This thesis presents new numerical methods for solving differential equations with periodicity. Spectral methods for solving linear and nonlinear ODEs, linear ODE eigenvalue problems and linear time-dependent PDEs on a periodic interval are reviewed, and a novel approach for computing multiplication matrices is presented. Choreographies, periodic solutions of the n-body problem that share a common orbit, are computed for the first time to high accuracy using an algorithm based on approximation by trigonometric polynomials and optimization techniques with exact gradient and exact Hessian matrix. New choreographies in spaces of constant curvature are found. Exponential integrators for solving periodic semilinear stiff PDEs in 1D, 2D and 3D periodic domains are reviewed, and 30 exponential integrators are compared on 11 PDEs. It is shown that the complicated fifth-, sixth- and seventh-order methods do not really outperform one of the simplest exponential integrators, the fourth-order ETDRK4 scheme of Cox and Matthews. Finally, algorithms for solving semilinear stiff PDEs on the sphere with spectral accuracy in space and fourth-order accuracy in time are proposed. These are based on a new variant of the double Fourier sphere method in coefficient space and standard implicit-explicit time-stepping schemes. A comparison is made against exponential integrators and it is found that implicit-explicit schemes perform better. The algorithms described in each chapter of this thesis have been implemented in MATLAB and made available as part of Chebfun.

Orientador: Jose Luiz Boldrini / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-13T20:05:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nascimento_Clairdo_D.pdf: 817500 bytes, checksum: 8cae8875eee76f5eafd08bb9814e4bff (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Consideramos o fluxo de um fluido viscoso e incompressível em um canal bidimensional semi-infinito, dadas velocidade e temperatura possivelmente nao nulas na entrada deste canal. Assumindo que este fluido e governado pelas equações estacionarias classicas de Boussinesq, sob hipoteses adequadas sobre as condições de fronteira, mostramos que pela aplicação de certas forças sublineares (que dependendem da velocidade e da temperatura do fluido) é possíivel parar o fluxo a uma distancia finita da entrada do canal. Mais especificamente, a uma distancia finita da entrada do canal a velocidade e a temperatura do fluido se anulam e assim temos o chamado efeito de localização (ou que a solução e localizada). Este trabalho e feito em duas etapas. Primeiramente, usando um argumento de ponto fixo com o auxilio do teorema de Leray-Schauder, mostramos a existencia de uma solução fraca. Na segunda etapa provamos que tal solução é localizada usando estimativas do tipo energia adequadas similares aquelas utilizadas por Bernis. Devido ao fato de que o nosso dominio (o canal) é ilimitado, por razões tecnica, as etapas anteriores são feitas primeiramente considerando soluções aproximadas em dominios limitados obtidos pelo truncamento do canal; o resultado desejado 'e então obtido tomando o limite destas soluções aproximadas usando cuidadosamente que certas estimativas são uniformes com respeito a tais dominios truncados. / Abstract: We consider the flow of an incompressible viscous fluid in a bidimensional semi-infinity strip, given possible non-zero velocities and temperatures at the strip entrance. Assuming that flow is governed by the Boussinesq classic stationary equations, under suitable hypotheses on the boundary conditions, we show that by applying certain sub-linear forces (depending of velocity and temperature) it is possible to stop the flow at a finite distance of the strip entrance. More specifically, at finite distance of the strip entrance, the velocity and temperature become zero, and thus we have what is called the localization effect (or that the solution is localized). This work is done in two stages. First, by using a fixed point argument with help of Leray-Schauder theorem, we show the existence of a weak solution of the system of equations describing the flow. Second, we proof that such solution is localized by using suitable energy estimates similar to those used by Bernis. Due the fact our domain, the strip, is unbounded, for technical reasons the previous stages are firstly done by considering associated approximate solutions on bounded domains, obtained by truncation of the strip; the desired result is obtained by taking the limit of these approximate solutions by using carefully that some estimates are uniform with respect to such truncated strips. / Doutorado / Equações Diferenciais Parciais / Doutor em Matemática Aplicada

