Modelos exatamente solúveis para gases de férmions e bósons ultrafrios são estudados via o método do ansatz de Bethe termodinâmico. Resultados analíticos e numéricos são obtidos para o gás de Fermi de duas componentes com população de férmions não balanceada no regime atrativo em uma dimensão. Para o modelo de três componentes, soluções numéricas das equações do ansatz de Bethe termodinâmico confirmam que as expressões analíticas para os campos críticos e os diagramas de fases são muito precisas no regime de acoplamente forte. Para o regime de acoplamento fraco, derivamos as expressões analíticas para os campos críticos e os diagramas de fases e encontramos uma concordância muito boa entre os resultados analíticos e numéricos. Também verificamos que a fase triônica ´e suprimida para o regime de acoplamento fraco. Através de um estudo numérico obtivemos os diagramas de fase em regimes intermediários, e mostramos que a transição entre os regimes forte e fraco ocorre de forma suave ao variar o parâmetro de acoplamento. Apresentamos também um estudo detalhado para o gás de bósons com três componentes, obtendo expressões analíticas para quantidades físicas como densidade de partículas, compressibilidade e magnetização. A criticalidade quântica do modelo também foi investigada. / Exactly solvable models of ultracold Fermi and Bose gases are examined via the thermodynamic Bethe Ansatz method. Analytical and numerical results are obtained for the two-component one-dimensional attractive Fermi gas with population imbalance. For the three-component model, numerical solution of the thermodynamic Bethe ansatz equations confirm that the analytical expressions for the critical fields and the resulting phase diagrams at zero temperature are highly accurate in the strong coupling regime. For the weak coupling regime we derive the analytical expressions for the critical fields and the phase diagrams. Interestingly, in the weak regime the trionic phase is supressed. By means of a numerical study we obtain the phase diagrams at intermediate coupling regimes, showing that the crossover from strong to weak regimes occurs smoothly by varying the coupling parameter. We also present a detailed study of the three component Bose gas and obtain analytical expressions for physical quantities, such as the density of particles, compressibility and magnetisation. The quantum criticality of the model is also investigated.

Sistemas compostos por partículas que interagem por meio de forças de longo alcance, corno sistemnas gravitacionais ou coulombianos, apresentam comportamentos distintos daqueles cujas forças são de curto alcance. No equilíbrio termodinâmico pode haver inequivalência entre ensembles, resultante da falta das propriedades de extensividade e aditividade. Porém, antes mesmo de atingir o equilíbrio, esses sistemas relaxam para estados estacionários cujas distribuições não são necessariamente de Maxwell-Boltzmann, em um processo evolutivo regido pela equação de Vlasov, ou equação de Boltzmann não-colisional. .A relaxação colisional para o equilíbrio ocorre somente após um tempo que diverge com o aumento do tamanho do sistema. Nesse trabalho, estudamos dois modelos.cujas interações são de longo alcance: o modelo Hamiltdnian Mean-Field, ou HMF, e o modelo HMF generalizado, ou gHMF. Nos dois casos, comparamos os resultados da mecânica estatística de equilíbrio no ensemble microcanônico e os estados estacionários de não-equilíbrio. Propo-- mos teorias fundamentadas na dinâmica de Vlasov para descrever os estados estacionários, e corroboramos nossas previsões através da simulação computacional da dinâmica de N corpos. / Systems composed of particles that interact by means of long-range forces, such as gravitational or Coulomb systems, present behaviors that differ from those with shortl range forces. In thermodynamic equilibrium ensembles may be inequivalent due to their lack of extensivity and additivity. However, even before reaching equilibrium, such systems become trapped in out-of-equilibrium stationary states characterized by distributions that are not necessarily Maxwell-Boltzmann, through a process which is governed by the Vlasov, or non-collisional Boltzrnann, equation. The collisional relaxation that leads to equilibrium only occurs•afterwards, after a period of time that diverges as the system size increases. In the present work, we study two models with long-range interactions: the Hamiltonian Mean Field (HMF) and the generalized Hamiltonian Mean-Field (gHMF) models. For both cases, we compare the results of equilibrium st"atistical mechanics in the microcanonical ensemble with the out-of-equilibrium stationary states. We propose theories based on Vlasov clynamics in order to describe these non-equilibrium states, and corroborate our results with numerical simulations of the N-body dynamics.

