finns konkurrerande matrismetoder jämförs ett urval av tillvägagångssätt med de mer klassiska numeriska metoderna. Metoderna jämförs i flera olika scenarier som syftar till att spegla verklig praxis. Stabiliteten i resultaten analyseras med en stokastisk modellering där en felterm införs för att efterlikna möjliga fel som kan uppstå i datahantering. Man drar slutsatsen att en kombination av Halleys metod och Jacobi-Davidson-algoritmen är den mest robusta och högpresterande metoden. Den föreslagna metoden kombinerar hastigheten från numeriska metoder och tillförlitlighet från matrismetoder. Resultatet visar en prestandaförbättring på 550 % i tid, samtidigt som samma noggrannhet som ses i de befintliga serverberäkningarna bibehålls. Analysen av felutbredning föreslår att felet i 99 procent av fallen är mindre än 0,12 procentenheter i det fall där införd felterm har stora proportioner. I detta extrema fall uppskattas det förväntade antalet individer med ett fel som överstiger 1 procentenhet vara 212 av hela befolkningen.

El análisis y el control de las vibraciones cobra especial importancia en muchas ramas de la ingeniería, en especial la ingeniería mecánica, civil, aeronáutica y automovilística. Tal es así que prácticamente se identi¿ca como un área independiente dentro del análisis dinámico de estructuras. Desde los comienzos de esta teoría, las fuerzas disipativas o de amortiguamiento han sido uno de los fenómenos más difíciles de modelizar. El modelo viscoso, por su sencillez y versatilidad ha sido y sigue siendo el gran paradigma de los modelos de amortiguamiento. Sin embargo, como consecuencia de la aparición de materiales con memoria se introdujo el fenómeno de la viscoelasticidad; Esta, si bien está también 'íntimamente ligada ' a la velocidad de la respuesta, necesito de la introducción de las denominadas funciones hereditarias, que permiten poner a las fuerzas disipativas como función no solo de la velocidad instantánea sino de la historia de velocidades desde el comienzo del movimiento, de ahí el termino memoria. De forma natural, el avance teórico introducido en el modelo supone también una complicación computacional, pues donde antes teníamos un sistema lineal de ecuaciones diferenciales ahora tenemos un sistema de ecuaciones integro-diferenciales. El análisis de las vibraciones libres de los sistemas con amortiguamiento viscoelástico conduce a un problema nolineal de autovalores donde la característica principal es una matriz de amortiguamiento que depende de la frecuencia de excitación. El estudio de la solución de autovalores y autovectores de este problema es importante si se desean conocer los modos de vibración de la estructura o si se pretende obtener la respuesta en el dominio de la frecuencia del sistema. El objetivo fundamental de esta Tesis Doctoral es doble: Por un lado, profundizar en el conocimiento del problema de autovalores de sistemas viscoelásticos proponiendo para ello nuevos métodos numéricos de resolución. Por otro, desarrollar un nuevo modelo viscoso que, bajo ciertas condiciones, reproduzca la respuesta del modelo viscoelástico con su¿ciente aproximación. La Tesis se divide en ocho capítulos, de ellos el cuerpo principal se encuentra en los seis centrales (Capítulos 2 a 7. Todos ellos son artículos de investigación que, o bien han sido publicados, o bien están en proceso de revisión en revistas contenidas en el Journal Citation Reports (JCR). Por esta razón, todos los capítulos conservan la estructura intrínseca de un artículo, incluidas una introducción y una bibliografía en cada uno. Los cuatro primeros capítulos (Capítulos 2 a 5) se centran en el estudio del problema no lineal de autovalores. Se proponen dos metodologías de resolución: la primera es un procedimiento iterativo basado en el esquema del punto-¿jo y desarrollado para sistemas proporcionales o ligeramente no-proporcionales (aquellos en los que los modos se presentan desacoplados o casi desacoplados). La segunda metodología (presentada en dos capítulos diferentes), denominada paramétrica, permite obtener soluciones casi-analíticas de los autovalores, tanto para sistemas de un grado de libertad como para sistemas de múltiples grados de libertad y dentro de 'estos, para sistemas proporcionales y no proporcionales. El estudio del problema de autovalores se completa con un capítulo dedicado a los autovalores reales, también denominados autovalores no viscosos. En 'él se demuestra una nueva caracterización maten ática que deben cumplir dichos autovalores y que permite proponer un nuevo concepto: el conjunto no-viscoso. Los dos 'últimos capítulos (Capítulos 6 y 7) analizan el Modelo Viscoso Equivalente como propuesta para la modelización de la respuesta de sistemas viscoelásticos. El análisis se realiza desde el dominio de la frecuencia estudiando la función de transferencia. En una primera etapa (pen último capítulo), de naturaleza más maten ática, se