This dissertation investigates uncertainty quantification in dynamic problems. The Advanced Mean Value (AMV) method is used to calculate probabilistic sound power and the sensitivity of elastically supported panels with small uncertainty (coefficient of variation). Sound power calculations are done using Finite Element Method (FEM) and Boundary Element Method (BEM). The sensitivities of the sound power are calculated through direct differentiation of the FEM/BEM/AMV equations. The results are compared with Monte Carlo simulation (MCS). An improved method is developed using AMV, metamodel, and MCS. This new technique is applied to calculate sound power of a composite panel using FEM and Rayleigh Integral. The proposed methodology shows considerable improvement both in terms of accuracy and computational efficiency. In systems with large uncertainties, the above approach does not work. Two Spectral Stochastic Finite Element Method (SSFEM) algorithms are developed to solve stochastic eigenvalue problems using Polynomial chaos. Presently, the approaches are restricted to problems with real and distinct eigenvalues. In both the approaches, the system uncertainties are modeled by Wiener-Askey orthogonal polynomial functions. Galerkin projection is applied in the probability space to minimize the weighted residual of the error of the governing equation. First algorithm is based on inverse iteration method. A modification is suggested to calculate higher eigenvalues and eigenvectors. The above algorithm is applied to both discrete and continuous systems. In continuous systems, the uncertainties are modeled as Gaussian processes using Karhunen-Loeve (KL) expansion. Second algorithm is based on implicit polynomial iteration method. This algorithm is found to be more efficient when applied to discrete systems. However, the application of the algorithm to continuous systems results in ill-conditioned system matrices, which seriously limit its application. Lastly, an algorithm to find the basis random variables of KL expansion for non-Gaussian processes, is developed. The basis random variables are obtained via nonlinear transformation of marginal cumulative distribution function using standard deviation. Results are obtained for three known skewed distributions, Log-Normal, Beta, and Exponential. In all the cases, it is found that the proposed algorithm matches very well with the known solutions and can be applied to solve non-Gaussian process using SSFEM. / Ph. D.

[EN] The neutron diffusion equation is an approximation of the neutron transport equation that describes the neutron population in a nuclear reactor core. In particular, we will consider here VVER-type reactors which use the neutron diffusion equation discretized on hexagonal meshes. Most of the simulation codes of a nuclear power reactor use the multigroup neutron diffusion equation to describe the neutron distribution inside the reactor core.To study the stationary state of a reactor, the reactor criticality is forced in artificial way leading to a generalized differential eigenvalue problem, known as the Lambda modes equation, which is solved to obtain the dominant eigenvalues of the reactor and their corresponding eigenfunctions. To discretize this model a finite element method with h-p adaptivity is used. This method allows to use heterogeneous meshes, and allows different refinements such as the use of h-adaptive meshes, reducing the size of specific cells, and p-refinement, increasing the polynomial degree of the basic functions used in the expansions of the solution in the different cells. Once the solution for the steady state neutron distribution is obtained, it is used as initial condition for the time integration of the neutron diffusion equation. To simulate the behaviour of a nuclear power reactor it is necessary to be able to integrate the time-dependent neutron diffusion equation inside the reactor core. The spatial discretization of this equation is done using a finite element method that permits h-p refinements for different geometries. Transients involving the movement of the control rod banks have the problem known as the rod-cusping effect. Previous studies have usually approached the problem using a fixed mesh scheme defining averaged material properties and many techniques exist for the treatment of the rod cusping problem. The present work proposes the use of a moving mesh scheme that uses spatial meshes that change with the movement of the control rods avoiding the necessity of using equivalent material cross sections for the partially inserted cells. The performance of the moving mesh scheme is tested studying different benchmark problems. For reactor calculations, the accuracy of a diffusion theory solution is limited for for complex fuel assemblies or fine mesh calculations. To improve these results a method that incorporates higher-order approximations for the angular dependence, as the simplified spherical harmonics (SPN ) method must be employed. In this work an h-p Finite Element Method (FEM) is used to obtain the dominant Lambda mode associated with a configuration of a reactor core using the SPN approximation. The performance of