The special functions and, particularly, the classical orthogonal polynomials encountered in many branches of applied mathematics and mathematical physics satisfy a second order differential equation, which is known as the equation of the hypergeometric type. The variable coefficients in this equation of the hypergeometric type are of special structures. Depending on the coefficients the classical orthogonal polynomials associated with the names Jacobi, Laguerre and Hermite can be derived as solutions of this equation. In this thesis, these well known classical polynomials as well as another class of polynomials, which receive less attention in the literature called Bessel polynomials have been studied.

Call number: LD2668 .T4 1943 U5 / Master of Science

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A mathematical method is developed for the analysis of the electrostatic fields existing within finite, three-dimensional, cylindrically shaped regions which do not contain the axis of revolution. The derived method defines the potential field within such a region provided that the potentials are known at the boundaries, that the insulating media has homogeneous, linear, and isotropic characteristics, and that the region is charge free. The general solution for the potential field involves forms of both the Fourier and the Fourier Bessel series, and the resulting series solution is shown to be uniformly convergent . It is also shoran that this potential field series solution can be integrated and differentiated to yield series solutions for electric fiend and capacitance and that these solutions are also uniformly convergent.

This dissertation discusses the construction of some stochastic models for population dynamics with a variety of birth and death rate functions. A general model is constructed considering a fundamental growth rate function of the population while allowing random births and deaths in the population. Four stochastic discrete delay models and two non-delay models using the infinitesimal mean and variance given by birth and death rate functions have been produced and analyzed. In these constructions drift terms are in the form of logistic growth or logistic growth with delay. Logistic growth models are well known to biologists and economists. For each model, the existence and uniqueness of the global solution, non-negativeness of the solution is discussed, and for some models, boundedness of the path is also given. Persistence of the population and the boundary behavior have also been discussed through the hitting times. Here, a new method to analyze the hitting times for a specific class of stochastic delay models is presented. This work is related to and also extends the work of Edward Allen, Linda Allen and Bernt Oksendal in population dynamics.

Les axicons sont principalement connus pour leur propriété à produire des faisceaux Bessel. Cependant, certains ont également la propriété de produire une focalisation en anneau soit directement ou avec l’ajout d’une lentille. Nous avons analysé la possibilité de faire un axicon avec un profil d’indice de réfraction qui produirait un anneau. Plus précisément, nous avons analysé la possibilité de faire une composante qui incorpore la fonction linéaire d’une lentille conique et la fonction parabolique d'une lentille. Le profil d’indice de réfraction analysé a une variation radiale et permet de produire une focalisation annulaire périodique. Un profil similaire a déjà été étudié sommairement par E. Marchand puis par Rosa M. Gonzalez. Cependant, les solutions proposées par eux sont des solutions approximatives et leur analyse est limitée. Il existe déjà des fibres optiques avec des indices de réfraction semblable à ce que l’on cherche, donc ces axicons ont le potentiel d’être utilisés directement pour une fibre optique. Nous avons déterminé la solution exacte du profil d’indice de réfraction qui permet la focalisation en anneau et nous avons démontré théoriquement que l’anneau produit est de bonne qualité. Nous avons étudié la possibilité de produire un faisceau Bessel à partir de cette composante optique que nous nommons GLA (Grin Lens Axicon) et les simulations montrent que le Faisceau Bessel peut être de très bonne qualité. Des tests expérimentaux ont été faits pour montrer qu’il est possible de produire un faisceau Bessel avec le GLA. / Axicons are mostly known for their capacity to produce Bessel beam. However, some axicon has the propriety to produce annular focusing whether directly or by adding a lens. In this text we have study the possibility to produce an axicon with gradient index of refraction that produce an annular focusing. More precisely we study the possibility to produce a component which incorporates the linear function of a conical lens and the parabolic function of a lens. The study refraction index profile has a radial variation and allow to a periodic annular focalisation. A similar refractive index profile has already been study by E. Marchand then by Rosa M. However, the solutions proposed by them are approximate solutions and their studies are limited. Some optical fiber already has index profile like the one we are interest so this axicon have the potential to be use for optical fiber application. We have demonstrated theoretically the exact refractive index profile that produce annular focusing and we have demonstrated theoretically that the ring produce is of good quality. We have also studied the possibility to produce a Bessel beam with this device that we name GLA (Grin Lens Axicon) and the simulation show that the beam could be of excellent quality. Some experimental tests have been done to show that it is possible to produce a Bessel beam with a GLA.

