Lineare hyperbolische partielle Differentialgleichungen in homogenen Medien, beispielsweise die Wellengleichung, die die Ausbreitung und die Streuung akustischer Wellen beschreibt, können im Zeitbereich mit Hilfe von Randintegralgleichungen formuliert werden. Im ersten Hauptteil dieser Arbeit stellen wir eine effiziente Möglichkeit vor, numerische Approximationen solcher Gleichungen zu implementieren, wenn das Huygens-Prinzip nicht gilt. Wir nutzen die Faltungsquadraturmethode für die Zeitdiskretisierung und eine Galerkin-Randelement-Methode für die Raumdiskretisierung. Mit der Faltungsquadraturmethode geht eine diskrete Faltung der Faltungsgewichte mit der Randdichte einher. Bei Gültigkeit des Huygens-Prinzips konvergieren die Gewichte exponentiell gegen null, sofern der Index hinreichend groß ist. Im gegenteiligen Fall, das heißt bei geraden Raumdimensionen oder wenn Dämpfungseffekte auftreten, kann kein Verschwinden der Gewichte beobachtet werden. Das führt zu Schwierigkeiten bei der effizienten numerischen Behandlung. Im ersten Hauptteil dieser Arbeit zeigen wir, dass die Kerne der Faltungsgewichte in gewisser Weise die Fundamentallösung im Zeitbereich approximieren und dass dies auch zutrifft, wenn beide bezüglich der räumlichen Variablen abgeleitet werden. Da die Fundamentallösung zudem für genügend große Zeiten, etwa nachdem die Wellenfront vorbeigezogen ist, glatt ist, schließen wir Gleiches auch in Bezug auf die Faltungsgewichte, die wir folglich mit hoher Genauigkeit und wenigen Interpolationspunkten interpolieren können. Darüber hinaus weisen wir darauf hin, dass zur weiteren Einsparung von Speicherkapazitäten, insbesondere bei Langzeitexperimenten, der von Schädle et al. entwickelte schnelle Faltungsalgorithmus eingesetzt werden kann. Wir diskutieren eine effiziente Implementierung des Problems und zeigen Ergebnisse eines numerischen Langzeitexperimentes. Im zweiten Hauptteil dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit Transmissionsproblemen der Wellengleichung im Freiraum. Solche Probleme werden gewöhnlich derart behandelt, dass der Freiraum, wenn nötig durch Einführen eines künstlichen Randes, in ein unbeschränktes Außengebiet und ein beschränktes Innengebiet geteilt wird mit dem Ziel, eventuelle Inhomogenitäten oder Nichtlinearitäten des Materials vollständig im Innengebiet zu konzentrieren. Wir werden eine Lösungsstrategie vorstellen, die es erlaubt, die aus der Teilung resultierenden Teilprobleme so weit wie möglich unabhängig voneinander zu behandeln. Die Kopplung der Teilprobleme erfolgt über Transmissionsbedingungen, die auf dem ihnen gemeinsamen Rand vorgegeben sind. Wir diskutieren ein Kopplungsverfahren, das auf verschiedene Diskretisierungsschemata für das Innen- und das Außengebiet zurückgreift. Wir werden insbesondere ein explizites Verfahren im Innengebiet einsetzen, im Gegensatz zum Außengebiet, bei dem wir ein auf ein Mehrschrittverfahren beruhendes Faltungsquadraturverfahren nutzen. Die Kopplung erfolgt nach der Strategie von Johnson und Nédélec, bei der die direkte Randintegralmethode zum Einsatz kommt. Diese Strategie führt auf ein unsymmetrische System. Wir analysieren das diskrete Problem hinsichtlich Stabilität und Konvergenz und unterstreichen die Einsatzfähigkeit des Kopplungsalgorithmus mit der Durchführung numerischer Experimente.

