Cette thèse est consacrée à l’étude du système de Boussinesq stationnaire:-νΔu+(u⋅∇)u+∇π=θg, div u=0,dans Ω(1a)-κΔθ+u⋅∇θ=h,dans Ω (1b)où Ω⊂R^3 est un ouvert, borné et connexe; les inconnues du système sont u,π et θ: la vitesse, la pression et la température du fluide, respectivement; ν>0 est la viscosité cinématique du fluide, κ>0 est la diffusivité thermique du fluide, g est l’accélération de la pesanteur et h est une source de chaleur appliquée au fluide.L’objectif de cette thèse est l’étude de la théorie L^p pour le système de Boussinesq en considérant deux différents types de conditions aux limites du champ de vitesse. En effet, dans une première partie, nous considérons une condition de Dirichlet non homogèneu=u_b, sur Γ (2)où Γ désigne la frontière du domaine. Dans une deuxième partie, nous considérons une condition de Navier non homogèneu⋅n=0,2[D(u)n]_τ+αu_τ=a,sur Γ(3)où D(u)=1/2 (∇u+(∇u)^T ) est le tenseur de déformation associé au champ de vitesse u, n est le vecteur normal unitaire extérieur, τ est le correspondant vecteur tangent unitaire, α et a sont une fonction scalaire de friction et un champ de vecteur tangentiel donnés sur la frontière, respectivement. De plus, la condition aux limites pour la température sera, dans les deux premières parties, une condition aux limites de Dirichlet non homogèneθ=θ_b, sur Γ. (4)Alors, premièrement, nous étudions l’existence et l’unicité d’une solution faible pour le problème (1), (2) et (4) dans le cas hilbertien. Également, l’existence de solutions généralisées pour p≥3/2 et des solutions fortes pour 1<p<∞ est démontrée. De plus, l’existence et l’unicité de la solution très faible sont étudiées. Il est intéressant de noter que puisque une condition de Dirichlet non homogène est considérée pour le champ de vitesse, le fait que la frontière du domaine pourrait être non-connexe joue un rôle fondamental puisque cela apparait de manière explicite dans les hypothèses des principaux résultats.D’autre part, dans la deuxième partie, nous étudions l’existence de solutions faibles dans le cas hilbertien, ainsi que l’existence de solutions généralisées pour p>2 et des solutions fortes pour p≥6/5 pour le problème (1), (3) et (4). Notez que l’hypothèse d’une frontière non-connexe, mentionnée précédemment, ne figurait pas dans cette partie du travail en raison de la restriction d’imperméabilité de la frontière.Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous étudions la théorie L^p pour les équations de Stokes avec la condition de Navier (3). Plus précisément, nous examinons la régularité W^(1,p) pour p≥2 et la régularité W^(2,p) pour p≥6/5.Mots clés: système de Boussinesq; régularité L^p; solutions faibles; solutions fortes; solutions très faibles / This thesis is dedicated to the study of the stationary Boussinesq system:-νΔu+(u⋅∇)u+∇π=θg, div u=0,in Ω(1a)-κΔθ+u⋅∇θ=h,in Ω (1b)where Ω⊂R^3 is an open bounded connected set; u,π and θ are the velocity field, pressure and temperature of the fluid, respectively, and stand for the unknowns of the system; ν>0 is the kinematic viscosity of the fluid, κ>0 is the thermal diffusivity of the fluid, g is the gravitational acceleration and h is a heat source applied to the fluid.The aim of this thesis is the study of the L^p-theory for the stationary Boussinesq system in the context of two different types of boundary conditions for the velocity field. Indeed, in the first part of the thesis, we will consider a non-homogeneous Dirichlet boundary conditionu=u_b, on Γ (2)where Γ denotes the boundary of the domain; meanwhile in the second part, the velocity field will be prescribed through a non-homogeneous Navier boundary conditionu⋅n=0,2[D(u)n]_τ+αu_τ=a,on Γ(3)where D(u)=1/2 (∇u+(∇u)^T ) is the strain tensor associated with the velocity field u, n is the unit outward normal vector, τ is the corresponding unit tangent vector, α and a are a friction scalar function and a tangential vector field defined both on the boundary, respectively. Further, the boundary condition for the temperature will be, in the first two parts of the thesis, a non-homogeneous Dirichlet boundary conditionθ=θ_b, on Γ. (4)Then, firstly, we study the existence and uniqueness of the weak solution for the problem (1), (2) and (4) in the hilbertian case. Also, the existence of generalized solutions for p≥3/2 and strong solutions for 1<p<∞ is showed. Furthermore, the existence and uniqueness of the very weak solution is studied. It is worth to note that because a non-homogeneous Dirichlet boundary condition is considered for the velocity field, the fact that the boundary of the domain could be non-connected plays a fundamental role since it appears in an explicit way in the assumptions of some of the main results.In the second part, we study the existence of weak solutions in the hilbertian case, as well as the existence of generalized solutions for p>2 and strong solutions for p≥6/5 for the problem (1), (3) and (4). Note that the assumption of a non-connected boundary, which was mentioned before, will not appear here due to the impermeability restriction on the boundary.Finally, in the last part of this thesis, we study the L^p-theory for the Stokes equations with Navier boundary condition (3). Specifically, we deal with the W^(1,p)-regularity for p≥2 and the W^(2,p)-regularity for p≥6/5.Keywords: Boussinesq system; L^p-regularity; weak solutions; strong solutions; very weak solutions

