In this paper we present two hierarchically preconditioned methods for the fast solution of mesh equations that approximate 2D-elliptic boundary value problems on unstructured quasi uniform triangulations. Based on the fictitious space approach the original problem can be embedded into an auxiliary one, where both the hierarchical grid information and the preconditioner by decomposing functions on it are well defined. We implemented the corresponding Yserentant preconditioned conjugate gradient method as well as the BPX-preconditioned cg-iteration having optimal computational costs. Several numerical examples demonstrate the efficiency of the artificially constructed hierarchical methods which can be of importance in the industrial engineering, where often only the nodal coordinates and the element connectivity of the underlying (fine) discretization are available.

In the last years multilevel preconditioners like BPX became more and more popular for solving second-order elliptic finite element discretizations by iterative methods. P. Oswald has adapted these methods for discretizations of the fourth order biharmonic problem by rectangular conforming Bogner-Fox-Schmidt elements and nonconforming Adini elements and has derived optimal estimates for the condition numbers of the preconditioned linear systems. In this paper we generalize the results from Oswald to the construction of BPX and Multilevel Diagonal Scaling (MDS-BPX) preconditioners for the elasticity problem of thin smooth shells of arbitrary forms where we use Koiter's equations of equilibrium for an homogeneous and isotropic thin shell, clamped on a part of its boundary and loaded by a resultant on its middle surface. We use the two discretizations mentioned above and the preconditioned conjugate gradient method as iterative method. The parallelization concept is based on a non-overlapping domain decomposition data structure. We describe the implementations of the multilevel preconditioners. Finally, we show numerical results for some classes of shells like plates, cylinders, and hyperboloids.

Title: Algebraic Error in Matrix Computations in the Context of Numerical Solution of Partial Differential Equations Author: Jan Papež Department: Department of Numerical Mathematics Supervisor: prof. Ing. Zdeněk Strakoš, DrSc., Department of Numerical Mathe- matics Abstract: Solution of algebraic problems is an inseparable and usually the most time-consuming part of numerical solution of PDEs. Algebraic computations are, in general, not exact, and in many cases it is even principally desirable not to perform them to a high accuracy. This has consequences that have to be taken into account in numerical analysis. This thesis investigates in this line some closely related issues. It focuses, in particular, on spatial distribution of the errors of different origin across the solution domain, backward error interpretation of the algebraic error in the context of function approximations, incorporation of algebraic errors to a posteriori error analysis, influence of algebraic errors to adaptivity, and construction of stopping criteria for (preconditioned) iterative algebraic solvers. Progress in these issues requires, in our opinion, understanding the interconnections between the phases of the overall solution process, such as discretization and algebraic computations. Keywords: Numerical solution of partial...

The thesis deals with so-called evolutionary equations, a class of abstract linear operator equations, which cover a huge class of partial differential equation with and without memory. We provide a unified Hilbert space framework for the well-posedness of such equations. Moreover, we inspect the exponential stability of those problems and construct spaces of admissible inital values and pre-histories, on which a strongly continuous semigroup could be associated with the given problem. The theoretical results are illustrated by several examples.

Die Dissertation behandelt methodische und algorithmische Aspekte der Spektralelementemethode zur räumlichen Diskretisierung partieller Differentialgleichungen. Die Weiterentwicklung einer symmetriebasierten Faktorisierung ermöglicht effiziente Operatoren für Tetraederelemente. Auf Grundlage einer umfassenden Leistungsanalyse werden Engpässe in der Implementierung der Operatoren identifiziert und durch algorithmische Modifikationen der Methode eliminiert.

Philosophiae Doctor - PhD / Fitted operator finite difference methods (FOFDMs) for singularly perturbed problems have been explored for the last three decades. The construction of these numerical schemes is based on introducing a fitting factor along with the diffusion coefficient or by using principles of the non-standard finite difference methods. The FOFDMs based on the latter idea, are easy to construct and they are extendible to solve partial differential equations (PDEs) and their systems. Noting this flexible feature of the FOFDMs, this thesis deals with extension of these methods to solve interior layer problems, something that was still outstanding. The idea is then extended to solve singularly perturbed time-dependent PDEs whose solutions possess interior layers. The second aspect of this work is to improve accuracy of these approximation methods via methods like Richardson extrapolation. Having met these three objectives, we then extended our approach to solve singularly perturbed two-point boundary value problems with variable diffusion coefficients and analogous time-dependent PDEs. Careful analyses followed by extensive numerical simulations supporting theoretical findings are presented where necessary.