The PhD thesis deals with global in time existence results and blow-up result for a semilinear wave model with scale-invariant damping and mass. Since the time-dependent coefficients for the considered model make somehow the damping and the mass a threshold term between effective and non-effective terms, it turns out that a fundamental role in the description of qualitative properties of solutions to this semilinear model and to the corresponding linear homogeneous Cauchy problem is played by the multiplicative constants appearing in those coefficients. For coefficients that make the damping term dominant, we can use the standard approach for the classical damped wave model with L^2 − L^2 estimates and the so-called test function method. On the other hand, when the interaction among those coefficients is balanced, then, it is possible to observe how typical tools for hyperbolic models, as for example Kato’s lemma, provide sharp global in time existence results and sharp blow-up results for super- and sub-Strauss type exponents, respectively.

We present Lax pairs and functions called Lax functions corresponding to Calogero- Moser-Sutherland (CMS) systems. We present the Benjamin-Ono (BO) equation and a pole ansatz to the BO equation, constructed from a specific type of Lax function called a special Lax function corresponding to Rational and Trigonometric CMS systems. We present a generalization of the BO equation called the non-chiral Intermediate wave (ncILW) equation and show that a family of solutions to the ncILW equation can be constructed from the special Lax function corresponding to the hyperbolic CMS system. We present the Szegö equation on the circle and the real line. We obtain a family of solutions to the Szegö equation on the real line using a pole ansatz. Using numerical methods, we display solution plots to the BO equation and Szegö equation.

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In 1966 Mark Kac posed an interesting question regarding vibrating membranes and the sounds they make. His article entitled "Can One Hear the Shape of a Drum?", which appeared in The American Mathematical Monthly, generated much interest and scholarly debate. The evolution of Kac's intriguing question will be the subject of this project.

The main goal of our thesis is to understand qualitative properties of solutions to the Cauchy problem for the semi-linear wave model with time-dependent speed and dissipation. We greatly benefited from very precise estimates for the corresponding linear problem in order to obtain the global existence (in time) of small data solutions. This reason motivated us to introduce very carefully a complete description for classification of our models: scattering, non-effective, effective, over-damping. We have considered those separately.

