Integrable systems arise in nonlinear processes and, both in their classical and quantum version, have many applications in various fields of mathematics and physics, which makes them a very active research area. In this thesis, the problem of integrability of multidimensional equations, especially in three dimensions (3D), is explored. We investigate systems of differential, differential-difference and discrete equations, which are studied via a novel approach that was developed over the last few years. This approach, is essentially a perturbation technique based on the so called method of dispersive deformations of hydrodynamic reductions . This method is used to classify a variety of differential equations, including soliton equations and scalar higher-order quasilinear PDEs. As part of this research, the method is extended to differential-difference equations and consequently to purely discrete equations. The passage to discrete equations is important, since, in the case of multidimensional systems, there exist very few integrability criteria. Complete lists of various classes of integrable equations in three dimensions are provided, as well as partial results related to the theory of dispersive shock waves. A new definition of integrability, based on hydrodynamic reductions, is used throughout, which is a natural analogue of the generalized hodograph transform in higher dimensions. The definition is also justified by the fact that Lax pairs the most well-known integrability criteria are given for all classification results obtained.

In this work we apply the method of hydrodynamic reductions to study the integrability of the class of second order quasilinear equations.

By enlarging the spatial and temporal spectral problems within a certain Lie algebra, a hierarchy of integrable couplings of the Kaup-Newell soliton equations is constructed. The recursion operator of the resulting hierarchy of integrable couplings is explicitly computed. The integrability of the new coupling hierarchy is exhibited by showing the existence of infinitely many commuting symmetries.

Στην παρούσα εργασία ασχολούμαστε με μεθόδους κατασκευής λύσεων για μη γραμμικές μερικές διαφορικές εξώσεις (ΜΔΕ) εξέλιξης, δηλαδή εξισώσεις που περιγράφουν μια φυσική κατάσταση που εξελίσσεται χρονικά, και διακρίνονται σε γραμμικές και μη γραμμικές. Για την επίλυση των γραμμικών ΜΔΕ εξέλιξης υπάρχει η μέθοδος του μετασχηματισμού Fourier. Για τις μη γραμμικές ΜΔΕ εξέλιξης δεν υπάρχει κάποια γενική μέθοδος κατασκευής λύσεων. Πολλές απ’ αυτές, έχουν την ιδιότητα να επιδέχονται ειδικές λύσεις που ονομάζονται σολιτόνια. Βασικό χαρακτηριστικό των σολιτονίων είναι η «ελαστική» αλληλεπίδρασή τους. Πρώτοι οι Zabusky και Kruskal ανακάλυψαν το 1965 ότι η εξίσωση των Korteweg και De Vries (KdV) επιδέχεται σολιτονική λύση. Σχεδόν αμέσως οι Gardner, Greene, Kruskal και Miura [1967,1974] βρήκαν μια μέθοδο κατασκευής σολιτονικής λύσης για την εξίσωση KdV. Η μέθοδος βασίζεται στην λογική της σκέδασης και της αντίστροφης σκέδασης. Η μέθοδος της αντίστροφης σκέδασης, λειτουργεί ανάλογα με αυτή του μετασχηματισμού Fourier για τις γραμμικές, και αποτελεί το κύριο μέρος αυτής της εργασίας. Ειδικότερα: Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζουμε παραδείγματα γραμμικών εξισώσεων εξέλιξης σε μία χωρική διάσταση, καθώς και λύσεις αυτών. Στη συνέχεια, αναζητούμε σολιτονικές λύσεις για τις μη γραμμικές ΜΔΕ εξέλιξης και κλείνουμε με ένα παράδειγμα μη γραμμικής ΜΔΕ εξέλιξης στις δύο χωρικές διαστάσεις. Στο δεύτερο κεφάλαιο, δείχνουμε πώς μπορούμε να κατασκευάσουμε λύσεις προβλημάτων αρχικών τιμών (ΠΑΤ) για γραμμικές εξισώσεις εξέλιξης, με χρήση του μετασχηματισμού Fourier. Στη συνέχεια, γίνεται εφαρμογή της μεθόδου της αντίστροφης σκέδασης στην κατασκευή λύσεων για μη γραμμικές ΜΔΕ εξέλιξης. Στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται