Sistemas diferenciais quadráticos planares estão presentes em muitas áreas da matemática aplicada. Embora mais de mil artigos tenham sido publicados sobre os sistemas quadráticos ainda resta muito a se conhecer sobre esses sistemas. Problemas clássicos, e em particular o XVI problema de Hilbert, estão ainda em aberto para essa família. Um dos objetivos dos pesquisadores contemporâneos é obter a classificação topológica completa dos sistemas quadráticos. Devido ao grande número de parâmetros (essa família possui doze parâmetros e, aplicando transformações afins e reescala do tempo, reduzimos esse número a cinco, sendo ainda um número grande para se trabalhar) usualmente subclasses são consideradas nas investigações realizadas. Quando características específicas são levadas em consideração, o número de parâmetros é reduzido e o estudo se torna possível. Nesta tese estudamos principalmente duas subfamílias de sistemas quadráticos: a primeira possuindo um nó triplo semielemental e a segunda possuindo uma selanó semi elemental finita e uma selanó semielemental infinita formada pela colisão de uma sela infinita com um nó infinito. Os diagramas de bifurcação para ambas as famílias são tridimensionais. A família tendo um nó triplo gera 28 retratos de fase topologicamente distintos, enquanto o fecho da família tendo as selasnós dentro do espaço de bifurcação de sua forma normal gera 417. Polinômios invariantes são usados para construir os conjuntos de bifurcação e os retratos de fase topologicamente distintos são representados no disco de Poincaré. Os conjuntos de bifurcação são a união de superfícies algébricas e superfícies cuja presença foi detectada numericamente. Ainda nesta tese, apresentamos todos os retratos de fase de um sistema diferencial conhecido como modelo do tipo SIS (sistema suscetívelinfectadosuscetível, muito comum na matemática aplicada) e a classificação dos sistemas quadráticos possuindo hipérboles invariantes. Ambos sistemas foram investigados usando de polinômios invariantes afins. / Planar quadratic differential systems occur in many areas of applied mathematics. Although more than one thousand papers have been written on these systems, a complete understanding of this family is still missing. Classical problems, and in particular Hilberts 16th problem, are still open for this family. One of the goals of recent researchers is the topological classification of quadratic systems. As this attempt is not possible in the whole class due to the large number of parameters (twelve, but, after affine transformations and time rescaling, we arrive at families with five parameters, which is still a large number), many subclasses are considered and studied. Specific characteristics are taken into account and this implies a decrease in the number of parameters, which makes possible the study. In this thesis we mainly study two subfamilies of quadratic systems: the first one possessing a finite semielemental triple node and the second one possessing a finite semielemental saddlenode and an infinite semielemental saddlenode formed by the collision of an infinite saddle with an infinite node. The bifurcation diagram for both families are tridimensional. The family having the triple node yields 28 topologically distinct phase portraits, whereas the closure of the family having the saddlenodes within the bifurcation space of its normal form yields 417. Invariant polynomials are used to construct the bifurcation sets and the phase portraits are represented on the Poincaré disk. The bifurcation sets are the union of algebraic surfaces and surfaces whose presence was detected numerically. Moreover, we also present the analysis of a differential system known as SIS model (this kind of systems are easily found in applied mathematics) and the complete classification of quadratic systems possessing invariant hyperbolas.

Les objets d’étude de cette thèse sont les systèmes d’équations quasilinéaires du premier ordre. Dans une première partie, on fait une analyse du point de vue du groupe de Lie classique des symétries ponctuelles d’un modèle de la plasticité idéale. Les écoulements planaires dans les cas stationnaire et non-stationnaire sont étudiés. Deux nouveaux champs de vecteurs ont été obtenus, complétant ainsi l’algèbre de Lie du cas stationnaire dont les sous-algèbres sont classifiées en classes de conjugaison sous l’action du groupe. Dans le cas non-stationnaire, une classification des algèbres de Lie admissibles selon la force choisie est effectuée. Pour chaque type de force, les champs de vecteurs sont présentés. L’algèbre ayant la dimension la plus élevée possible a été obtenues en considérant les forces monogéniques et elle a été classifiée en classes de conjugaison. La méthode de réduction par symétrie est appliquée pour obtenir des solutions explicites et implicites de plusieurs types parmi lesquelles certaines s’expriment en termes d’une ou deux fonctions arbitraires d’une variable et d’autres en termes de fonctions elliptiques de Jacobi. Plusieurs solutions sont interprétées physiquement pour en déduire la forme de filières d’extrusion réalisables. Dans la seconde partie, on s’intéresse aux solutions s’exprimant en fonction d’invariants de Riemann pour les systèmes quasilinéaires du premier ordre. La méthode des caractéristiques généralisées ainsi qu’une méthode basée sur les symétries conditionnelles pour les invariants de Riemann sont étendues pour être applicables à des systèmes dans leurs régions elliptiques. Leur applicabilité est démontrée par des exemples de la plasticité idéale non-stationnaire pour un flot irrotationnel ainsi que les équations de la mécanique des fluides. Une nouvelle approche basée sur l’introduction de matrices de rotation satisfaisant certaines conditions algébriques est développée. Elle est applicable directement à des systèmes non-homogènes et non-autonomes sans avoir besoin de transformations préalables. Son efficacité est illustrée par des exemples comprenant un système qui régit l’interaction non-linéaire d’ondes et de particules. La solution générale est construite de façon explicite. / The objects under consideration in this thesis are systems of