In this thesis, we prove the existence of large frequency periodic solutions for the nonlinear wave equations utt − uxx − v(x)u = u3 + [fnof]([Omega]t, x) (1) with Dirichlet boundary conditions. Here, [Omega] represents the frequency of the solution. The method we use to find the periodic solutions u([Omega]) for large [Omega] originates in the work of Craig and Wayne [10] where they constructed solutions for free vibrations, i.e., for [fnof] = 0. Here we construct smooth solutions for forced vibrations ([fnof] [not equal to] 0). Given an x-dependent analytic potential v(x) previous works on (1) either assume a smallness condition on [fnof] or yields a weak solution. The study of equations like (1) goes back at least to Rabinowitz in the sixties [25]. The main difficulty in finding periodic solutions of an equation like (1), is the appearance of small denominators in the linearized operator stemming from the left hand side. To overcome this difficulty, we used a Nash-Moser scheme introduced by Craig and Wayne in [10]. / text

Reaction-diffusion equations have been used to study various phenomena across different fields. These equations can be posed on the whole real line, or on a subinterval, depending on the situation being studied. For finite intervals, we also impose diverse boundary conditions on the system. In the present thesis, we solely focus on the bistable reaction-diffusion equation while working on a bounded interval of the form $[0,L]$ ($L>0$). Furthermore, we consider both mixed and no-flux boundary conditions, where we extend the former to Dirichlet boundary conditions once our analysis of that system is complete. We first use phase-plane analysis to set up our initial investigation of both systems. This gives us an integral describing the transit time of orbits within the phase-plane. This allows us to determine the bifurcation diagram of both systems. We then transform the integral to ease numerical calculations. Finally, we determine the stability of the steady states of each system.

As ever more challenging designs are required in present-day industries, the traditional trial-and-error procedure frequently used for designing mechanical parts slows down the design process and yields suboptimal designs, so that new approaches are needed to obtain a competitive advantage. With the ascent of the Finite Element Method (FEM) in the engineering community in the 1970s, structural shape optimization arose as a promising area of application. However, due to the iterative nature of shape optimization processes, the handling of large quantities of numerical models along with the approximated character of numerical methods may even dissuade the use of these techniques (or fail to exploit their full potential) because the development time of new products is becoming ever shorter. This Thesis is concerned with the formulation of a 3D methodology based on the Cartesian-grid Finite Element Method (cgFEM) as a tool for efficient and robust numerical analysis. This methodology belongs to the category of embedded (or fictitious) domain discretization techniques in which the key concept is to extend the structural analysis problem to an easy-to-mesh approximation domain that encloses the physical domain boundary. The use of Cartesian grids provides a natural platform for structural shape optimization because the numerical domain is separated from a physical model, which can easily be changed during the optimization procedure without altering the background discretization. Another advantage is the fact that mesh generation becomes a trivial task since the discretization of the numerical domain and its manipulation, in combination with an efficient hierarchical data structure, can be exploited to save computational effort. However, these advantages are challenged by several numerical issues. Basically, the computational effort has moved from the use of expensive meshing algorithms towards the use of, for example, elaborate numerical integration schemes designed to capture the mismatch between the geometrical domain boundary and the embedding finite element mesh. To do this we used a stabilized formulation to impose boundary conditions and developed novel techniques to be able to capture the exact boundary representation of the models. To complete the implementation of a structural shape optimization method an adjunct formulation is used for the differentiation of the design sensitivities required for gradient-based algorithms. The derivatives are not only the variables required for the process, but also compose a powerful tool for projecting information between different designs, or even projecting the information to create h-adapted meshes without going through a full h-adaptive refinement process. The proposed improvements are reflected in the numerical examples included in this Thesis. These analyses clearly show the improved behavior of the cgFEM technology as regards numerical accuracy and computational efficiency, and consequently the suitability of the cgFEM approach for shape optimization or contact problems. / La competitividad en la industria actual impone la necesidad de generar nuevos y mejores diseños. El tradicional procedimiento de prueba y error, usado a menudo para el diseño de componentes mecánicos, ralentiza el proceso de diseño y produce diseños subóptimos, por lo que se necesitan nuevos enfoques para obtener una ventaja competitiva. Con el desarrollo del Método de los Elementos Finitos (MEF) en el campo de la ingeniería en la década de 1970, la optimización de forma estructural surgió como un área de aplicación prometedora. El entorno