La mise en œuvre de la méthode des éléments finis de frontière nécessite l'évaluation d'intégrales comportant un intégrand singulier. Un calcul fiable et précis de ces intégrales peut dans certains cas se révéler à la fois crucial et difficile. La méthode que nous proposons consiste en une réduction récursive de la dimension du domaine d'intégration et aboutit à une représentation de l'intégrale sous la forme d'une combinaison linéaire d'intégrales mono-dimensionnelles dont l'intégrand est régulier et qui peuvent s'évaluer numériquement mais aussi explicitement. L'équation de Helmholtz 3-D sert d'équation modèle mais ces résultats peuvent être utilisés pour les équations de Laplace et de Maxwell 3-D. L'intégrand est décomposé en une partie homogène et une partie régulière ; cette dernière peut être traitée par les méthodes usuelles d'intégration numérique. Pour la discrétisation du domaine, des triangles plans sont utilisés ; par conséquent, nous évaluons des intégrales sur le produit de deux triangles. La technique que nous avons développée nécessite de distinguer entre diverses configurations géométriques ; c'est pourquoi nous traitons séparément le cas de triangles coplanaires, dans des plans sécants ou parallèles. Divers prolongements significatifs de la méthode sont présentés : son extension à l'électromagnétisme, l'évaluation de l'intégrale du noyau de Green complet pour les coefficients d'auto-influence, et le calcul de la partie finie d'intégrales hypersingulières. / The implementation of the boundary element method requires the evaluation of integrals with a singular integrand. A reliable and accurate calculation of these integrals can in some cases be crucial and difficult. The proposed method is a recursive reduction of the dimension of the integration domain and leads to a representation of the integral as a linear combination of one-dimensional integrals whose integrand is regular and that can be evaluated numerically and even explicitly. The 3-D Helmholtz equation is used as a model equation, but these results can be used for the Laplace and the Maxwell equations in 3-D. The integrand is decomposed into a homogeneous part and a regular part, the latter can be treated by conventional numerical integration methods. For the discretization of the domain we use planar triangles, so we evaluate integrals over the product of two triangles. The technique we have developped requires to distinguish between several geometric configurations, that's why we treat separately the case of triangles in the same plane, in secant planes and in parallel planes.

The thesis provides answers, in one case partial and in the other final, to two conjectures in the area of weighted inequalities for Singular Integral Operators. We study the mapping properties of these operators in weighted Lebesgue spaces with weight w. The novelty of this thesis resides in proving sharp dependence of the operator norm on the Muckenhoupt constant associated to the weigth w for a rich class of Singular Integral operators. The thesis also addresses the end point case p=1, providing counterexamples for the dyadic and continuous settings.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:28:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2583.pdf: 836539 bytes, checksum: e0a45d9823e5681bd14db3b57f2cdf99 (MD5) Previous issue date: 2009-04-14 / Financiadora de Estudos e Projetos / In this work, we present necessary and suficient conditions for that an operator of Calderón-Zygmund type can be extended to a bounded operator on L2. By using results of interpolation and cancellation conditions on the kernel to obtain the boundeness in Lp, for all 1 < p < 1. / Neste trabalho, apresentamos condições necessárias e suficientes para que um operador de tipo Calderón-Zygmund possa ser estendido a um operador limitado em L2. Usando resultados de interpolação e condições de cancelamentos sobre o núcleo obter a limitação em Lp, para todo 1 < p < 1.

In dieser Arbeit setzen wir uns mit der Ph.D. Thesis von Luis Silvestre auseinander, in welcher er das Hindernisproblem für den gebrochenen Laplace Operator behandelt hat. Das Ziel war es seine Arbeit nachzuvollziehen und seine Beweise vollständig auszuformulieren. Dabei haben wir uns auf die Existenz der Lösung und erste Regularitätsresultate beschränkt.

