This thesis treats two essentially different subjects: V-cycle schemes are considered in Chapters 2-4, whereas the aggregation-based coarsening is analysed in Chapters 5-6. As a matter of paradox, these two multigrid ingredients, when combined together, can hardly lead to an optimal algorithm. Indeed, a V-cycle needs more accurate prolongations than the simple piecewise-constant one, associated to aggregation-based coarsening. On the other hand, aggregation-based approaches use almost exclusively piecewise constant prolongations, and therefore need more involved cycling strategies, K-cycle <a href=http://www3.interscience.wiley.com/journal/114286660/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0>[Num.Lin.Alg.Appl. vol.15(2008), pp.473-487]</a> being an attractive alternative in this respect.<p><br><p><br><p>Chapter 2 considers more precisely the well-known V-cycle convergence theories: the approximation property based analyses by Hackbusch (see [Multi-Grid Methods and Applications, 1985, pp.164-167]) and by McCormick [SIAM J.Numer.Anal. vol.22(1985), pp.634-643] and the successive subspace correction theory, as presented in [SIAM Review, vol.34(1992), pp.581-613] by Xu and in [Acta Numerica, vol.2(1993), pp.285-326.] by Yserentant. Under the constraint that the resulting upper bound on the convergence rate must be expressed with respect to parameters involving two successive levels at a time, these theories are compared. Unlike [Acta Numerica, vol.2(1993), pp.285-326.], where the comparison is performed on the basis of underlying assumptions in a particular PDE context, we compare directly the upper bounds. We show that these analyses are equivalent from the qualitative point of view. From the quantitative point of view,<p>we show that the bound due to McCormick is always the best one.<p><br><p><br><p>When the upper bound on the V-cycle convergence factor involves only two successive levels at a time, it can further be compared with the two-level convergence factor. Such comparison is performed in Chapter 3, showing that a nice two-grid convergence (at every level) leads to an optimal McCormick's bound (the best bound from the previous chapter) if and only if a norm of a given projector is bounded on every level.<p><br><p><br><p>In Chapter 4 we consider the Fourier analysis setting for scalar PDEs and extend the comparison between two-grid and V-cycle multigrid methods to the smoothing factor. In particular, a two-sided bound involving the smoothing factor is obtained that defines an interval containing both the two-grid and V-cycle convergence rates. This interval is narrow when an additional parameter α is small enough, this latter being a simple function of Fourier components.<p><br><p><br><p>Chapter 5 provides a theoretical framework for coarsening by aggregation. An upper bound is presented that relates the two-grid convergence factor with local quantities, each being related to a particular aggregate. The bound is shown to be asymptotically sharp for a large class of elliptic boundary value problems, including problems with anisotropic and discontinuous coefficients.<p><br><p><br><p>In Chapter 6 we consider problems resulting from the discretization with edge finite elements of 3D curl-curl equation. The variables in such discretization are associated with edges. We investigate the performance of the Reitzinger and Schöberl algorithm [Num.Lin.Alg.Appl. vol.9(2002), pp.223-238], which uses aggregation techniques to construct the edge prolongation matrix. More precisely, we perform a Fourier analysis of the method in two-grid setting, showing its optimality. The analysis is supplemented with some numerical investigations. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette étude a pour cadre l'analyse de mouvements fluides dans des séquences d'images et s'articule autour de deux axes. Nous traitons en premier lieu le problème de l'estimation du mouvement. Dans un contexte d'imagerie fluide, la luminance des images fait parfois apparaître de fortes distorsions spatiales et temporelles, rendant délicate l'utilisation de techniques standard issues de la Vision par Ordinateur, originalement conçues pour des mouvements rigides et reposant sur une hypothèse d'invariance de la fonction de luminance. Nous proposons un estimateur de mouvement modélisé au moyen d'une formulation énergétique et spécialement dédié à l'estimation du mouvement fluide. La fonctionnelle considérée est composée d'un terme d'attache aux données original issu de l'équation de continuité de la mécanique des fluides. Ce nouveau modèle de données, spécifié pour être aisément intégré dans un schéma multirésolution, est associé à une régularisation de type ``div-curl''. Les performances de cet estimateur sont expérimentalement démontrées sur des images synthétiques et réelles météorologiques. Une validation de la méthode sur un écoulement expérimental représentant une ``couche de mélange'' est par ailleurs présentée. L'intérêt de l'étude est en second lieu porté sur l'analyse d'un champ de déplacement préalablement estimé, relatif à un mouvement fluide. Nous proposons une méthode visant à extraire les vortex et puits/sources de l'écoulement en s'appuyant sur le modèle de Rankine. Ce problème est essentiel dans de nombreuses applications comme par exemple la détection d'importants événements météorologiques (dépressions, cellules convectives, ...) ou la caractérisation d'écoulements expérimentaux. La connaissance de telles structures autorise par ailleurs une représentation paramétrique de l'écoulement. La méthode que nous proposons s'appuie sur une représentation analytique du champ des vitesses e permet d'extraire d'autres informations pertinentes relatives à l'écoulement (fonctions de potentiels, décomposition selon Helmholtz de l'écoulement, points singuliers, ...). L'approche présentée sera expérimentalement étudiée sur des écoulement représentant divers phénomènes physiques.

