This thesis is devoted to the numerical analysis of mesh-free methods and, in particular, to the study of the possible advantages of the EFG (Element Free Galerkin) mesh-free method against the well-known FE (Finite Element) method. More precisely, the EFG method and the FE method behavior are compared in two particular interesting problems: (1) analysis of volumetric locking in mechanical problems and (2) accurate resolution of transient convection dominated problems. In both cases the good properties and possibilities of mesh-free methods become apparent. However, in several situations the FE method is still more competitive: for instance, the computation of the FE shape functions and its integrals are less costly, and essential boundary conditions can be easily imposed. Thus, in order to take advantage of the good properties of both methods, a mixed interpolation combining FE and EFG is proposed. This formulation can be applied in two useful situations: (i) enrichment of finite elements with EFG, and (ii) coupling of FE and EFG. An a priori error estimate for the first one is presented and proved. Several examples show the applicability of the mixed interpolation in adaptive computations. / Aquesta tesi està dedicada a l'anàlisi numèrica dels mètodes sense malla i, en particular, a l'estudi dels possibles avantatges del mètode EFG (Element Free Galerkin) davant del ben conegut MEF (Mètode dels Elements Finits). Concretament, es comparen el mètode EFG i el MEF en dos problemes concrets d'interès: (1) l'anàlisi del bloqueig volumètric en problemes mecànics i (2) la resolució precisa de problemes transitoris amb convecció dominant. Les bones propietats i possibilitats dels mètodes sense malla es fan evidents en tots dos casos.Tot i així, en varis aspectes el MEF resulta més competitiu: per exemple, el càlcul de les funcions de forma i de les seves integrals es menys costós, i les condicions de contorn essencials es poden imposar fàcilment. Amb l'objectiu d'aprofitar les bones qualitats dels dos mètodes, es proposa una interpolació mixta combinant elements finits y EFG, aplicable en dues situacions: (i) enriquiment d'elements finits amb EFG i (ii) acoblament d'elements finits i EFG. Per al primer cas, es presenta i demostra una cota a priori de l'error. L'aplicabilitat d'aquesta interpolació mixta en processos adaptatius es mostra amb varis exemples. / Esta tesis está dedicada al análisis numérico de los métodos sin malla y, en particular, al estudio de las posibles ventajas del método EFG (Element Free Galerkin) frente al bien conocido MEF (Método de los Elementos Finitos). Concretamente, se comparan el método EFG y el MEF en dos problemas concretos de interés: (1) el análisis del bloqueo volumétrico en problemas mecánicos y (2) la resolución precisa de problemas transitorios con convección dominante. Las buenas propiedades y posibilidades de los métodos sin malla se hacen evidentes en ambos casos.Sin embargo, en varios aspectos el MEF resulta más competitivo: por ejemplo, el cálculo de las funciones de forma y sus integrales es menos costoso, y las condiciones de contorno esenciales se pueden imponer fácilmente. Con el objetivo de aprovechar las buenas cualidades de ambos métodos, se propone una interpolación mixta combinando elementos finitos y EFG, aplicable en dos situaciones: (i) enriquecimiento de elementos finitos con EFG, y (ii) acoplamiento de elementos finitos y EFG. Para el primer caso, se presenta y demuestra una cota a priori del error. La aplicabilidad de esta interpolación mixta en procesos adaptativos se muestra con varios ejemplos.

