Since the advent of the first ionizing radiation imaging devices initiated by Godfrey Newbold Hounsfield and Allan MacLeod Cormack, Nobel Prizes in 1979, the requirement for new non-invasive imaging techniques has grown. These techniques rely upon the properties of penetration in the matter of X and gamma radiation for detecting a hidden structure without destroying the illuminated environment. They are used in many fields ranging from medical imaging to non-destructive testing through. However, the techniques used so far suffer severe degradation in the quality of measurement and reconstructed images. Usually approximated by a noise, these degradations require to be compensated or corrected by collimating devices and often expensive filtering. These degradation is mainly due to scattering phenomena which may constitute up to 80% of the emitted radiation in biological tissue. In the 80's a new concept has emerged to circumvent this difficulty : the Compton scattering tomography (CST).This new approach proposes to measure the scattered radiation considering energy ranges ( 140-511 keV) where the Compton effect is the phenomenon of leading broadcast. The use of such imaging devices requires a deep understanding of the interactions between radiation and matter to propose a modeling, consistent with the measured data, which is essential to image reconstruction. In conventional imaging systems (which measure the primary radiation) the Radon transformdefined on the straight lines emerged as the natural modeling. But in Compton scattering tomography, the measured information is related to the scattering energy and thus the scattering angle. Thus the circular geometry induced by scattering phenomenon makes the classical Radon transform inadequate.In this context, it becomes necessary to provide such Radon transforms on broader geometric manifolds.The study of the Radon transform on new manifolds of curves becomes necessary to provide theoretical needs for new imaging techniques. Cormack, himself, was the first to extend the properties of the conventional Radon transform of a family of curves of the plane. Thereafter several studies have been done in order to study the Radon transform defined on different varieties of circles, spheres, broken lines ... . In 1994 S.J. Norton proposed the first modality in Compton scattering tomography modeled by a Radon transform on circular arcs, the CART1 here. In 2010, Nguyen and Truong established the inversion formula of a Radon transform on circular arcs, CART2, to model the image formation in a new modality in Compton scattering tomography. The geometry involved in the integration support of new modalities in Compton scattering tomography lead them to demonstrate the invertibility of the Radon transform defined on a family of Cormack-type curves, called C_alpha. They illustrated the inversion procedure in the case of a new transform, the CART3, modeling a new modeling of Compton scattering tomography. Based on the work of Cormack and Truong and Nguyen, we propose to establish several properties of the Radon transform on the family C_alpha especially on C1. We have thus demonstrated two inversion formulae that reconstruct the original image via its circular harmonic decomposition and itscorresponding transform. These formulae are similar to those established by Truong and Nguyen. We finally established the well-known filtered back projection and singular value decomposition in the case alpha = 1. All results established in this study provide practical problems of image reconstruction associated with these new transforms. In particular we were able to establish new inversion methods for transforms CART1,2,3 as well as numerical approaches necessary for the implementation of these transforms. All these results enable to solve problems of image formation and reconstruction related to three Compton scattering tomography modalities.In addition we propose to improve models and algorithms es

Les contributions de cette thèse portent sur deux sujets. La première partie est dédiée à l'étude de modèles de champ moyen pour la structure électronique de matériaux avec des défauts. Dans le chapitre 2, nous introduisons et étudions le modèle de Hartree-Fock réduit (rHF) pour des cristaux désordonnés. Nous prouvons l'existence d'un état fondamental et établissons, pour les interactions de Yukawa (à courte portée), certaines propriétés de cet état. Dans le chapitre 3, nous considérons des matériaux avec des défauts étendus. Dans le cas des interactions de Yukawa, nous prouvons l'existence d'un état fondamental, solution de l'équation auto-cohérente. Nous étudions également le cas de cristaux avec une faible concentration de défauts aléatoires. Dans le chapitre 4, nous présentons des résultats de simulations numériques de systèmes aléatoires en dimension un. Dans la deuxième partie, nous étudions des modèles Monte-Carlo cinétique multi-échelles en temps. Nous prouvons, pour les trois modèles présentés au chapitre 6, que les variables lentes convergent, dans la limite de la grande séparation des échelles de temps, vers une dynamique effective. Nos résultats sont illustrés par des simulations numériques.