Este trabalho aborda a solução numérica das equações lineares de águas rasas. O método dos elementos finitos e utilizado para a discretização espacial das equações que modelam o problema, e para a discretização temporal, o esquema semi-implícito de Crank-Nicolson é empregado. Além de alguns conceitos comuns quando se trabalha com escoamentos geofísicos, são descritas também a formulação das equações de águas rasas, sua linearização e uma solução analítica para um caso onde o parâmetro de Coriolis é nulo. A escolha adequada de pares de elementos finitos é a principal dificuldade quando se trabalha com esse método para a resolução da equação de águas rasas. Assim, é discutido o uso de quatro pares de elementos finitos e técnicas de estabilização para contornar o surgimento de modos espúrios na solução discreta. Os resultados numéricos são realizados com auxílio do software FreeFem++, onde se pode notar a capacidade dos pares de elementos de reproduzirem o escoamento, através da solução discreta, além das propriedades de conservação de massa e energia de cada discretização. / This work is about the numerical solution of the linear shallow water equations. The finite element method is used for spatial discretization of the equations that model the problem and for the time discretization the semi-implicit Crank-Nicolson scheme is used. Besides the concepts related to geophysical flows, the formulation of the shallow water equations, their linearization and an analytical solution for a case where the Coriolis parameter is zero are also described. The appropriate choice of a pair of finite elements is the main difficulty when working with this method for solving the shallow water equations. The use of four pairs of finite elements and stabilization techniques to circumvent the appearance of spurious modes in the discrete solution are discussed. The numerical results are performed using the software FreeFem++, where one can notice the ability of the elements to represent the discrete solution and mass and energy conservation of each discretization.

Neste trabalho estudamos a interação feixe-plasma aplicando a teoria de turbulência fraca. Primeiramente fazemos uma introdução `a teoria cinética de plasmas, estudando aspectos fundamentais como: a abordagem estatística das equações do plasma, o tratamento a ser dado `as funções de correlação que aparecem nessa abordagem, e o sistema de equações de Vlasov-Maxwell. Em seguida estudamos a aproximação de Vlasov e a solução do sistema de Vlasov- Maxwell na aproximação linear, enfocando a descrição de ondas no plasma e o amortecimento de Landau. Ao longo desse desenvolvimento fazemos uma apresentação relativamente detalhada dos procedimentos introduzidos por Landau ao tratar o sistema Vlasov-Maxwell como um problema de valor inicial, incluindo uma discussão sobre a resolução de integrais no plano complexo, com polos no denominador, e a solução da relação de dispersão para encontrar os modos normais de oscilação no plasma. Apresentamos também uma breve revisão a respeito da aproximação quase-linear do sistema de Vlasov- Maxwell, na qual abordamos a obtenção da equação quase-linear de difusão no espaço das velocidades para partículas e estudamos suas propriedades de conservação. Nesse contexto da teoria quase-linear, apresentamos uma revisão a respeito da evolução temporal do amortecimento de Landau no caso de distribuição de velocidades Maxwelliana e da instabilidade que pode ocorrer no caso de uma função distribuição com um feixe de partículas. Depois dessa introdução `a aproximação linear e `a teoria quase-linear, abordamos a teoria de turbulência fraca num plasma não magnetizado, incluindo interações não lineares entre ondas e partículas. O formalismo apresentado inclui efeitos como emissão espontânea e induzida, decaimento e espalhamento de ondas. O sistema de equações acopladas da teoria de turbulência fraca é então reduzido a uma aplicação a um sistema considerando duas dimensões, depois reescrito em termos de coordenadas polares e adaptado para solução numérica. Apresentamos então uma descrição do código numérico desenvolvido usando linguagem Fortran, abordando um plasma com elétrons descritos por uma função distribuição Maxwelliana com um feixe tênue, e íons descritos por uma função distribuição Maxwelliana. Finalmente, comparamos nossos resultados com outros obtidos por outros autores em trabalhos anteriores, desenvolvidos usando coordenadas cartesianas, avaliando nosso trabalho. Por último, discutimos algumas perspectivas para o desenvolvimento futuro do trabalho. / In the present work we study the beam-plasma interaction using the weak turbulence theory. We start with an introduction to the kinetic theory of plasmas, studying fundamental features, like the statistical approach to the plasma equations, the procedures to be employed to deal with the correlation functions appearing in the statistical approach, and the system of Vlasov-Maxwell equations. In the sequence we discuss the Vlasov approximation and the solution of the Vlasov- Maxwell system in the linear approximation, emphasizing the description of waves in the plasma and the Landau damping. Along the development we present a relatively detailed description of the procedures introduced by Landau to treat the Vlasov-Maxwell system as an initial value problem, including a discussion about the resolution of integrals in the complex plane, with poles in the denominator, and the solution of the dispersion relation to find the normal mode of oscillations in the plasma. We also present a short review about the quasilinear approximation of the Vlasov-Maxwell system, in which we discuss the derivation of the quasilinear diffusion equation in the space of particle velocities, and study its properties of conservation. In the context of the quasilinear theory, we present a short review about the time evolution of the Landau damping in the case of Maxwellian velocity distribution, and about the instability which can occur in the case of a distribution function with a beam of particles. After the introduction to the linear approximation and to the quasilinear theory, we present the equations of weak turbulence theory for a unmagnetized plasma, including non-linear interactions between waves and particles. The formalism which is presented includes effects and spontaneous and induced emission, decay and scattering of waves. The system of coupled equations of the weak turbulence theory is then reduced to application to a bi-dimensional case, and then re-written in terms of polar coordinates and adapted to numerical solution. We then present a description of the numerical code developed using Fortran language, suitable to describe a plasma with electrons described by a Maxwellian distribution function with a tenuous beam, and ions described by a Maxwellian distribution. Finally, we compare our results with results obtained by other authors in previous works, developed using cartesian coordinates, as a validation of our work. Lastly we discuss some perspectives for future developments.