Dans cette thèse, j'étudie des équations aux dérivées partielles qui modélisent des phénomènes biologiques.Dans la première partie, je m'intéresse à une variante des équations de Keller-Segel qui modélise la chimiotaxie des micro-organismes et vise à expliquer la façon dont des colonies bactériennes s'auto-organisent et forment, en fonction de la quantité de nutriments disponibles, différents motifs géométriques. Pour le modèle en question, je construis des solutions et j'étudie leur comportement en temps long. Je montre que certaines solutions explosent en temps fini.Dans la deuxième partie, je m'intéresse au modèle Intègre et tire avec bruit et fuite non-linéaire, une équation de type Fokker-Planck qui décrit l'activité d'un réseau de neurones. J'améliore certaines estimées sur l'existence globale et l'explosion en temps fini et je démontre des résultats pour une variante du modèle avec un délai synaptique : existence globale, comportement en temps long, recherche de solutions périodiques.Dans la troisième partie, je propose une modélisation d'abord stochastique, ensuite déterministe, pour le phénomène d'adaptation des dommages à l'ADN chez les eucaryote. Des simulations numériques sont proposées et commentées. / In this thesis, I study some partial differential equations modelling biological phenomena.In the first part, I am concerned with a variant of the Keller-Segel equations which models chemotaxis in microorganisms and aims at understanding the way they self-organise and form, depending upon the density of nutrients, different geometrical patterns. For this model, I construct solutions and I study their long time behaviour. I show that some solutions blow-up in finite time.In the second part, I study the model Nonlinear Noisy leaky integrate and fire, a Fokker-Planck type equation which describes the activity of a neural network. I upgrade some estimates on global existence and finite time blow-up and I prove results for a variant of the model in which a synaptic delay is added : global existence, long time behaviour, search of periodic solutions.In the third part, I propose a stochastic model, and then a deterministic model, for the phenomenon of adaptation to DNA damage in eukaryotes. Numerical simulations are proposed and discussed.

Cette thèse est divisée en deux parties reliées par un même fil conducteur. Elle porte sur l'étude théorique et l'application de modèles mathématiques décrivant des dynamiques de population où les individus se reproduisent et meurent à des taux dépendant de leur âge et d'un trait phénotypique. Le trait est fixé durant la vie de l'individu. Il est modifié au fil des générations par des mutations apparaissant lors de la reproduction. On modélise la sélection naturelle en introduisant un taux de mortalité densité-dépendant décrivant la compétition pour les ressources.Dans une première partie, nous nous intéressons au comportement en temps long d'une équation aux dérivées partielles de sélection-mutation structurée en âge décrivant une grande population d'individus. En étudiant les propriétés spectrales d'une famille d'opérateurs positifs sur un espace de mesures, nous montrons l'existence de mesures stationnaires pouvant admettre des masses de Dirac en les traits maximisant la fitness. Lorsque ces mesures admettent une densité continue, nous montrons la convergence des solutions vers cet (unique) état stationnaire.La seconde partie de cette thèse est motivée par un problème issu de la biologie du vieillissement. Nous voulons comprendre l'apparition et le maintien au cours de l'évolution d'un marqueur de sénescence observé chez l'espèce Drosophila melanogaster. Pour cela, nous introduisons un modèle individu-centré décrivant la dynamique d'une population structurée par l'âge et par le trait d'histoire de vie suivant : l'âge de fin de reproduction et celui où la mortalité devient non-nulle. Nous modélisons également l'effet Lansing, qui est l’effet suivant lequel « la descendance de parent jeune vit plus longtemps que celle de parents vieux » . Nous montrons, sous des hypothèses de grande population et de mutations rares, que l'évolution amène ces deux traits à coïncider. Pour cela, nous sommes amenés à étendre l'équation canonique de la dynamique adaptative à une situation où le gradient de fitness n'admet pas des propriétés de régularité suffisantes. L'évolution du trait n'est plus décrite par la trajectoire (unique) d'une équation différentielle ordinaire mais par un ensemble de trajectoires solutions d'une inclusion différentielle. / This thesis is divided into two parts connected by the same thread. It concerns the theoretical study and the application of mathematical models describing population dynamics. The individuals reproduce and die at rates which depend on age a and phenotypic trait. The trait is fixed duringthe life of the individual. It is modified over generations by mutations appearing during reproduction. Natural selection is modeled by introducing a density-dependent mortality rate describing competition for resources.In the first part, we study the long-term behavior of a selection-mutation partial differential equation with age structure describing such a large population. By studying the spectral properties of a family of positive operators on a measures space, we show the existence of stationary measures that can admit Dirac masses in traits maximizing fitness. When these measures admit a continuous density, we show the convergence of the solutions towards this (unique) stationary state.The second part of this thesis is motivated by a problem from the biology of aging. We want to understand the appearance and maintenance during evolution of a senescence marker observed in the species Drosophila melanogaster. For this, we introduce an individual-based model describing the dynamics of a population structured by age and by the following life history trait: the age of reproduction ending and the one where the mortality becomes non-zero. We also model the Lansing effect, which is the effect through which the “progeny of old parents do not live as long as those of young parents”. We show, under large population and rare mutation assumptions, that the evolution brings these two traits to coincide. For this, we are led to extend the canonical equation of adaptive dynamics to a situation where the fitness gradient does not admit sufficient regularity properties. The evolution of the trait is no longer described by the (unique) trajectory of an ordinary differential equation but by a set of trajectories solutions of a differential inclusion.