El Método de los Momentos (MoM) ha sido ampliamente utilizado en las últimas décadas para la discretización y la solución de las formulaciones de ecuación integral que aparecen en muchos problemas electromagnéticos de antenas y dispersión. Las más utilizadas de dichas formulaciones son la Ecuación Integral de Campo Eléctrico (EFIE), la Ecuación Integral de Campo Magnético (MFIE) y la Ecuación Integral de Campo Combinada (CFIE), que no es más que una combinación lineal de las dos anteriores.Las formulaciones MFIE y CFIE son válidas únicamente para objetos cerrados y necesitan tratar la integración de núcleos con singularidades de orden superior al de la EFIE. La falta de técnicas eficientes y precisas para el cálculo de dichas integrales singulares a llevado a imprecisiones en los resultados. Consecuentemente, su uso se ha visto restringido a propósitos puramente académicos, incluso cuando tienen una velocidad de convergencia muy superior cuando son resuelto iterativamente, debido a su excelente número de condicionamiento.En general, la principal desventaja del MoM es el alto coste de su construcción, almacenamiento y solución teniendo en cuenta que es inevitablemente un sistema denso, que crece con el tamaño eléctrico del objeto a analizar. Por tanto, un gran número de métodos han sido desarrollados para su compresión y solución. Sin embargo, muchos de ellos son absolutamente dependientes del núcleo de la ecuación integral, necesitando de una reformulación completa para cada núcleo, en caso de que sea posible.Esta tesis presenta nuevos enfoques o métodos para acelerar y incrementar la precisión de ecuaciones integrales discretizadas con el Método de los Momentos (MoM) en electromagnetismo computacional.En primer lugar, un nuevo método iterativo rápido, el Multilevel Adaptive Cross Approximation (MLACA), ha sido desarrollado para acelerar la solución del sistema lineal del MoM. En la búsqueda por un esquema de propósito general, el MLACA es un método independiente del núcleo de la ecuación integral y es puramente algebraico. Mejora simultáneamente la eficiencia y la compresión con respecto a su versión mono-nivel, el ACA, ya existente. Por tanto, representa una excelente alternativa para la solución del sistema del MoM de problemas electromagnéticos de gran escala.En segundo lugar, el Direct Evaluation Method, que ha provado ser la referencia principal en términos de eficiencia y precisión, es extendido para superar el cálculo del desafío que suponen las integrales hiper-singulares 4-D que aparecen en la formulación de Ecuación Integral de Campo Magnético (MFIE) así como en la de Ecuación Integral de Campo Combinada (CFIE). La máxima precisión asequible -precisión de máquina se obtiene en un tiempo más que razonable, sobrepasando a cualquier otra técnica existente en la bibliografía.En tercer lugar, las integrales hiper-singulares mencionadas anteriormente se convierten en casi-singulares cuando los elementos discretizados están muy próximo pero sin llegar a tocarse. Se muestra como las reglas de integración tradicionales tampoco convergen adecuadamente en este caso y se propone una posible solución, basada en reglas de integración más sofisticadas, como la Double Exponential y la Gauss-Laguerre.Finalmente, un esfuerzo en facilitar el uso de cualquier programa de simulación de antenas basado en el MoM ha llevado al desarrollo de un modelo matemático general de un puerto de excitación en el espacio discretizado. Con este nuevo modelo, ya no es necesaria la adaptación de los lados del mallado al puerto en cuestión. / The Method of Moments (MoM) has been widely used during the last decades for the discretization and the solution of integral equation formulations appearing in several electromagnetic antenna and scattering problems. The most utilized of these formulations are the Electric Field Integral Equation (EFIE), the Magnetic Field Integral Equation (MFIE) and the Combined Field Integral Equation (CFIE), which is a linear combination of the other two. The MFIE and CFIE formulations are only valid for closed objects and need to deal with the integration of singular kernels with singularities of higher order than the EFIE. The lack of efficient and accurate techniques for the computation of these singular integrals has led to inaccuracies in the results. Consequently, their use has been mainly restricted to academic purposes, even having a much better convergence rate when solved iteratively, due to their excellent conditioning number. In general, the main drawback of the MoM is the costly construction, storage and solution considering the unavoidable dense linear system, which grows with the electrical size of the object to analyze. Consequently, a wide range of fast methods have been developed for its compression and solution. Most of them, though, are absolutely dependent on the kernel of the integral equation, claiming for a complete re-formulation, if possible, for each new kernel. This thesis dissertation