εφαρμογή της μεθόδου της αντίστροφης σκέδασης στο ΠΑΤ για την εξίσωση KdV. Για κατάλληλη επιλογή της αρχικής συνθήκης διαπιστώνουμε ότι η KdV επιδέχεται σολιτονικές λύσεις. Συγκεκριμένα, επιλέγουμε αρχικές συνθήκες που εξελίσσονται χρονικά σε σολιτονική, 2-σολιτονική και 3-σολιτονική λύση. Τέλος, παρουσιάζουμε ένα πρόγραμμα σε περιβάλλον Mathematica που κατασκευάζει πολυσολιτονική λύση για την εξίσωση KdV. Το τέταρτο κεφάλαιο αφιερώνεται στα ζεύγη Lax, τα οποία είναι ζεύγη γραμμικών εξισώσεων εξέλιξης. Αυτό που τα χαρακτηρίζει είναι ότι, η συνθήκη συμβατότητας αυτών είναι η εξίσωση εξέλιξης που μας ενδιαφέρει. Σε αυτό βασίζεται και η μέθοδος των Ablowitz, Kaup, Newell και Segur (AKNS), για την κατασκευή λύσεων μη γραμμικών εξισώσεων εξέλιξης. Εφαρμόζουμε την μέθοδο AKNS στην εξίσωση KdV για να κατασκευάσουμε σολιτονικές λύσεις. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο, ασχολούμαστε με την αναδιατύπωση ενός ΠΑΤ ως πρόβλημα Riemann-Hilbert. Επιπλέον, δείχνουμε πώς συνδέεται ένα πρόβλημα αντίστροφης σκέδασης με ένα πρόβλημα Riemann-Hilbert, θεωρώντας την εξίσωση KdV. Τέλος, αναφερόμαστε στην σύνδεση προβλημάτων αρχικών-συνοριακών τιμών με το πρόβλημα Riemann-Hilbert και κάνουμε μια επισκόπιση στη σύγχρονη βιβλιογραφία και παρουσιάζουμε πρόσφατα αποτελέσματα σε αυτή την κατεύθυνση. / In this master thesis our subject is to construct solutions for nolinear partial differential evolution equations (PDEs), which are equations that describe a physical model that evolves in time, and can be either linear or nonlinear. For solving linear PDEs we use the Fourier Transform (FT), while for nonlinear PDEs a general method for constructing solutions does not exist. Many of them admit special kind of solutions that are called solitons. A basic property of solitons, is that they interact in an elastic way. In 1965, Zabusky and Kruskal were the first to discover that the Korteweg & de Vries (KdV) equation admits a soliton solution. Straightforward Gardner, Greene, Kruskal and Miura [1967, 1974] found a method to contruct a soliton solution for the KdV equation. This method is based on the Inverse Scattering Transform (IST). The IST is the nonlinear FT- analogue, and a big part of our work is devoted to this method. Particularly: In the first chapter, we introduce some examples of linear evolution equations in one spatial dimension, and their solutions. We then construct soliton solutions for nonlinear evolution PDEs and an example in 2 spatial dimensions is considered. The second chapter deals with Initial Value Problems (IVP) and their solution construction via the FT. We also apply the IST to construct solutions for nonlinear evolution PDEs. In the third chapter, we consider KdV as an example of an evolution equation that is integrable under the IST, by the knowledge of the initial distribution of the solution. For a specific choise of the initial condition we establish that KdV equation admits soliton solutions. Especially, we choose initial conditions that evolve in time to 1-soliton, 2-soliton and multi-soliton solution. Finally, we present a program with Mathematica that constructs multi-soliton solution for the KdV. The lax pair for a nonlinear evolution equation is introduced in the fourth chapter. Lax pairs are pairs of linear PDEs and, often, their compatibility condition is the nonlinear equation we study. The method produced by Ablowitz, Kaup, Newell and Segur (AKNS), for constructing solutions for nonlinear evolution equations, is based on Lax pairs. We apply this method to KdV. The last chapter refers to Riemann Hilbert (RH) problems and their connection with the Inverse Scattering problem. We use KdV to show this connection. Finally, we mention how an Initial and Boundary Value Problem (IBVP) and an RH problem are connected. A quick review of recent results is considered.

