Cette thèse s'articule autour d'une notion spectrale assez récente, appelée le spectre étendu des opérateurs. Dans la première partie nous fournissons des propriétés générales du spectre étendu d'un opérateur dans certains cas particuliers, tels que le cas de dimension finie et celui des opérateurs inversibles. Nous nous intéressons dans la deuxième partie à l'étude du spectre étendu de l'opérateur shift tronqué Su. En particulier, nous donnons une description complète des vecteurs propres étendus associes à chaque valeur propre étendue de Sb, ou b est un produit de Blaschke quelconque. Dans la troisième partie nous décrirons complètement le spectre étendu et les sous espaces propres étendus d'une classe d'opérateurs très importante : celle des opérateurs normaux. Nous commençons d'abord par la classe des opérateurs qui sont produits d'un opérateur positif par un autoadjoint. Ensuite, nous utilisons le théorème de Fuglede-Putnam pour déduire une description complète des valeurs et des vecteurs propres étendus des opérateurs normaux, en fonction de leur mesure spectrale. Dans la dernière partie, nous appliquons nos résultats des trois premières parties sur des exemples concrets. En particulier, nous traitons= le problème des sous espaces propres étendus des opérateurs définis dans un espace de dimension finie. Ensuite, nous montrons l'existence d'un opérateur compact quasinilpotent dont le spectre étendu est réduit au singleton {1}. Enfin, nous traitons deux opérateurs de Cesaro très importants dans les applications / This thesis is based on a relatively new spectral notion, called extended spectrum of operators. In the first part, we provide general properties of extended spectrum of an operator in some special cases, such as the case of finite dimension and the case of invertible operator. We focused in the second part on characterizing the extended spectrum of truncated shift operator Su. In particular, we give a complete description of the extended eigenvectors associated to each extended eigenvalue of Sb, where b is a Blaschke product. In the third part, we describe the extended spectrum and the extended eigenvectors of a very important class of operators , that is the normal operators. We first start by describing these last sets for the product of a positive and a self-adjoint operator which are both injective. After, we use the Fuglede-Putnam theorem to describe the same sets for normal operators, in terms of their spectral measure. In the last part, we apply our results from the last three parts on concrete examples. In particular, we address the problem of extended eigenvectors of operators defined in a finite dimension space. Next, we show the existence of a quasinilpotent compact operator whose extended spectrum is reduced to {1}. Finally, we study two Cesaro operators which are very important in applications

La gestion de l'environnement et des ressources disponibles nécessite de caractériser l'état de la végétation. Les modèles agronomiques simulent le fonctionnement du couvert à partir du climat, des pratiques culturales et des propriétés de la plante et du sol. Le projet ADAM, dans lequel s'inscrit cette thèse, a pour objectif de combiner les données de télédétection avec l'information fournie par les modèles agronomiques afin de participer au raisonnement des cultures et à l'évaluation de l'environnement. Sur un modèle d'étude, nous avons proposé une approche originale d'assimilation simultanée sur une scène, en imposant des contraintes sur les paramètres en fonction de leur variabilité au niveau du pixel, de la parcelle, de la variété. . . La taille de l'espace de contrôle est ainsi diminuée par rapport à un problème résolu pixel par pixel et qui se trouve être mal posé lorsque l'on dispose de peu d'observations. Cette technique a permis d'améliorer fortement l'estimation des paramètres d'entrée et de réduire la fréquence temporelle d'observation. Nous avons ensuite étudié la faisabilité d'une telle méthode sur un modèle mécaniste complexe de fonctionnement de la végétation (STICS), dont la différentiation a présenté des difficultés théoriques et pratiques. En effectuant une analyse de sensibilité utilisant le modèle adjoint de STICS, nous avons pu hiérarchiser ses paramètres selon leur influence sur la croissance de la culture. Nous avons démontré la faisabilité d'une technique d'assimilation avec contraintes dans STICS, ce qui permet d'envisager de nombreuses applications dans le domaine agronomique.

