Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2003. / Vita. Includes bibliographical references (p. 30-31).

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2007. / Vita. Includes bibliographical references (p. 51-56).

In this thesis we present new ideas and mathematical insights in the field of Compton Scattering Tomography (CST), an X-ray and gamma ray imaging technique which uses Compton scattered data to reconstruct an electron density of the target. This is an area not considered extensively in the literature, with only two dimensional gamma ray (monochromatic source) CST problems being analysed thus far. The analytic treatment of the polychromatic source case is left untouched and while there are three dimensional acquisition geometries in CST which consider the reconstruction of gamma ray source intensities, an explicit three dimensional electron density reconstruction from Compton scatter data is yet to be obtained. Noting this gap in the literature, we aim to make new and significant advancements in CST, in particular in answering the questions of the three dimensional density reconstruction and polychromatic source problem. Specifically we provide novel and conclusive results on the stability and uniqueness properties of two and three dimensional inverse problems in CST through an analysis of a disc transform and a generalized spindle torus transform. In the final chapter of the thesis we give a novel analysis of the stability of a spindle torus transform from a microlocal perspective. The practical application of our inversion methods to fields in X-ray and gamma ray imaging are also assessed through simulation work.

Mon travail de thèse se situe dans le cadre de l'analyse semi-classique. Il se divise en trois parties. Dans la première, j'ai étudié l'opérateur de Klein-Gordon semi-classique en dimension un. Dans la zone où le potentiel reste sous le niveau d'énergie, il existe pour cet opérateur des constructions de solutions WKB, similaires à celles développées pour l'opérateur de Schrödinger. Sous certaines hypothèses, on a prolongé ces solutions hors de cette zone, grâce aux méthodes utilisées près des points tournants pour l'opérateur de Schrödinger. On a ensuite étudié un exemple pour lequel on peut faire des calculs explicites. Enfin, en dimension quelconque, on a obtenu une nouvelle majoration des fonctions propres, lorsque la distance d'Agmon associée à cet opérateur a un gradient lipschitzien. La deuxième partie concerne l'opérateur de Schrödinger et l'étude des résonances en dimension un. Lorsque le potentiel présente deux puits et une mer pour les niveaux d'énergies considérés, on a obtenu des conditions de non croisement des résonances ainsi que leur graphe, grâce à la construction de modes. En présence d'un nombre quelconque de puits, cela permet également de calculer une estimation de la partie imaginaire des résonances dans le cas d'une interaction simple. Enfin, dans la troisième partie, on considère un opérateur de Schrödinger dont le potentiel présente un maximum non dégénéré. On a étudié les résonances générées par une courbe homocline qui passe par ce maximum. En dimension un, on a obtenu une condition de quantification, et par suite les résonances recherchées. En dimension quelconque, on a construit une solution asymptotique sortante le long de cette courbe, en adaptant la méthode de B. Helffer et J. Sjöstrand pour le fond de puits non résonnant. Une transformation FBI permet ensuite de conjecturer un premier niveau de résonances.

Une variété riemannienne est dite rigide lorsque la longueur des géodésiques périodiques (cas des variétés fermées) ou des géodésiques diffusées (cas des variétés ouvertes) permet de reconstruire globalement la géométrie de la variété. Cette notion trouve naturellement son origine dans des dispositifs d’imagerie numérique tels que la tomographie par rayons X. Grâce une approche résolument analytique initiée par Guillarmou et fondée sur de l’analyse microlocale (plus particulièrement sur certaines techniques récentes dues à Faure-Sjostrand et Dyatlov-Zworski permettant une étude analytique fine des flots Anosov), nous montrons que le spectre marqué des longueurs, c’est-à-dire la donnée des longueurs des géodésiques périodiques marquées par l’homotopie, d’une variété fermée Anosov ou Anosov à pointes hyperboliques détermine localement la métrique de la variété. Dans le cas d’une variété ouverte avec ensemble capté hyperbolique, nous montrons que la distance marquée au bord, c’est-à-dire la donnée de la longueur des géodésiques diffusées marquées par l’homotopie, détermine localement la métrique. Enfin, dans le cas d’une surface asymptotiquement hyperbolique, nous montrons qu’une notion de distance renormalisée entre paire de points au bord à l’infini permet de reconstruire globalement la géométrie de la surface. / A Riemannian manifold is said to be rigid if the length of periodic geodesics (in the case of a closed manifold) or scattered geodesics (in the case of an open manifold) allows to recover the full geometry of the manifold. This notion naturally arises in imaging devices such as X-ray tomography. Thanks to a analytic framework introduced by Guillarmou and based on microlocal analysis (and more precisely on the analytic study of hyperbolic flows of Faure-Sjostrand and Dyatlov-Zworski), we show that the marked length spectrum, that is the lengths of the periodic geodesics marked by homotopy, of a closed Anosov manifold or of an Anosov manifold with hyperbolic cusps locally determines its metric. In the case of an open manifold with hyperbolic trapped set, we show that the length of the scattered geodesics marked by homotopy locally determines the metric. Eventually, in the case of an asymptotically hyperbolic surface, we show that a suitable notion of renormalized distance between pair of points on the boundary at infinity allows to globally reconstruct the geometry of the surface.