presents new approaches to accelerate or increase the accuracy of integral equations discretized by the Method of Moments (MoM) in computational electromagnetics. Firstly, a novel fast iterative solver, the Multilevel Adaptive Cross Approximation (MLACA), has been developed for accelerating the solution of the MoM linear system. In the quest for a general-purpose scheme, the MLACA is a method independent of the kernel of the integral equation and is purely algebraic. It improves both efficiency and compression rate with respect to the previously existing single-level version, the ACA. Therefore, it represents an excellent alternative for the solution of the MoM system of large-scale electromagnetic problems. Secondly, the direct evaluation method, which has proved to be the main reference in terms of efficiency and accuracy, is extended to overcome the computation of the challenging 4-D hyper-singular integrals arising in the Magnetic Field Integral Equation (MFIE) and Combined Field Integral Equation (CFIE) formulations. The maximum affordable accuracy --machine precision-- is obtained in a more than reasonable computation time, surpassing any other existing technique in the literature. Thirdly, the aforementioned hyper-singular integrals become near-singular when the discretized elements are very closely placed but not touching. It is shown how traditional integration rules fail to converge also in this case, and a possible solution based on more sophisticated integration rules, like the Double Exponential and the Gauss-Laguerre, is proposed. Finally, an effort to facilitate the usability of any antenna simulation software based on the MoM has led to the development of a general mathematical model of an excitation port in the discretized space. With this new model, it is no longer necessary to adapt the mesh edges to the port.

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Wir untersuchen die analytische Struktur von Feynman Integralen als mengenwertige holomorphe Funktionen mit topologischen Methoden, spezifisch mit Techniken für singuläre Integrale. Der Hauptfokus liegt auf dem Ein-Schleifen-Fall. Zunächst geben wir einen gründlichen Überblick über die Theorie der singulären Integrale und füllen einige Lücken in der Literatur. Anschließend untersuchen wir die Topologie von endlichen Vereinigungen und Schnitten von bestimmten nicht-degenerierten affinen komplexes Quadriken, welche die relevante Geometrie von Ein-Schleifen Feynman Integralen darstellen. Wir etablieren einige grundsätzliche topologische Eigenschaften und führen eine Kompaktifizierung von Bündeln solcher Räume und eine Whitney Stratifizierung dieser ein. Des Weiteren berechnen wir die Homologiegruppen der Fasern durch eine Dekomposition in die auftretenden Schnitte komplexer Sphären. Das Einführen einer CW-Dekomposition einer spezifischen Faser führt zu einer kombinatorischen Studie, welche es uns erlaubt explizite Generatoren in Sinne dieser CW-Strukture zu berechnen. Unter Verwendung dieser Generatoren berechnen wir die relevanten Schnittindizes, welche im Ramifizierungsproblem auftreten. Durch Anwendung dieser Resultate auf Ein-Schleifen Feynman Integrale finden wir die klassischen Landau Gleichungen wieder und erhalten einen vollständigen Beweis von Cutkoskys Theorem. Des Weiteren untersuchen wir, wie viel dieses Mechanismus sich auf den Mehr-Schleifen Fall überträgt. Insbesondere betrachten wir zwei Beispiele von Mehr-Schleifen Integralen und erhalten Resultate die über den aktuellen Stand der Literatur hinaus gehen. / We investigate the analytic structure of Feynman integrals as multivalued holomorphic functions with topological methods, specifically with techniques for singular integrals. The main focus lies on the one-loop case. First, we conduct a thorough review of the theory of singular integrals, filling some gaps in the literature. Then, we investigate the topology of finite unions and intersections of certain non-degenerate affine complex quadrics which constitute the relevant geometry of one-loop Feynman integrals. We establish some basic topological properties and introduce a compactification of bundles of such spaces and a Whitney stratification thereof. Furthermore, we compute the homology groups of the fibers via a decomposition into the direct sum of all occurring intersections of complex spheres. Introducing a CW-decomposition of a specific fiber leads to a combinatorial study, allowing us to obtain explicit generators in terms of this CW-structure. Using these generators, we compute the relative intersection indices that occur in the ramification problem. Applying these results to one-loop Feynman integrals, we retrieve the classical Landau equations and obtain a full proof of Cutkosky's Theorem. Furthermore, we investigate how much of this machinery applies to the multi-loop case. In particular, we consider two examples of multi-loop integrals and obtain results beyond the current state of the literature.