L'objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension du cycle atmosphérique du soufre en Antarctique par l'utilisation d'un Modèle de Circulation Générale Atmosphérique (MCGA). Les versions "Antarctique" et "soufre" du MCGA LMD-ZT ("Laboratoire de Météorologie Dynamique- Zoom Traceurs") ont été fusionnées pour l'étude à haute résolution Antarctique du cycle du soufre dans les moyennes et hautes latitudes Sud. Une méthode de forçage "latéral" de la circulation atmosphérique antarctique par des analyses du Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme (CEPMMT) a été spécifiquement développée et appliquée. Le modèle a d'abord été évalué. Il représente correctement le cycle saisonnier des espéces soufrées aux sites d'observation en Antarctique. Plusieurs défauts ont cependant été identifiés , discutés, et certains ont été étudiés par des expériences numériques spécifiques. Ceci nous a permis, dans la suite de ce travail, de décrire de manière critique le cycle du soufre en Antarctique à partir des résultats du modèle. Le modèle a été utilisé pour trois applications. La première a été une mise en oeuvre directe du modèle, tel qu'il a été évalué, dans le but d'estimer les distributions spatiales, le cycle saisonnier dans les régions centrales, et le bilan annuel des espèces soufrées en Antarctique. La deuxième se présente sous forme d'études de sensibilité à la formulation des émissions de sulfure de diméthyle (DMS) océanique, que la phase d'évaluation a révélé comme déterminante pour la modélisation du cycle du soufre. Pour la troisième, l'adjoint du modèle de transport (qui, en première approximation, permet de remonter le temps), complété par l'adjoint du module chimique spécifiquement développé pour ce travail, a été mis en oeuvre pour une recherche quantitative de l'origine géographlque et de l'âge des espèces soufrées en Antarctique.

La tomographie des temps de première arrivée cherche à estimer un modèle de vitesse de propagation des ondes sismiques à partir des temps de première arrivée pointés sur les sismogrammes. Le modèle de vitesse obtenu peut alors permettre une interprétation structurale du milieu ou bien servir de modèle initial pour d'autres traitements de l'imagerie sismique. Les domaines d'application de cette méthode s'étendent, à des échelles différentes, de la géotechnique à la sismologie en passant par la géophysique pétrolière. Le savoir-faire du géophysicien joue un rôle important dans la difficile résolution du problème tomographique non-linéaire et mal posé. De nombreuses recherches ont entrepris de faciliter et d'améliorer cette résolution par des approches mathématique ou physique. Dans le cadre de ce travail, nous souhaitons développer une approche pragmatique, c'est-à-dire que nous considérons que le problème tomographique doit être résolu par un algorithme interactif dont les paramètres de réglage sont clairement définis. L'aspect interactif de l'algorithme facilite l'acquisition du savoir-faire tomographique car il permet de réaliser, dans un temps raisonnable, de nombreuses simulations pour des paramétrisations différentes. Le but poursuivi dans cette thèse est de définir, pour le cas spécifique de la tomographie des temps de première arrivée, un algorithme qui réponde au mieux à ces critères. Les algorithmes de tomographie des temps de première arrivée classiquement mis en oeuvre aujourd'hui ne répondent pas à nos critères d'une approche pragmatique. En effet, leur implémentation ne permet pas d'exploiter l'architecture parallèle des supercalculateurs actuels pour réduire les temps de calcul. De plus, leur mise en oeuvre nécessite une paramétrisation rendue complexe du fait de la résolution du système linéaire tomographique. Toutes ces limitations pratiques sont liées à la formulation même de l'algorithme à partir de la méthode de Gauss- Newton. Cette thèse repose sur l'idée de formuler la résolution du problème tomographique à partir de la méthode de plus grande descente pour s'affranchir de ces limitations. L'étape clé de cette formulation réside dans le calcul du gradient de la fonction coût par rapport aux paramètres du modèle. Nous utilisons la méthode de l'état adjoint et une méthode définie à partir d'un tracé de rais a posteriori pour calculer ce gradient. Ces deux méthodes se distinguent par leur formulation, respectivement non-linéaire et linéarisée, et par leur mise en oeuvre pratique. Nous définissons ensuite clairement la paramétrisation du nouvel algorithme de tomographie et validons sur un supercalculateur ses propriétés pratiques : une parallélisation directe et efficace, une occupation mémoire indépendante du nombre de données observées et une mise en œuvre simple. Finalement, nous présentons des résultats de tomographie pour des acquisitions de type sismique réfraction, 2-D et 3-D, synthétiques et réelles, marines et terrestres, qui valident le bon comportement de l'algorithme, en termes de résultats obtenus et de stabilité. La réalisation d'un grand nombre de simulations a été rendue possible par la rapidité d'exécution de l'algorithme, de l'ordre de quelques minutes en 2-D.