Όπως μπορεί κανείς να καταλάβει και από τον τίτλο, η εργασία έχει να κάνει με μία μέθοδο επίλυσης μη γραμμικών μερικών διαφορικών εξισώσεων και, συγκεκριμένα, μιας οικογένειας τέτοιων εξισώσεων, που ονομάζονται εξισώσεις εξέλιξης. Πολλές από αυτές, μάλιστα, επιδέχονται ειδικού τύπου λύσεις που είναι γνωστές με το όνομα σολιτόνια (solitons). Αρχικά, μας απασχολεί η έννοια της ολοκληρωσιμότητας, για την οποία όμως δεν υπάρχει κάποιος σαφής ορισμός. Παρ' όλα αυτά, μπορούμε να πούμε ότι μία διαφορική εξίσωση καλείται ολοκληρώσιμη όταν μπορεί να γραμμικοποιηθεί άμεσα ή έμμεσα. Ο όρος έμμεση γραμμικοποίηση συνδέεται με την έννοια της ύπαρξης ζευγαριού Lax, την οποία εξηγούμε χρησιμοποιώντας εργαλεία της θεωρίας τελεστών. Για τις μη γραμμικές εξισώσεις εξέλιξης, έχει αναπτυχθεί πλέον πλήθος μεθόδων ανάλυσης, στα πλαίσια της ολοκληρωσιμότητας, και υπάρχει πλούσια σχετική βιβλιογραφία. Αναφέρουμε συνοπτικά μερικές από αυτές χρησιμοποιώντας κάποια παραδείγματα, ενώ επικεντρωνόμαστε στην αναλυτική περιγραφή μιας μεθόδου που πρώτοι παρουσίασαν οι Zakharov και Shabat το 1974. Η μέθοδος αυτή, η οποία αναπτύχθηκε λίγο μετά τη μέθοδο της αντίστροφης σκέδασης, ονομάζεται μέθοδος ένδυσης (dressing method) ή σχήμα των ZS. Για την παρουσίασή της, χρησιμοποιούμε μόνο τελεστές χωρίς να αναφερόμαστε πουθενά στα δεδομένα σκέδασης του προβλήματος. Εισάγουμε, με τη βοήθεια διαφορικών και ολοκληρωτικών τελεστών, το γυμνό (undressed) και το ντυμένο (dressed) τελεστή και, έπειτα, δείχνουμε πώς από αυτούς προκύπτει η γενικευμένη εξίσωση Lax. Παραθέτουμε κάποια παραδείγματα εξισώσεων στις οποίες εφαρμόζεται η μέθοδος και, τέλος, κατασκευάζουμε σολιτονικές λύσεις για τη μη γραμμική εξίσωση του Schrödinger, με τη βοήθεια της ολοκληρωτικής εξίσωσης των Gelfand-Levitan-Marchenko. Πέρα από την περιγραφή της μεθόδου ένδυσης στην αρχική της μορφή, βλέπουμε και πώς αυτή εμφανίζεται στη σύγχρονη βιβλιογραφία. Με την πάροδο του χρόνου εξελίχθηκε αρκετά και συνδέθηκε με προβλήματα της μιγαδικής ανάλυσης και, πιο συγκεκριμένα, με τα προβλήματα Riemann-Hilbert (RH) και dbar που, με τη σειρά τους, προκύπτουν σε πολλές εφαρμογές των μαθηματικών. Από ένα μεγάλο πλήθος πρόσφατα δημοσιευμένων άρθρων, παρουσιάζουμε αναλυτικότερα ένα, αυτό των Bogdanov και Zakharov (2002), που αφορά στην εξίσωση Boussinesq. Περιγράφουμε μια ειδικότερη μορφή της μεθόδου ένδυσης, η οποία ονομάζεται ένδυση dbar (dbar-dressing) και αναλύουμε, μέσω αυτής, τις σολιτονικές λύσεις και το συνεχές φάσμα της εξίσωσης Boussinesq. Οι σολιτονικές λύσεις της εξίσωσης παρουσιάζουν μία πολύ ιδιαίτερη συμπεριφορά, η οποία έρχεται σε αντίθεση με τον ευσταθή χαρακτήρα των σολιτονίων. / As one can understand from the title, our main subject is a method for solving nonlinear partial differential equations and in particular a family of such equations, called evolution equations. Many of them admit a special kind of solutions, known as solitons. One of our basic interests is the integrability of a nonlinear evolution equation, although a specific definition for that does not exist in the bibliography. However, a partial differential equation is considered to be integrable when it can be linearized directly or indirectly. By indirect linearization we mean the existence of a Lax pair for the initial equation and this