Esta tese objetiva estudar aplicações de sistemas lineares gerais de segunda ordem ao controle de sistemas. É mostrada fórmula para solução da equação evolutiva matricial de segunda ordem, tanto de tempo discreto como contínuo, e são descritos testes para a contolabilidade e observabilidade de sistemas modelados por equações deste tipo, desenvolvidos por J. c. R. Claeyssen. Somandose a isto A. G. Nowosad analisa algumas aplicações destes sistemas 'a engenharia aero-espacial, especialmente ao controle de satélites. / This thesis concerns the study of second-order general linear systems' applications to control systems. The authors show a formula for the solution of second-order matrix evolutive equations, both continuous and discrete-time, and tests for controlability and observability of systems modelled by these kinds of equations, developed by J . C. R. Claeyssen. Adding to this, A. G. Nowosad analyses some applications of these systems to aerospace engineering, specially satellite control .

O objetivo deste trabalho é apresentar e descrever a teoria e implementação paralela. em PVM, de dois algoritmos iterativos do tipo quasi-Newton - Newton-GNIRES e Broyden- para a solução de equações não lineares F= O, onde a função F: Rn -t Rn é de classe C1 e seu Jacobiano J( x) é esparso. Uma ilustração e comparação destes métodos com suas versões sequenciais é obtida ao aplicá-los a dois probJemas específicos. / The objective of this work is to introduce anel describe the theory anel implementation on PVM, of two quase-Newton iterative algorithms - NewtonGA1RES e Broyden - for the resolution of nonlinear equations F = O, where a function F : Rn --+ Rn is of class C1 and its Jacobian J(x) is sparse. An ilustration and comparison of these methods with their serial versions is obtained as they apply to two especific problems.

Neste trabalho apresenta-se uma discussão geral sobre problemas inversos, problemas mal-postos c técnicas de regularização, visando sua aplicabilidade em problemas térmicos. Métodos numéricos especiais são discutidos para a solução de problemas que apresentam instabilidade em relação aos dados. Tais métodos baseiam-se na utilização de restrições ou informações adicionais sobre a solução procurada. O problema de determinação da condição inicial da equação do calor é resolvido numericamente através destas técnicas, particularmente a regularização de Tikhonov e o príncipio da máxima entropia conectados ao príncipio da discrepância de Morozov são utilizados. / In this work we present a general discussion on invcrse problems, ill-posed problems and regularization techniqucs, applying these techniques to thermal problcms. Special numerical methods are discusscd in order to solve problerns for which the solution is unstable under data perturbations. Such methods are based on the utilization of restrictions or additional information on thc solution. The problern of determining the initial condition of thc heat equation is numerically solved beyond thesc techniques, particularly thc T ikhonov regularization and thc maximum entropy principie connected to thc Morozov's discrepancy principie are used.