the SPN (N= 1, 3, 5) approximations has been tested for different reactor benchmarks. / [ES] La ecuación de la difusión neutrónica es una aproximación de la ecuación del transporte de neutrones que describe la población de neutrones en el núcleo de un reactor nuclear. En particular, consideraremos reactores de tipo VVER y para simular su comportamiento se utilizará la ecuación de la difusión neutrónica para cuya discretización se hace uso de mallas hexagonales. La mayoría de los códigos de simulación de reactores nucleares utilizan aproximación multigrupo de energía de la ecuación de la difusión neutrónica para describir la distribución de neutrones en el interior del núcleo del reactor. Para estudiar el estado estacionario del reactor, es posible forzar la criticidad del reactor de forma artificial modificando las secciones eficaces de forma que se obtiene un problema de valores propios diferencial, conocido como el problema de los Modos Lambda, que se resuelve para obtener los valores propios dominantes del reactor y sus correspondientes funciones propias. Para discretizar este modelo se ha hecho uso de un método de elementos finitos con adaptabilidad h-p. Este método permite el uso de mallas heterogéneas, y de diferentes refinamientos como el uso mallas h-adaptativas, reduciendo el tamaño de los distintos nodos, y el p-refinado, aumentando el grado del polinomio de las funciones básicas utilizado en los desarrollos de la solución en los diferentes nodos. Se ha desarrollado un código basado en un método de elementos finitos de alto orden para resolver el problema de los Modos Lambda en un reactor con geometría hexagonal y se han obtenido los Modos dominantes para distintos problemas de referencia. Una vez que se ha obtenido la solución para la distribución de neutrones en estado estacionario, ésta se utiliza como condición inicial para la integración de la ecuación de difusión neutrónica dependiente del tiempo. Para simular el comportamiento de un reactor nuclear para un determinado transitorio, es necesario ser capaz de integrar la ecuación de la difusión neutrónica dependiente del tiempo en el interior del núcleo del reactor. La discretización espacial de esta ecuación se hace usando un método de elementos finitos de alto orden que permite refinados de tipo h-p para distintas geometrías. Los transitorios que implican el movimiento de los bancos de las barras de control tienen el problema conocido como el efecto 'rod-cusping'. Estudios anteriores, por lo general, han abordado este problema utilizando una malla fija y definiendo propiedades promedio para los materiales correspondientes a las celdas donde se tiene la barra de control parcialmente insertada. En el presente trabajo se propone el uso de un esquema de malla móvil, de forma que en mallado espacial va cambiando con el movimiento de la barra de control, evitando la necesidad de utilizar secciones eficaces equivalentes para las celdas parcialmente insertadas. El funcionamiento de este esquema de malla móvil propuesto se estudia resolviendo distintos problemas tipo. La precisión obtenida mediante de la teoría de la difusión en los cálculos de reactores es limitada cuando se tienen elementos de combustible complejos o se pretenden realizar cálculos en malla fina. Para mejorar estos resultados, es necesario disponer de un método que incorpore aproximaciones de orden superior de la ecuación del transporte de neutrones. Una posibilidad es hacer uso de las ecuaciones PN simplificadas (SPN ). En este trabajo se utiliza un método de elementos finitos h-p para obtener los modos dominantes asociados con una configuración dada del núcleo de un reactor nuclear con geometría hexagonal usando la aproximación SPN . El funcionamiento de las aproximaciones SPN (N = 1, 3, 5) se ha estudiado para distintos problemas de referencia. / [CA] L'equació de la difusió neutrònica és una aproximació de l'equació del transport de neutrons que descriu la població de neutrons en el nucli de un reactor nuclear. En particular, considerarem reactors de tipus VVER i per a simular el seu comportament s'utilitzarà l'equació de la difusió neutrónica que es discretitza fent ús de malles hexagonals. La majoria dels codis de simulació de reactors nuclears utilitzen l'aproximació multigrup d'energia de l'equació de la difusió neutrónica per a descriure la distribució de neutrons a l'interior del nucli del reactor. Per a estudiar l'estat estacionari del reactor, és possible forçar la seua criticitat de forma artificial modificant les seccions eficaces de manera que s'obté un problema de valors propis diferencial, conegut com el problema dels Modes Lambda, que es resol per a obtenir els valors propis dominants del reactor i les seues corresponents funcions pròpies. Per a discretitzar aquest model s'ha fet ús d'un mètode d'elements finits amb adaptabilitat h-p. Aquest mètode permet l'ús de malles heterogènies, i de diferents refinaments com l'ús malles h-adaptatives, reduint la grandària dels diferents nodes, i el p-refinat, augmentant el grau del polinomi de les funcions bàsiques utilitzat en els desenvolupaments de la solució en els diferents nodes. S'ha desenvolupat un codi basat en un mètode