Nous étudions dans cette thèse un problème de Goursat pour des systèmes d'équations aux dérivées partielles avec les conditions de Levi. Nous améliorons<br />les résultats du Pr D. Gourdin qui a étudié le problème de Cauchy linéaire dans les espaces de Sobolev et dans les espaces C-infini sur R_t × R^n_x pour les opérateurs<br />matriciels faiblement hyperboliques à caractéristiques doubles en calculant le domaine de dépendance dans la première partie de cette thèse tout en rappelant le détail des démonstrations utilisées en les améliorant sur les diagonaliseurs. Dans seconde partie, nous étudions le problème de Goursat dans les espaces de Sobolev pour un système de N équations à N fonctions inconnues des variables (t, x, y) dans R_t×R_x×R_y^n.<br />Ce système peut être décrit comme une composition de deux opérateurs aux dérivées partielles à coefficients matriciels hyperboliques respectivement dans<br />la direction de t pour le premier et dans la direction de x pour le second avec des caractéristiques doubles et des conditions de Levi scalaires et avec un opérateur matriciel aux dérivées partielles additif résiduel spécifique. Nous calculons aussi le domaine de dépendance du problème de Goursat dont ses données sont sur t = 0 et x = 0 .

Les ressources souterraines fournissent une part importante de l'eau douce de notre planète. Notre travail s'inscrit dans une démarche de protection de cette ressource vitale par la modélisation et la simulation numérique. Couplée aux études de terrains, la simulation numérique est en effet un outil indispensable, du fait de l'incertitude sur le milieu géologique. Cette incertitude conduit à une approche stochastique. Nous nous sommes concentrés sur les écoulements dans les réseaux de fractures générés aléatoirement. Pour permettre la résolution de ces écoulements par une méthode d'éléments finis mixte hybride, nous avons élaboré un algorithme de maillage spécifique aux fractures. Cette technique permet de construire le système linéaire quelle que soit la géométrie du réseau généré. Nous avons ensuite effectué une étude comparative de trois solveurs linéaires : un solveur direct, un multigrille algébrique et un Gradient Conjugué Préconditionné. Cette étude nous a conduit à proposer une méthode de résolution plus efficace pour ce problème. Nous avons alors étudié une méthode de décomposition de domaine de type Schur, qui permet d'allier les avantages du solveur direct et du Gradient Conjugué Préconditionné. Cette méthode consiste à réduire le problème à un problème aux interfaces, par une définition naturelle des fractures, ou paquets de fractures, comme sous-domaines. Nous avons proposé une approche originale d'optimisation de l'algorithme et un préconditionnement global de type déflation. Notre implémentation de cette méthode est compétitive. Elle permet de résoudre tous les cas tests étudiés et elle est plus rapide, dans la majorité des cas, que les trois autres solveurs.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous présentons dans cette thèse des théorèmes d’existence pour des systèmes d’équations différentielles non-linéaires d’ordre trois, pour des systèmes d’équa- tions et d’inclusions aux échelles de temps non-linéaires d’ordre un et pour des systèmes d’équations aux échelles de temps non-linéaires d’ordre deux sous cer- taines conditions aux limites. Dans le chapitre trois, nous introduirons une notion de tube-solution pour obtenir des théorèmes d’existence pour des systèmes d’équations différentielles du troisième ordre. Cette nouvelle notion généralise aux systèmes les notions de sous- et sur-solutions pour le problème aux limites de l’équation différentielle du troisième ordre étudiée dans [34]. Dans la dernière section de ce chapitre, nous traitons les systèmes d’ordre trois lorsque f est soumise à une condition de crois- sance de type Wintner-Nagumo. Pour admettre l’existence de solutions d’un tel système, nous aurons recours à la théorie des inclusions différentielles. Ce résultat d’existence généralise de diverses façons un théorème de Grossinho et Minhós [34]. Le chapitre suivant porte sur l’existence de solutions pour deux types de sys- tèmes d’équations aux échelles de temps du premier ordre. Les résultats d’exis- tence pour ces deux problèmes ont été obtenus grâce à des notions de tube-solution adaptées à ces systèmes. Le premier