Cette thèse porte sur la modélisation des piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC), en vue de leur surveillance et de leur diagnostic par spectroscopie d'impédance. La première partie du document présente le principe de fonctionnement de ces piles, ainsi que l'état de l'art de la modélisation et des méthodes de surveillance et diagnostic. Le modèle physique multi échelle particulièrement détaillé publié en 2005 par A.A. Franco sert de point de départ. Il est simplifié de façon à aboutir à un système d'équations aux dérivées partielles en une unique dimension spatiale. L'objectif principal de la seconde partie est l'analyse harmonique du fonctionnement de la pile. En s'inspirant de travaux classiques sur l'analyse géométrique de réseaux de réactions électrochimiques, un modèle réduit compatible avec la thermodynamique est obtenu. Cette classe de systèmes dynamiques permet de déterminer, pour un tel réseau, une formule analytique de l'impédance de l'anode et de la cathode d'une pile PEMFC. Un modèle complet de la pile est obtenu en connectant ces éléments à des éléments représentant la membrane, les couches diffuses et les couches de diffusion des gaz. Les modèles précédents supposent la pile représentée par une cellule unique et homogène. Afin de permettre d'en décrire les hétérogénéités spatiales, nous proposons finalement un résultat de modélisation réduite d'un réseau de cellules représentées par leur impédance. Ce modèle approxime l'impédance globale du réseau par une "cellule moyenne", connectée à deux cellules "série" et "parallèle" représentatives d'écart par rapport à la moyenne.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les sujets abordés ici sont relativement variés: systèmes de fermions corrélés, structures mésoscopiques et magnétisme quantique. Un cadre global d'étude est cependant fournit par la théorie de champ moyen dynamique (DMFT), dont nous avons tout d'abord vérifié les prédictions en relation avec des expériences récentes: transport de charge dans kappa-BEDT et photoémission sur TaSe2. Pour pallier à la grande complexité des approches théoriques usuelles, nous avons développé une technique de rotateur esclave qui a été appliquée avec succés à diverses questions liées à la transition de Mott (effets orbitaux, fluctuations magnétiques, écrantage), ainsi qu'à l'étude de nanostructures, permettant d'unifier les phénomènes antagonistes de blocage de Coulomb et de transport cohérent dû à l'effet Kondo. Finalement, on propose une extension de l'approche DMFT au problème du point critique quantique dans les fermions lourds et à la question du comportement liquide de spin sur le réseau Kagomé.

Dans cette thèse, je m'intéresse à des modèles stochastiques de particules sur réseaux qui suivent une dynamique de Glauber avec contraintes cinétiques (KCSM), et particulièrement aux modèles Est et FA-1f. Ces modèles sont apparus en physique pour l'étude des systèmes vitreux. Dans ce document se trouve d'abord un résumé en français de son contenu. Puis viennent trois chapitres présentant le cadre dans lequel mes travaux s'inscrivent et montrant à la fois leurs contributions et à quelles notions et techniques ils font appel. Je centre ma présentation des KCSM sur les objets et résultats qui ont joué un rôle direct dans mes recherches. Mes articles sont regroupés en annexe avec éventuellement quelques extensions retranchées pour la publication. Le premier chapitre est une introduction aux KCSM. Le deuxième chapitre présente des résultats hors équilibre pour les KCSM. J'expose d'abord des résultats de relaxation locale ; pour le modèle FA-1f il s'agit d'un travail commun avec N. Cancrini, F. Martinelli, C. Roberto et C. Toninelli. J'étudie ensuite la progression d'un front dans le modèle Est, et montre un théorème de forme ainsi qu'un résultat d'ergodicité pour le processus vu du front. Ce résultat repose sur la quantification de la relaxation locale du processus vu du front plutôt que sur des arguments classiques de sous-additivité. Le dernier chapitre explore des questions liées à la dynamique des KCSM à basse température (soit à haute densité). Je rappelle des résultats asymptotiques sur le trou spectral des modèles Est et FA-1f et propose quelques heuristiques et conjectures. Je m'intéresse ensuite au comportement à basse température du coefficient de diffusion d'un traceur dans un KCSM, dans l'optique de donner des réponses rigoureuses à des questions posées dans la littérature physique.