industrial cada vez más exigente implica ciclos cada vez más cortos de desarrollo de nuevos productos. Por tanto, la naturaleza iterativa de los procesos de optimización de forma, que supone el análisis de gran cantidad de geometrías (para las se han de usar modelos numéricos de gran tamaño a fin de limitar el efecto de los errores intrínsecamente asociados a las técnicas numéricas), puede incluso disuadir del uso de estas técnicas. Esta Tesis se centra en la formulación de una metodología 3D basada en el Cartesian-grid Finite Element Method (cgFEM) como herramienta para un análisis numérico eficiente y robusto. Esta metodología pertenece a la categoría de técnicas de discretización Immersed Boundary donde el concepto clave es extender el problema de análisis estructural a un dominio de aproximación, que contiene la frontera del dominio físico, cuya discretización (mallado) resulte sencilla. El uso de mallados cartesianos proporciona una plataforma natural para la optimización de forma estructural porque el dominio numérico está separado del modelo físico, que podrá cambiar libremente durante el procedimiento de optimización sin alterar la discretización subyacente. Otro argumento positivo reside en el hecho de que la generación de malla se convierte en una tarea trivial. La discretización del dominio numérico y su manipulación, en coalición con la eficiencia de una estructura jerárquica de datos, pueden ser explotados para ahorrar coste computacional. Sin embargo, estas ventajas pueden ser cuestionadas por varios problemas numéricos. Básicamente, el esfuerzo computacional se ha desplazado. Del uso de costosos algoritmos de mallado nos movemos hacia el uso de, por ejemplo, esquemas de integración numérica elaborados para poder capturar la discrepancia entre la frontera del dominio geométrico y la malla de elementos finitos que lo embebe. Para ello, utilizamos, por un lado, una formulación de estabilización para imponer condiciones de contorno y, por otro lado, hemos desarrollado nuevas técnicas para poder captar la representación exacta de los modelos geométricos. Para completar la implementación de un método de optimización de forma estructural se usa una formulación adjunta para derivar las sensibilidades de diseño requeridas por los algoritmos basados en gradiente. Las derivadas no son sólo variables requeridas para el proceso, sino una poderosa herramienta para poder proyectar información entre diferentes diseños o, incluso, proyectar la información para crear mallas h-adaptadas sin pasar por un proceso completo de refinamiento h-adaptativo. Las mejoras propuestas se reflejan en los ejemplos numéricos presentados en esta Tesis. Estos análisis muestran claramente el comportamiento superior de la tecnología cgFEM en cuanto a precisión numérica y eficiencia computacional. En consecuencia, el enfoque cgFEM se postula como una herramienta adecuada para la optimización de forma. / Actualment, amb la competència existent en la industria, s'imposa la necessitat de generar nous i millors dissenys . El tradicional procediment de prova i error, que amb freqüència es fa servir pel disseny de components mecànics, endarrereix el procés de disseny i produeix dissenys subòptims, pel que es necessiten nous enfocaments per obtindre avantatge competitiu. Amb el desenvolupament del Mètode dels Elements Finits (MEF) en el camp de l'enginyeria en la dècada de 1970, l'optimització de forma estructural va sorgir com un àrea d'aplicació prometedora. No obstant això, a causa de la natura iterativa dels processos d'optimització de forma, la manipulació dels models numèrics en grans quantitats, junt amb l'error de discretització dels mètodes numèrics, pot fins i tot dissuadir de l'ús d'aquestes tècniques (o d'explotar tot el seu potencial), perquè al mateix temps els cicles de desenvolupament de nous productes s'estan acurtant. Esta Tesi se centra en la formulació d'una metodologia 3D basada en el Cartesian-grid Finite Element Method (cgFEM) com a ferramenta per una anàlisi numèrica eficient i sòlida. Esta metodologia pertany a la categoria de tècniques de discretització Immersed Boundary on el concepte clau és expandir el problema d'anàlisi estructural a un domini d'aproximació fàcil de mallar que conté la frontera del domini físic. L'utilització de mallats cartesians proporciona una plataforma natural per l'optimització de forma estructural perquè el domini numèric està separat del model físic, que podria canviar lliurement durant el procediment d'optimització sense alterar la discretització subjacent. A més, un altre argument positiu el trobem en què la generació de malla es converteix en una tasca trivial, ja que la discretització del domini numèric i la seua manipulació, en coalició amb l'eficiència d'una estructura jeràrquica de dades, poden ser explotats per estalviar cost computacional. Tot i això, estos avantatges poden ser qüestionats per diversos problemes numèrics. Bàsicament, l'esforç computacional s'ha desplaçat. De l'ús de costosos algoritmes de mallat ens movem cap a l'ús de, per exemple, esquemes d'integració numèrica elaborats per poder capturar la discrepància entre la frontera del domini geomètric i la malla d'elements finits que ho embeu. Per això, fem ús, d'una banda, d'una formulació d'estabilització per imposar condicions de contorn i, d'un altra, desevolupem noves tècniques per poder captar la representació exacta dels models geomètrics Per completar la implementació d'un mètode d'optimització de forma estructural es fa ús d'una formulació adjunta per derivar les sensibilitats de disseny requerides pels algoritmes basats en gradient. Les derivades no són únicament variables requerides pel procés, sinó una poderosa ferramenta per poder projectar informació entre diferents dissenys o, fins i tot, projectar la informació per crear malles h-adaptades sense passar per un procés complet de refinament h-adaptatiu. Les millores proposades s'evidencien en els exemples numèrics presentats en esta Tesi. Estes anàlisis mostren clarament el comportament superior de la tecnologia cgFEM en tant a precisió numèrica i eficiència computacional. Així, l'enfocament cgFEM es postula com una ferramenta adient per l'optimització de forma. / Marco Alacid, O. (2017). Structural Shape Optimization Based On The Use Of Cartesian Grids [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86195 / TESIS