Dans cette thèse, nous étudions les écoulements de fluides compressibles décrits par les équations de Navier-Stokes-Fourier dans les cas stationnaire et instationnaire et avec des conditions de bord assurant l’isolation thermique et mécanique du fluide. On commence par le cas stationnaire barotrope et des conditions de Navier à la frontière du domaine. La pression est donc de la forme p(%) = % où est appelé coefficient adiabatique et nous arrivons à montrer l’existence de solutions faibles pour > 1.On généralise ensuite ce résultat aux équations de Navier-Stokes-Fourier avec conduction de la chaleur et glissement (partiel ou total) au bord, toujours dans le cas stationnaire. On montre cette fois-ci l’existence de solutions faibles particulières appelées solutions entropiques variationnelles respectant l’inégalité d’entropie pour > 1 et l’existence de solutions faibles respectant le bilan de l’énergie totale au sens faible pour > 5/4. On travaille ensuite sur les écoulements instationnaires décrits par les équations de Navier-Stokes-Fourier sur une large variété de domaines non bornés, tout d’abord pour des conditions de bord d’adhérence puis pour des conditions de Navier à la frontière (ce qui restreintquelque peu la diversité des domaines non bornés admissibles). On arrive à montrer l’existence de solutions faibles particulières respectant l’inégalité d’entropie et une inégalité de dissipation remplaçant l’égalité de conservation d’énergie totale dans le volume qui n’a plus de sens dans les domaines non bornés. Par après, on met en place une inégalité dite d’entropie relative dont on montre qu’elle est respectée par certaines des solutions faibles exhibées auparavant. Ces solutions sont appelées solutions dissipatives. On parvient à prouver que pour chaque donnée initiale, il existe au moins une solution dissipative. Cette inégalité d’entropie relative nous permet de démontrer le principe d’unicité forte-faiblepour nos solutions dissipatives. Précisément, cela signifie qu’une solution dissipative et une solution forte issues des mêmes données initiales coïncident sur le temps maximal d’existence de la solution forte. La propriété d’unicité forte-faible donne un fondement à la notion de solution dissipative pour les domaines non bornés. / In this thesis, we study the Navier-Stokes-Fourier system describing the flow of compressible fluids both in the steady and unsteady case and we suppose that the fluid is thermally and mechanically isolated. We start with the case of a steady barotropic fluid and Navier boundary conditions. In this situation, the pressure law considered is of the form p(%) = %, where is called the adiabatic constant. We show the existence of weak solutions for > 1. We then extend this result to the complete Navier-Stokes-Fourier system with heat conductivity and slip or partially slip boundary conditions, once again in thesteady case. In this setup, we prove the existence of a specific type of weak solutions, called variationnal entropy solutions, which satisfy the entropy inequality for > 1 and the existence of weak solutions satisfying the conservation of total energy in its weak formulation for > 5/4. We then treat the unsteady flows described by the complete Navier-Stokes-Fourier system on a large class of unbouded domains, first with no-slip boundary conditions and then with the Navier boundary conditions which reduce the class of the admissible unbounded domains. We manage to prove the existence of a specific type of weak solutions verifying the entropy inequality and a dissipation inequality instead of the global conservation of total energy which is no more relevant in the unbounded domains. Afterwards, we establish a new inequality called relative entropy inequality and we show that it is satisfied by some of the weak solutions presented previously. These are called dissipative solutions. Next we show that for any given initial data there exists at least one dissipative solution. This observation allows us toperform the proof of the weak-strong uniqueness principle in the class of dissipative solutions. Precisely, it means that a dissipative solution and a classical one emanating from the same initial data coincide as long as the latter exists. The weak-strong uniqueness property justifies the concept of dissipative solutions in the situation of unbounded domains.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / O objetivo principal deste trabalho à o estudo da regularidade de soluÃÃes de equaÃÃes diferenciais parciais elÃpticas de segunda ordem, serÃo usadas tÃcnicas tais como o princÃpio do mÃximo, estimativas a priori e a desigualdade de Harnack. Por fim generalizamos o conceito de soluÃÃo buscando soluÃÃes no espaÃo de Sobolev W2,p(&#937;). / The main objective of this work is to study the regularity of solutions of elliptic partial differential equations of second order, will be used techniques such as the principle of maximum estimates a priori and the unequal Harnack. Finally generalize the solution concept seeking solutions in the Sobolev space W2,p((&#937;).