Traditionally, the sea has been considered as the ultimate sink of most pollutions, due to its huge volume and assimilating capacities, and the coastal waters, because of their intermediate position between deep seas and human activities, has been acting as a buffer zone. However, during the past years, the interest in environmental issues in general, and in the conservation of the water quality in coastal regions, in particular, has steadily increased. For coastal waters, this growing interest can be related to the increase in population and industrial activity along rivers and on coastal areas, which poses an important threat on coastal ecosystems, and may limit the use of coastal waters for human activity. This problem is drastically increased during the tourist season, when a large number of tourists tend to favour coastal resorts. Although at different scales, both the discharge of wastewater from a marine outfall or the discharge of nutrient- or sediment-laden freshwater from a river play an important role in many physical, chemical and biological processes, which in turn may affect the human use (recreational, economical, etc), of coastal waters. It is important, therefore, to be able to model these processes in order to optimise the multiple uses of coastal waters, accommodating the economical interests to marine production and recreation. The present thesis describes the development, validation and application to real cases of a three-dimensional numerical model for substance (pollution) transport in coastal waters, which can be applied to a wide range of situations, as marine outfall discharges, river freshwater discharges or sediment transport. The three-dimensional advection-diffusion equation is solved using a random walk Lagrangian particle formulation, in which the substance to be transported is divided into discrete "packets" that are moved around due to the effects of the transport mechanisms relevant in coastal waters. Transport induced by currents, waves, and turbulent diffusion is included in the model calculations, together with other mechanisms such as sediment settling and resuspension, buoyancy effects due to density differences, and microbiological inactivation. Specific formulations have been developed to account for the transport due to the initial discharge velocity, for buoyant transport in the frame of particle models in waterbodies, for sediment resuspension, and to increase the efficiency of the model by uncoupling the nearfield modelling from that of the farfield. Concentration distributions are obtained at the end of the simulation by mapping the position of the resulting set of discrete particles onto the nodes of a grid, that may be deformable, employing different optional methods. This transport model has been validated using several test cases of known analytical solution, and has been applied to a series of real cases for which numerical results could be compared to observational evidence (such as experimental data, video recordings and satellite images). The comparison yields a good agreement between observational evidence and modelled data, and reveals that the model can be applied to a wide range of transport problems in various environments.

En primer lloc, s'evidencia que el disseny que involucra grafisme es pot analitzar com articulat en dos nivells o etapes, un de concepció, intel·lectual, i un altre d'execució, manual o físic, ambdós sempre en interrelació dialèctica. En segon lloc, es fan aportacions (matemàtiques) a ambdós nivells. Les matemàtiques han estat sempre presents com a vehicle per aquest diàleg, però, a partir del naixement del software gràfic, aquesta col·laboració s'ha actualitzat de manera descompensada (val a dir, descompassada): mentre ha aparegut una nova teoria, el Disseny Geomètric Assistit per Ordinador (CAGD) per donar cobertura matemàtica a la vessant executiva del disseny informatitzat, no s'ha actualitzat el referent matemàtic teòric per guiar la ment en la tasca de concepció per tal de poder explotar totes les noves possibilitats que ofereix la nova eina; aquest referent segueix sent eminentment euclidià.En síntesi, la tesi que es proposa és la de que falta un corpus de teoria matemàtica que permeti al dissenyador codificar la seva creativitat en un format que sigui capaç d'explotar tota la potencialitat de la eina informàtica gràfica, de la mateixa manera que la geometria euclidiana permetia codificar satisfactòriament el disseny que era possible amb el regle i el compàs. Es tracta de concebre explotant la relació que, gràcies als ponts que estableixen els sistemes de coordenades, existeix entre funcions i formes, que es just el que permet a un ordinador "dibuixar" a partir de zeros i uns.D'acord amb això, la introducció s'ocupa de desenvolupar i argumentar aquest punt de vista. Un cop establertes les dues etapes del disseny i argumentada la carència teòrica en el nivell de concepció, s'aporta maquinària matemàtica per ambdues etapes. Així, el cos de la memòria té dues parts. La Part I recull aportacions pel CAGD, és a dir, per la fase d'execució, la més comú en la recerca actual, consistents principalment en nous mètodes de generació de corbes i superfícies a partir de dades de disseny proporcionades per l'usuari. La Part II ofereix una proposta, entre les possibles, de corpus teòric per cobrir el buit que es senyala en la fase de concepció, consistent en una mena de codi o gramàtica matemàtica organitzada en:- Lletres: Les funcions en brut. La seva gràfica és germen de formes.