théorème généralise entre autre aux systèmes et à une échelle de temps quelconque, un résultat obtenu pour des équations aux différences finies par Mawhin et Bereanu [9]. Ce résultat permet également d’obte- nir l’existence de solutions pour de nouveaux systèmes dont on ne pouvait obtenir l’existence en utilisant le résultat de Dai et Tisdell [17]. Le deuxième théorème de ce chapitre généralise quant à lui, sous certaines conditions, des résultats de [60]. Le chapitre cinq aborde un nouveau théorème d’existence pour un système d’in- clusions aux échelles de temps du premier ordre. Selon nos recherches, aucun résultat avant celui-ci ne traitait de l’existence de solutions pour des systèmes d’inclusions de ce type. Ainsi, ce chapitre ouvre de nouvelles possibilités dans le domaine des inclusions aux échelles de temps. Notre résultat a été obtenu encore une fois à l’aide d’une hypothèse de tube-solution adaptée au problème. Au chapitre six, nous traitons l’existence de solutions pour des systèmes d’équations aux échelles de temps d’ordre deux. Le premier théorème d’existence que nous obtenons généralise les résultats de [36] étant donné que l’hypothèse que ces auteurs utilisent pour faire la majoration a priori est un cas particulier de notre hypothèse de tube-solution pour ce type de systèmes. Notons également que notre définition de tube-solution généralise aux systèmes les notions de sous- et sur-solutions introduites pour les équations d’ordre deux par [4] et [55]. Ainsi, nous généralisons également des résultats obtenus pour des équations aux échelles de temps d’ordre deux. Finalement, nous proposons un nouveau résultat d’exis- tence pour un système dont le membre droit des équations dépend de la ∆-dérivée de la fonction. / In this thesis, we present existence theorems for systems of third order nonli- near differential equations, for systems of first order nonlinear time scales equa- tions and inclusions and for systems of second order nonlinear time scales equa- tions under some boundary conditions. In chapter three, we introduce a concept of solution-tube to get existence theorems for systems of third order differential equations. This new definition generalizes to systems the notions of lower- and upper-solution to third order differential equations introduced in [34]. In the last part of this chapter, we study third order systems when the right member f sa- tisfies a Wintner-Nagumo growth condition. To obtain an existence result in this case, we use the theory of differential inclusions. This result generalizes in many ways a theorem due to Grossinho and Minhós [34]. The next chapter concerns the existence of solutions for two kind of systems of first order time scales equations. Existence results for these problems are obtained with new notions of solution-tube adapted to these systems. Our first theorem ge- neralizes to systems and to an arbitrary time scale a result for difference equations due to Mawhin and Bereanu [9]. Our result permits to deduce the existence of so- lutions for systems which could not be treated in a result of Dai and Tisdell [17]. The second theorem of this chapter generalizes under few conditions some results of [60]. The fifth chapter presents a new existence theorem for a system of first order time scales inclusions. As far as we know, there is no result in the littera- ture for this kind of system of inclusions. Therefore, this chapter opens new doors in the branch of time scales inclusions. Again, our new result is obtained with the introduction of an hypothesis of solution-tube adapted to the problem studied. In the last chapter, existence of solutions for systems of second order time scales equations are obtained. The first result of this chapter generalizes theo- rems of [36] since the hypothesis used by these authors to get a priori bounds for solutions is a particular case of our definition of solution-tube for this type of problems. Let us mention also that our notion of solution-tube generalizes to systems the definitions of lower- and upper-solution used for second order time scales equations by [4] and [55]. We also generalize to systems, results obtained for second order time scales equations. Finally, we conclude this chapter with a new existence result for systems of second order time scales equations with a right member depending on the ∆-derivative.