Les équations de Maxwell en régime harmonique comportent plusieurs difficultés lorsque la fréquence est élevée. On peut notamment citer le fait que leur formulation variationnelle n’est pas définie positive et l’effet de pollution qui oblige à utiliser des maillages très fins, ce qui rend problématique la construction de solveurs itératifs. Nous proposons une stratégie de solution précise et rapide, qui associe une discrétisation par des éléments finis d’ordre élevé à des préconditionneurs de type décomposition de domaine. La conception, l’implémentation et l’analyse des deux méthodes sont assez difficiles pour les équations de Maxwell. Les éléments finis adaptés à l’approximation du champ électrique sont les éléments finis H(rot)-conformes ou d’arête. Ici nous revisitons les degrés de liberté classiques définis par Nédélec, afin d’obtenir une expression plus pratique par rapport aux fonctions de base d’ordre élevé choisies. De plus, nous proposons une technique pour restaurer la dualité entre les fonctions de base et les degrés de liberté. Nous décrivons explicitement une stratégie d’implémentation qui a été appliquée dans le langage open source FreeFem++. Ensuite, nous nous concentrons sur les techniques de préconditionnement du système linéaire résultant de la discrétisation par éléments finis. Nous commençons par la validation numérique d’un préconditionneur à un niveau, de type Schwarz avec recouvrement, avec des conditions de transmission d’impédance entre les sous-domaines. Enfin, nous étudions comment des préconditionneurs à deux niveaux, analysés récemment pour l’équation de Helmholtz, se comportent pour les équations de Maxwell, des points de vue théorique et numérique. Nous appliquons ces méthodes à un problème à grande échelle qui découle de la modélisation d’un système d’imagerie micro-onde, pour la détection et le suivi des accidents vasculaires cérébraux. La précision et la vitesse de calcul sont essentielles dans cette application. / The time-harmonic Maxwell’s equations present several difficulties when the frequency is large, such as the sign-indefiniteness of the variational formulation, the pollution effect and the problematic construction of iterative solvers. We propose a precise and efficient solution strategy that couples high order finite element (FE) discretizations with domain decomposition (DD) preconditioners. High order FE methods make it possible for a given precision to reduce significantly the number of unknowns of the linear system to be solved. DD methods are then used as preconditioners for the iterative solver: the problem defined on the global domain is decomposed into smaller problems on subdomains, which can be solved concurrently and using robust direct solvers. The design, implementation and analysis of both these methods are particularly challenging for Maxwell’s equations. FEs suited for the approximation of the electric field are the curl-conforming or edge finite elements. Here, we revisit the classical degrees of freedom (dofs) defined by Nédélec to obtain a new more friendly expression in terms of the chosen high order basis functions. Moreover, we propose a general technique to restore duality between dofs and basis functions. We explicitly describe an implementation strategy, which we embedded in the open source language FreeFem++. Then we focus on the preconditioning of the linear system, starting with a numerical validation of a one-level overlapping Schwarz preconditioner, with impedance transmission conditions between subdomains. Finally, we investigate how two-level preconditioners recently analyzed for the Helmholtz equation work in the Maxwell case, both from the theoretical and numerical points of view. We apply these methods to the large scale problem arising from the modeling of a microwave imaging system, for the detection and monitoring of brain strokes. In this application accuracy and computing speed are indeed of paramount importance.