Ce mémoire a pour but d'étudier les propriétés des solutions à l'équation aux valeurs propres de l'opérateur de Laplace sur le disque lorsque les valeurs propres tendent vers l'in ni. En particulier, on s'intéresse au taux de croissance des normes ponctuelle et L1. Soit D le disque unitaire et @D sa frontière (le cercle unitaire). On s'inté- resse aux solutions de l'équation aux valeurs propres f = f avec soit des conditions frontières de Dirichlet (fj@D = 0), soit des conditions frontières de Neumann ( @f @nj@D = 0 ; notons que sur le disque, la dérivée normale est simplement la dérivée par rapport à la variable radiale : @ @n = @ @r ). Les fonctions propres correspondantes sont données par : f (r; ) = fn;m(r; ) = Jn(kn;mr)(Acos(n ) + B sin(n )) (Dirichlet) fN (r; ) = fN n;m(r; ) = Jn(k0 n;mr)(Acos(n ) + B sin(n )) (Neumann) où Jn est la fonction de Bessel de premier type d'ordre n, kn;m est son m- ième zéro et k0 n;m est le m-ième zéro de sa dérivée (ici on dénote les fonctions propres pour le problème de Dirichlet par f et celles pour le problème de Neumann par fN). Dans ce cas, on obtient que le spectre SpD( ) du laplacien sur D, c'est-à-dire l'ensemble de ses valeurs propres, est donné par : SpD( ) = f : f = fg = fk2 n;m : n = 0; 1; 2; : : :m = 1; 2; : : :g (Dirichlet) SpN D( ) = f : fN = fNg = fk0 n;m 2 : n = 0; 1; 2; : : :m = 1; 2; : : :g (Neumann) En n, on impose que nos fonctions propres soient normalisées par rapport à la norme L2 sur D, c'est-à-dire : R D F2 da = 1 (à partir de maintenant on utilise F pour noter les fonctions propres normalisées et f pour les fonctions propres quelconques). Sous ces conditions, on s'intéresse à déterminer le taux de croissance de la norme L1 des fonctions propres normalisées, notée jjF jj1, selon . Il est vi important de mentionner que la norme L1 d'une fonction sur un domaine correspond au maximum de sa valeur absolue sur le domaine. Notons que dépend de deux paramètres, m et n et que la dépendance entre et la norme L1 dépendra du rapport entre leurs taux de croissance. L'étude du comportement de la norme L1 est étroitement liée à l'étude de l'ensemble E(D) qui est l'ensemble des points d'accumulation de log(jjF jj1)= log : Notre principal résultat sera de montrer que [7=36; 1=4] E(B2) [1=18; 1=4]: Le mémoire est organisé comme suit. L'introdution et les résultats principaux sont présentés au chapitre 1. Au chapitre 2, on rappelle quelques faits biens connus concernant les fonctions propres du laplacien sur le disque et sur les fonctions de Bessel. Au chapitre 3, on prouve des résultats concernant la croissance de la norme ponctuelle des fonctions propres. On montre notamment que, si m=n ! 0, alors pour tout point donné (r; ) du disque, la valeur de F (r; ) décroit exponentiellement lorsque ! 1. Au chapitre 4, on montre plusieurs résultats sur la croissance de la norme L1. Le probl ème avec conditions frontières de Neumann est discuté au chapitre 5 et on présente quelques résultats numériques au chapitre 6. Une brève discussion et un sommaire de notre travail se trouve au chapitre 7. / The goal of this master's thesis is to explore the properties of the solutions of the eigenvalue problem for the Laplace operator on a disk as the eigenvalues go to in nity. More speci cally, we study the growth rate of the pointwise and the L1 norms of the eigenfunctions. Let D be the unit disk and @D be its boundary (the unit circle). We study the solutions of the eigenvalue problem f = f with either Dirichlet boundary condition (fj@D = 0) or Neumann boundary condition ( @f @nj@D = 0; note that for the disk the normal derivative is simply the derivative with respect to the radial variable: @ @n = @ @r ). The corresponding eigenfunctions are given by: f (r; ) = fn;m(r; ) = Jn(kn;mr)(Acos(n ) + B sin(n )) (Dirichlet) fN (r; ) = fN n;m(r; ) = Jn(k0 n;mr)(Acos(n ) + B sin(n )) (Neumann) where Jn is the nth order Bessel function of the rst type, kn;m is its mth zero and k0 n;m is the mth zero of its derivative (here we denote the eigenfunctions for the Dirichlet problem by f and those for the Neumann problem by fN). The spectrum of the Laplacian on D, SpD( ), that is the set of its eigenvalues, is given by: SpD( ) = f : f = fg = fk2 n;m : n = 0; 1; 2; : : :m = 1; 2; : : :g (Dirichlet) SpN D( ) = f : fN = fNg = fk0 n;m 2 : n = 0; 1; 2; : : :m = 1; 2; : : :g (Neumann) Finally, we normalize the L2 norm of the eigenfunctions on D, namely: R D F2 da = 1 (here and further on we use the notation F for the normalized eigenfunctions and f for arbitrary eigenfunctions). Under these conditions, we study the growth rate of the L1 norm of the normalized eigenfunctions, jjF jj1, in relation to . It is important to mention that the L1 norm of a function on a given domain corresponds to the iv maximum of its absolute value on the domain. Note that depends on two parameters, m and n, and the relation between and the L1 norm depends on the regime at which m and n change as goes to in nity. Studying the behavior of the L1 norm is linked to the study of the set E(D) which is the set of accumulation points of log(jjF jj1)= log : One of our main results is that [7=36; 1=4] E(B2) [1=18; 1=4]: The thesis is organized as follows. Introduction and main results are presented in chapter 1. In chapter 2 we review some well-known facts regarding the eigenfunctions of the Laplacian on the disk and the properties of the Bessel functions. In chapter 3 we prove results on pointwise growth of eigenfunctions. In particular, we show that, if m=n ! 0, then, for any xed point (r; ) on D, the value of F (r; ) decreases exponentially as ! 1. In chapter 4 we study the growth of the L1 norm. Eigenfunctions of the Neumann problem are discussed in chapter 5. Some numerical results are presented in chapter 6. A discussion and a summary of our work could be found in chapter 7.