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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse est consacrée à l'étude de systèmes d'équations aux dérivées partielles paraboliques issus de modèles de cinétique chimique, de dynamique des populations et de la théorie de l'électromigration. On s'intéresse à des questions d'existence de solutions globales en temps, à l'unicité de solutions faibles, ainsi qu'à la limite de réaction rapide dans un système de réaction-diffusion. Dans un premier chapitre, on étudie deux systèmes aux diffusions croisées. On commence par s'intéresser à un modèle de dynamique des populations, où les effets croisés dans les interactions entre les différentes espèces sont modélisés par des opérateurs non locaux. Pour toute dimension d'espace, on prouve l'existence et l'unicité de solutions globales régulières. On s'intéresse ensuite à un système aux diffusions croisées qui apparait comme la limite de réaction rapide d'un système classique associé à la réaction chimique C1+C2=C3. On prouve alors la convergence lorsque k tend vers l'infini de la solution du système avec une vitesse de réaction finie k vers une solution globale du système limite. Le second chapitre contient de nouveaux résultats d'existence globale pour des systèmes de réaction-diffusion. Pour des réseaux de réactions chimiques élémentaires du type Ci+Cj=Ck qui suivent la loi d'Action de Masse, on montre l'existence et l'unicité de solutions globales fortes, pour des dimensions en espace N<6 dans le cas semi-linéaire et N<4 dans le cas quasi-linéaire. On montre aussi l'existence de solutions globales faibles pour une classe de systèmes paraboliques quasi-linéaires dont les non-linéarités sont au plus quadratiques et dont les données initiales sont seulement supposées positives et intégrables. Dans le dernier chapitre, on généralise un résultat d'existence globale de solutions fortes pour des systèmes de réaction-diffusion dont les non-linéarités ont une structure "triangulaire", pour lesquels on prend désormais en compte des termes d'advection et des coefficients de diffusion dépendant du temps et de la variable d'espace. Ce résultat est ensuite utilisé dans un argument de point fixe de Leray-Schauder pour prouver l'existence en toute dimension de solutions globales à un problème d'électromigration-diffusion. / This thesis is devoted to the study of parabolic systems of partial differential equations arising in mass action kinetics chemistry, population dynamics and electromigration theory. We are interested in the existence of global solutions, uniqueness of weak solutions, and in the fast-reaction limit in a reaction-diffusion system. In the first chapter, we study two cross-diffusion systems. We are first interested in a population dynamics model, where cross effects in the interactions between the different species are modeled by non-local operators. We prove the well-posedness of the corresponding system for any space dimension. We are then interested in a cross-diffusion system which arises as the fast-reaction limit system in a classical system for the chemical reaction C1+C2=C3. We prove the convergence when k goes to infinity of the solution of the system with finite reaction speed k to a global solution of the limit system. The second chapter contains new global existence results for some reaction-diffusion systems. For networks of elementary chemical reactions of the type Ci+Cj=Ck and under Mass Action Kinetics assumption, we prove the existence and uniqueness of global strong solutions, for space dimensions N<6 in the semi-linear case, and N<4 in the quasi-linear case. We also prove the existence of global weak solutions for a class of parabolic quasi-linear systems with at most quadratic non-linearities and with initial data that are only assumed to be nonnegative and integrable. In the last chapter, we generalize a global well-posedness result for reaction-diffusion systems whose nonlinearities have a "triangular" structure, for which we now take into account advection terms and time and space dependent diffusion coefficients. The latter result is then used in a Leray-Schauder fixed point argument to prove the existence of global solutions in a diffusion-electromigration system.

