Cette thèse est composée de deux parties dans lesquelles nous étudions d'une part des estimations d'erreurs pour des schémas numériques associés à des équations de Hamilton-Jacobi du premier ordre. D'autre part, nous nous intéressons a l'étude de la stabilité et de la contrôlabilité exacte frontière indirecte des équations d'onde couplées.Dans un premier temps, en utilisant la technique de Crandall-Lions, nous établissons une estimation d'erreur d'un schéma numérique monotone aux différences finies pour des conditions de jonction dites a flux limité, pour une équation de Hamilton-Jacobi du premier ordre. Ensuite, nous montrons que ce schéma numérique peut être généralisé à des conditions de jonction générales. Nous établissons alors la convergence de la solution discrétisée vers la solution de viscosité du problème continu. Enfin, nous proposons une nouvelle approche, à la Crandall-Lions, pour améliorer les estimations d'erreur déjà obtenues, pour une classe des Hamiltoniens bien choisis. Cette approche repose sur l'interprétation du type contrôle optimal de l'équation de Hamilton-Jacobi considérée.Dans un second temps, nous étudions la stabilisation et la contrôlabilité exacte frontière indirecte d'un système monodimensionnel d’équations d'ondes couplées. D'abord, nous considérons le cas d'un couplage avec termes de vitesses, et par une méthode spectrale, nous montrons que le système est exactement contrôlable moyennant un seul contrôle à la frontière. Les résultats dépendent de la nature arithmétique du quotient des vitesses de propagation et de la nature algébrique du terme de couplage. De plus, ils sont optimaux. Ensuite, nous considérons le cas d'un couplage d'ordre zéro et nous établissons un taux polynômial optimal de la décroissance de l'énergie. Enfin, nous montrons que le système est exactement contrôlable moyennant un seul contrôle à la frontière / The aim of this work is mainly to study on the one hand a numerical approximation of a first order Hamilton-Jacobi equation posed on a junction. On the other hand, we are concerned with the stability and the exact indirect boundary controllability of coupled wave equations in a one-dimensional setting.Firstly, using the Crandall-Lions technique, we establish an error estimate of a finite difference scheme for flux-limited junction conditions, associated to a first order Hamilton-Jacobi equation. We prove afterwards that the scheme can generally be extended to general junction conditions. We prove then the convergence of the numerical solution towards the viscosity solution of the continuous problem. We adopt afterwards a new approach, using the Crandall-Lions technique, in order to improve the error estimates for the finite difference scheme already introduced, for a class of well chosen Hamiltonians. This approach relies on the optimal control interpretation of the Hamilton-Jacobi equation under consideration.Secondly, we study the stabilization and the indirect exact boundary controllability of a system of weakly coupled wave equations in a one-dimensional setting. First, we consider the case of coupling by terms of velocities, and by a spectral method, we show that the system is exactly controllable through one single boundary control. The results depend on the arithmetic property of the ratio of the propagating speeds and on the algebraic property of the coupling parameter. Furthermore, we consider the case of zero coupling parameter and we establish an optimal polynomial energy decay rate. Finally, we prove that the system is exactly controllable through one single boundary control

This research investigates the realization of parametric amplification in superconducting circuits and structures where nonlinearity is provided by Josephson junction (JJ) elements. We aim to develop a systematic analysis over JJ-based devices toward design of novel traveling-wave Josephson parametric amplifiers (TW-JPA). Chapters of this thesis fall into three categories: lumped JPA, superconducting periodic structures and discrete Josephson transmission lines (DJTL). The unbiased Josephson junction (JJ) is a nonlinear element suitable for parametric amplification through a four-photon process. Two circuit topologies are introduced to capture the unique property of the JJ in order to efficiently mix signal, pump and idler signals for the purpose of signal amplification. Closed-form expressions are derived for gain characteristics, bandwidth determination, noise properties and impedance for this kind of parametric power amplifier. The concept of negative resistance in the gain formulation is observed. A design process is also introduced to find the regimes of operation for gain achievement. Two regimes of operation, oscillation and amplification, are highlighted and distinguished in the result section. Optimization of the circuits to enhance the bandwidth is also carried out. Moving toward TW-JPA, the second part is devoted to modelling the linear wave propagation in a periodic superconducting structure. We derive