d'elements finits d'alt ordre per a resoldre el problema dels Modes Lambda en un reactor amb geometria hexagonal i s'han obtingut els Modes dominants per a diferents problemes de referència. Una vegada que s'ha obtingut la solució per a la distribució de neutrons en estat estacionari, aquesta s'utilitza com a condició inicial per a la integració de l'equació de difusió neutrònica depenent del temps. Per a simular el comportament d'un reactor nuclear per a un determinat transitori, és necessari ser capaç d'integrar l'equació de la difusió neutrónica depenent del temps a l'interior del nucli del reactor. La discretitzación espacial d'aquesta equació es fa usant un mètode d'elements finits d'alt ordre que permet refinats de tipus h-p per a diferents geometries. Els transitoris que impliquen el moviment dels bancs de les barres de control tenen el problema conegut com l'efecte 'rod-cusping'. Estudis anteriors, en general, han abordat aquest problema utilitzant una malla fixa i definint propietats equivalents per als materials corresponents a les cel·les on es té la barra de control parcialment inserida. En el present treball es proposa l'ús d'un esquema de malla mòbil, de manera que en mallat espacial va canviant amb el moviment de la barra de control, evitant la necessitat d'utilitzar seccions eficaces equivalents per a les cel·les parcialment inserides. El funcionament de aquest esquema de malla mòbil s'estudia resolent diferents problemes tipus. La precisió obtinguda mitjançant de la teoria de la difusió en els càlculs de reactors és limitada quan es tenen elements de combustible complexos o es pretenen realitzar càlculs en malla fina. Per a millorar aquests resultats, és necessari disposar d'un mètode que incorpore aproximacions d'ordre superior de l'equació del transport de neutrons. Una possibilitat és fer ús de les equacions PN simplificades (SPN ). En aquest treball s'utilitza un mètode d'elements finits h- p per a obtenir els modes dominants associats amb una configuració donada del nucli de un reactor amb geometria hexagonal usant l'aproximació SPN . El funcionament de les aproximacions SPN (N = 1, 3, 5) s'ha estudiat per a diferents problemes de referència. / Fayez Moustafa Moawad, R. (2016). Approximation of The Neutron Diffusion Equation on Hexagonal Geometries Using a h-p finite element method [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/65353

In this work we calculate the binding energies and root-mean-square radii for A−body nuclear bound state systems, where A ≥ 3. To study three−body systems, we employ the three−dimensional differential Faddeev equations with nucleon-nucleon semi-realistic potentials. The equations are solved numerically. For this purpose, the equations are transformed into an eigenvalue equation via the orthogonal collocation procedure using triquintic Hermite splines. The resulting eigenvalue equation is solved using the Restarted Arnoldi Algorithm. Ground state binding energies of the 3H nucleus are determined. For A > 3, the Potential Harmonic Expansion Method is employed. Using this method, the Schr¨odinger equation is transformed into coupled Faddeev-like equations. The Faddeevlike amplitudes are expanded on the potential harmonic basis. To transform the resulting coupled differential equations into an eigenvalue equation, we employ again the orthogonal collocation procedure followed by the Gauss-Jacobi quadrature. The corresponding eigenvalue equation is solved using the Renormalized Numerov Method to obtain ground state binding energies and root-mean-square radii of closed shell nuclei 4He, 8Be, 12C, 16O and 40Ca. / Physics / M. Sc. (Physics)

Les façons d'aborder l'étude du spectre du laplacien sont multiples. Ce mémoire se concentre sur les partitions spectrales optimales de domaines planaires. Plus précisément, lorsque nous imposons des conditions aux limites de Dirichlet, nous cherchons à trouver la ou les partitions qui réalisent l'infimum (sur l'ensemble des partitions à un certain nombre de composantes) du maximum de la première valeur propre du laplacien sur tous ses sous-domaines. Dans les dernières années, cette question a été activement étudiée par B. Helffer, T. Hoffmann-Ostenhof, S. Terracini et leurs collaborateurs, qui ont obtenu plusieurs résultats analytiques et numériques importants. Dans ce mémoire, nous proposons un problème analogue, mais pour des conditions aux limites de Neumann cette fois. Dans ce contexte, nous nous intéressons aux partitions spectrales maximales plutôt que minimales. Nous cherchons alors à vérifier le maximum sur toutes les $k$-partitions possibles du minimum de la première valeur propre non nulle de chacune des composantes. Cette question s'avère plus difficile que sa semblable dans la mesure où plusieurs propriétés des valeurs propres de Dirichlet, telles que la monotonicité par rapport au domaine, ne tiennent plus. Néanmoins, quelques résultats sont obtenus pour des 2-partitions de domaines symétriques et des partitions spécifiques sont trouvées analytiquement pour des domaines rectangulaires. En outre, des propriétés générales des partitions spectrales optimales et des problèmes ouverts sont abordés. / There exist