first-order quasilinear equations. In the first part of the thesis, a study is made of an ideal plasticity model from the point of view of the classical Lie point symmetry group. Planar flows are investigated in both the stationary and non-stationary cases. Two new vector fields are obtained. They complete the Lie algebra of the stationary case, and the subalgebras are classified into conjugacy classes under the action of the group. In the non-stationary case, a classification of the Lie algebras admissible under the chosen force is performed. For each type of force, the vector fields are presented. For monogenic forces, the algebra is of the highest possible dimension. Its classification into conjugacy classes is made. The symmetry reduction method is used to obtain explicit and implicit solutions of several types. Some of them can be expressed in terms of one or two arbitrary functions of one variable. Others can be expressed in terms of Jacobi elliptic functions. Many solutions are interpreted physically in order to determine the shape of realistic extrusion dies. In the second part of the thesis, we examine solutions expressed in terms of Riemann invariants for first-order quasilinear systems. The generalized method of characteristics, along with a method based on conditional symmetries for Riemann invariants are extended so as to be applicable to systems in their elliptic regions. The applicability of the methods is illustrated by examples such as non-stationary ideal plasticity for an irrotational flow as well as fluid mechanics equations. A new approach is developed, based on the introduction of rotation matrices which satisfy certain algebraic conditions. It is directly applicable to non-homogeneous and non-autonomous systems. Its efficiency is illustrated by examples which include a system governing the non-linear superposition of waves and particles. The general solution is constructed in explicit form.

Les objets d’étude de cette thèse sont les systèmes d’équations quasilinéaires du premier ordre. Dans une première partie, on fait une analyse du point de vue du groupe de Lie classique des symétries ponctuelles d’un modèle de la plasticité idéale. Les écoulements planaires dans les cas stationnaire et non-stationnaire sont étudiés. Deux nouveaux champs de vecteurs ont été obtenus, complétant ainsi l’algèbre de Lie du cas stationnaire dont les sous-algèbres sont classifiées en classes de conjugaison sous l’action du groupe. Dans le cas non-stationnaire, une classification des algèbres de Lie admissibles selon la force choisie est effectuée. Pour chaque type de force, les champs de vecteurs sont présentés. L’algèbre ayant la dimension la plus élevée possible a été obtenues en considérant les forces monogéniques et elle a été classifiée en classes de conjugaison. La méthode de réduction par symétrie est appliquée pour obtenir des solutions explicites et implicites de plusieurs types parmi lesquelles certaines s’expriment en termes d’une ou deux fonctions arbitraires d’une variable et d’autres en termes de fonctions elliptiques de Jacobi. Plusieurs solutions sont interprétées physiquement pour en déduire la forme de filières d’extrusion réalisables. Dans la seconde partie, on s’intéresse aux solutions s’exprimant en fonction d’invariants de Riemann pour les systèmes quasilinéaires du premier ordre. La méthode des caractéristiques généralisées ainsi qu’une méthode basée sur les symétries conditionnelles pour les invariants de Riemann sont étendues pour être applicables à des systèmes dans leurs régions elliptiques. Leur applicabilité est démontrée par des exemples de la plasticité idéale non-stationnaire pour un flot irrotationnel ainsi que les équations de la mécanique des fluides. Une nouvelle approche basée sur l’introduction de matrices de rotation satisfaisant certaines conditions algébriques est développée. Elle est applicable directement à des systèmes non-homogènes et non-autonomes sans avoir besoin de transformations préalables. Son efficacité est illustrée par des exemples comprenant un système qui régit l’interaction non-linéaire d’ondes et de particules. La solution générale est construite de façon explicite. / The objects under consideration in this thesis are systems of first-order quasilinear equations. In the first part of the thesis, a study is made of an ideal plasticity model from the point of view of the classical Lie point symmetry group. Planar flows are investigated in both the stationary and non-stationary cases. Two new vector fields are obtained. They complete the Lie algebra of the stationary case, and the subalgebras are classified into conjugacy classes under the action of the group. In the non-stationary case, a classification of the Lie algebras admissible under the chosen force is performed. For each type of force, the vector fields are presented. For monogenic forces, the algebra is of the highest possible dimension. Its classification into conjugacy classes is made. The symmetry reduction method is used to obtain explicit and implicit solutions of several types. Some of them can be expressed in terms of one or two arbitrary functions of one variable. Others can be expressed in terms of Jacobi elliptic functions. Many solutions are interpreted physically in order to determine the shape of realistic extrusion dies. In the second part of the thesis, we examine solutions expressed in terms of Riemann invariants for first-order quasilinear systems. The generalized method of characteristics, along with a method based on conditional symmetries for Riemann invariants are extended so as to be applicable to systems in their elliptic regions. The applicability of the methods is illustrated by examples such as non-stationary ideal plasticity for an irrotational flow as well as fluid mechanics equations. A new approach is developed, based on the introduction of rotation matrices which satisfy certain algebraic conditions. It is directly applicable to non-homogeneous and non-autonomous systems. Its efficiency is illustrated by examples which include a system governing the non-linear superposition of waves and particles. The general solution is constructed in explicit form.