Cette thèse est consacrée à trois sujets dans le domaine du contrôle, qui sont la contrôlabilité exacte frontière, la stabilisation frontière et la synchronisation exacte frontière, des systèmes hyperboliques de lois de bilan. Pour la partie sur la contrôlabilité exacte frontière, on améliore le temps de contrôlabilité exacte pour les systèmes hyperboliques de lois de conservation pour des conditions aux limites générales. On montre aussi que ce temps est optimal. En ce qui concerne les systèmes hyperboliques couplés avec une vitesse caractéristique nulle, nous prouvons que l'on n'a pas la contrôlabilité exacte, même avec des couplages internes dans les équations. Cependant, on montre que l'on peut stabiliser les systèmes par les lois de rétroaction à la frontière du domaine. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons à la stabilisation frontière des systèmes hyperboliques de lois de bilan. En utilisant une approche "backstepping", on montre comment stabiliser des systèmes d'abord dans les cas linéaires puis dans les cas quasi-lin éaires. La troisième partie concerne la synchronisation exacte frontière. Nous rappelons d'abord les résultats de contrôlabilité et d'observabilité exacte frontière pour les systèmes couplés d' équations des ondes quasi-linéaires. Puis nous introduisons plusieurs types de synchronisations pour un système d' équations des ondes linéaires, puis quasi-linéaires, couplées avec des conditions aux limites de type Dirichlet, de type Neumann, de type Robin et de type dissipatif dans le cadre de solutions de classe C2. Nous montrons que toutes ces synchronisations peuvent être réalisées en imposant peu de contrôles aux frontières. / This thesis is devoted to three topics in the control field, namely, exact boundary controllability, boundary stabilization and exact boundary synchronization, for hyperbolic systems of balance laws. For the exact boundary controllability part, we first improve the boundary control time for hyperbolic systems of conservation laws with general boundary conditions and show that this control time is sharp. Then for a coupled hyperbolic system with zero characteristic speed, we prove that it is impossible to achieve the corresponding exact boundary controllability even with inner couplings in the equation. However, one can stabilize the system in infinite time by means of boundary feedback laws. For the boundary stabilization part, we show how to stabilize both the n×n linear and quasilinear hyperbolic systems by means of one-sided closed-loop boundary controls. For that a backstepping method is developed. For the exact boundary synchronization part, we first recall both the exact boundary controllability and observability results for coupled systems of quasilinear wave equations. Then several kinds of exact synchronizations are introduced for a coupled system of 1-D linear and quasilinear wave equations with boundary conditions of Dirichlet type, Neumann type, coupled third type and coupled dissipative type in the framework of C2 solutions. We show that all these synchronizations can be realized by means of few boundary controls.

Ce mémoire est constitué de 3 parties.La NP-complétude de la satisfaction de combinaisons booléennes de contraintes de sous-arbres est démontrée dans l'article [Ven87] ; la partie I de ce mémoire étudie dans quelle mesure l'ajout de contraintes régulières laisse espérer conserver la complexité NP. Ce modèle étendu définit une nouvelle classe de langages dont l'expressivité est comparée à celle des Rigid Tree Automata [JKV11]. Puis un début de formalisation des t-dags est donné.Les patterns ont été étudiés, principalement du point de vue des contraintes sur les données qu'ils demandent. La partie II de ce mémoire les étudie plus finement, en mettant de côté les données. Les squelettes sont définis en tant qu'intermédiaire de calcul et le fait que leur syntaxe caractérise leur sémantique est démontré. Puis un lemme de pompage est donné dans un cas restreint, un autre dans le cas général est étudié et conjecturé. Ensuite des fragments de combinaisons booléennes de patterns sont comparés en expressivité pour terminer avec l'étude de la complexité des problèmes de model-checking, satisfaisabilité et DTD-satisfaisabilité sur les dits fragments.Le contenu de la partie III constitue l'article [FMS11], c'est la démonstration de la caractérisation des langages des automates fortement déterministes de niveau 2 par des systèmes d'équations récurrentes caténatives. Celle-ci utilise, entre autres, des techniques de réécriture, la notion d'inconnues non-réécrivables et les ordres noethériens. Cette caractérisation constitue le cas de base de la récurrence démontrée dans [Sén07]. / This thesis is in 3 parts.The NP-completeness of satisfiability of boolean combinations of subtree constraints is shown in the article [Ven87] ; in the part I of this thesis, we study whether adding regular contraints lets hope for keeping the same complexity. This extended model defines a new class of languages which is compared in expressivity to the Rigid Tree Automata [JKV11]. Then a begining of formalisation of the t-dags is developped.The patterns have been studied mainly from the point of view of the constraints they demand on the data. The part II of this thesis study them more finely, by putting aside the data. The skeletons are defined as calculus intermediate and the characterisation holding between their syntax and their semantics is shown. Then a pumping lemma is prooved in a restreict case, another one is conjectured in the most general case. Then fragments of boolean combinations of patterns are compared in expressivity, this parts ends with the study of complexity of model-checking, satisfiability and DTD-satisfiability on these fragments.The content of part III constitutes the article [FMS11], it is the demonstration of the characterisation of strongly-deterministic 2-level pushdown automata by recurrent catenative equation systems. This proof uses in particular, some rewriting techniques, unrewritable unknowns and noetherian orders. This characterisation provides the base case of the recurrence shown in [Sén07].