La modélisation des phénomènes physiologiques induits par un écoulement, tels que l'écoulement sanguin au travers d'une sténose ou l'écoulement d'air lors de la production de parole, repose souvent sur des théories quasi-unidimensionnelles ou bi-dimensionnelles. Cependant, il est établi que le développement des couches limites dépend de la section transversale. Le but de cette thèse est de modéliser, simuler et caractériser l'importance potentielle de la section transversale sur les écoulements laminaires, contrôlés en pression, en l'absence ou en présence d'une constriction. Des coordonnées de translation sont utilisées pour obtenir des solutions pour des écoulement visqueux au travers d'une section de forme arbitraire. Cette paramétrisation est appliquée à la résolution des équations physiques pour des formes à deux et à trois dimensions. Un modèle d'écoulement simplifié quasi-tridimensionnel, qui prend en compte les pertes dissipatives par convection, la viscosité et la forme de la section est présenté et appliqué à la description de l'écoulement le long d'une sténose. Des données expérimentales et issues de simulations numériques sont collectées afin de caractériser l'influence de la forme de la section transversale dans le cas d'une constriction. simulation numérique sont comparées.

Oil is the black blood that runs through the veins of the modern global energy system. While being the dominant source of energy, oil has also brought wealth and power to the western world. Future supply for oil is unsure or even expected to decrease due to limitations imposed by peak oil. Energy is fundamental to all parts of society. The enormous growth and development of society in the last two-hundred years has been driven by rapid increase in the extraction of fossil fuels. In the foresee-able future, the majority of energy will still come from fossil fuels. Consequently, reliable methods for forecasting their production, especially crude oil, are crucial. Forecasting crude oil production can be done in many different ways, but in order to provide realistic outlooks, one must be mindful of the physical laws that affect extraction of hydrocarbons from a reser-voir. Decline curve analysis is a long established tool for developing future outlooks for oil production from an individual well or an entire oilfield. Depletion has a fundamental role in the extraction of finite resources and is one of the driving mechanisms for oil flows within a reservoir. Depletion rate also can be connected to decline curves. Consequently, depletion analysis is a useful tool for analysis and forecasting crude oil production. Based on comprehensive databases with reserve and production data for hundreds of oil fields, it has been possible to identify typical behaviours and properties. Using a combination of depletion and decline rate analysis gives a better tool for describing future oil production on a field-by-field level. Reliable and reasonable forecasts are essential for planning and nec-essary in order to understand likely future world oil production.

The issue of establishing the status of nonlinear elasticity theory for rubber with respect to the point of view of polymer physics is at the heart of this manuscript. Our aim is to develop mathematical methods to describe, understand, and solve this multiscale problem. At the level of the polymer chains, rubber can be described as a network whose nodes represent the cross-links between the polymer chains. This network can be considered as the realization of some stochastic process. Given the free energy of the polymer network, we'd like to derive a continuum model as the characteristic length of the polymer chains vanishes. In mathematical terms, this process can be viewed as a hydrodynamic limit or as a discrete homogenization, depending on the nature of the free energy of the network. In view of the works by Treloar, by Flory, and by Rubinstein and Colby on polymer physics, and in view of the stochastic nature of the network, stochastic discrete homogenization seems to be the right tool for the analysis. Hence, in order to complete our program we need to understand the stochastic homogenization of discrete systems. Two features make the analysis rich and challenging from a mathematical perspective: the randomness and the nonlinearity of the problem. The achievement of this manuscript is twofold: - a complete and sharp quantitative theory for the approximation of homogenized coefficients in stochastic homogenization of discrete linear elliptic equations; - the first rigorous and global picture on the status of nonlinear elasticity theory with respect to polymer physics, which partially answers the question raised by Ball in his review paper on open problems in elasticity. Although the emphasis of this manuscript is put on discrete models for rubber, and more generally on the homogenization of discrete elliptic equations, we have also extended most of the results to the case of elliptic partial differential equations --- some of the results being even more striking in that case.