demuestra que la función de transferencia exacta de un modelo viscoelástico se puede expresar como suma de una función de transferencia propia de un modelo viscoso más un término denominado residual, directamente dependiente del nivel de amortiguamiento inducido y del acoplamiento modal (noproporcionalidad de la matriz de amortiguamiento). En una segunda etapa ('ultimo capítulo), se desarrolla una aplicación para estructuras reales formadas por entramados planos de elementos 1D amortiguados con capas de material visco elástico. Este tipo de estructuras ha permitido usar una variante mejorada del método paramétrico para la obtención de los autovalores, de forma que en este 'ultimo capítulo ha servido como nexo de unión de las metodologías más importantes desarrolladas en la Tesis. / Lázaro Navarro, M. (2013). The Eigenvalue Problem in Linear Viscoelastic Structures: New Numerical Approaches and the Equivalent Viscous Model [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/30062

Garantierte untere Eigenwertschranken (GLB) für elliptische Eigenwertprobleme partieller Differentialgleichungen sind in der Theorie sowie in praktischen Anwendungen relevant. Auf Grund des Rayleigh-Ritz- (oder) min-max-Prinzips berechnen alle konformen Finite-Elemente-Methoden (FEM) garantierte obere Schranken. Ein Postprocessing nichtkonformer Methoden von Carstensen und Gedicke (Math. Comp., 83.290, 2014) sowie Carstensen und Gallistl (Numer. Math., 126.1, 2014) berechnet GLB. In diesen Schranken ist die maximale Netzweite ein globaler Parameter, das kann bei adaptiver Netzverfeinerung zu deutlichen Unterschätzungen führen. In einigen numerischen Beispielen versagt dieses Postprocessing für lokal verfeinerte Netze komplett. Diese Dissertation präsentiert, inspiriert von einer neuen skeletal-Methode von Carstensen, Zhai und Zhang (SIAM J. Numer. Anal., 58.1, 2020), einerseits eine modifizierte hybrid-high-order Methode (m=1) und andererseits ein allgemeines Framework für extra-stabilisierte nichtkonforme Crouzeix-Raviart (m=1) bzw. Morley (m=2) FEM. Diese neuen Methoden berechnen direkte GLB für den m-Laplace-Operator, bei denen eine leicht überprüfbare Bedingung an die maximale Netzweite garantiert, dass der k-te diskrete Eigenwert eine untere Schranke für den k-ten Dirichlet-Eigenwert ist. Diese GLB-Eigenschaft und a priori Konvergenzraten werden für jede Raumdimension etabliert. Der neu entwickelte Ansatz erlaubt adaptive Netzverfeinerung, die für optimale Konvergenzraten auch bei nichtglatten Eigenfunktionen erforderlich ist. Die Überlegenheit der neuen adaptiven FEM wird durch eine Vielzahl repräsentativer numerischer Beispiele illustriert. Für die extra-stabilisierte GLB wird bewiesen, dass sie mit optimalen Raten gegen einen einfachen Eigenwert konvergiert, indem die Axiome der Adaptivität von Carstensen, Feischl, Page und Praetorius (Comput. Math. Appl., 67.6, 2014) sowie Carstensen und Rabus (SIAM J. Numer. Anal., 55.6, 2017) verallgemeinert werden. / Guaranteed lower eigenvalue bounds (GLB) for elliptic eigenvalue problems of partial differential equation are of high relevance in theory and praxis. Due to the Rayleigh-Ritz (or) min-max principle all conforming finite element methods (FEM) provide guaranteed upper eigenvalue bounds. A post-processing for nonconforming FEM of Carstensen and Gedicke (Math. Comp., 83.290, 2014) as well as Carstensen and Gallistl (Numer. Math., 126.1,2014) computes GLB. However, the maximal mesh-size enters as a global parameter in the eigenvalue bound and may cause significant underestimation for adaptive mesh-refinement. There are numerical examples, where this post-processing on locally refined meshes fails completely. Inspired by a recent skeletal method from Carstensen, Zhai, and Zhang (SIAM J. Numer. Anal., 58.1, 2020) this thesis presents on the one hand a modified hybrid high-order method (m=1) and on the other hand a general framework for an extra-stabilized nonconforming Crouzeix-Raviart (m=1) or Morley (m=2) FEM. These novel methods compute direct GLB for the m-Laplace operator in that a specific smallness assumption on the maximal mesh-size guarantees that the computed k-th discrete eigenvalue is a lower bound for the k-th Dirichlet eigenvalue. This GLB property as well as a priori convergence rates are established in any space dimension. The novel ansatz allows for adaptive mesh-refinement necessary to recover optimal convergence rates for non-smooth eigenfunctions. Striking numerical evidence indicates the superiority of the new adaptive eigensolvers. For the extra-stabilized nonconforming methods (a generalization of) known abstract arguments entitled as the axioms of adaptivity from Carstensen, Feischl, Page, and Praetorius (Comput. Math. Appl., 67.6, 2014) as well as Carstensen and Rabus (SIAM J. Numer. Anal., 55.6, 2017) allow to prove the convergence of the GLB towards a simple eigenvalue with optimal rates.