closed-form equations for dispersion and s-parameters of infinite and finite periodic structures, respectively. Band gap formation is highlighted and its potential applications in the design of passive filters and resonators are discussed. The superconducting structures are fabricated using YBCO and measured, illustrating a good correlation with the numerical results. A novel superconducting Transmission Line (TL), which is periodically loaded by Josephson junctions (JJ) and assisted by open stubs, is proposed as a platform to realize a traveling-wave parametric device. Using the TL model, this structure is modeled by a system of nonlinear partial differential equations (PDE) with a driving source and mixed-boundary conditions at the input and output terminals, respectively. This model successfully emulates parametric and nonlinear microwave propagation when long-wave approximation is applicable. The influence of dispersion to sustain three non-degenerate phased-locked waves through the TL is highlighted. A rigorous and robust Finite Difference Time Domain (FDTD) solver based on the explicit Lax-Wendroff and implicit Crank-Nicolson schemes has been developed to investigate the device responses under various excitations. Linearization of the wave equation, under small-amplitude assumption, dispersion and impedance analysis is performed to explore more aspects of the device for the purpose of efficient design of a traveling-wave parametric amplifier. Knowing all microwave characteristics and identifying different regimes of operation, which include impedance properties, cut-off propagation, dispersive behaviour and shock-wave formation, we exploit perturbation theory accompanied by the method of multiple scale to derive the three nonlinear coupled amplitude equations to describe the parametric interaction. A graphical technique is suggested to find three waves on the dispersion diagram satisfying the phase-matching conditions. Both cases of perfect phase-matching and slight mismatching are addressed in this work. The incorporation of two numerical techniques, spectral method in space and multistep Adams-Bashforth in time domain, is employed to monitor the unilateral gain, superior stability and bandwidth of this structure. Two types of functionality, mixing and amplification, with their requirements are described. These properties make this structure desirable for applications ranging from superconducting optoelectronics to dispersive readout of superconducting qubits where high sensitivity and ultra-low noise operation is required.

Dans ce projet, nous étudions la reconstruction de milieux terrestres souterrains.L’imagerie sismique est traitée avec un problème de minimisation itérative àgrande échelle, et nous utilisons la méthode de l’inversion des formes d’ondes(Full Waveform Inversion, FWI method). La reconstruction est basée sur desmesures d’ondes sismiques, car ces ondes sont caractérisées par le milieu danslequel elles se propagent. Tout d’abord, nous présentons les méthodesnumériques qui sont nécessaires pour prendre en compte l’hétérogénéité etl’anisotropie de la Terre. Ici, nous travaillons avec les solutions harmoniques deséquations des ondes, donc dans le domaine fréquentiel. Nous détaillons leséquations et l’approche numérique mises en place pour résoudre le problèmed’onde.Le problème inverse est établi afin de reconstruire les propriétés du milieu. Ils’agit d’un problème non-linéaire et mal posé, pour lequel nous disposons de peude données. Cependant, nous pouvons montrer une stabilité de type Lipschitzpour le problème inverse associé avec l’équation de Helmholtz, en considérantdes modèles représentés par des constantes par morceaux. Nous explicitons laborne inférieure et supérieure pour la constante de stabilité, qui nous permetd’obtenir une caractérisation de la stabilité en fonction de la fréquence et del’échelle. Nous revoyons ensuite le problème de minimisation associé à lareconstruction en sismique. La méthode de Newton apparaît comme naturelle,mais peut être difficilement accessible, dû au coup de calcul de la Hessienne.Nous présentons une comparaison des méthodes pour proposer un compromisentre temps de calcul et précision. Nous étudions la convergence de l’algorithme,en fonction de la géométrie du sous-sol, la fréquence et la paramétrisation. Celanous permet en particulier de quantifier la progression en fréquence, en estimantla taille du rayon de convergence de l’espace des solutions admissibles.A partir de l’étude de la stabilité et de la convergence, l’algorithme deminimisation itérative est conduit en faisant progresser la fréquence et l’échellesimultanément. Nous présentons des exemples en deux et trois dimensions, etillustrons l’incorporation d’atténuation et la considération de milieux anisotropes.Finalement, nous étudions le cas de reconstruction avec accès aux données deCauchy, motivé par les dual sensors développés en sismique. Cela nous permetde définir une nouvelle fonction coût, qui permet de prometteuses perspectivesavec