In this thesis, first we study the unique classical solution of quasi-linear second order parabolic partial differential equations (PDEs). For this, we study the existence and uniqueness of the $L^2_{\rho}( \mathbb{R}^{d}; \mathbb{R}^{d}) \otimes L^2_{\rho}( \mathbb{R}^{d}; \mathbb{R}^{k})\otimes L^2_{\rho}( \mathbb{R}^{d}; \mathbb{R}^{k\times d})$ valued solution of forward backward stochastic differential equations (FBSDEs) with finite horizon, the regularity property of the solution of FBSDEs and the connection between the solution of FBSDEs and the solution of quasi-linear parabolic PDEs. Then we establish their connection in the Sobolev weak sense, in order to give the weak solution of the quasi-linear parabolic PDEs. Finally, we study the unique weak solution of quasi-linear second order elliptic PDEs through the stationary solution of the FBSDEs with infinite horizon.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’analyse mathématique théorique et numérique des équations deNavier-Stokes compressibles en régime barotrope. La plupart des travaux présentés ici combinent desméthodes d’analyse des équations aux dérivées partielles et des méthodes d’analyse numérique afin de clarifierla notion de solution faible ainsi que les mécanismes de convergence de méthodes numériques approximant cessolutions faibles. En effet les équations de Navier-Stokes compressibles sont fortement non linéaires et leuranalyse mathématique repose nécessairement sur la structure de ces équations. Plus précisément, nousprouvons dans la partie théorique l’existence de solutions faibles pour un modèle d’écoulement compressibled’entropie variable où l’entropie du système est transportée. Nous utilisons les méthodes classiques permettantde prouver l’existence de solutions faibles aux équations de Navier-Stokes compressibles en regime barotrope.Nous étudions aussi dans cette partie la réduction de dimension 3D/2D dans les équations de Navier-Stokescompressibles en utilisant la méthode d’énergie relative. Dans la partie numérique nous nous intéressons auxestimations d’erreur inconditionnelles pour des schémas numériques approximant les solutions faibles deséquations de Navier-Stokes compressibles. Ces estimations d’erreur sont obtenues à l’aide d’une versiondiscrète de l’énergie relative satisfaite par les solutions discrètes de ces schémas. Ces estimations d’erreur sontobtenues pour un schéma numérique académique de type volumes finis/éléments finis ainsi que pour le schémanumérique Marker-and-Cell. Nous prouvons aussi que le schéma Marker-and-Cell est inconditionnellement etuniformément asymptotiquement stable en régime bas Mach. Ces résultats constituent les premiers résultatsd’estimations d’erreur inconditionnelles pour des schémas numériques pour les équations de Navier-Stokescompressibles en régime barorope. / In this thesis, we deal with mathematical and numerical analysis of compressible Navier-Stokes equations inbarotropic regime. Most of these works presented here combine mathematical analysis of partial differentialequations and numerical methods with aim to shred more light on the construction of weak solutions on oneside and on the convergence mechanisms of numerical methods approximating these weak solutions on theother side. Indeed, the compressible Navier-Stokes equations are strongly nonlinear and their mathematicalanalysis necessarily relies on the structure of equations. More precisely, we prove in the theorical part theexistence of weak solutions for a model a flow of compressible viscous fluid with variable entropy where theentropy is transported. We use the classical techniques to prove the existence of weak solutions for thecompressible Navier-Stokes equations in barotropic regime. We also investigate the 3D/2D dimensionreduction in the compressible Navier-Stokes equations using the relative energy method. In the numerical wedeal with unconditionally error estimates for numerical schemes approximating weak solutions of thecompressible Navier-Stokes equations. These error estimates are obtained by using the discrete version of therelative energy method. These error estimates are obtained for a academic finite volume/finite element schemeand for the Marker-and-Cell scheme. We also prove that the Marker-and-cell scheme is unconditionally anduniformly asymptotically stable at the Low Mach number regime. These are the first results onunconditionally error estimates for numerical schemes approximating the compressible Navier-Stokesequations in barotropic regime.