<div>This thesis compiles my work on three projects.</div><div>The first project studies the cancellation of singularities in the inversion of two X-ray type transforms in the presence of conjugate points. The second project studies the recovery of singularities for the weighted cone transform. The third project studies the phenomenon of Rayleigh waves and Stoneley waves in the isotropic elastic wave equation of variable coefficients with a curved boundary.</div>

Wir geben eine rigorose Konstruktion von analytisch-regularisierten Feynman-Integralen im D-dimensionalen Minkowski-Raum als meromorphe Distributionen in den externen Impulsen, sowohl in der Impuls- als auch in der parametrischen Darstellung. Wir zeigen, dass ihre Pole durch die üblichen Power-counting Formeln gegeben sind, und dass ihr singulärer Träger in mikrolokalen Verallgemeinerungen der (+alpha)-Landauflächen enthalten ist. Als weitere Anwendungen geben wir eine Konstruktion von dimensional regularisierten Integralen im Minkowski-Raum und beweisen Diskontinuitätsformeln für parametrische Amplituden. / We give a rigorous construction of analytically regularized Feynman integrals in D-dimensional Minkowski space as meromorphic distributions in the external momenta, both in the momentum and parametric representation. We show that their pole structure is given by the usual power-counting formula and that their singular support is contained in a microlocal generalization of the alpha-Landau surfaces. As further applications, we give a construction of dimensionally regularized integrals in Minkowski space and prove discontinuity formula for parametric amplitudes.

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Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent à la géométrie fractale de processus stochastiques à travers le prisme d'un outil appelé l'analyse 2-microlocale. Ce dernier est issu d'une autre branche des mathématiques, l'analyse fonctionnelle et l'étude des équations aux dérivées partielles, et s'est avéré être pertinent pour décrire la géométrie fine de fonctions déterministes ou de processus aléatoires, généralisant notamment les exposants de Hölder classiques. Nous envisageons ainsi dans ce manuscrit différentes classes de processus, traitant en premier lieu le cas des martingales continues et de l'intégrale stochastique d'Ito. La régularité 2-microlocale de ces derniers fait notamment apparaître un autre concept, la pseudo frontière 2-microlocale, étroitement lié à son aîné. Nous appliquons également ce formalisme d'étude à une classe de processus gaussiens : le mouvement brownien multifractionnaire. Nous caractérisons ainsi sa régularité 2-microlocale et hölderienne, et déterminons dans un deuxième temps la forme générale de la dimension fractale de ses trajectoires. Dans notre étude portant sur les processus de Lévy, nous combinons le formalisme 2-microlocale à l'analyse multifractale, permettant alors de mettre en évidence des comportements géométriques n'étant pas captés par les outils usuels. Nous obtenons également en corollaire le spectre multifractal des processus fractionnaires de Lévy. Enfin, dans une dernière partie, nous nous intéressons à la définition et aux propriétés de certains processus de Markov multiparamètres, pouvant être plus généralement indicés par des ensembles. / The work presented in this thesis concerns the study of the fractal geometry of stochastic processes using the formalism of 2-microlocal analysis. The latter has been introduced in another branch of mathematics -functional analysis- but has also proved to be relevant to describe the geometry of deterministic functions or random processes, extending in particular the classic Hölder exponents. Several classes of processes are investigated in this manuscript, beginning with continuous martingales and Ito integrals. In particular, the characterisation of the 2-microlocal regularity of the latter leads to the introduction of a closely related concept: the pseudo 2-microlocal frontier. We also investigate using this formalism a class of Gaussian processes called multifractional Brownian motion and obtain a fine description of its Hölder and 2-microlocal behaviours. In addition, we characterize entirely the Hausdorff and Box dimensions of its graph. In our study of Lévy processes, we combine the 2-microlocal formalism and multifractal analysis to describe their regularity, exhibiting in particular some subtle geometrical behaviours which are not captured by classic tools. Furthermore, as a corollary of this result, we also determine the multifractal spectrum of another family of processes: the fractional Lévy processes. Lastly, we also define a class of multiparameter and set-indexed Markov processes and study its properties.

This thesis is a collection of the three projects I have worked on at Purdue. The first is a paper on thermoacoustic tomography involving circular integrating detectors that was published in Inverse Problems and Imaging. Results from this paper include demonstrating that the measurement operators involved are Fourier integral operators, as well as proving microlocal uniqueness in certain cases, and also stability. The second paper, submitted to the Journal of Inverse and Ill-Posed Problems, is much more of an application of sampling theory in to the specific case of thermoacoustic tomography. Results from this paper include demonstrating resolution limits imposed by sampling rates, and showing that aliasing artifacts appear in predictable locations in an image when the measurement operator is under sampled in either the time variable or space variables. We also show an application of a basic anti aliasing scheme based on averaging of data. The last project moves slightly away from microlocal analysis and considers the uniqueness in medical imaging of the restricted Radon transform in even dimensions. This is the classical interior problem, and we show a characterization of the range of the Radon transform, and from this are able to obtain a characterization of the kernel of the restricted Radon transform. We include figures throughout to illustrate results.