O objetivo deste trabalho é apresentar alguns métodos numéricos para resolver a equação da convecção-difusão, em um espaço uni-dimensional. Demonstrada a derivação desta equação, parte-se para a sua adaptação ao espaço uni-dimensional. A seguir, é considerado o fenômeno da difusão, isoladamente. Num segundo momento, é feito um estudo sobre o fenômeno da convecção, isoladamente. Posterionnente, considera-se o caso geral, em que os fenômenos da convecção e da difusão ocotrem simultaneamente. A importante questão da estabilidade em soluções numéricas também é analisada Ao final de cada uma das três situações mencionadas, são apresentados resultados práticos dos programas computacionais apl icados a elas. / The purpose of this work is show some numerical methods to solve diffusionconvection equation, in one dimension. Showed the deduction ofthis equation, discribring the problem, we present its adaptation to one dimension. After this, severa! steps are fulfi li: first, the di.tfusion phenomenon is considered isolated; second, the convection phenomenon is studied isolated; third, the general case, where convection and diffusion phenomena happened together. The major question about stability is also analysed. At the end ofthe three above situations, we give some praticai results of computational programs applied to them.

Neste trabalho propomos uma solução para a equação de transporte multigrupo com núcleo de espalhamento de Klein-Nishina. A idéia básica consiste na aproximação do termo integral em energia, resultando em uma solução final para valores discretos de energia. Resolvemos o sistema resultante, em termos da variável espacial e angular, usando o métodoLTSN, que fornece uma solução analítica para o problema de ordenadas discretas. Aplicamos essa formulação ao cálculo de dose c apresentamos resultados numéricos para quatro e cinco valores de energia. / In this work we propose a solution to the multigroup transport equation with Klein-Nishina scattering kernel. The main ielea is the approximation of the integral energy term such that we obtain the final solution for eliscrete energy values. We solve the resulting system, in terrns of the spacial anel angular variable, using the LTSN methoel, that provieles an analytical solution to the cliscrete ordinates problem. vVe applieel the formulation on the calculation of the elosis anel we present numerical results for four anel five energy values.

Este trabalho constitui-se numa monografia para ser apresentada como requisito para o título de Doutor em Ciências dentro do Programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Faz parte da pesquisa teórica desenvolvida pelo Grupo de Física de Plasmas do IF-UFRGS, e tem por objetivo participar do esforço de tornar comercialmente viável a tecnologia de fusão termonuclear como fonte geradora de energia elátrica. Conhecimento científico e tecnológico que é imprescindível para um país em desenvolvimento como o Brasil. Dentro deste contexto, o trabalho desenvolvido segue a linha de pesquisa do estudo de processos de geraçãao de correntes em tokamaks por meio de interações onda-partícula. Assim, estudamos os efeitos devido a ocorrência de transporte radial de partículas em um tokamak na eficiência de geração de corrente devido a ondas de radio freqüência (RF), na presença de barreiras internas de transporte (ITB - Internal Transport Barriers). Para isso, considerou-se dois casos: no primeiro, a geração de corrente ocorre devido somente a ondas do tipo híbrida inferior (LH - Lower Hybrid), e no segundo, a geração com ação combinada das ondas LH e do tipo eletrônica de cíclotron (EC - Electron Cyclotron). Os resultados foram obtidos por solução numérica da equação de Fokker-Planck que rege a evolução da função distribuição de elétrons. Nós consideramos que o transporte radial de partículas pode ser devido a utuações magnéticas ou eletrostáticas. Considerando ambos os tipos de utuações, a eficiência da geração de corrente mostrou um crescimento com o crescimento das utuações que originam o transporte. A dependência da eficiência da geração de corrente na profundidade e posição da barreira também foi investigada. / This work constitutes a monograph to be presented as requirement to the title of PhD at the Physics Graduate Program at Federal University of Rio Grande do Sul. It is part of a theoretical research developed by the Plasma Physics Group of the IF-UFRGS, and it have the purpose to participe on the e ort to make feasible the thermonuclear fusion technology as a source of electric energy. Scienti c and technological knowledge that are indispensable to a developing country as the Brazil. In that context, the work under development follows the research line of the study of the process of current drive in tokamaks by means of wave-particle interaction. Therefore, we studied the e ects due to the occurrence of radial transport of particles in a tokamak on the e ciency of current drive due the radio frequency waves (RF), in the presence of an Internal Transport Barrier (ITB). For this, we consider two cases: at rst, the current drive occur due to Lower Hybrid waves (LH) only, and at second case, the current drive with combined action of LH and Electron Cyclotron (EC) waves. The present results are obtained by numerical solution of the Fokker-Planck equation which rules the evolution of the electron distribution function. We assume that the radial transport of particles can be due to magnetic or to eletrostatic utuations. It considering both the utuations types, the e ciency of current drive is shown to increase with the increase of the utuations which originate the transport. The dependence of the current drive e ciency on the depth and position of the barrier is also investigated.