La performance énergétique est un pilier pour réduire l'utilisation d'énergie non renouvelable, en plus de l'utilisation des énergies renouvelables. En fait, les bâtiments sont au cœur de la politique des performances énergétiques de l'UE puisque 40% de la consommation finale d'énergie et 36% des émissions de gaz à effet de serre provient des bureaux, magasins et autres bâtiments. Les bâtiments peuvent être considérés comme des systèmes dynamiques et le transfert de la chaleur dans les bâtiments peut être représenté en utilisant des modèles dynamiques. De cette façon, le transfert de la chaleur dans les bâtiments peut être décrit par des réseaux thermiques obtenus en utilisant la théorie des graphes et de la thermodynamique, et peuvent être déduits de l'équation de la chaleur classique. Les réseaux thermiques peuvent être exprimés comme un système d'équations différentielles et algébriques (DAE) qui peut être transformé en représentation d'état et obtenir un fonction de transfert à partir de laquelle un modèle autorégressif avec des variables exogènes (ARX) peut être obtenu. Ces différentes structures de modèle peuvent être utilisées pour identifier les paramètres physiques des réseaux thermiques, ce qui implique que la méthode peut être utilisée pour identifier la performance intrinsèque des bâtiments et aider à la réduction de la consommation d'énergie dans les bâtiments.Cela peut faciliter l'évaluation de la performance énergétique des bâtiments dans un cadre reproductible qui permet la comparaison entre différentes solutions constructives.Les principales contributions originales de cette thèse sont: 1) les réseaux thermiques sont présentées à partir de la théorie des graphes et de la thermodynamique, sans considérer l'analogie thermique-électrique; 2) l'équation classique de la chaleur est reliée explicitement avec un système de DAE (réseau thermique) par les éléments finis; 3) différentes transformations pour déduire des modèles du transfert de la chaleur avec signification physique, à partir de l'équation de la chaleur classique, sont présentées toutes ensemble; 4) les transformations entre les modèles sont effectuées à partir des réseaux thermiques jusqu’aux modèles autorégressifs avec des variables exogènes (ARX) et vice-versa; et 5) un critère de sélection de l'ordre du modèle par une analyse de fréquence des mesures est proposé. / Energy efficiency is one of the two pillars to decrease the use of non-renewable energy besides the use of renewables energies. In fact, buildings are central to the EU's energy efficiency policy, as nearly 40% of the final energy consumption and 36% of greenhouse gas emissions take place in houses, offices, shops and other buildings. Buildings may be considered as dynamic systems and heat transfer in buildings may be represented using dynamic models. In this way, heat transfer in buildings may be described by thermal networks which may be stated considering graph theory and thermodynamics, and may be deduced from the classical heat equation. Thermal networks may be expressed as a system of linear differential algebraic equations (DAE) and the system of linear DAE may be transformed into a state-space representation from which an autoregressive model with exogenous (ARX) can be obtained. These different model structures may be used for identifying the physical parameters of thermal networks which implies that this methodology may be useful for identifying the intrinsic performance of buildings and tackling the reduction of non-renewable energy consumption in buildings. This may facilitate the assessment of energy efficiency of buildings within a reproducible framework which allows the comparison between different constructive solutions.The main original contributions of this dissertation are: 1) thermal networks are stated from graph theory and thermodynamics, leaving back the thermal-electrical analogy; 2) classical heat equation is connected explicitly to a system of DAE (thermal network) by using the finite elements; 3) the transformations for deducing heat transfer models with physical meaning from the classical heat equation are put altogether; 4) transformations between models may are done from thermal networks to autoregressive models with exogenous (ARX) and back; and 5) a criterion for selecting the order of the model by frequency analysis of measurements is proposed.