yes / The spine of an object is an entity that can characterise the object¿s topology and describes the object by a lower dimension. It has an intuitive appeal for supporting geometric modelling operations. The aim of this paper is to show how a spine for a PDE surface can be generated. For the purpose of the work presented here an analytic solution form for the chosen PDE is utilised. It is shown that the spine of the PDE surface is then computed as a by-product of this analytic solution. This paper also discusses how the of a PDE surface can be used to manipulate the shape. The solution technique adopted here caters for periodic surfaces with general boundary conditions allowing the possibility of the spine based shape manipulation for a wide variety of free-form PDE surface shapes.

No

We examine a model of solid-solid phase transitions that includes thermo-elastic effects and an order parameter. The model is derived as a special case of the Gurtin-Fried model posed in one space dimension with a symmetric triple-well free energy in which the relative heights of the wells vary with temperature. We examine the temperature independent case, showing existence of a unique classical solution of a regularized system of partial differential equations using semigroup theory. This is followed by numerical study of a finite element algorithm for the temperature independent model. Finally, we present computational material concerning the temperature dependent model. / Ph. D.

Many scientific and engineering applications require the solution of large systems of initial value problems arising from method of lines discretization of partial differential equations. For systems with widely varying time scales, or with complex physical dynamics, implicit time integration schemes are preferred due to their superior stability properties. However, for very large systems accurate solution of the implicit terms can be impractical. For this reason approximations are widely used in the implementation of such methods. The primary focus of this work is on the development of novel ``lightly-implicit'' time integration methodologies. These methods consider the time integration and the solution of the implicit terms as a single computational process. We propose several classes of lightly-implicit methods that can be constructed to allow for different, specific approximations. Rosenbrock-Krylov and exponential-Krylov methods are designed to permit low accuracy Krylov based approximations of the implicit terms, while maintaining full order of convergence. These methods are matrix free, have low memory requirements, and are particularly well suited to parallel architectures. Linear stability analysis of K-methods is leveraged to construct implementation improvements for both Rosenbrock-Krylov and exponential-Krylov methods. Linearly-implicit Runge-Kutta-W methods are designed to permit arbitrary, time dependent, and stage varying approximations of the linear stiff dynamics of the initial value problem. The methods presented here are constructed with approximate matrix factorization in mind, though the framework is flexible and can be extended to many other approximations. The flexibility of lightly-implicit methods, and their ability to leverage computationally favorable approximations makes them an ideal alternative to standard explicit and implicit schemes for large parallel applications. / Ph. D.

Hamiltonian systems of hydrodynamic type occur in a wide range of applications including fluid dynamics, the Whitham averaging procedure and the theory of Frobenius manifolds. In 1 + 1 dimensions, the requirement of the integrability of such systems by the generalised hodograph transform implies that integrable Hamiltonians depend on a certain number of arbitrary functions of two variables. On the contrary, in 2 + 1 dimensions the requirement of the integrability by the method of hydrodynamic reductions, which is a natural analogue of the generalised hodograph transform in higher dimensions, leads to finite-dimensional moduli spaces of integrable Hamiltonians. We classify integrable two-component Hamiltonian systems of hydrodynamic type for all existing classes of differential-geometric Poisson brackets in 2D, establishing a parametrisation of integrable Hamiltonians via elliptic/hypergeometric functions. Our approach is based on the Godunov-type representation of Hamiltonian systems, and utilises a novel construction of Godunov's systems in terms of generalised hypergeometric functions. Furthermore, we develop a theory of integrable dispersive deformations of these Hamiltonian systems following a scheme similar to that proposed by Dubrovin and his collaborators in 1 + 1 dimensions. Our results show that the multi-dimensional situation is far more rigid, and generic Hamiltonians are not deformable. As an illustration we discuss a particular class of two-component Hamiltonian systems, establishing triviality of first order deformations and classifying Hamiltonians possessing nontrivial deformations of the second order.

No description available.