Der Strahlungstransport stellt eine von drei Arten des Wärmetransports zwischen Gebieten unterschiedlicher Temperatur dar. Eine der einfachsten Formen bildet der Strahlungstransport im Vakuum, ein Vorgang, der im kosmischen Umfeld, beispielsweise bei der Energieübertragung von einem Stern auf seine Planeten, beobachtbar ist. Hierbei ist es hinreichend, sich auf die Betrachtung von Oberflächen zu beschränken. Strahlungstransport kann jedoch auch in semitransparenten Medien, wie biologischem Gewebe oder Glas, beobachtet werden. Das Medium, in dem der Strahlungstransport erfolgt, wirkt sich durch Vorgänge wie Absorption, Emission, Reflexion oder Streuung auf den Strahlungstransport aus. Für die Modellierung des Strahlungstransports in einem solchen Umfeld können verschiedene Modelle, darunter das Strahlenmodell, genutzt werden. Dieses Modell beschreibt den Wärmetransport anhand einer skalaren Größe, die Strahlungsintensität genannt wird. Betrachtet wird die Strahlungsintensität in diesem Modell entlang eines Strahls in eine vorgegebene Richtung. Die mathematische Darstellung des Strahlenmodells des Strahlungstransports in partizipierenden Medien führt auf eine richtungsabhängige Integro-Differentialgleichung. Ist die Richtungsabhängigkeit nicht von Interesse, so kann der Übergang zu einer winkelintegrierten Form erfolgen. Dieser Übergang führt schließlich auf ein System schwach singulärer fredholmscher Integralgleichungen zweiter Art. Dieses charakterisiert nun nicht mehr die erwähnte Strahlungsintensität, sondern beschreibt die sogenannte Einstrahlung sowie den Strahlungsfluss. Das System singulärer Integralgleichungen kann mittels eines Galerkin-Ansatzes numerisch gelöst werden. Geht man von einer hinreichenden Glattheit des Randes aus, kann die Kompaktheit des Operators der Integralgleichungen gezeigt werden. Dies wiederum erlaubt Rückschlüsse auf die Existenz und Eindeutigkeit einer Lösung. Ein Augenmerk bei der Ermittlung der Galerkin-Näherung ist auf die Bestimmung der singulären Integrale der Galerkin-Diskretisierung zu richten. Für die Bestimmung multidimensionaler, singulärer Integrale stellt die Arbeit das Verfahren der hierarchischen Integration vor. Basierend auf einer Zerlegung des Integrationsgebietes, erfolgt die Beschreibung singulärer Integrale durch ein Gleichungssystem, dessen rechte Seite nur von regulären Integralen abhängig ist. Können diese regulären Integrale sowie die Lösung des Gleichungssystems exakt bestimmt werden, so sind auch die singulären Integrale exakt bestimmt. Bei einer numerischen Bestimmung der regulären Integrale ist die Fehlerordnung ausschlaggebend für den Fehler der singulären Integrale. Als Integrationsgebiete werden Hyperwürfel beliebiger Dimension sowie Simplizes bis einschließlich Dimension 3 als Integrationsgebiete betrachtet. Als Voraussetzungen an den Kern des Doppelintegrals sind nur die Eigenschaften der Translationsinvarianz sowie der Homogenität zu richten. Kann ein nicht translationsinvarianter oder nicht homogener Kern eines Integrals in Summanden zerlegt werden, die selbst translationsinvariant und homogen sind, ist auch die Bestimmung solcher Integrale möglich. Darüber hinaus stellt die Arbeit Verbindungen zu dem Begriff des Hadamard partie finie her. Auf diese Weise lässt sich das Verfahren der hierarchischen Integration für beliebige Dimensionen und beliebige Singularitätsordnungen anwenden. Die Strahlungstransportgleichung ist im Allgemeinen mittels eines Galerkin-Ansatzes lösbar, führt jedoch auf eine voll besetzte Systemmatrix. Numerische Beispiele beleuchten daher Methoden der Matrixkompression mittels hierarchischer Matrizen sowie der direkten Erzeugung schwach besetzter Matrizen über regulären Gittern und Gittern mit hängenden Knoten und skizziert Ansätze zur Parallelisierung auf entsprechenden Computersystemen.