un besoin minimal quant aux informations sur l’acquisition. / In this project, we investigate the recovery of subsurface Earth parameters. Weconsider the seismic imaging as a large scale iterative minimization problem, anddeploy the Full Waveform Inversion (FWI) method, for which several aspects mustbe treated. The reconstruction is based on the wave equations because thecharacteristics of the measurements indicate the nature of the medium in whichthe waves propagate. First, the natural heterogeneity and anisotropy of the Earthrequire numerical methods that are adapted and efficient to solve the wavepropagation problem. In this study, we have decided to work with the harmonicformulation, i.e., in the frequency domain. Therefore, we detail the mathematicalequations involved and the numerical discretization used to solve the waveequations in large scale situations.The inverse problem is then established in order to frame the seismic imaging. Itis a nonlinear and ill-posed inverse problem by nature, due to the limitedavailable data, and the complexity of the subsurface characterization. However,we obtain a conditional Lipschitz-type stability in the case of piecewise constantmodel representation. We derive the lower and upper bound for the underlyingstability constant, which allows us to quantify the stability with frequency andscale. It is of great use for the underlying optimization algorithm involved to solvethe seismic problem. We review the foundations of iterative optimizationtechniques and provide the different methods that we have used in this project.The Newton method, due to the numerical cost of inverting the Hessian, may notalways be accessible. We propose some comparisons to identify the benefits ofusing the Hessian, in order to study what would be an appropriate procedureregarding the accuracy and time. We study the convergence of the iterativeminimization method, depending on different aspects such as the geometry ofthe subsurface, the frequency, and the parametrization. In particular, we quantifythe frequency progression, from the point of view of optimization, by showinghow the size of the basin of attraction evolves with frequency. Following the convergence and stability analysis of the problem, the iterativeminimization algorithm is conducted via a multi-level scheme where frequencyand scale progress simultaneously. We perform a collection of experiments,including acoustic and elastic media, in two and three dimensions. Theperspectives of attenuation and anisotropic reconstructions are also introduced.Finally, we study the case of Cauchy data, motivated by the dual sensors devicesthat are developed in the geophysical industry. We derive a novel cost function,which arises from the stability analysis of the problem. It allows elegantperspectives where no prior information on the acquisition set is required.

Dans cette thèse, nous étudions la synchronisation, qui est un phénomène bien répandu dans la nature. Elle a été observée pour la première fois par Huygens en 1665. En se basant sur les résultats de la contrôlabilité frontière exacte, pour un système couplé d’équations des ondes avec des contrôles frontières de Neumann, nous considérons la synchronisation frontière exacte (par groupes), ainsi que la détermination de l’état de synchronisation. Ensuite, nous considérons la contrôlabilité exacte et la synchronisation exacte (par groupes) pour le système couplé avec des contrôles frontières couplés de Robin. A cause du manque de régularité de la solution, nous rencontrons beaucoup plus de difficultés. Afin de surmonter ces difficultés, on obtient un résultat sur la trace de la solution faible du problème de Robin grâce aux résultats de régularité optimale de Lasiecka-Triggiani sur le problème de Neumann. Ceci nous a permis d’établir la contrôlabilité exacte, et, par la méthode de la perturbation compacte, la non-contrôlabilité exacte du système. De plus, nous allons étudier la détermination de l’état de synchronisation, ainsi que la nécessité des conditions de compatibilité des matrices de couplage. / This thesis studies the widespread natural phenomenon of synchronization, which was first observed by Huygens en 1665. On the basis of the results on the exact boundary controllability, for a coupled system of wave equations with Neumann boundary controls, we consider its exact boundary synchronization (by groups), as well as the determination of the state of synchronization. Then, we consider the exact boundary controllability and the exact boundary synchronization (by groups) for the coupled system with coupled Robin boundary controls. Due to difficulties from the lack of regularity of the solution, we have to face a bigger challenge. In order to overcome this difficulty, we take advantage of the regularity results for the mixed problem with Neumann boundary conditions (Lasiecka and Triggiani) to discuss the exact boundary controllability, and by the method of compact perturbation, to obtain the non-exact controllability for the system.