On étudie dans cette thèse l'équation de Szegö sur la droite réelle ainsi que ses perturbations. Cette équation a été introduite il y a quelques années par Gérard et Grellier comme modèle mathématique d'une équation non linéaire totalement non dispersive.L'équation de Szegöapparait naturellement dans l'étude de l'équation de Schrödinger non linéaire (NLS) danscertaines situations sur-critiques où l'on constate un manque de dispersion, par exemplelorsque l'on considère NLS sur le groupe de Heisenberg. Par conséquent, une des motivationsde cette thèse est d'établir des résultats concernant l'équation de Szegö qui pourrontéventuellement être utilisés dans le contexte de l'équation de Schrödinger non linéaire.Le premier résultat de cette thèse est la classification des solitons de l'équation de Szegö.On montre que ce sont tous des fonctions rationnelles ayant un unique pôle qui est simple.De plus, on prouve que les solitons sont orbitalement stables.La propriété la plus remarquable de l'équation de Szegö est le fait qu'elle est complètement intégrable, ce qui permet notamment d'établir une formule explicite de sa solution.Comme applications de cette formule, on obtient les trois résultats suivants. (A) On montreque les solutions fonctions rationnelles génériques se décomposent en une somme de solitonset d'un reste qui est petit lorsque le temps tend vers l'infini. (B) On met en évidence unexemple de solution non générique dont les grandes normes de Sobolev tendent vers l'infiniavec le temps. (C) On détermine des coordonnées action-angle généralisées lorsque l'on restreintl'équation de Szegö à une sous-variété de dimension finie. En particulier, on en déduitqu'une grande partie des trajectoires de cette équation sont des spirales autour de cylindrestoroïdaux.Comme l'équation de Szegö est complètement intégrable, il est ensuite naturel d'étudierses perturbations et d'établir de nouvelles propriétés pour celles-ci à partir des résultatsconnus pour l'équation de Szegö. Une des perturbations de l'équation de Szegö est une équation desondes non linéaire (NLW) de donnée bien préparée.On prouve que si la donnée initiale de NLW est petite et à support dans l'ensemble desfréquences positives, la solution de NLW est alors approximée pour un temps long par lasolution de l'équation de Szegö. Autrement dit, on démontre ainsi que l'équation de Szegöest la première approximation de NLW. On construit ensuite une solution de NLW dont lesgrandes normes de Sobolev augmentent (relativement à la norme de la donnée initiale).Sur le tore T, Gérard et Grellier ont démontré un résultat analogue d'approximation deNLW. On améliore ce résultat en trouvant une approximation plus fine, de deuxième ordre.Dans une dernière partie, on s'intéresse à l'équation de Szegö perturbée par un potentielmultiplicatif petit. On étudie l'interaction de ce potentiel avec les solitons. Plus précisément,on montre que, si la donnée initiale est celle d'un soliton pour l'équation non perturbée, lasolution de l'équation perturbée garde la forme d'un soliton sur un long temps. De plus, ondéduit la dynamique effective, i.e. les équations différentielles satisfaites par les paramètresdu soliton. / In this Ph.D. thesis, we study the Szegö equation on the real lineas well as its perturbations.It was recently introduced by Gérard and Grellier as a toy model of a non-lineartotally non dispersive equation. The Szegö equation appears naturally in the study of thenon-linear Schrödinger equation (NLS) in super-critical situations where dispersion lacks,for example, when one considers NLS on the Heisenberg group. Consequently, one of themotivations of this Ph.D. thesis is fi nding new results for the Szegö equation in hope thatthey could be eventually used in the context of the non-linear Schrödinger equation.Our first result is a classification of the solitons of the Szegö equation. We show thatthey are all rational functions with one simple pole. In addition, we prove the orbitalstability of solitons.The Szegö equation has the remarkable property of being completely integrable. Thisallows us to find an explicit formula for solutions. We obtain three applications of thisformula. (A) We prove soliton resolution for solutions which are generic rational functions.(B) We construct an example of non-generic solution whose high Sobolev norms grow toinfinity over time. (C) We find generalized action-angle variables when restricting the Szegöequation to a finite dimensional sub-manifold. In particular, this yields that most of thetrajectories of the Szegö equation are spirals around toroidal cylinders.Since the Szegö equation is completely integrable, it is natural to study its perturbationsand deduce new properties of such perturbations from the known results for the Szegöequation. One perturbation of the Szegö equation is a non-linear wave equation(NLW) with small initial data.We prove that the Szegö equation is the first order approximation of NLW. More precisely,if an initial condition of NLW is small and supported only on non-negative frequencies, thenthe corresponding solution can be approximated by the solution of the Szegö equation, fora long time. We then construct a solution of NLW whose high Sobolev norms grow.On the torus T, Gérard and Grellier proved an analogous first order approximationresult for NLW. By considerning the second order approximation, we obtain an improvedresult with a smaller error.Lastly, we consider the Szegö equation perturbed by a small multiplicative potential.We study the interaction of this potential with solitons. More precisely, we show that, if theinitial condition is that of a soliton for the unperturbed Szegö equation, then the solutionpreserves the shape of a soliton for a long time. In addition, we prescribe the effectivedynamics, i.e. we derive the differential equations satisfied by the parameters of the soliton.