connection is explained in terms of operator theory. In the frame of integrability, a large number of methods dealing with the study and analysis of nonlinear evolution equations has been developed. We briefly mention some of them and present some examples, while we focus on the analytic description of a method which was introduced by Zakharov and Shabat, in 1974. This method was developed right after the Inverse Scattering Method and it is known as dressing method or ZS scheme. In order to present it, a dressed and undressed operator are introduced, by the use of operators only whithout refering to the scattering data. Based on those operators the generalized Lax equation is produced. Then we present a number of examples of evolution equations which can be solved via the dressing method and finally we constract soliton solutions for the nonlinear Schrödinger equation by solving the Gelfand-Levitan-Marchenko integral equation. Appart from the description of dressing method in its initial form, a quick review of recent papers and results is considered. The method evolved through time and was connected with some problems of complex analysis and specifically the Riemann-Hilbert (RH) and dbar problems. Those two problems arise in many mathematical and physical applications. From a wide range of recent published articles, we analytically present one which was written by Bogdanov and Zakharov (2002) and deals with Boussinesq equation. The continuous spectrum and soliton solutions are investigated, using a special form of dressind method called dbar-dressing. Soliton solutions for the Boussinesq equations demonstrate a quite extraordinary behaviour destroying the stereotype of usual solitons which are considered to be stable objects.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η μελέτη μιας οικογένειας εξισώσεων διαφορών (ή διακριτών εξισώσεων) χρησιμοποιώντας μεθόδους συμμετριών. Τέτοιες μέθοδοι είναι καλά θεμελιωμένες για την μελέτη και κατασκευή λύσεων διαφορικών εξισώσεων. Στόχος είναι η χρήση συμμετριών για τη σύνδεση διαφορικών και διακριτών εξισώσεων, καθώς και η κατασκευή λύσεων των τελευταίων από συμμετρικές λύσεις των πρώτων. Συγκεκριμένα, μελετάμε διακριτές εξισώσεις που είναι αφινικά γραμμικές, έχουν τις συμμετρίες του τετραγώνου και εμπλέκουν τέσσερεις τιμές μιας άγνωστης συνάρτησης δύο ακέραιων μεταβλητών, οι οποίες σχηματιζούν ένα στοιχειώδες τετράπλευρο στο επίπεδο των ανεξάρτητων μεταβλητών. Η διεξοδική μελέτη αυτής της οικογένειας οδηγεί στην κατασκευή ενός νόμου διατήρησης καθώς και σε συνθήκες γραμμικοποιήσης. Μέλη αυτής της οικογένειας είναι και οι ολοκληρώσιμες εξισώσεις της ταξινόμησης των Adler, Bobenko, Suris (ABS). Η ολοκληρωσιμότητα των εξισώσεων ABS προκύπτει από την πολυδιάστατη συμβατότητά τους. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να επεκταθούν κατάλληλα σε εξισώσεις πολλών ανεξάρτητων μεταβλητών. Η ιδιότητα αυτή μας επιτρέπει να κατασκευάσουμε άμεσα έναν αυτομεταχηματισμό Bäcklund και ένα ζευγάρι Lax χρησιμοποιώντας τις ίδιες τις εξισώσεις, στοιχεία που αποτελούν άλλη μια ένδειξη της ολοκληρωσιμότητάς τους. Η εξάρτηση των εξισώσεων ABS από δύο συνεχείς παραμέτρους μας επιτρέπει να μελετήσουμε επιπλέον και τις επεκταμένες συμμετρίες τους, δηλαδή τις συμμετρίες που δρουν και στις