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Στην παρούσα διατριβή μελετώνται οι ρίζες της συνάρτησης Mν(z), στην περίπτωση όπου οι συναρτήσεις F(z) και G(z) είναι της μορφής: y(z) = Σ ynzn-1 αναλυτικές στον μοναδιαίο δίσκο και πληρούν τη συνθήκη: Σ |yn|2 < ∞, δηλ. ανήκουν στον χώρο Hardy-Lebesgue Η2 (Δ). / --

Οι γενικευμένες συναρτήσεις Bessel (συναρτήσεις Bessel πολλών μεταβλητών και δεικτών) χρησιμοποιούνται ως το βασικό μαθηματικό υπόβαθρο για την απλούστευση πολύπλοκων υπολογισμών σε φαινόμενα όπως της σκέδασης όπου η προσέγγιση του διπόλου δεν μπορεί να εφαρμοσθεί. Επίσης εμφανίζονται σε προβλήματα αλληλεπίδρασης ισχυρών δεσμών laser με ηλεκτρόνια, αλληλεπίδρασης φωτός με ασθενώς δεσμευμένο ηλεκτρόνιο, σε προβλήματα ιονισμού κτλ. Οι συναρτήσεις αυτές ικανοποιούν αντίστοιχες ιδιότητες (όσον αφορά στη γεννή- τρια συνάρτηση και τις αναδρομικές σχέσεις ) με τις συναρτήσεις Bessel μιας πραγ- ματικής μεταβλητής και η απόδειξη αυτών των σχέσεων βασίζεται στον ορισμό των γενικευμένων συναρτήσεων Bessel και στις ιδιότητες των συνήθων συναρτήσεων Bessel. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι διάφορες γενικεύσεις των συναρτήσεων Bessel ξεκινώντας με αυτές των δύο μεταβλητών και του ενός ακέραιου δείκτη της μορφής για τις οποίες παραθέτονται η γεννήτρια συνάρτηση, οι αναδρομικές σχέσεις, παράγωγοι ως προς τις 2 μεταβλητές κάθε τάξης, αναπτύγματα τύπου Jacobi – Anger καθώς και σχέσεις σημαντικές για τους αριθμητικούς υπολογισμούς. Η ίδια μελέτη γίνεται και για τις διάφορες τροποποιημένες μορφές των συναρτήσεων καθώς και για τις γενικευμένες συναρτήσεις τριών αλλά και γενικά Μ μεταβλητών. Επίσης δίνονται αποτελέσματα για τις συναρτήσεις Bessel με περισσότερους από έναν δείκτες όπως οι συναρτήσεις , στην μονοδιάστατη περίπτω- ση και οι , και στην πολυδιά-στατη. Γίνεται καταγραφή των γενικευμένων μορφών των πολυωνύμων Hermite στις δύο διαστάσεις, των πολυωνύμων Gould – Hopper, των ιδιοτήτων τους καθώς και του τρόπου με τον οποίο συνδέονται με τις γενικευμένες συναρτήσεις Bessel. Τέλος, στην εργασία, που έχει τον χαρακτήρα της ανασκόπησης παρουσιάζονται και κάποια αποτελέσματα τα οποία αφορούν σε ιδιότητες πολυωνύμων Legendre και Laguerre δύο μεταβλητών. / The Generalized Bessel Functions (GBF) are multivariable extensions of the ordinary Bessel functions and their modified versions. Functions of this type encountered in a large number of fields, especially in physics, and used as a very important mathematical tool for simplifying the complicated computations. Problems, like the phenomenon of ionization and scattering, the interaction of intense laser beams with electrons, the effect of an intense electromagnetic field on a weakly bound system, are some examples of GBF’s applications in physics. In this work we gather and write down all the information related to the generalized Bessel functions and their modified versions, regarding their recurrence properties, generating functions ,integral representations, Jacobi – Anger expansions etc. Also we study the way that the generalized Bessel functions are linked with some multidimensional orthogonal polynomials such as Hermite, Laguerre, Legendre and Gould – Hopper polynomials.