Orientador: Lucas Catão de Freitas Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-19T19:21:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ValenciaGuevara_JulioCesar_M.pdf: 664823 bytes, checksum: 0c43bba776e592ed44fad0d1bc2f6998 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Estudamos existência, unicidade, dependência contínua nos dados e comportamento assint ótico de soluções globais das equações de Navier-Stokes (com n >= 3), sob condições de pequenez no dado inicial e na força externa, em um espaço de distribuições (PMa) cuja construção é baseada na transformada de Fourier. Este espaço contém funções fortemente singulares e, em particular, funções homogêneas de um certo grau cuja correspondente solução (com tais dados) é auto-similar. Além disso, mostramos a existência de uma classe de soluções que são assintoticamente auto-similar. Estudamos também a existência de soluções estacionárias pequenas e analisamos a estabilidade assintótica delas. Finalmente, são dadas condições sob as quais a solução é uma função regular para t > 0 (mesmo com dado inicial singular) e satisfaz as equações de Navier-Stokes no sentido clássico para t > 0. Esta dissertação é baseada no artigo de M. Cannone and G. Karch, Journal of Diff. Equations 197 (2) (2004) / Abstract: We study existence, uniqueness, continuous dependence upon the data and asymptotic behavior of solutions for the Navier-Stokes equations (with n _ 3), under smallness conditions on the initial data and external force, in a space of distributions (PMa), whose construction is based on Fourier transform. This space contains strongly singular functions and, in particular, homogeneous functions with a certain degree whose corresponding solution (with such data) is self-similar. Moreover, the existence of a class of asymptotically self-similar solutions is proved. We also study the existence of small stationary solutions and their asymptotic stability. Finally, conditions are given for the obtained solution to be regular for t > 0 (even with singular initial data) and to satisfy the Navier-Stokes equations in the classical sense for t > 0. This master dissertation is based on the paper by M. Cannone and G. Karch, Journal of Diff. Equations 197 (2) (2004) / Mestrado / Matematica / Mestre em Matemática

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Let f:X\rightarrow X be a dominant meromorphic self-map, where X is a compact, connected complex manifold of dimension n > 1. Suppose there is an embedded copy of \mathbb P^1 that is invariant under f, with f holomorphic and transversally superattracting with degree a in some neighborhood. Suppose also that f restricted to this line is given by z\rightarrow z^b, with resulting invariant circle S. We prove that if a ≥ b, then the local stable manifold W^s_loc(S) is real analytic. In fact, we state and prove a suitable localized version that can be useful in wider contexts. We then show that the condition a ≥ b cannot be relaxed without adding additional hypotheses by resenting two examples with a < b for which W^s_loc(S) is not real analytic in the neighborhood of any point.

Orientador: Djairo Guedes de Figueiredo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-18T23:11:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Monteiro_Evandro_D.pdf: 681089 bytes, checksum: 5ec4729a2d7b386329193adf424f6b42 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Doutorado / Matematica / Doutor em Matemática

Orientador: Francisco Odair Vieira de Paiva / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-19T21:33:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cardoso_JoseAndersonValenca_D.pdf: 1655484 bytes, checksum: 6e4f6872240f3317db759e94789f5d34 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho consideramos uma classe de Sistemas Elípticos Hamiltonianos. Esta classe de sistemas surge como modelo natural em áreas como Física e Biologia. Estudamos casos que envolvem crescimento crítico, arbitrário e crítico perturbado e analisamos questões relacionadas a existência, multiplicidade e propriedades de soluções. Os resultados são obtidos com o uso de métodos variacionais, a exemplo dos teoremas de min-max, aliados as propriedades das funções com simetria radial e ao princípio de concentração de compacidade / Abstract: In this work, we consider a class of Hamiltonian Elliptic Systems. This class of systems arise as a natural model in many areas such as Physics and Biology. We studied cases involving critical growth, arbitrary growth and perturbed critical growth and we also investigated questions related to the existence, multiplicity and properties of solutions. The results are obtained by using a variational approach, for instance, min-max theorems, combined with properties of radially symmetric functions and the concentration-compactness principle / Doutorado / Matematica / Doutor em Matemática

Diplomová práce je zaměřena na problematiku nelineárních diferenciálních rovnic. Obsahuje věty důležité k určení chování nelineárního systému pouze za pomoci zlinearizovaného systému, což je následně ukázáno na rovnici matematického kyvadla. Dále se práce zabývá problematikou diferenciálních rovnic se zpoždéním. Pomocí těchto rovnic je možné přesněji popsat některé reálné systémy, především systémy, ve kterých se vyskytují časové prodlevy. Zpoždění ale komplikuje řešitelnost těchto rovnic, což je ukázáno na zjednodušené rovnici portálového jeřábu. Následně je zkoumána oscilace lineární rovnice s nekonstantním zpožděním a nalezení podmínek pro koeficienty rovnice zaručující oscilačnost každého řešení.