παραμέτρους. Αυτές οι συμμετρίες αποτελούν το βασικό εργαλείο για τη σύνδεσή τους με ολοκληρώσιμα συστήματα διαφορικών εξισώσεων. Την ολοκληρωσιμότητα αυτών των συμβατών διαφορικών συστημάτων την αποδεικνύουμε κατασκευάζοντας έναν αυτομετασχηματισμό Bäcklund και ένα ζευγάρι Lax. Η σύνδεση αυτή μας επιτρέπει να κατασκευάσουμε λύσεις των διακριτών εξισώσεων από λύσεις του συμβατού συστήματος διαφορικών εξισώσεων, οι οποίες συνδέονται με λύσεις των συνεχών εξισώσεων Painlevé. Από την άλλη, παρουσιάζεται η σύνδεση αυτών των συστημάτων διαφορικών εξισώσεων με τις γεννήτριες εξισώσεις. Οι τελευταίες παρουσιάστηκαν αρχικά από τους Nijhoff, Hone, Joshi χρησιμοποιώντας άλλη προσέγγιση. Ωστόσο, η προσέγγιση μέσω συμμετρικών αναγωγών που παρουσιάζουμε εδώ είναι πιο άμεση και οδηγεί στα ίδια συμπεράσματα. Συνοψίζοντας, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια καινοτομική χρήση των συμμετριών των διακριτών εξισώσεων για την κατασκευή λύσεων, αλλά και την σύνδεσή τους με συστήματα διαφορικών εξισώσεων. / In the present dissertation, we present the study of a family of discrete equations using symmetry-based techniques. Such methods are well established for the study of differential equations. We use the symmetries of discrete equations to establish new connections between discrete and differential equations, as well as to construct new solutions of the former in terms of similarity solutions of the latter. Specifically, we study discrete equations which are affine linear, possess the symmetries of the square and involve four values of an unknown function of two independent discrete variables forming a quadrilateral. The extensive study of this class leads to a conservation law, as well as to linearization conditions. Members of this family are the integrable equations of the Adler, Bobenko, Suris (ABS) classification. The integrability of the ABS equations follows from their multidimensional consistency. The latter implies that, the equation may be extended in a multidimensional lattice. This property allows us to derive directly an auto– Bäcklund transformation and a Lax pair, using the function defining these equations. These are another evidence of the integrability of the ABS equations. The dependence of these equations on two continuous parameters permits us to study their extended symmetries, i.e. symmetries acting on the parameters as well. These symmetries are our main tool in connecting the ABS equations to integrable systems of differential equations. The integrability of the latter is proved by the construction of an auto–Bäcklund transformation and a Lax pair. This connection provides us the means to construct solutions of the discrete equations from solutions of the compatible differential system, which are related to solutions of the continuous Painlevé equations. On the other hand, we present how these systems lead naturally to generating differential equations, which were presented by Nijhoff, Hone and Joshi starting from another point of view. However, our construction through symmetry reductions is more straightforward. Thus, in the present thesis is presented a novel usage of the symmetries of discrete equations in the construction of solutions and the connection between discrete and differential equations.