L'objectif de ce mémoire est de démontrer certaines propriétés géométriques des fonctions propres de l'oscillateur harmonique quantique. Nous étudierons les domaines nodaux, c'est-à-dire les composantes connexes du complément de l'ensemble nodal. Supposons que les valeurs propres ont été ordonnées en ordre croissant. Selon un théorème fondamental dû à Courant, une fonction propre associée à la $n$-ième valeur propre ne peut avoir plus de $n$ domaines nodaux. Ce résultat a été prouvé initialement pour le laplacien de Dirichlet sur un domaine borné mais il est aussi vrai pour l'oscillateur harmonique quantique isotrope. Le théorème a été amélioré par Pleijel en 1956 pour le laplacien de Dirichlet. En effet, on peut donner un résultat asymptotique plus fort pour le nombre de domaines nodaux lorsque les valeurs propres tendent vers l'infini. Dans ce mémoire, nous prouvons un résultat du même type pour l'oscillateur harmonique quantique isotrope. Pour ce faire, nous utiliserons une combinaison d'outils classiques de la géométrie spectrale (dont certains ont été utilisés dans la preuve originale de Pleijel) et de plusieurs nouvelles idées, notamment l'application de certaines techniques tirées de la géométrie algébrique et l'étude des domaines nodaux non-bornés. / The aim of this thesis is to explore the geometric properties of eigenfunctions of the isotropic quantum harmonic oscillator. We focus on studying the nodal domains, which are the connected components of the complement of the nodal (i.e. zero) set of an eigenfunction. Assume that the eigenvalues are listed in an increasing order. According to a fundamental theorem due to Courant, an eigenfunction corresponding to the $n$-th eigenvalue has at most $n$ nodal domains. This result has been originally proved for the Dirichlet eigenvalue problem on a bounded Euclidean domain, but it also holds for the eigenfunctions of a quantum harmonic oscillator. Courant's theorem was refined by Pleijel in 1956, who proved a more precise result on the asymptotic behaviour of the number of nodal domains of the Dirichlet eigenfunctions on bounded domains as the eigenvalues tend to infinity. In the thesis we prove a similar result in the case of the isotropic quantum harmonic oscillator. To do so, we use a combination of classical tools from spectral geometry (some of which were used in Pleijel’s original argument) with a number of new ideas, which include applications of techniques from algebraic geometry and the study of unbounded nodal domains.

Ces vingts dernières années ont vu le concept d’intrication quantique prendre une place importante dans l’étude des systèmes quantiques à N corps rencontrés par exemple en théorie de la matière condensée. L’entropie d’intrication est une mesure de l’intrication entre deux parties formant un système dans un état quantique pur. L’étude de cette entropie permet d’obtenir des informations cruciales sur les systèmes considérés. Dans ce mémoire, nous étudions l’entropie d’intrication de régions dites squelettiques, pour un réseau harmonique bidimensionnel correspondant à une version discrète de la théorie d’un champ scalaire relativiste sans masse. Une région squelettique ne possède pas de volume, en opposition à une région dite pleine. Au sein d’un réseau à deux dimensions, il s’agira d’une chaîne finie de sites. Nous montrons que le comportement de l’entropie d’intrication d’une région unidimensionnelle diffère de celui de l’entropie d’une région pleine (à deux dimensions). En particulier, nous montrons qu’il apparaît de nouveaux termes universels associés à ces nouveaux comportements pour des régions squelettiques. Notre étude est principalement menée à l’aide de calculs numériques, bien que certains résultats soient obtenus de manière semi-analytique. / In the last twenty years, the concept of entanglement entropy has taken an important place in the study of N-body quantum systems seen in condensed matter, among others. Entanglement entropy is an entanglement measure between two parts forming a system in a pure quantum state. The study of this entropy allows one to obtain crucial information about N-body quantum systems. In this master’s thesis, we will study the entanglement entropy of so-called skeletal regions, for a harmonic two-dimensional lattice corresponding to a discrete version of a massless relativistic scalar field theory. A skeletal region doesn’t possess a volume, unlike a region said to be full. In the case of a two-dimensional lattice, the skeletal region is defined by a finite chain of sites. We show that the behaviour of entanglement entropy of an unidimensional region differs from the case of a full region (which is two-dimensional). In particular, we show the appearance of new universal coefficients linked to skeletal regions. Our study consists mainly of numerical calculations, although some results are obtained in a semi-analytical manner.