Cette thèse s'inscrit dans le vaste domaine des équations aux dérivées partielles et des systèmes dynamiques, et s'articule autour de deux sujets distincts. Le premier est relié à l'étude des équations de coagulation-fragmentation discrètes avec diffusion. En utilisant des lemmes de dualité, on établit de nouvelles estimations $L^p$ pour des moments polynomiaux associés aux solutions, sous une hypothèse de convergence des coefficients de diffusion. Ces estimations sur les moments permettent ensuite d'obtenir de nouveaux résultats de régularité, et de démontrer qu'une fragmentation suffisamment forte peut empêcher la gelation dans le modèle incluant la diffusion. Le second sujet est celui des preuves assistées par ordinateur dans le domaine des systèmes dynamiques. On améliore et on applique une méthode basée sur le théorème du point fixe de Banach, permettant de valider a posteriori des solutions numériques. Plus précisément, on élargit le cadre d'application de cette méthode pour inclure des opérateurs avec un terme dominant linéaire tridiagonal, on perfectionne une technique permettant de calculer et de valider des variétés invariantes, et on introduit une nouvelle technique qui améliore de manière significative l'utilisation de l'interpolation polynomiale dans le cadre de ces méthodes de preuves assistées par ordinateur. Ensuite, on applique ces techniques pour démontrer l'existence d'ondes progressives pour l'équation du pont suspendu, et pour étudier les états stationnaires non homogènes d'un système de diffusion croisée. / This thesis falls within the broad framework of partial differential equations and dynamical systems, and focuses more specifically on two independent topics. The first one is the study of the discrete coagulation-fragmentation equations with diffusion. Using duality lemma we establish new $L^p$ estimates for polynomial moments of the solutions, under an assumption of convergence of the diffusion coefficients. These moment estimates are then used to obtain new results of smoothness and to prove that strong enough fragmentation can prevent gelation even in the diffusive case. The second topic is the one of computer-assisted proofs for dynamical systems. We improve and apply a method enabling to a posteriori validate numerical solutions, which is based on Banach's fixed point theorem. More precisely, we extend the range of applicability of the method to include operators with a dominant linear tridiagonal part, we improve an existing technique allowing to compute and validate invariant manifolds, and we introduce an new technique that significantly improves the usage of polynomial interpolation for a posteriori validation methods. Then, we apply those techniques to prove the existence of traveling waves for the suspended bridge equation, and to study inhomogeneous steady states of a cross-diffusion system.

Dans le cadre de la thèse des modèles physico-mathématiques pour des microsystèmes électromécaniques avec une permittivité générale sont développés et analysés par des méthodes mathématiques modernes du domaine des équations aux dérivées partielles. En particulier ces systèmes sont à frontière libre et pour conséquence difficiles à traiter. Des méthodes numériques ont été développées pour valider les résultats analytiques obtenus. / In the framework of this thesis physical/mathematical models for microelectromechanical systems with general permittivity have been developed and analysed with modern mathematical methods from the domain of partial differential equations. In particular these systems are moving boundary problems and thus difficult to handle. Numerical methods have been developed in order to validate the obtained analytical results.