many ways to study the spectrum of the Laplace operator. This master thesis focuses on optimal spectral partitions of planar domains. More specifically, when imposing Dirichlet boundary conditions, we try to find partitions that achieve the infimum (over all the partitions of a given number of components) of the maximum of the first eigenvalue of the Laplacian in all the subdomains. This question has been actively studied in recent years by B. Helffer, T. Hoffmann-Ostenhof, S. Terracini and their collaborators, who obtained a number of important analytic and numerical results. In the present thesis we propose a similar problem, but for the Neumann boundary conditions. In this case, we are looking for spectral maximal, rather than minimal, partitions. More precisely, we attempt to find the maximum over all possible $k$-partitions of the minimum of the first non-zero Neumann eigenvalue of each component. This question appears to be more difficult than the one for the Dirichlet conditions, since many properties of Dirichlet eigenvalues, such as domain monotonicity, no longer hold in the Neumann case. Nevertheless, some results are obtained for 2-partitions of symmetric domains, and specific partitions are found analytically for rectangular domains. In addition, some general properties of optimal spectral partitions and open problems are also discussed.

In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze untersucht, um Tensorzerlegungsmethoden auf die Full-Configuration-Interaction-Methode (FCI) anzuwenden. Das Ziel dieser Ansätze ist es, zuverlässig konvergierende Algorithmen zu erstellen, welche es erlauben, die Wellenfunktion effizient im Canonical-Product-Tensorformat (CP) zu approximieren. Hierzu werden drei Ansätze vorgestellt, um die FCI-Wellenfunktion zu repräsentieren und darauf basierend die benötigten Koeffizienten zu bestimmen. Der erste Ansatz beruht auf einer Entwicklung der Wellenfunktion als Linearkombination von Slaterdeterminanten, bei welcher in einer Hierarchie ausgehend von der Hartree-Fock-Slaterdeterminante sukzessive besetzte Orbitale durch virtuelle Orbitale ersetzt werden. Unter Nutzung von Tensorrepräsentationen im CP wird ein lineares Gleichungssystem gelöst, um die FCI-Koeffizienten zu bestimmen. Im darauf folgenden Ansatz, welcher an Direct-CI angelehnt ist, werden Tensorrepräsentationen der Hamiltonmatrix und des Koeffizientenvektors aufgestellt, welche zur Lösung des FCI-Eigenwertproblems erforderlich sind. Hier wird ein Algorithmus vorgestellt, mit welchem das Eigenwertproblem im CP gelöst wird. In einem weiteren Ansatz wird die Repräsentation der Hamiltonmatrix und des Koeffizientenvektors im Fockraum formuliert. Dieser Ansatz erlaubt die Lösung des FCI-Eigenwertproblems mit Hilfe verschiedener Algorithmen. Diese orientieren sich an den Rayleighquotienteniterationen oder dem Davidsonalgorithmus, wobei für den ersten Algorithmus eine zweite Version entwickelt wurde, wo die Rangreduktion teilweise durch Projektionen ersetzt wurde. Für den Davidsonalgorithmus ist ein breiteres Spektrum von Molekülen behandelbar und somit können erste Untersuchungen zur Skalierung und zu den zu erwartenden Fehlern vorgestellt werden. Schließlich wird ein Ausblick auf mögliche Weiterentwicklungen gegeben, welche eine effizientere Berechnung ermöglichen und somit FCI im CP auch für größere Moleküle zugänglich macht. / In this thesis, various approaches are investigated to apply tensor decomposition methods to the Full Configuration Interaction method (FCI). The aim of these approaches is the development of algorithms, which converge reliably and which permit to approximate the wave function efficiently in the Canonical Product format (CP). Three approaches are introduced to represent the FCI wave function and to obtain the corresponding coefficients. The first approach ist based on an expansion of the wave function as a linear combination of slater determinants. In this hierarchical expansion, starting from the Hartree Fock slater determinant, the occupied orbitals are substituted by virtual orbitals. Using tensor representations in the CP, a linear system of equations is solved to obtain the FCI coefficients. In a further approach, tensor representations of the Hamiltonian matrix and the coefficient vectors are set up, which are required to solve the FCI eigenvalue problem. The tensor contractions and an algorithm to solve the eigenvalue problem in the CP are explained her in detail. In the next approach, tensor representations of the Hamiltonian matrix and the coefficient vector are constructed in the Fock space. This approach allows the application of various algorithms. They are based on the Rayleight Quotient Algorithm and the Davidson algorithm and for the first one, there exists a second version, where the rank reduction algorithm is replaced by projections. The Davidson algorithm allows to treat a broader spectrum of molecules. First investigations regarding the scaling behaviour and the expectable errors can be shown for this approach. Finally, an outlook on the further development is given, that allows for more efficient calculations and makes FCI in the CP accessible for larger molecules.