Les développements récents de l'industrie pétrolière en matière d'exploration et de production, et la mise en place de techniques de séquestration souterraine du CO2, nécessitent des méthodes d'imagerie du sous-sol permettant d'obtenir une information structurale et quantitative à fine échelle. Les travaux présentés dans cette thèse s'intéressent au développement d'une telle méthode, permettant d'estimer la distribution d'impédance acoustique autour d'un puits. Elle s'inspire du problème 1D d'inversion de données sismiques de puits PSV (Profil Sismique Vertical), et en propose une extension multi-D. Cette généralisation se heurte à deux principaux problèmes. Le premier consiste en l'indétermination inhérente au problème inverse multi-D, combattue par l'introduction de termes de régularisation appropriés. Le second est l'importance des coûts de calcul nécessaires à la résolution de ce problème. Une méthode numérique adéquate est proposée, faisant intervenir une méthode d'optimisation couplant un algorithme de type Quasi-Newton et l'algorithme du gradient conjugué. De plus, un algorithme de décomposition de domaines permet le calcul distribué du gradient de la fonctionnelle par l'état adjoint. Les performances de cette nouvelle méthode d'imagerie sont évaluées dans un contexte d'implémentation 2D. D'autre part, la modélisation de la propagation des ondes acoustiques dans le sous-sol est réalisée à l'aide de couches absorbantes de type PML (Perfectly Matched Layers). Une étude mathématique de la stabilité des équations PML adaptées au contexte spécifique d'un milieu de propagation hétérogène est également menée.

Pour mettre au point le système de contrôle thermique dun engin spatial (satellite, sonde ou véhicule habité), lingénieur thermicien utilise des logiciels adaptés, tels quESARAD et ESATAN, commercialisés par ALSTOM. Comme la composante radiative peut jouer un rôle prédominant, les logiciels utilisés contiennent fréquemment un algorithme de lancer de rayons pour calculer les facteurs de vue et facteurs déchange radiatif entre des surfaces de dimensions finies, supposées isothermes. Les flux externes (solaires, albédo et infrarouge terrestres) sont également calculés par lancer de rayons. Enfin, les couplages conductifs sont habituellement encodés manuellement par lutilisateur. Comme le lancer de rayons est basé sur un processus aléatoire, la précision atteinte est déterminée par le nombre de rayons lancés. En général, le choix de ce nombre de rayons est laissé à la discrétion de lingénieur, ce qui peut conduire à des erreurs. Un autre inconvénient du lancer de rayons est sa faible convergence. Une méthode daccélération du lancer de rayons est nécessaire. Dans le cadre de la thèse, nous avons développé une méthode de lancer de rayons plus performante, que nous avons appelée hémisphère stratifié, caractérisée par une meilleure convergence. Un contrôle statistique derreur a été développé : lutilisateur spécifie la précision souhaitée (définie par une erreur relative maximale et un intervalle de confiance) et lalgorithme adapte automatiquement le nombre de rayons en fonction de la configuration géométrique. Sur base de cette erreur géométrique, un système déquations adjointes est utilisé pour obtenir une erreur énergétique, caractérisant les transferts de chaleur entre les surfaces. Lhémisphère stratifié est étendu de manière à inclure des fonctions de réflexion plus complexes. Lapplication des relations de réciprocité et de fermeture est également considérée. La méthode matricielle de Gebhart, qui permet de dériver les facteurs déchange radiatifs des facteurs de vue, est étendue de manière à inclure des surfaces non-diffuses et non-isothermes. Pour accélérer le lancer de rayons, les intersections rayons-surfaces ont été soigneusement étudiées. Nous avons également développé une méthode qui combine les primitives géométriques avec des maillages éléments finis. La représentation tri-dimensionnelle du modèle géométrique est plus adaptée au calcul de la composante radiative du transfert thermique tandis que les maillages éléments finis sont plus adaptés au calcul de la conduction. Cette méthode fournit également une accélération du lancer de rayons. De plus, le lancer de rayons est effectué sur la géométrie exacte, ce qui est nécessaire si des réflexions spéculaires sont modélisées. Nous expliquons comment le lancer de rayons peut être effectué sur la géométrie exacte et comment les facteurs de vue résultants peuvent être projetés sur les éléments finis. Nous définissons la notion de facteur de vue élément fini en calculant les facteurs de vue aux noeuds et en les interpolant sur lélément fini au moyen des fonctions de forme. Ces facteurs de vue élément fini sont utilisés pour lier radiativement les noeuds du modèle. Comme le champ de température est projeté sur les fonctions de forme, nous obtenons des éléments non-isothermes, contrairement aux résultats de la méthode Thermal Lumped Parameter (différences finies) utilisée habituellement en thermique spatiale. Les liens conductifs sont calculés automatiquement sur base du maillage éléments finis. Toutes ces améliorations résultent dans un algorithme plus rapide que le programme de référence ESARAD (pour une précision équivalente) et qui fonctionne avec un petit nombre de paramètres définis par lutilisateur. Pour valider lalgorithme proposé, le modèle du vaisseau XEUS, de lESA, a été implémenté. Des comparaisons ont été effectuées avec ESARAD et le code éléments finis SAMCEF.