Die Least-Squares Finite-Elemente-Methoden (LSFEMn) basieren auf der Minimierung des Least-Squares-Funktionals, das aus quadrierten Normen der Residuen eines Systems von partiellen Differentialgleichungen erster Ordnung besteht. Dieses Funktional liefert einen a posteriori Fehlerschätzer und ermöglicht die adaptive Verfeinerung des zugrundeliegenden Netzes. Aus zwei Gründen versagen die gängigen Methoden zum Beweis optimaler Konvergenzraten, wie sie in Carstensen, Feischl, Page und Praetorius (Comp. Math. Appl., 67(6), 2014) zusammengefasst werden. Erstens scheinen fehlende Vorfaktoren proportional zur Netzweite den Beweis einer schrittweisen Reduktion der Least-Squares-Schätzerterme zu verhindern. Zweitens kontrolliert das Least-Squares-Funktional den Fehler der Fluss- beziehungsweise Spannungsvariablen in der H(div)-Norm, wodurch ein Datenapproximationsfehler der rechten Seite f auftritt. Diese Schwierigkeiten führten zu einem zweifachen Paradigmenwechsel in der Konvergenzanalyse adaptiver LSFEMn in Carstensen und Park (SIAM J. Numer. Anal., 53(1), 2015) für das 2D-Poisson-Modellproblem mit Diskretisierung niedrigster Ordnung und homogenen Dirichlet-Randdaten. Ein neuartiger expliziter residuenbasierter Fehlerschätzer ermöglicht den Beweis der Reduktionseigenschaft. Durch separiertes Markieren im adaptiven Algorithmus wird zudem der Datenapproximationsfehler reduziert. Die vorliegende Arbeit verallgemeinert diese Techniken auf die drei linearen Modellprobleme das Poisson-Problem, die Stokes-Gleichungen und das lineare Elastizitätsproblem. Die Axiome der Adaptivität mit separiertem Markieren nach Carstensen und Rabus (SIAM J. Numer. Anal., 55(6), 2017) werden in drei Raumdimensionen nachgewiesen. Die Analysis umfasst Diskretisierungen mit beliebigem Polynomgrad sowie inhomogene Dirichlet- und Neumann-Randbedingungen. Abschließend bestätigen numerische Experimente mit dem h-adaptiven Algorithmus die theoretisch bewiesenen optimalen Konvergenzraten. / The least-squares finite element methods (LSFEMs) base on the minimisation of the least-squares functional consisting of the squared norms of the residuals of first-order systems of partial differential equations. This functional provides a reliable and efficient built-in a posteriori error estimator and allows for adaptive mesh-refinement. The established convergence analysis with rates for adaptive algorithms, as summarised in the axiomatic framework by Carstensen, Feischl, Page, and Praetorius (Comp. Math. Appl., 67(6), 2014), fails for two reasons. First, the least-squares estimator lacks prefactors in terms of the mesh-size, what seemingly prevents a reduction under mesh-refinement. Second, the first-order divergence LSFEMs measure the flux or stress errors in the H(div) norm and, thus, involve a data resolution error of the right-hand side f. These difficulties led to a twofold paradigm shift in the convergence analysis with rates for adaptive LSFEMs in Carstensen and Park (SIAM J. Numer. Anal., 53(1), 2015) for the lowest-order discretisation of the 2D Poisson model problem with homogeneous Dirichlet boundary conditions. Accordingly, some novel explicit residual-based a posteriori error estimator accomplishes the reduction property. Furthermore, a separate marking strategy in the adaptive algorithm ensures the sufficient data resolution. This thesis presents the generalisation of these techniques to three linear model problems, namely, the Poisson problem, the Stokes equations, and the linear elasticity problem. It verifies the axioms of adaptivity with separate marking by Carstensen and Rabus (SIAM J. Numer. Anal., 55(6), 2017) in three spatial dimensions. The analysis covers discretisations with arbitrary polynomial degree and inhomogeneous Dirichlet and Neumann boundary conditions. Numerical experiments confirm the theoretically proven optimal convergence rates of the h-adaptive algorithm.