Einst als Hilfssatz für Szemerédis Theorem entwickelt, hat sich das Regularitätslemma in den vergangenen drei Jahrzehnten als eines der wichtigsten Werkzeuge der Graphentheorie etabliert. Im Wesentlichen hat das Lemma zum Inhalt, dass dichte Graphen durch eine konstante Anzahl quasizufälliger, bipartiter Graphen approximiert werden können, wodurch zwischen deterministischen und zufälligen Graphen eine Brücke geschlagen wird. Da letztere viel einfacher zu handhaben sind, stellt diese Verbindung oftmals eine wertvolle Zusatzinformation dar. Vom Regularitätslemma ausgehend gliedert sich die vorliegende Arbeit in zwei Teile. Mit Fragestellungen der Extremalen Hypergraphentheorie beschäftigt sich der erste Teil der Arbeit. Es wird zunächst eine Version des Regularitätslemmas Hypergraphen angewandt, um asymptotisch scharfe Schranken für das Auftreten von Hamiltonkreisen in uniformen Hypergraphen mit hohem Minimalgrad herzuleiten. Nachgewiesen werden des Weiteren asymptotisch scharfe Schranken für die Existenz von perfekten und nahezu perfekten Matchings in uniformen Hypergraphen mit hohem Minimalgrad. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein neuer, Szemerédis ursprüngliches Konzept generalisierender Regularitätsbegriff eingeführt. Diesbezüglich wird ein Algorithmus vorgestellt, welcher zu einem gegebenen Graphen ohne zu dichte induzierte Subgraphen eine reguläre Partition in polynomieller Zeit berechnet. Als eine Anwendung dieses Resultats wird gezeigt, dass das Problem MAX-CUT für die oben genannte Graphenklasse in polynomieller Zeit bis auf einen multiplikativen Faktor von (1+o(1)) approximierbar ist. Der Untersuchung von Chung, Graham und Wilson zu quasizufälligen Graphen folgend wird ferner der sich aus dem neuen Regularitätskonzept ergebende Begriff der Quasizufälligkeit studiert und in Hinsicht darauf eine Charakterisierung mittels Eigenwertseparation der normalisierten Laplaceschen Matrix angegeben. / Once invented as an auxiliary lemma for Szemerédi''s Theorem the regularity lemma has become one of the most powerful tools in graph theory in the last three decades which has been widely applied in several fields of mathematics and theoretical computer science. Roughly speaking the lemma asserts that dense graphs can be approximated by a constant number of bipartite quasi-random graphs, thus, it narrows the gap between deterministic and random graphs. Since the latter are much easier to handle this information is often very useful. With the regularity lemma as the starting point two roads diverge in this thesis aiming at applications of the concept of regularity on the one hand and clarification of several aspects of this concept on the other. In the first part we deal with questions from extremal hypergraph theory and foremost we will use a generalised version of Szemerédi''s regularity lemma for uniform hypergraphs to prove asymptotically sharp bounds on the minimum degree which ensure the existence of Hamilton cycles in uniform hypergraphs. Moreover, we derive (asymptotically sharp) bounds on minimum degrees of uniform hypergraphs which guarantee the appearance of perfect and nearly perfect matchings. In the second part a novel notion of regularity will be introduced which generalises Szemerédi''s original concept. Concerning this new concept we provide a polynomial time algorithm which computes a regular partition for given graphs without too dense induced subgraphs. As an application we show that for the above mentioned class of graphs the problem MAX-CUT can be approximated within a multiplicative factor of (1+o(1)) in polynomial time. Furthermore, pursuing the line of research of Chung, Graham and Wilson on quasi-random graphs we study the notion of quasi-randomness resulting from the new notion of regularity and concerning this we provide a characterisation in terms of eigenvalue separation of the normalised Laplacian matrix.