Modern complex dynamical systems typically possess a multiechelon hierarchical hybrid structure characterized by continuous-time dynamics at the lower-level units and logical decision-making units at the higher-level of hierarchy. Hybrid dynamical systems involve an interacting countable collection of dynamical systems defined on subregions of the partitioned state space. Thus, in addition to traditional control systems, hybrid control systems involve supervising controllers which serve to coordinate the (sometimes competing) actions of the lower-level controllers. A subclass of hybrid dynamical systems are impulsive dynamical systems which consist of three elements, namely, a continuous-time differential equation, a difference equation, and a criterion for determining when the states of the system are to be reset. One of the main topics of this dissertation is the development of stability analysis and control design for impulsive dynamical systems. Specifically, we generalize Poincare's theorem to dynamical systems possessing left-continuous flows to address the stability of limit cycles and periodic orbits of left-continuous, hybrid, and impulsive dynamical systems. For nonlinear impulsive dynamical systems, we present partial stability results, that is, stability with respect to part of the system's state. Furthermore, we develop adaptive control framework for general class of impulsive systems as well as energy-based control framework for hybrid port-controlled Hamiltonian systems. Extensions of stability theory for impulsive dynamical systems with respect to the nonnegative orthant of the state space are also addressed in this dissertation. Furthermore, we design optimal output feedback controllers for set-point regulation of linear nonnegative dynamical systems. Another main topic that has been addressed in this research is the stability analysis of large-scale dynamical systems. Specifically, we extend the theory of vector Lyapunov functions by constructing a generalized comparison system whose vector field can be a function of the comparison system states as well as the nonlinear dynamical system states. Furthermore, we present a generalized convergence result which, in the case of a scalar comparison system, specializes to the classical Krasovskii-LaSalle invariant set theorem. Moreover, we develop vector dissipativity theory for large-scale dynamical systems based on vector storage functions and vector supply rates. Finally, using a large-scale dynamical systems perspective, we develop a system-theoretic foundation for thermodynamics. Specifically, using compartmental dynamical system energy flow models, we place the universal energy conservation, energy equipartition, temperature equipartition, and entropy nonconservation laws of thermodynamics on a system-theoretic basis.

Neste trabalho apresentamos um esquema numérico para a simulação computacional de escoamentos bifásicos, água-óleo, em reservatórios de petróleo. O modelo matemático consiste em um sistema de equações diferenciais parciais não-linear nas incógnitas velocidade, pressão e saturação. Uma quebra de operadores a dois níveis possibilita uma maior eficiência ao método permitindo que a velocidade, fornecida pelo problema de velocidade-pressão, seja atualizada somente para determinados intervalos de tempo associados ao problema de transporte advectivo-difusivo em termos da saturação. O método dos volumes finitos é empregado na resolução numérica do problema de velocidade-pressão e do transporte de massa por advecção e difusão. Na solução do problema de transporte de massa utilizamos limitadores de fluxo na aproximação dos termos advectivos e diferenças centradas para os termos difusivos. O nosso simulador foi validado a partir de confrontações dos seus resultados com as soluções teóricas conhecidas para os problemas unidimensionais, equações de Burgers e de Buckley-Leverett, e com outros resultados numéricos em se tratando do escoamento bifásico água-óleo bidimensional em meios porosos heterogêneos. / A new numerical method is proposed for the solution of two-phase flow problem in petroleum reservoirs. The two-phase (water and oil) flow problem is governed by a pressure-velocity equation coupled to a saturation equation. For computational eficiency an operator spliting technique is used; distinct time steps can be used for the computation of transport and pressure-velocity problems. The finite volume method is used in the numerical solution of the velocity-pressure and mass transport problems. A flux limiter is used for the numerical discretization of the advective terms while centered schemes are employed for the diffusion terms in the mass transport problem. In the validation of our numerical method we compared numerical and theoretical solutions for one dimensional problems, Burgers and Buckley-Leverett equations, and compared our numerical results to others, in the case of oil-water flows in two dimensions for an heterogeneous porous media.

Neste trabalho apresentamos um esquema numérico para a simulação computacional de escoamentos bifásicos, água-óleo, em reservatórios de petróleo. O modelo matemático consiste em um sistema de equações diferenciais parciais não-linear nas incógnitas velocidade, pressão e saturação. Uma quebra de operadores a dois níveis possibilita uma maior eficiência ao método permitindo que a velocidade, fornecida pelo problema de velocidade-pressão, seja atualizada somente para determinados intervalos de tempo associados ao problema de transporte advectivo-difusivo em termos da saturação. O método dos volumes finitos é empregado na resolução numérica do problema de velocidade-pressão e do transporte de massa por advecção e difusão. Na solução do problema de transporte de massa utilizamos limitadores de fluxo na aproximação dos termos advectivos e diferenças centradas para os termos difusivos. O nosso simulador foi validado a partir de confrontações dos seus resultados com as soluções teóricas conhecidas para os problemas unidimensionais, equações de Burgers e de Buckley-Leverett, e com outros resultados numéricos em se tratando do escoamento bifásico água-óleo bidimensional em meios porosos heterogêneos. / A new numerical method is proposed for the solution of two-phase flow problem in petroleum reservoirs. The two-phase (water and oil) flow problem is governed by a pressure-velocity equation coupled to a saturation equation. For computational eficiency an operator spliting technique is used; distinct time steps can be used for the computation of transport and pressure-velocity problems. The finite volume method is used in the numerical solution of the velocity-pressure and mass transport problems. A flux limiter is used for the numerical discretization of the advective terms while centered schemes are employed for the diffusion terms in the mass transport problem. In the validation of our numerical method we compared numerical and theoretical solutions for one dimensional problems, Burgers and Buckley-Leverett equations, and compared our numerical results to others, in the case of oil-water flows in two dimensions for an heterogeneous porous media.