Dans cette thèse, nous nous intéressons aux équations aux dérivées partielles hyperboliques sous contraintes ; plus particulièrement aux problèmes provenant de la mécanique de la plasticité parfaite. Un bref historique de l'origine mécanique des problèmes de la plasticité parfaite ainsi que des résultats précédemment obtenus sont décrits dans le Chapitre 1. Dans le Chapitre 2, nous concentrons notre attention sur les systèmes hyperboliques avec conditions de bord. Nous développons une théorie faible pour ces problèmes et expliquons dans un cas simplifié le caractère bien posé de cette théorie. Puis, nous introduisons de manière similaire la notion de solution faible pour des systèmes hyperboliques avec condition de bord soumis à une contrainte. Nous nous dédions, dans le chapitre 3, à l'étude d'un modèle simplifié de la dynamique de la plasticité parfaite. Nous confrontons l'approche introduite au chapitre précédent avec celle, plus classique, provenant du calcul des variations qui permet d'obtenir l'existence et l'unicité des solutions pour ce modèle. Cela nous permet de mettre en évidence une nouvelle interaction entre les conditions de bord et les contraintes ainsi que d'aboutir à un théorème de régularité des solutions. Dans le chapitre 4, nous nous intéressons à l'approximation numérique des systèmes hyperboliques sous contraintes grâce à des schémas de type volumes finis. Cela nous permet d'obtenir un résultat de convergence pour les problèmes sans bord et d'illustrer numériquement les interactions entre les conditions de bord et les contraintes sur l'exemple du chapitre 3. / In this thesis, we consider constrained hyperbolic partial differential equations and more precisely mechanical problems coming from perfect plasticity. The goal of this thesis is to study these problems thanks to different approaches, to analyze the interactions between these different points of view and to confront these various analyzes to get new results. A brief review of the mechanical origin of perfect plasticity problems and also of the previous results on these topics are described in Chapter 1. In Chapter 2, we focus our attention on hyperbolic systems with boundary conditions. First, we develop a weak theory for these problems and explain, in a simplified case, why this theory is well-posed. Then, we introduce similarly a notion of weak solutions for constrained hyperbolic systems with boundary conditions. Chapter 3 is devoted to the study of the simplified model of dynamical perfect plasticity. We confront the approach introduced in the previous chapter with the one, more standard, coming from calculus of variations that allows us to obtain existence and uniqueness of the solutions for this model. It allows us to bring to light a new interaction between the boundary conditions and the constraints and to get a short-time regularity theorem. Lastly, in Chapter 4, we are interested in the numerical approximation of constrained hyperbolic systems thanks to finite volume schemes. This work allows us to get a convergence result for problems without boundary condition and to show numerically the link between boundary conditions and constraints on the example of the previous chapter.

Dans cette thèse, nous étudions les propriétés spectrales du Laplacien avec la condition de bord de Robin attractive sur des domaines du plan à coins. Notre but est de comprendre l’influence des coins convexes sur l’asymptotique des valeurs propres de cet opérateur lorsque le paramètre de Robin est grand. Nous montrons en particulier que l’asymptotique des premières valeurs propres de Robin sur des polygones curvilignes est déterminée par des opérateurs modèles : les Laplaciens agissant sur les secteurs tangents au domaine. Pour une certaine classe de polygones droits, nous montrons l’existence d’un opérateur effectif sur le bord du domaine qui détermine l’asymptotique des valeurs propres suivantes. Enfin, des asymptotiques de Weyl pour différents seuils dépendant du paramètre de Robin sont obtenues. / In this thesis, we are interested in the spectral properties of the Laplacian with the attractive Robin boundary condition on planar domains with corners. The aim is to understand the influence of the convex corners on the spectral properties of this operator when the Robin parameter is large. In particular, we show that the asymptotics of the first Robin eigenvalues on curvilinear polygons is determined by model operators: the Robin Laplacians acting on infinite sectors. For a particular class of polygons with straight edges, we prove the existence of an effective operator acting on the boundary of the domain and determining the asymptotics of the further eigenvalues. Finally, some Weyl-type asymptotics for different thresholds depending on the Robin parameter are obtained.