Die vorliegende Arbeit zum Thema der numerischen Analysis von Eigenwertproblemen befasst sich mit fünf wesentlichen Aspekten der numerischen Analysis von Eigenwertproblemen. Der erste Teil präsentiert einen Algorithmus von asymptotisch quasi-optimaler Rechenlaufzeit, der die adaptive Finite Elemente Methode mit einem iterativen algebraischen Eigenwertlöser kombiniert. Der zweite Teil präsentiert explizite beidseitige Schranken für die Eigenwerte des Laplace Operators auf beliebig groben Gittern basierend auf einer Approximation der zugehörigen Eigenfunktion in dem nicht konformen Finite Elemente Raum von Crouzeix und Raviart und einem Postprocessing. Die Effizienz der garantierten Schranke des Eigenwertfehlers hängt von der globalen Gitterweite ab. Der dritte Teil betrachtet eine adaptive Finite Elemente Methode basierend auf Verfeinerungen von Knoten-Patchen. Dieser Algorithmus zeigt eine asymptotische Fehlerreduktion der adaptiven Sequenz von einfachen Eigenwerten und Eigenfunktionen des Laplace Operators. Die hier erstmals bewiesene Eigenschaft der Saturation des Eigenwertfehlers zeigt Zuverlässigkeit und Effizienz für eine Klasse von hierarchischen a posteriori Fehlerschätzern. Der vierte Teil betrachtet a posteriori Fehlerschätzer für Konvektion-Diffusion Eigenwertprobleme, wie sie von Heuveline und Rannacher (2001) im Kontext der dual-gewichteten residualen Methode (DWR) diskutiert wurden. Zwei neue dual-gewichtete a posteriori Fehlerschätzer werden vorgestellt. Der letzte Teil beschäftigt sich mit drei adaptiven Algorithmen für Eigenwertprobleme von nicht selbst-adjungierten Operatoren partieller Differentialgleichungen. Alle drei Algorithmen basieren auf einer Homotopie-Methode die vom einfacheren selbst-adjungierten Problem startet. Neben der Gitterverfeinerung wird der Prozess der Homotopie sowie die Anzahl der Iterationen des algebraischen Löser adaptiv gesteuert und die verschiedenen Anteile am gesamten Fehler ausbalanciert. / This thesis "on the numerical analysis of eigenvalue problems" consists of five major aspects of the numerical analysis of adaptive finite element methods for eigenvalue problems. The first part presents a combined adaptive finite element method with an iterative algebraic eigenvalue solver for a symmetric eigenvalue problem of asymptotic quasi-optimal computational complexity. The second part introduces fully computable two-sided bounds on the eigenvalues of the Laplace operator on arbitrarily coarse meshes based on some approximation of the corresponding eigenfunction in the nonconforming Crouzeix-Raviart finite element space plus some postprocessing. The efficiency of the guaranteed error bounds involves the global mesh-size and is proven for the large class of graded meshes. The third part presents an adaptive finite element method (AFEM) based on nodal-patch refinement that leads to an asymptotic error reduction property for the adaptive sequence of simple eigenvalues and eigenfunctions of the Laplace operator. The proven saturation property yields reliability and efficiency for a class of hierarchical a posteriori error estimators. The fourth part considers a posteriori error estimators for convection-diffusion eigenvalue problems as discussed by Heuveline and Rannacher (2001) in the context of the dual-weighted residual method (DWR). Two new dual-weighted a posteriori error estimators are presented. The last part presents three adaptive algorithms for eigenvalue problems associated with non-selfadjoint partial differential operators. The basis for the developed algorithms is a homotopy method which departs from a well-understood selfadjoint problem. Apart from the adaptive grid refinement, the progress of the homotopy as well as the solution of the iterative method are adapted to balance the contributions of the different error sources.