La thèse est portée essentiellement sur la stabilisation et la contrôlabilité de deux équations des ondes moyennant un seul contrôle agissant sur le bord du domaine. Dans le cas du contrôle dynamique, le contrôle est introduit dans le système par une équation différentielle agissant sur le bord. C'est en effet un système hybride. Le contrôle peut être aussi applique directement sur le bord d'une équation, c'est le cas du contrôle indirecte mais non borne. La nature du système ainsi coupledépend du couplage des équations, et ceci donne divers résultats par la stabilisation (exponentielle et polynomiale) et la contrôlabilité exacte (espace contrôlable). Des nouvelles inégalités d'énergie permettent de mettre en oeuvre la Méthode fréquentielle et la Méthode d'Unicité de Hilbert. / This thesis is concerned with the stabilization and the exact controllability of two wave equations by means of only one control acting on the boundary of the domain. In the case of dynamic control, the control is introduced into the system by differential equation acting on the boundary. It is indeed a hybrid system. The control can be also applied directly on the boundary of one of the equations. In this case, the control is indirect but unbounded. The behavior of the obtained system depends on theways of coupling. Various results are established for the stabilization (exponential or polynomial) and the exact controllability (controllable space of initial data). A new inequality of energy allows to apply the Frequency Method and the Hilbert Uniqueness Method.

<p>Doktorska disertacija je posvećena re&scaron;avanju Ko&scaron;ijevog problema odabranih klasa frakcionih diferencijalnih jednačina u okviru Kolomboovih prostora uop&scaron;tenih funkcija. U prvom delu disertacije razmatrane su nehomogene evolucione jednačine sa prostorno frakcionim diferencijalnim operatorima reda 0 &lt; &alpha; &lt; 2 i koeficijentima koji zavise od x i t. Ova klasa jednačina je aproksimativno re&scaron;avana, tako &scaron;to je umesto početne jednačine razmatrana aproksimativna jednačina data preko regularizovanih frakcionih izvoda, odnosno, njihovih regularizovanih množitelja. Za re&scaron;avanje smo koristili dobro poznate uop&scaron;tene uniformno neprekidne polugrupe operatora. U drugom delu disertacije aproksimativno su re&scaron;avane nehomogene frakcione evolucione jednačine sa Kaputovim<br />frakcionim izvodom reda 0 &lt; &alpha; &lt; 2, linearnim, zatvorenim i gusto definisanim<br />operatorom na prostoru Soboljeva celobrojnog reda i koeficijentima koji zavise<br />od x. Odgovarajuća aproksimativna jednačina sadrži uop&scaron;teni operator asociran sa polaznim operatorom, dok su re&scaron;enja dobijena primenom, za tu svrhu&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;<br />u disertaciji konstruisanih, uop&scaron;tenih uniformno neprekidnih operatora re&scaron;enja.<br />U oba slučaja ispitivani su uslovi koji obezbeduju egzistenciju i jedinstvenost<br />re&scaron;enja Ko&scaron;ijevog problema na odgovarajućem Kolomboovom prostoru.</p> / <p>Colombeau spaces of generalized functions. In the firs part, we studied inhomogeneous evolution equations with space fractional differential operators of order 0 &lt; &alpha; &lt; 2 and variable coefficients depending on x and t. This class of equations is solved&nbsp; approximately, in such a way that instead of the originate equation we considered the corresponding approximate equation given by regularized fractional derivatives, i.e. their&nbsp; regularized multipliers. In the solving procedure we used a well-known generalized uniformly continuous semigroups of operators. In the second part, we solved approximately inhomogeneous fractional evolution equations with Caputo fractional derivative of order 0 &lt; &alpha; &lt; 2, linear, closed and densely defined operator in Sobolev space of integer order and variable coefficients depending on x. The corresponding approximate equation&nbsp;&nbsp; is a given by the generalized operator associated to the originate&nbsp; operator, while the solutions are obtained by using generalized uniformly continuous solution operators, introduced and developed for that purpose. In both cases, we provided the conditions that ensure the existence and uniqueness solutions of the Cauchy problem in some Colombeau spaces.</p>