For degenerate elliptic partial differential equations, it is often desirable to show that a weak solution is smooth. The first and most difficult step in this process is establishing local Hölder continuity. Sufficient conditions for establishing continuity have already been documented in [FP], [SW1], and [MRW], and their necessity in [R]. However, the complexity of the equations discussed in those works makes it difficult to understand the core structure of the arguments employed. Here, we present a harmonic-analytic method for establishing Hölder continuity of weak solutions in context of a simple linear equation div(Q?u) = f in a homogeneous space structure in order to showcase the form of the argument. Ad- ditionally, we correct an oversight in the adaptation of the John-Nirenberg inequality presented in [SW1], restricting it to a much smaller class of balls.

[pt] Esse trabalho tem como objetivo ser uma introdução ao estudo da existência e unicidade de soluções fracas para equações diferenciais parciais elípticas. Começamos definindo o espaço de Sobolev para, a partir da definição, provarmos algumas propriedades básicas que nos ajudarão no estudo das equações diferenciais parciais elípticas. Finalizamos com o desenvolvimento do Teorema de Lax-Milgram e de Stampacchia que permitirão o uso de técnicas de Análise Funcional para estudarmos alguns exemplos de equações elípticas. / [en] This dissertation aims to be an introduction to the study of the existence and uniqueness of weak solutions for elliptic partial differential equations. We begin by defining the Sobolev spaces and proving some basics properties that will assist in the study of the elliptical equations. Lastly, we develop the Theorems of Lax-Milgram and Stampacchia that allow the use of Functional Analysis for the studying of some examples of elliptic equations.

Neste trabalho, utilizando o método espectral de Galerkin, provamos a existência de soluções fracas (quando a dimensão n é maior que 2) e existência e unicidade de soluções fracas (quando a dimensão é 2) para um sistema de equações diferenciais parciais que descrevem o movimento de um fluido quimicamente ativo em um domínio limitado em Rn, n 2≥2. / In this work, by using the spectral Galerkin method, we prove the existence of weak solutions (when the dimension n is great than 2) and existence and uniqueness of weak solutions (when the dimension is 2) for a system of partial differential equations that describes the motion of a chemical active fluid in a bounded domain in Rn, n≥2.

Neste trabalho, utilizando o método espectral de Galerkin, provamos a existência de soluções fracas (quando a dimensão n é maior que 2) e existência e unicidade de soluções fracas (quando a dimensão é 2) para um sistema de equações diferenciais parciais que descrevem o movimento de um fluido quimicamente ativo em um domínio limitado em Rn, n 2≥2. / In this work, by using the spectral Galerkin method, we prove the existence of weak solutions (when the dimension n is great than 2) and existence and uniqueness of weak solutions (when the dimension is 2) for a system of partial differential equations that describes the motion of a chemical active fluid in a bounded domain in Rn, n≥2.

Neste trabalho, utilizando o método espectral de Galerkin, provamos a existência de soluções fracas (quando a dimensão n é maior que 2) e existência e unicidade de soluções fracas (quando a dimensão é 2) para um sistema de equações diferenciais parciais que descrevem o movimento de um fluido quimicamente ativo em um domínio limitado em Rn, n 2≥2. / In this work, by using the spectral Galerkin method, we prove the existence of weak solutions (when the dimension n is great than 2) and existence and uniqueness of weak solutions (when the dimension is 2) for a system of partial differential equations that describes the motion of a chemical active fluid in a bounded domain in Rn, n≥2.