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation des phénomènes de diffraction d’ondes électromagnétiques par des objets à symétrie de révolution complexes et fortement hétérogènes. La méthode que nous développons ici consiste en un couplage entre équations aux dérivées partielles (EDP) et équations intégrales (EI). Cette idée est essentiellement connue pour avoir deux avantages. Le premier est que les hétérogénéités de l’objet sont prises en compte naturellement dans la formulation du problème. Le deuxième est dû à l’utilisation des équations intégrales qui donnent une représentation exacte des solutions dans le milieu extérieur en fonction des courants surfaciques. Le domaine de simulation peut ainsi être ramené à l’objet lui-même. L’utilisation de développements en séries de Fourier combinés à la propriété d’invariance par rotation de l’objet permet alors la réduction du problème global 3D à un ensemble dénombrable de problème 2D.L’étude de ces problèmes nous a conduit à décomposer notre analyse en plusieurs parties,chacune ayant à traiter une partie du problème complet ou les méthodes d’intégrations numériques. Ces dernières étant difficiles à réaliser dans le cas des équations intégrales.Nous avons tout d’abord étudié un problème de Maxwell intérieur pour lequel nous avons développé une nouvelle méthode d’éléments finis d’ordre élevé dont nous avons montré l’efficacité et la précision sur de multiples exemples. Puis, nous avons étudié le problème de diffraction d’ondes planes pour des objets parfaitement conducteurs. La méthode d’éléments finis de frontière employée est alors construite par extension de la méthode précédente via l’opérateur de trace tangentielle. En combinant ces deux études, nous avons résolu le problème couplé en introduisant la propriété de symétrie de révolution dans une formulation variationnelle bien choisie. Par construction, les éléments finis qui y sont utilisés sont alors naturellement adaptées. L’algorithme de parallélisation de la méthode de couplage est finalement présentée et des comparaisons entre notre code AxiMax et un code 3D sont illustrées. Dans tous les cas, nous montrons que la méthode d’éléments finis d’ordre élevé permet d’obtenir des résultats d’une grande précision en fonction de la qualité des paramètres de simulation. / In this thesis, we are interested in modeling diffraction of electromagnetic waves by axisymmetric and highly heterogeneous objects. Our method consists in a coupling between partial differential equations and integral equations. This idea is mainly interesting for two reasons : heterogeneities are handled naturally in the formulation and integral equations give an analytical representation of solutions outside the object based on surface currents.These advantages allow us to limit the domain of simulation to the object itself. In addition,using Fourier series combined with the rotational invariance property of the object, the 3D problem is reduced to a countable set of 2D problems. The study of these problems is split into several parts. Each part has to deal with aspecific problem as for example the numerical integration of singular integrals which is difficult to achieve. As a first step, we study time-harmonic Maxwell’s equations in a bounded domain for which we develop a new high-order finite element method and present its efficiency and accuracy on many examples. Secondly, we consider the diffraction of plane waves by perfect electric conductors to analyse integral equations for these kind of object.The boundary finite element method applied is defined by extension of the previous one via tangential trace operator. Then, we solve the coupled problem using a well chosen formulation based on the previous studies for which our finite element method is naturally adapted by construction. In order to evaluate its efficiency, a comparison is performed between our program « AxiMax » and one based on a purely 3D model. To conclude, in the last two chapters, we present the numerical integration method and the multi-processing algorithm developed in AxiMax. In all cases, we put forward the fact that our finite element method provides accurate results depending on the quality of the simulation parameters.