Cette thèse s'articule autour d'une notion spectrale assez récente, appelée le spectre étendu des opérateurs. Dans la première partie nous fournissons des propriétés générales du spectre étendu d'un opérateur dans certains cas particuliers, tels que le cas de dimension finie et celui des opérateurs inversibles. Nous nous intéressons dans la deuxième partie à l'étude du spectre étendu de l'opérateur shift tronqué Su. En particulier, nous donnons une description complète des vecteurs propres étendus associes à chaque valeur propre étendue de Sb, ou b est un produit de Blaschke quelconque. Dans la troisième partie nous décrirons complètement le spectre étendu et les sous espaces propres étendus d'une classe d'opérateurs très importante : celle des opérateurs normaux. Nous commençons d'abord par la classe des opérateurs qui sont produits d'un opérateur positif par un autoadjoint. Ensuite, nous utilisons le théorème de Fuglede-Putnam pour déduire une description complète des valeurs et des vecteurs propres étendus des opérateurs normaux, en fonction de leur mesure spectrale. Dans la dernière partie, nous appliquons nos résultats des trois premières parties sur des exemples concrets. En particulier, nous traitons= le problème des sous espaces propres étendus des opérateurs définis dans un espace de dimension finie. Ensuite, nous montrons l'existence d'un opérateur compact quasinilpotent dont le spectre étendu est réduit au singleton {1}. Enfin, nous traitons deux opérateurs de Cesaro très importants dans les applications / This thesis is based on a relatively new spectral notion, called extended spectrum of operators. In the first part, we provide general properties of extended spectrum of an operator in some special cases, such as the case of finite dimension and the case of invertible operator. We focused in the second part on characterizing the extended spectrum of truncated shift operator Su. In particular, we give a complete description of the extended eigenvectors associated to each extended eigenvalue of Sb, where b is a Blaschke product. In the third part, we describe the extended spectrum and the extended eigenvectors of a very important class of operators , that is the normal operators. We first start by describing these last sets for the product of a positive and a self-adjoint operator which are both injective. After, we use the Fuglede-Putnam theorem to describe the same sets for normal operators, in terms of their spectral measure. In the last part, we apply our results from the last three parts on concrete examples. In particular, we address the problem of extended eigenvectors of operators defined in a finite dimension space. Next, we show the existence of a quasinilpotent compact operator whose extended spectrum is reduced to {1}. Finally, we study two Cesaro operators which are very important in applications

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Esta tese està dividida em quatro partes. Na primeira delas estudaremos pontos crÃticos do funcional curvatura escalar total restrito ao espaÃo das mÃtricas de curvatura escalar constante e volume unitÃrio. Provaremos que sob certas condiÃÃes integrais convenientes os pontos crÃticos de tal funcional sÃo variedades de Einstein provando assim a conjectura dos pontos crÃticos neste caso. Na segunda parte, veremos duas estimativas para o primeiro autovalor do Laplaciano de uma variedade compacta com curvatura de Ricci limitada por baixo por uma constante. As estimativas que obtemos melhoram a estimativa correspondente provada por Li e Yau (1980). Na terceira parte, estamos interessados em estimar o diÃmetro de hipersuperfÃcies mÃnimas da esfera. A estimativa que encontramos depende apenas do primeiro autovalor do Laplaciano da hipersuperfÃcie considerada. Para superfÃcies imersas na esfera de dimensÃo trÃs, obtemos uma estimativa ligeiramente melhor do que a obtida no caso de dimensÃo alta. Na Ãltima parte, introduzimos o conceito de variedade de energia constante e provamos que a esfera e o toro sÃo as Ãnicas superfÃcies que tÃm energia constante. Em dimensÃo mais alta a situaÃÃo à bem diferente uma vez que o produto de uma esfera por qualquer variedade compacta tem energia constante. Entretanto, se impusermos uma condiÃÃo sobre a curvatura de Ricci, à possÃvel caracterizar a esfera tambÃm neste caso. Em seguida, aplicamos as informa-ÃÃes obtidas ao estudo de hipersuperfÃcies da esfera provando alguns resultados de rigidez desde que a hipersuperfÃcie tenha energia constante. / This thesis is divided into four parts. In the first one we study the critical points of the total scalar curvature functional restricted to the space of metrics with constant scalar curvature and volume one. We shall prove that under certain suitable integral conditions the critical points of such functional are Einstein manifolds proving this way the critical point equation conjecture in this case. In the second part, we will provide an estimate for the first eigenvalue of the Laplacian of a compact manifolds with Ricci curvature bounded from below by a constant. The estimate we obtain improves the corresponding estimate proved by Li and Yau (1980). In the third part, we are interested in to estimate the diameter of minimal hypersurfaces of the sphere. The estimate we get depends only on the first eigenvalue of the Laplacian of the considered hypersurface. For immersed surfaces on the three dimensional sphere, we obtain an estimate slightly better than the one obtained in the case of higher dimension. In the last part, we introduce the concept of manifolds with constant energy and prove that the sphere and the torus are the only compact surfaces that have constant energy. For higher dimension, the situation is very different sine the product of the sphere with any compact manifold has constant energy. Nevertheless, if we impose a condition over the Ricci curvature it is possible to characterize the sphere also in this case. After that, we apply the informations obtained to the study of hypersurfaces of the sphere proving some rigidity results provided that the hypersurfaces has constant energy.