The estimation of the gas concentration (process-state) associated with a stationary or moving source using a sensing aerial vehicle (SAV) is considered. The dispersion from such a gaseous source into the ambient atmosphere is representative of an accidental or deliberate release of chemicals, or a release of gases from biological systems. Estimation of the concentration field provides a superior ability for source localization, assessment of possible adverse impacts, and eventual containment. The abstract and finite-dimensional approximation framework presented couples theoretical estimation and control with computational fluid dynamics methods. The gas dispersion (process) model is based on the advection-diffusion equation with variable eddy diffusivities and ambient winds. Cases are considered for a 2D and 3D domain. The state estimator is a modified Luenberger observer with a €�collocated€� filter gain that is parameterized by the position of the SAV. The process-state (concentration) estimator is based on a 2D and 3D adaptive, multigrid, multi-step finite-volume method. The grid is adapted with local refinement and coarsening during the process-state estimation in order to improve accuracy and efficiency. The motion dynamics of the SAV are incorporated into the spatial process and the SAV€™s guidance is directly linked to the performance of the state estimator. The computational model and the state estimator are coupled in the sense that grid-refinement is affected by the SAV repositioning, and the guidance laws of the SAV are affected by grid-refinement. Extensive numerical experiments serve to demonstrate the effectiveness of the coupled approach.

L'imagerie d'élasticité, ou élastographie consiste à imager les propriétés visco-élastiques des tissus mous du corps humain en observant la réponse en déformation à une excitation mécanique. Cette problématique a donné lieu dans les dix dernières années à de nombreux travaux, motivés par la corrélation entre présence d'une pathologie et observation d'un contraste d'élasticité. Différentes techniques peuvent être mises en œuvre selon le type d'excitation choisie, et la manière d'estimer les déformations résultantes. Parmi les techniques se trouve une très intéressante qui consiste à induire dans le tissu mou une onde de déplacement et à observer la propagation de l'onde pendant sa traversée du milieu d'intéret. La résolution d'un problème inverse permet de déduire des données de déplacement une estimation de la carte d'élasticité du milieu. L'objectif du travail présenté dans ce document est de donner un cadre mathématique rigoureux à ce technique, en même temps dessiner des méthodes effectives pour la détection des anomalies à l'aide des mesures en régime temporel. On a considère le cadre acoustique et le cadre élastique. On a développé des techniques de reconstruction efficaces pour des mesures complètes sur la frontière mais aussi pour des mesures temporelles incomplètes, on a adapté ces techniques au cadre viscoélastique, ca veut dire que les ondes sont atténué ou dispersé ou le deux. On commence pour considérer une milieu sans dissipation. On a développé des méthodes de reconstruction des anomalies qui sont basé sur des développements asymptotiques de champ proche et de champ lointain, qui sont rigoureusement établis, du perturbation des mesures cause par l'anomalie. Il faut remarquer que pour approximer l'effet de l'anomalie par un dipôle il faut couper les composant de haut fréquence des mesures de champ lointain. Le développement asymptotique de champ lointain nous permet de développer une technique de type régression temporel pour localiser l'anomalie. On propose en utilisant le développement asymptotique de champ proche une problème de optimisation pour récupérer les propriétés géométriques et les paramètres physiques de l'anomalie. On justifie d'une manière théorique et numérique que la séparation des échelles permet de séparer les différentes informations codées aux différentes échelles. On montre les différences entre le cadre acoustique et l'élastique, principalement la tache focal anisotrope et l'effet de champ proche qu'on obtient en faisant le retournement temporal de la perturbation cause par l'anomalie. Ces observations ont été observé expérimentalement. En ce qui concerne le cadre des mesures partiels, on d´eveloppe des algorithmes de type Kirchhoff, back-propagation, MUSIC et arrival-time pour localiser l'anomalie. On utilise le méthode du control géométrique pour aborder la problématique des mesures partiels, comme résultat on obtient une méthode qui est robuste en ce qui concerne aux perturbations dans la partie de la frontière qui n'est pas accessible. Si on construit de manier précise le control géométrique, on obtient la même résolution d'imagerie que dans le cadre des mesures complet. On utilise les développements asymptotiques pour expliquer comment reconstruire une petite anomalie dans un milieu visco-élastique à partir des mesures du champ de déplacement. Dans le milieu visco-élastique la fréquence obéit une loi de puissance, pour simplicité on considère le modèle Voigt qui correspond à une fréquence en puissance deux. On utilise le théorème de la phase stationnaire pour exprimer le champ dans un milieu sans effet de viscosité, que on nommera champ idéal , en termes du champ dans un milieu visco-élastique. Après on généralise les techniques d'imagerie développes pour le modelé purement élastique quasi incompressible pour reconstruire les propriétés visco-élastiques et géométriques d'une anomalie a partir des mesures du champ de déplacement.