Der Strahlungstransport stellt eine von drei Arten des Wärmetransports zwischen Gebieten unterschiedlicher Temperatur dar. Eine der einfachsten Formen bildet der Strahlungstransport im Vakuum, ein Vorgang, der im kosmischen Umfeld, beispielsweise bei der Energieübertragung von einem Stern auf seine Planeten, beobachtbar ist. Hierbei ist es hinreichend, sich auf die Betrachtung von Oberflächen zu beschränken. Strahlungstransport kann jedoch auch in semitransparenten Medien, wie biologischem Gewebe oder Glas, beobachtet werden. Das Medium, in dem der Strahlungstransport erfolgt, wirkt sich durch Vorgänge wie Absorption, Emission, Reflexion oder Streuung auf den Strahlungstransport aus. Für die Modellierung des Strahlungstransports in einem solchen Umfeld können verschiedene Modelle, darunter das Strahlenmodell, genutzt werden. Dieses Modell beschreibt den Wärmetransport anhand einer skalaren Größe, die Strahlungsintensität genannt wird. Betrachtet wird die Strahlungsintensität in diesem Modell entlang eines Strahls in eine vorgegebene Richtung. Die mathematische Darstellung des Strahlenmodells des Strahlungstransports in partizipierenden Medien führt auf eine richtungsabhängige Integro-Differentialgleichung. Ist die Richtungsabhängigkeit nicht von Interesse, so kann der Übergang zu einer winkelintegrierten Form erfolgen. Dieser Übergang führt schließlich auf ein System schwach singulärer fredholmscher Integralgleichungen zweiter Art. Dieses charakterisiert nun nicht mehr die erwähnte Strahlungsintensität, sondern beschreibt die sogenannte Einstrahlung sowie den Strahlungsfluss. Das System singulärer Integralgleichungen kann mittels eines Galerkin-Ansatzes numerisch gelöst werden. Geht man von einer hinreichenden Glattheit des Randes aus, kann die Kompaktheit des Operators der Integralgleichungen gezeigt werden. Dies wiederum erlaubt Rückschlüsse auf die Existenz und Eindeutigkeit einer Lösung. Ein Augenmerk bei der Ermittlung der Galerkin-Näherung ist auf die Bestimmung der singulären Integrale der Galerkin-Diskretisierung zu richten. Für die Bestimmung multidimensionaler, singulärer Integrale stellt die Arbeit das Verfahren der hierarchischen Integration vor. Basierend auf einer Zerlegung des Integrationsgebietes, erfolgt die Beschreibung singulärer Integrale durch ein Gleichungssystem, dessen rechte Seite nur von regulären Integralen abhängig ist. Können diese regulären Integrale sowie die Lösung des Gleichungssystems exakt bestimmt werden, so sind auch die singulären Integrale exakt bestimmt. Bei einer numerischen Bestimmung der regulären Integrale ist die Fehlerordnung ausschlaggebend für den Fehler der singulären Integrale. Als Integrationsgebiete werden Hyperwürfel beliebiger Dimension sowie Simplizes bis einschließlich Dimension 3 als Integrationsgebiete betrachtet. Als Voraussetzungen an den Kern des Doppelintegrals sind nur die Eigenschaften der Translationsinvarianz sowie der Homogenität zu richten. Kann ein nicht translationsinvarianter oder nicht homogener Kern eines Integrals in Summanden zerlegt werden, die selbst translationsinvariant und homogen sind, ist auch die Bestimmung solcher Integrale möglich. Darüber hinaus stellt die Arbeit Verbindungen zu dem Begriff des Hadamard partie finie her. Auf diese Weise lässt sich das Verfahren der hierarchischen Integration für beliebige Dimensionen und beliebige Singularitätsordnungen anwenden. Die Strahlungstransportgleichung ist im Allgemeinen mittels eines Galerkin-Ansatzes lösbar, führt jedoch auf eine voll besetzte Systemmatrix. Numerische Beispiele beleuchten daher Methoden der Matrixkompression mittels hierarchischer Matrizen sowie der direkten Erzeugung schwach besetzter Matrizen über regulären Gittern und Gittern mit hängenden Knoten und skizziert Ansätze zur Parallelisierung auf entsprechenden Computersystemen.