L'Algèbre tropicale peut être considérée comme un domaine relativement nouveau en mathématiques. Elle apparait dans plusieurs domaines telles que l'optimisation, la synchronisation de la production et du transport, les systèmes à événements discrets, le contrôle optimal, la recherche opérationnelle, etc. La première partie de ce manuscrit est consacrée a l'étude des applications de l'algèbre tropicale à l'analyse numérique matricielle. Nous considérons tout d'abord le problème classique de l'estimation des racines d'un polynôme univarié. Nous prouvons plusieurs nouvelles bornes pour la valeur absolue des racines d'un polynôme en exploitant les méthodes tropicales. Ces résultats sont particulièrement utiles lorsque l'on considère des polynômes dont les coefficients ont des ordres de grandeur différents. Nous examinons ensuite le problème du calcul des valeurs propres d'une matrice polynomiale. Ici, nous introduisons une technique de mise à l'échelle générale, basée sur l'algèbre tropicale, qui s'applique en particulier à la forme compagnon. Cette mise à l'échelle est basée sur la construction d'une fonction polynomiale tropicale auxiliaire, ne dépendant que de la norme des matrices. Les raciness (les points de non-différentiabilité) de ce polynôme tropical fournissent une pré-estimation de la valeur absolue des valeurs propres. Ceci se justifie en particulier par un nouveau résultat montrant que sous certaines hypothèses faites sur le conditionnement, il existe un groupe de valeurs propres bornées en norme. L'ordre de grandeur de ces bornes est fourni par la plus grande racine du polynôme tropical auxiliaire. Un résultat similaire est valable pour un groupe de petites valeurs propres. Nous montrons expérimentalement que cette mise à l'échelle améliore la stabilité numérique, en particulier dans des situations où les données ont des ordres de grandeur différents. Nous étudions également le problème du calcul des valeurs propres tropicales (les points de non-différentiabilité du polynôme caractéristique) d'une matrice polynômiale tropicale. Du point de vue combinatoire, ce problème est équivalent à trouver une fonction de couplage: la valeur d'un couplage de poids maximum dans un graphe biparti dont les arcs sont valués par des fonctions convexes et linéaires par morceaux. Nous avons développé un algorithme qui calcule ces valeurs propres tropicales en temps polynomial. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons à la résolution de problèmes d'affectation optimale de très grande taille, pour lesquels les algorithms séquentiels classiques ne sont pas efficaces. Nous proposons une nouvelle approche qui exploite le lien entre le problème d'affectation optimale et le problème de maximisation d'entropie. Cette approche conduit à un algorithme de prétraitement pour le problème d'affectation optimale qui est basé sur une méthode itérative qui élimine les entrées n'appartenant pas à une affectation optimale. Nous considérons deux variantes itératives de l'algorithme de prétraitement, l'une utilise la méthode Sinkhorn et l'autre utilise la méthode de Newton. Cet algorithme de prétraitement ramène le problème initial à un problème beaucoup plus petit en termes de besoins en mémoire. Nous introduisons également une nouvelle méthode itérative basée sur une modification de l'algorithme Sinkhorn, dans lequel un paramètre de déformation est lentement augmenté. Nous prouvons que cette méthode itérative(itération de Sinkhorn déformée) converge vers une matrice dont les entrées non nulles sont exactement celles qui appartiennent aux permutations optimales. Une estimation du taux de convergence est également présentée.