- Paraules: Les funcions modificades amb paràmetres ajustables i formalment significatius.- Verbs: Operadors funcionals que actuen sobre les paraules amb una acció interpretable en termes formals. S'organitzen en sis tipus, segons la manera d'actuar.- Oracions: Les formulacions resultants de la interacció dels elements anteriors, que representen els dissenys finals.Val a dir que es proposa un disseny descompassat, o sigui, sense el compàs, en el sentit de superar la mentalitat ancorada en el regle i el compàs (no eliminant-la sinó incloent-la).S'adjunten exemples en tots els casos. En la Part II els exemples s'enfoquen cap el disseny gràfic (sanefes, textures) i cap l'arquitectònic (estadi de futbol, naus i galeries i una catedral gòtica, tots completament formulats amb funcions matemàtiques paramètriques).Pel seu contingut, es tracta d'una memòria interdisciplinar, ja que afecta com a mínim a la psicologia del disseny, al propi disseny, a la història de l'art, a la informàtica i, evidentment, a les matemàtiques. De totes maneres, les matemàtiques que hi apareixen són tractades amb una mentalitat més de dissenyador o d'enginyer que de matemàtic pur. En altres paraules, no és una tesi de teoremes sinó de "fabricació" de mètodes (matemàtics) per ajudar a desenvolupar una manera més creativa de dur a terme el disseny que involucra grafisme. / En primer lugar, se evidencia que el diseño que involucra grafismo se puede analizar como articulado en dos niveles o etapas, uno de concepción, intelectual, y otro de ejecución, manual o físico, ambos siempre en interrelación dialéctica. En segundo lugar, se hacen aportaciones (matemáticas) a ambos niveles. Las matemáticas han estado siempre presentes como vehículo para este diálogo, pero, a partir del nacimiento del software gráfico, esta colaboración se ha actualizado de manera descompensada (cabe decir desacompasada): mientras ha aparecido una nueva teoría, el Diseño Geométrico Asistido por Ordenador (CAGD) para dar cobertura matemática a la vertiente ejecutiva del diseño informatizado, no se ha actualizado el referente matemático teórico para guiar la mente en la tarea de concepción a fin de poder explotar todas las nuevas posibilidades que ofrece la nueva herramienta; este referente sigue siendo eminentemente euclidiano.En síntesis, la tesis que se propone es la de que falta un corpus de teoría matemática que permita al diseñador codificar su creatividad en un formato que sea capaz de explotar toda la potencialidad de la herramienta informática gráfica, de la misma manera que la geometría euclidiana permitía codificar satisfactoriamente el diseño que era posible con regla y compás. Se trata de concebir explotando la relación que, gracias a los puentes que establecen los sistemas de coordenadas, existe entre funciones y formas, que es precisamente lo que permite a un ordenador "dibujar" a partir de ceros y unos. De acuerdo con esto, la introducción se ocupa de desarrollar y argumentar este punto de vista. Una vez establecidas las dos etapas del diseño y argumentada la carencia teórica en el nivel de concepción, se aporta maquinaria matemática para ambas etapas. Así, el cuerpo de la memoria tiene dos partes. La Parte I recoge aportaciones para el CAGD, es decir, para la fase de ejecución, la más común en la investigación actual, consistentes principalmente en nuevos métodos de generación de curvas y superficies a partir de datos de diseño proporcionados por el usuario. La Parte II ofrece una propuesta, entre las posibles, de corpus teórico para cubrir el vacío que se señala en la fase de concepción, consistente en una especie de código o gramática matemática organizada en:- Letras: Las funciones en bruto. Su gráfica es germen de formas- Palabras: Las funciones modificadas con parámetros ajustables y formalmente significativos.- Verbos: Operadores funcionales que actúan sobre les palabras con una acción interpretable en términos formales. Se organizan en seis tipos, según la manera de actuar.- Oraciones: Las formulaciones resultantes de la interacción de los elementos anteriores, que representan los diseños finalesCabe decir que se propone un diseño desacompasado, o sea, sin el compás, en el sentido de superar la mentalidad anclada en la regla y el compás (no eliminándola sino incluyéndola).Se adjuntan ejemplos en todos los casos. En la Parte II los ejemplos se enfocan hacia el diseño gráfico (cenefas, texturas) y hacia el arquitectónico (estadio de fútbol, naves y galerías y una catedral gótica, todos completamente formulados con funciones matemáticas paramétricas).Por su contenido, se trata de una memoria interdisciplinar, ya que afecta como mínimo a la psicología del diseño, al propio diseño, a la historia del arte, a la informática y, evidentemente, a las matemáticas. De todos modos, las matemáticas que aparecen son tratadas con una mentalidad más de diseñador o de ingeniero que de matemático puro. En otras palabras, no es una tesis de teoremas sino de "fabricación" de métodos (matemáticos) para ayudar a desarrollar una manera más creativa de llevar a cabo el diseño que involucra grafismo. / As a preliminar step, it is shown that the design involving