The kinetic schemes, also known as Boltzmann schemes are based on the moment-method-strategy, where an upwind scheme is first developed at the Boltzmann level and after taking suitable moments we arrive at an upwind scheme for the governing Euler or Navier-Stokes equations. The Kinetic Flux Vector Splitting (KFVS)scheme, which belongs to the family of kinetic schemes is being extensively used to compute inviscid as well as viscous flows around many complex configurations of practical interest over the past two decades. To resolve many flow features accurately, like suction peak, minimising the loss in stagnation pressure, shocks, slipstreams, triple points, vortex sheets, shock-shock interaction, mixing layers, flow separation in viscous flows require an accurate and low dissipative numerical scheme. The first order KFVS method even though is very robust suffers from the problem of having much more numerical diffusion than required, resulting in very badly smearing of the above features. However, numerical dissipation can be reduced considerably by using higher order kinetic schemes. But they require more points in the stencil and hence consume more computational time and memory. The second order schemes require flux or slope limiters in the neighbourhood of discontinuities to avoid spurious and physically meaningless wiggles or oscillations in pressure, temperature or density. The limiters generally restrict the residue fall in second order schemes while in first order schemes residue falls up to machine zero. Further, pressure and density contours or streamlines are much smoother for first order accurate schemes than second order accurate schemes. A question naturally arises about the possibility of constructing first order upwind schemes which retain almost all advantages mentioned above while at the same time crisply capture the flow features. In the present work, an attempt has been made to address the above issues by developing yet another kinetic scheme, known as the low dissipative modified KFVS (m-KFVS) method based on modified CIR (MCIR) splitting with molecular velocity dependent dissipation control function. Different choices for the dissipation control function are presented. A detailed mathematical analysis and the underlying physical arguments behind these choices are presented. The expressions for the m-KFVS fluxes are derived. For one of the choices, the expressions for the split fluxes are similar to the usual first order KFVS method. The mathematical properties of 1D m-KFVS fluxes and the eigenvalues of the corresponding flux Jacobians are studied numerically. The analysis of numerical dissipation is carried out both at Boltzmann and Euler levels. The expression for stability criterion is derived. In order to be consistent with the interior scheme, modified solid wall and outer boundary conditions are derived by extending the MCIR idea to boundaries. The cell-centred finite volume method based on m-KFVS is applied to several standard test cases for 1D, 2D and 3D inviscid flows. In the case of subsonic flows, the m-KFVS method produces much less numerical entropy compared to first order KFVS method and the results are comparable to second order accurate q-KFVS method. In transonic and supersonic flows, m-KFVS generates much less numerical dissipation compared to first order KFVS and even less compared to q-KFVS method. Further, the m-KFVS method captures the discontinuities more sharply with contours being smooth and near second order accuracy has been achieved in smooth regions, by still using first order stencil. Therefore, the numerical dissipation generated by m-KFVS is considerably reduced by suitably choosing the dissipation control variables. The Euler code based on m-KFVS method almost takes the same amount of computational time as that of KFVS method. Although, the formal accuracy is of order one, the m-KFVS method resolves the flow features much more accurately compared to first order KFVS method but the numerical dissipation generated by m-KFVS method may not be minimal. Hence, the dissipation control vector is in general not optimal. If we can find the optimal dissipation control vector then we will be able to achieve the minimal dissipation. In the present work, the above objective is attained by posing the minimisation of numerical dissipation in m-KFVS method as an optimal control problem. Here, the control variables are the dissipation control vector. The discrete form of the cost function, which is to be minimised is considered as the sum of the squares of change in entropy at all cells in the computational domain. The number of control variables is equal to the total number of cells or finite volumes in the computational domain, as each cell has only one dissipation control variable. In the present work, the minimum value of cost function is obtained by using gradient based optimisation method. The sensitivity gradients of the cost function with respect to the control variables are obtained using discrete adjoint approach. The discrete adjoint equations for the optimisation problem of minimising the numerical dissipation in m-KFVS method applied to 2D and 3D Euler equations are derived. The method of steepest descent is used to update the control variables. The automatic differentiation tool Tapenade has been used to ease the development of adjoint codes. The m-KFVS code combined with discrete adjoint code is applied to several standard test cases for inviscid flows. The test cases considered are, low Mach number flows past NACA 0012 airfoil and two element Williams airfoil, transonic and supersonic flows past NACA 0012 airfoil and finally, transonic flow past Onera M6 wing. Numerical results have shown that the m-KFVS-adjoint method produces even less numerical dissipation compared to m-KFVS method and hence results in more accurate solution. The m-KFVS-adjoint code takes more computational time compared to m-KFVS code. The present work demonstrates that it is possible to achieve near second order accuracy by formally first order accurate m-KFVS scheme while retaining advantages of first order accurate methods.