Dans cette thèse, nous étudions la convergence de méthode de type éléments finis pour les équations de Maxwell en régime harmonique avec condition au bord d'impédance et l'équation de Helmholtz avec une couche parfaitement absorbante(PML). On étudie en premier, la formulation régularisée de l'équation de Maxwell en régime harmonique avec condition au bord d'impédance (qui consiste à ajouter le term ∇ div à l'équation originale pour avoir un problème elliptique) et on garde la condition d'impédance comme une condition au bord essentielle. Pour des domaines à bord régulier, le caractère bien posé de cette formulation est bien connu mais cela n'est pas le cas pour des domaines polyédraux convexes. On commence alors le premier chapitre par la preuve du caractère bien posé dans le cas du polyèdre convexe, qui est basé sur le fait que l'espace variationnel est inclus dans H¹. Dans le but d'avoir des estimations explicites en le nombre d'onde k de ce problème, il est obligatoire d'avoir des résultats de stabilité explicites en ce nombre d'onde. C'est aussi proposé, pour quelques situations particulières, dans ce chapitre. Dans le second chapitre on décrit les singularités d'arêtes et de coins pour notre problème. On peut alors déduire la régularité de la solution du problème original, ainsi que de son adjoint. On a tous les ingrédients pour proposer une analyse de convergence explicite en k pour une méthode d'éléments finis avec éléments de Lagrange. Dans le troisième chapitre, on considère une méthode d'éléments finis hp non conforme pour un domaine à bord régulier. Pour obtenir des estimations explicites en k, on introduit un résultat de décomposition, qui sépare la solution du problème original (ou de son adjoint) en une partie régulière mais fortement oscillante et une partie moins régulière mais peu oscillante. Ce résultat permet de montrer des estimations explicites en k. Le dernier chapitre est dédié à l'équation de Helmholtz avec une PML. L'équation de Helmholtz dans l'espace entier est souvent utilisée pour modéliser la diffraction d'onde acoustique (en régime harmonique), avec la condition de radiation à l'infini de Sommerfeld. L'ajout d'une PML est une façon pour passer d'un domaine infini à un domaine fini, elle correspond à l'ajout d'une couche autour du domaine de calcul qui absorbe très vite toutes les ondes sortantes. On propose en premier un résultat de stabilité explicite en k. On propose alors deux schémas numériques, une méthode d'éléments finis hp et une méthode multi- échelle basée sur un sous-espace local de correction. Le résultat de stabilité est utilisé pour mettre en relation de choix des paramètres des méthodes numériques considérées avec k. Nous montrons aussi des estimations d'erreur a priori. A la fin de ces chapitres, des tests numériques sont proposés pour confirmer nos résultats théoriques. / In this thesis, we propose wavenumber explicit convergence analyses of some finite element methods for time-harmonic Maxwell's equations with impedance boundary condition and for the Helmholtz equation with Perfectly Matched Layer (PML). We first study the regularized formulation of time-harmonic Maxwell's equations with impedance boundary conditions (where we add a ∇ div-term to the original equation to have an elliptic problem) and keep the impedance boundary condition as an essential boundary condition. For a smooth domain, the wellposedness of this formulation is well-known. But the well-posedness for convex polyhedral domain has been not yet investigated. Hence, we start the first chapter with the proof of the well-posedness in this case, which is based on the fact that the variational space is embedded in H¹. In order to perform a wavenumber explicit error analysis of our problem, a wavenumber explicit stability estimate is mandatory. We then prove such an estimate for some particular configurations. In the second chapter, we describe the corner and edge singularities for such problem. Then we deduce the regularity of the solution of the original and the adjoint problem, thus we have all ingredients to propose a explicit wavenumber convergence analysis for h-FEM with Lagrange element. In the third chapter, we consider a non conforming hp-finite element approximation for domains with a smooth boundary. To perform a wavenumber explicit error analysis, we split the solution of the original problem (or its adjoint) into a regular but oscillating part and a rough component that behaves nicely for large frequencies. This result allows to prove convergence analysis for our FEM, again explicit in the wavenumber. The last chapter is dedicated to the Helmholtz equation with PML. The Helmholtz equation in full space is often used to model time harmonic acoustic scattering problems, with Sommerfeld radiation condition at infinity. Adding a PML is a way to reduce the infinite domain to a finite one. It corresponds to add an artificial absorbing layer surrounding a computational domain, in which scattered wave will decrease very quickly. We first propose a wavenumber explicit stability result for such problem. Then, we propose two numerical discretizations: an hp-FEM and a multiscale method based on local subspace correction. The stability result is used to relate the choice of the parameters in the numerical methods to the wavenumber. A priori error estimates are shown. At the end of each chapter, we perform numerical tests to confirm our theoritical results.

Pour simuler la propagation laser, nous utilisons l'approximation paraxiale de l'équation de Klein-Gordon.<br />Dans une première partie, nous menons une analyse asymptotique de l'équation de Klein-Gordon. Nous obtenons dans divers cas des problèmes approchés de type Schrödinger ou advection-Schrödinger. Nous montrons que ces problèmes sont bien posés et estimons la différence entre problème exact et problème approché.<br />Dans une deuxième partie, nous étudions le problème d'advection-Schrödinger sur un domaine borné et non plus sur tout l'espace, et montrons quelle condition au bord il faut imposer pour que la solution de notre problème sur le domaine soit la restriction de la solution sur l'espace entier.<br />Dans une troisième partie, nous utilisons les résultats précédents pour construire une méthode de résolution numérique, et présentons les simulations obtenues.