graphics is twofold. It has a level of conception that is intellectual and a level of execution that is manual or physical. Both levels are always in dialectical interrelation. This work contains some (mathematical) contributions made to both levels. Mathematics have always been a vehicle for this dialogue, but, from the birth of the graphical software, this collaboration has been updated in an unbalanced way: while a new theory has appeared, the Computer Aided Geometrical Design, to give mathematical support to the executive side of the design with computers, the theoretical mathematical referent that has to guide the mind in the conception task has not been updated in order to exploit all the possibilities that the new tool offers. Therefore, this referent still remains mainly Euclidean.To sum up, this thesis states that the Euclidean geometry allows a satisfactory codification of the design made with ruler and compasses and uncovers the existing lack of a mathematical theory in order to allow the designer to codify its creativity in a format suitable for exploiting the actual potentiality of the graphical cybernetic tool. The main point is to conceive the designs by exploiting the existing relation between functions and shapes. This relation, based on co-ordinate systems, is precisely the relation that allows a computer to "draw" by means of zeros and ones. According with this idea, the introduction is devoted to develop and to support this point of view. Once the two stages of the design have been established and the lack of theory at the level of conception has been justified, some mathematical machinery for the two stages is given. Thus, the body of the memory has two parts. Part One collects the contributions to the CAGD, that is, to the execution stage (the most common in the present research), mainly consisting in new methods for the generation of curves and surfaces starting from data given by the user. Part Two offers a proposal of a theoretical corpus in order to cover the gap detected in the conception stage, consisting of a mathematical code or grammar organised in: - Letters: The raw functions. Its graph is a germ of shapes.- Words: The functions modified with adjustable and formally significant parameters.- Verbs: Functional operators that act on the words and they represent an action that can be interpreted in formal terms. They are organised in six types, according to the kind of action.- Sentences: The formulations obtained from the interaction of the previous elements representing the final design.A design without compasses is proposed in the sense that it is necessary to go beyond the mentality that is anchored in the ruler and the compasses not by eliminating it, but by including it.Some examples for all these cases are included. In Part Two, the examples are focussed towards the graphical design (edgings, textures) and towards the architectural design (football stadium, naves, galleries and a gothic-like cathedral). All the examples are completely formulated with mathematical parametrical functions.Due to its contents, it is an interdisciplinary memory since it has connections with, at least, the psychology of the design, the design itself, the history of the art, the computer science and, evidently, the mathematics. However, the mathematics are managed here more with the mentality of a designer or an engineer than with the mentality of a pure mathematician . In other words, it is not a thesis of theorems but a thesis about the "construction" of (mathematical) methods for helping the development of a more creative computer graphical design.

El objetivo de esta memoria se centra en primer lugar en la modelización del comportamiento de enfermedades estacionales mediante sistemas de ecuaciones diferenciales y en el estudio de las propiedades dinámicas tales como positividad, periocidad, estabilidad de las soluciones analíticas y la construcción de esquemas numéricos para las aproximaciones de las soluciones numéricas de sistemas de ecuaciones diferenciales de primer orden no lineales, los cuales modelan el comportamiento de enfermedades infecciosas estacionales tales como la transmisión del virus Respiratory Syncytial Virus (RSV). Se generalizan dos modelos matemáticos de enfermedades estacionales y se demuestran que tiene soluciones periódicas usando un Teorema de Coincidencia de Jean Mawhin. Para corroborar los resultados analíticos, se desarrollan esquemas numéricos usando las técnicas de diferencias finitas no estándar desarrolladas por Ronald Michens y el método de la transformada diferencial, los cuales permiten reproducir el comportamiento dinámico de las soluciones analíticas, tales como positividad y periocidad. Finalmente, las simulaciones numéricas se realizan usando los esquemas implementados y parámetros deducidos de datos clínicos De La Región de Valencia de personas infectadas con el virus RSV. Se confrontan con las que arrojan los métodos de Euler, Runge Kutta y la rutina de ODE45 de Matlab, verificándose mejores aproximaciones para tamaños de paso mayor a los que usan normalmente estos esquemas tradicionales. / Arenas Tawil, AJ. (2009). Mathematical modelling of virus RSV: qualitative properties, numerical solutions and validation for the case of the region of Valencia [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8316 / Palancia