Multisymplectic integration is a relatively new addition to the field of geometric integration, which is a modern approach to the numerical integration of systems of differential equations. Multisymplectic integration is carried out by numerical integrators known as multisymplectic integrators, which preserve a discrete analogue of a multisymplectic conservation law. In recent years, it has been shown that various discretisations of a multi-Hamiltonian PDE satisfy a discrete analogue of a multisymplectic conservation law. In particular, discretisation in time and space by the popular symplectic Runge–Kutta methods has been shown to be multisymplectic. However, a multisymplectic integrator not only needs to satisfy a discrete multisymplectic conservation law, but it must also form a well-defined numerical method. One of the main questions considered in this thesis is that of when a multi-Hamiltonian PDE discretised by Runge–Kutta or partitioned Runge–Kutta methods gives rise to a well-defined multisymplectic integrator. In particular, multisymplectic integrators that are explicit are sought, since an integrator that is explicit will, in general, be well defined. The first class of discretisation methods that I consider are the popular symplectic Runge–Kutta methods. These have previously been shown to satisfy a discrete analogue of the multisymplectic conservation law. However, these previous studies typically fail to consider whether or not the system of equations resulting from such a discretisation is well defined. By considering the semi-discretisation and the full discretisation of a multi-Hamiltonian PDE by such methods, I show the following: • For Runge–Kutta (and for partitioned Runge–Kutta methods), the active variables in the spatial discretisation are the stage variables of the method, not the node variables (as is typical in the time integration of ODEs). • The equations resulting from a semi-discretisation with periodic boundary conditions are only well defined when both the number of stages in the Runge–Kutta method and the number of cells in the spatial discretisation are odd. For other types of boundary conditions, these equations are not well defined in general. • For a full discretisation, the numerical method appears to be well defined at first, but for some boundary conditions, the numerical method fails to accurately represent the PDE, while for other boundary conditions, the numerical method is highly implicit, ill-conditioned and impractical for all but the simplest of applications. An exception to this is the Preissman box scheme, whose simplicity avoids the difficulties of higher order methods. • For a multisymplectic integrator, boundary conditions are treated differently in time and in space. This breaks the symmetry between time and space that is inherent in multisymplectic geometry. The second class of discretisation methods that I consider are partitioned Runge– Kutta methods. Discretisation of a multi-Hamiltonian PDE by such methods has lead to the following two major results: 1. There is a simple set of conditions on the coefficients of a general partitioned Runge– Kutta method (which includes Runge–Kutta methods) such that a general multi- Hamiltonian PDE, discretised (either fully or partially) by such methods, satisfies a natural discrete analogue of the multisymplectic conservation law associated with that multi-Hamiltonian PDE. 2. I have defined a class of multi-Hamiltonian PDEs that, when discretised in space by a member of the Lobatto IIIA–IIIB class of partitioned Runge–Kutta methods, give rise to a system of explicit ODEs in time by means of a construction algorithm. These ODEs are well defined (since they are explicit), local, high order, multisymplectic and handle boundary conditions in a simple manner without the need for any extra requirements. Furthermore, by analysing the dispersion relation for these explicit ODEs, it is found that such spatial discretisations are stable. From these explicit ODEs in time, well-defined multisymplectic integrators can be constructed by applying an explicit discretisation in time that satisfies a fully discrete analogue of the semi-discrete multisymplectic conservation law satisfied by the ODEs. Three examples of explicit multisymplectic integrators are given for the nonlinear Schr¨odinger equation, whereby the explicit ODEs in time are discretised by the 2-stage Lobatto IIIA– IIIB, linear–nonlinear splitting and real–imaginary–nonlinear splitting methods. These are all shown to satisfy discrete analogues of the multisymplectic conservation law, however, only the discrete multisymplectic conservation laws satisfied by the first and third multisymplectic integrators are local. Since it is the stage variables that are active in a Runge–Kutta or partitioned Runge– Kutta discretisation in space of a multi-Hamiltonian PDE, the order of such a spatial discretisation is limited by the order of the stage variables. Moreover, the spatial discretisation contains an approximation of the spatial derivatives, and thus, the order of the spatial discretisation may be further limited by the order of this approximation. For the explicit ODEs resulting from an r-stage Lobatto IIIA–IIIB discretisation in space of an appropriate multi-Hamiltonian PDE, the order of this spatial discretisation is r - 1 for r = 10; this is conjectured to hold for higher values of r. For r = 3, I show that a modification to the initial conditions improves the order of this spatial discretisation. It is expected that a similar modification to the initial conditions will improve the order of such spatial discretisations for higher values of r.