A utilização de métodos de análise apoiados na Teoria da Equação da Onda, a partir da instrumentação de medidas dinâmicas, como controle do comportamento de estacas, tem evoluído continuamente nos últimos anos. Após importantes considerações sobre a prova de carga dinâmica de energia crescente e o mecanismo de transferência de carga, procedem-se análises CAPWAP em um caso real de obra com o objetivo de analisar o comportamento do sistema estaca-solo perante a aplicação de níveis crescentes de energia. São apresentados nesta dissertação, os resultados do comportamento de vários sistemas isolados estaca-solo em maciço de argila mole, submetidos à prova de carga dinâmica de energia crescente. São feitas análises de: transferência de carga, atrito lateral local, quake da ponta, tensões dinâmicas e correlação entre prova de carga estática e dinâmica. / The use of analysis methods to control pile behavior employing the Stress-Wave Theory from results of dynamic pile driving measurements has evolved in recent years. After important considerations about the increasing energy dynamic loading test and the load transfer mechanism, CAPWAP analyses are proceed in a pilework with objective of analyzing the behavior of the pile-soil system before the application of growing levels of energy. Therefore, they are presented in this dissertation, the results of the behavior of several isolated pile-soil systems in soft clay formation, submitted to the dynamic loading test of growing energy. Among the analyses, load transfer diagrams, local friction, quake, dynamic tensions, and the correlation between static and dynamic loading test are presented.

Dans la première partie de ce mémoire, on s’attache à l’obtention d’Inégalités de Carleman elliptiques pour des opérateurs d’ordre deux au bord pour des conditions dites de Ventcel. Dans une seconde partie, on démontre une Inégalité adaptée aux multi-interfaces, pour des opérateurs elliptiques d’ordre quelconque, sous la condition classique de sous-ellipticité de Hörmander, ainsi que sous une condition de compatibilité entre les opérateurs sur la multi-interface et l’intérieur, dite de recouvrement. Cette condition généralise la condition de Lopatinskii. Enfin, dans une troisième partie, on s’intéresse à la contrôlabilté de l’équation de la chaleur et la stabilisation faible de l’équation des ondes dans des domaines polygonaux. / In the first part of this thesis, we derive elliptic Carleman estimates for second-order operators with Ventcel boundary conditions. In the second part, we prove a proper estimate near multi-interfaces for elliptic operatorsof any order, under the classical sub-ellipticity condition of Hörmander and under a compatibility condition between the operators in the interior and at the multi-interface, called the covering condition. This condition is a generalization of the well-known Lopatinskii condition. Finally, in the third part, we focus on controllability properties of the heat equation, and stabilization properties of the wave equation for polygonal domains, with mixed boundary conditions.

Dans cette thèse nous considérons l’équation des ondes amorties vectorielle sur une variété riemannienne compacte, lisse et sans bord. L’amortisseur est ici une fonction lisse allant de la variété dans l’espace des matrices hermitiennes de taille n. Les solutions de cette équation sont donc à valeurs vectorielles. Nous commençons dans un premier temps par calculer le meilleur taux de décroissance exponentiel de l’énergie en fonction du terme d’amortissement. Ceci nous permet d’obtenir une condition nécessaire et suffisante la stabilisation forte de l’équation des ondes amorties vectorielle. Nous mettons aussi en évidence l’apparition d’un phénomène de sur-amortissement haute fréquence qui n’existait pas dans le cas scalaire. Dans un second temps nous nous intéressons à la répartition asymptotique des fréquences propres de l’équation des ondes amorties vectorielle. Nous démontrons que, à un sous ensemble de densité nulle près, l’ensemble des fréquences propres est contenu dans une bande parallèle à l’axe imaginaire. La largeur de cette bande est déterminée par les exposants de Lyapunov d’un système dynamique défini à partir du coefficient d’amortissement. / In this thesis we are considering the vectorial damped wave equation on a compact and smooth Riemannian manifold without boundary. The damping term is a smooth function from the manifold to the space of Hermitian matrices of size n. The solutions of this équation are thus vectorial. We start by computing the best exponential energy decay rate of the solutions in terms of the damping term. This allows us to deduce a sufficient and necessary condition for strong stabilization of the vectorial damped wave equation. We also show the appearance of a new phenomenon of high-frequency overdamping that did not exists in the scalar case. In the second half of the thesis we look at the asymptotic distribution of eigenfrequencies of the vectorial damped wave equation. Were show that, up to a null density subset, all the eigenfrequencies are in a strip parallel to the imaginary axis. The width of this strip is determined by the Lyapunov exponents of a dynamical system defined from the damping term.