In the present work, we introduce a never before studied soliton equation called the intermediate mixed Manakov (IMM) equation. Through a pole ansatz, we prove that the equation has N-soliton solutions with pole parameters governed by the hyperbolic Calogero-Moser system. We also show that there are spatially periodic N-soliton solutions with poles obeying elliptic Calogero-Moser dynamics. A Lax pair is given in the form of a Riemann-Hilbert problem on a cylinder. A similar Lax pair is shown to imply a novel spin generalization of the intermediate nonlinear Schrödinger equation. Some conservation laws for the IMM are proven. We demonstrate that the IMM can be written as a Hamiltonian system, with one of these conserved quantities as the Hamiltonian. Finally, a physical interpretation is given by showing that the IMM can be rewritten to describe a system of two nonlocally coupled fluids, with nonlinear self-interactions. / Vi presenterar en aldrig tidigare studerad solitonekvation som vi döper till ‘the intermediate mixed Manakov equation’ (ungefär ‘den mellanliggande kopplade Manakovekvationen’. Kortform: IMM). Genom en polansats bevisar vi att ekvationen har N-solitonlösningar där polparametrarna utgör ett hyperboliskt Calogero-Mosersystem. Vi visar också att det finns rumsligt periodiska N-solitonlösningar vars poler följer elliptisk Calogero-Moserdynamik. Ett Laxpar ges i form av ett Riemann-Hilbertproblem på en cylinder. Vi demonstrerar att ett liknande Laxpar leder till en ny spinngeneralisering av den s.k. INLS-ekvationen. Några bevarandelagar för IMM bevisas. Vi visar att IMM-ekvationen kan skrivas som ett Hamiltonskt system, där Hamiltonianen är en av våra tidigare bevarade storheter. Till sist ger vi en fysikalisk tolkning av vår ekvation genom att demonstrera hur den beskriver ett system av ickelokalt interagerande vätskor, med ickelinjära självinteraktioner.

Les systèmes dynamiques qui évoluent sur un grand intervalle de temps (dynamique moléculaire, prédiction astronomique, turbulence...) occupent une place importante dans le domaine de la science de l'ingénieur. Leur résolution numérique constitue, jusqu'à l'heure actuelle, un défi. En effet, la simulation de la solution nécessite un solveur non seulement rapide mais aussi qui respecte les propriétés physiques du problème, pour garantir la stabilité. Dans cette thèse, on se propose d'étudier, vis-à-vis de cette problématique, un schéma d'intégration temporelle basée sur la décomposition de la solution en série temporelle, suivie de la technique de resommation de Borel des séries divergentes. On analyse alors la rapidité du schéma sur des problèmes modèles. Ensuite, on montre sa capacité à préserver la structure des équations (symplecticité, iso-spectralité, conservation de l'énergie...) à un ordre arbitrairement élevé. Par la suite, on applique le schéma à la résolution d'équations aux dérivées partielles issues de la mécanique, dont les équations de la chaleur, de Burgers et de Navier-Stokes bidimensionnelles. Pour cela, on associe le schéma à une méthode de discrétisation par éléments finis en espace. Enfin, dans le but de rendre l'algorithme plus robuste, on s'intéresse à la représentation de la somme de Borel par une série de factorielle généralisée. / Dynamical systems which evolve in a large time interval (molecular dynamic, astronomical prediction, turbulence…) take an important place in engineering science. Their numerical resolution has so far constituted a challenge. Indeed, the simulation of the solution requires a solver which is not only fast but also respects the physical properties of the problem, to ensure the stability. In this thesis, we propose to study, regarding this issue, a time integration scheme based on the decomposition of the solution into time series, followed by Borel's resummation technique of divergent series. We analyse the speed of scheme on model problems. Next, we show its capability to preserve the structure of the equation (symplecticity, iso-spectrality, conservation of energy…) up to an arbitrary high order. Thereafter, we use the scheme to resolve partial differential equations coming from mechanics, including the two-dimensional heat equation, Burger’s equation and the Navier-Stokes equation. To this aim, we choose a finite element method for space discretisation. Finally, and in order to make the algorithm more robust, we are interested in the representation of the Borel sum by a generalized factorials series.