Formoptimierung bezeichnet die Bestimmung der Geometrischen Gestalt eines Gebietes auf dem eine partielle Differentialgleichung (PDE) wirkt, sodass bestimmte gegebene Zielgrößen, welche von der Lösung der PDE abhängen, Extrema annehmen. Bei der Diskret Adjungierten Methode wird der Gradient einer Zielgröße bezüglich einer beliebigen Anzahl von Formparametern mit Hilfe der Lösung einer adjungierten Gleichung der diskretisierten PDE effizient ermittelt. Dieser Gradient wird dann in Verfahren der numerischen Optimierung verwendet um eine optimale Lösung zu suchen. Da sowohl die Zielgröße als auch der Gradient für die diskretisierte PDE ermittelt werden, sind beide zunächst vom verwendeten Netz abhängig. Bei groben Netzen sind sogar Unstetigkeiten der diskreten Zielfunktion zu erwarten, wenn bei Änderungen der Formparameter sich das Netz unstetig ändert (z.B. Änderung Anzahl Knoten, Umschalten der Konnektivität). Mit zunehmender Feinheit der Netze verschwinden jedoch diese Unstetigkeiten aufgrund der Konvergenz der Diskretisierung. Da im Zuge der Formoptimierung Zielgröße und Gradient für eine Vielzahl von Iterierten der Lösung bestimmt werden müssen, ist man bestrebt die Kosten einer einzelnen Auswertung möglichst gering zu halten, z.B. indem man mit nur moderat feinen oder adaptiv verfeinerten Netzen arbeitet. Aufgabe dieser Diplomarbeit ist es zu untersuchen, ob mit gängigen Methoden adaptiv verfeinerte Netze hinreichende Genauigkeit der Auswertung von Zielgröße und Gradient erlauben und ob eventuell Anpassungen der Optimierungsstrategie an die adaptive Vernetzung notwendig sind. Für die Untersuchungen sind geeignete Modellprobleme aus der Festigkeitslehre zu wählen und zu untersuchen. / Shape optimization describes the determination of the geometric shape of a domain with a partial differential equation (PDE) with the purpose that a specific given performance function is minimized, its values depending on the solution of the PDE. The Discrete Adjoint Method can be used to evaluate the gradient of a performance function with respect to an arbitrary number of shape parameters by solving an adjoint equation of the discretized PDE. This gradient is used in the numerical optimization algorithm to search for the optimal solution. As both function value and gradient are computed for the discretized PDE, they both fundamentally depend on the discretization. In using the coarse meshes, discontinuities in the discretized objective function can be expected if the changes in the shape parameters cause discontinuous changes in the mesh (e.g. change in the number of nodes, switching of connectivity). Due to the convergence of the discretization these discontinuities vanish with increasing fineness of the mesh. In the course of shape optimization, function value and gradient require evaluation for a large number of iterations of the solution, therefore minimizing the costs of a single computation is desirable (e.g. using moderately or adaptively refined meshes). Overall, the task of the diploma thesis is to investigate if adaptively refined meshes with established methods offer sufficient accuracy of the objective value and gradient, and if the optimization strategy requires readjustment to the adaptive mesh design. For the investigation, applicable model problems from the science of the strength of materials will be chosen and studied.

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Ce travail a pour objectif de développer et d'appliquer une méthode originale permettant de simuler l'écoulement dans un milieu poreux fracturé. Cette méthode repose sur une approche multicouches double continuum permettant de séparer le comportement des différents aquifères présents sur un site. La résolution des écoulements, basée sur la méthode des Eléments Finis de Crouzeix-Raviart, est associée à une méthode inverse (minimisation de type Quasi-Newton combinée à la méthode de l'état adjoint) et à une paramétrisation multi-échelle.La méthode est appliquée dans un premier temps sur l'aquifère fracturé du site expérimental de Poitiers. Les résultats montrent une bonne restitution du comportement de l'aquifère et aboutissent à des champs de transmissivité plus réguliers par rapport à ceux de l'approche simple continuum. L'application finale est réalisée sur le site de Cadarache (taille plus importante et données d'entrée moins denses). Le calage des deux aquifères présents sur le site est satisfaisant et montre que ceux-ci se comportent globalement de façon indépendante. Ce calage pourra être amélioré localement grâce à données de recharge plus fines.