Dengue (pronounced den'guee) Fever (DF) and Dengue Hemorrhagic Fever (DHF), collectively known as "dengue," are mosquito-borne, potentially mortal, flu-like viral diseases that affect humans worldwide. Transmitted to humans by the bite of an infected mosquito, dengue is caused by any one of four serotypes, or antigen-specific viruses. In this thesis, both the spatial and temporal dynamics of dengue transmission are investigated. Different chapters present new models while building on themes of previous chapters. In Chapter 2, we explore the temporal dynamics of dengue viral transmission by presenting and analyzing an ODE model that combines an SIR human host- with a multi-stage SI mosquito vector transmission system. In the case where the juvenile populations are at carrying capacity, juvenile mosquito mortality rates are sufficiently small to be absorbed by juvenile maturation rates, and no humans die from dengue, both the analysis and numerical simulations demonstrate that an epidemic will persist if the oviposition rate is greater than the adult mosquito death rate. In Chapter 3, we present and analyze a non-autonomous, non-linear ODE system that incorporates seasonality into the modeling of the transmission of the dengue virus. We derive conditions for the existence of a threshold parameter, the basic reproductive ratio, denoting the expected number of secondary cases produced by a typically infective individual. In Chapter 4, we present and analyze a non-linear system of coupled reaction-diffusion equations modeling the virus' spatial spread. In formulating our model, we seek to establish the existence of traveling wave solutions and to calculate spread rates for the spatial dissemination of the disease. We determine that the epidemic wave speed increases as average annual, and in our case, winter, temperatures increase. In Chapter 5, we present and analyze an ODE model that incorporates two serotypes of the dengue virus and allows for the possibility of both primary and secondary infections with each serotype. We obtain an analytical expression for the basic reproductive number, R_0, that defines it as the maximum of the reproduction numbers for each strain/serotype of the virus. In each chapter, numerical simulations are conducted to support the analytical conclusions.

Les travaux présentés concernent l'étude analytique et numérique de différents modèles cinétiques appliqués à plusieurs domaines, plus particulièrement : aux neurosciences computationelles et à la volcanologie. Les points communs à ces sujets de recherche sont : - l'utilisation des équations aux dérivées partielles pour l'écriture des modèles mathématiques en partant d'une description microscopique du phénomène, - leur résolution numérique par des schémas déterministes, - une importante interaction avec les collègues bio et géo-physiciens. Les travaux effectuées en collaboration avec les collègues de géophysique (ISTO, Orléans), proposent une description statistique de l'évolution d'une population de bulles de gaz dans un fluide très visqueux. Cette modélisation souligne l'importance de la prise en compte de la coalescence de bulles et ouvre la voie à plusieurs axes de recherche en mathématique et en volcanologie. Les résultats obtenus en neurosciences computationelles sont basés sur des travaux récents concernant les systèmes d'équations stochastiques lents-rapides. Ils permettent de réduire un problème bidimensionnel, nécessitant des moyens de calcul importants, à un modèle unidimensionnel dont la solution d'équilibre est explicite.