O conceito de inflação foi introduzido inicialmente para resolver alguns problemas que a cosmologia de Big Bang original não conseguia explicar, tais como os problemas do horizonte e da planura. Na fase inflacionária, o universo sofre uma expansão acelerada ( ¨a > 0) em um curto período de tempo, durante o qual também são produzidas as perturbações de densidade que são responsáveis pela formação das estruturas de larga escala no universo. Os modelos cosmológicos mais simples descritos na literatura são governados por um campo escalar , chamado inflaton, minimamente acoplado à gravidade de Einstein, e sujeito a um potencial de auto-interação V (). O ingrediente crucial da inflação é a sua evolução temporal lenta (slow roll), na qual o potencial V () supera o termo de energia cinética 2/2 ao produzir esta expansão acelerada. Nesta tese, considera-se uma Lagrangiana generalizada para o inflaton dada por f(R, ,X) a fim de se estudar modelos cosmológicos, principalmente em suas fases inflacionárias. Esta Lagrangiana engloba todos os tipos de teoria da gravidade descritos na literatura, tais como os modelos de gravidade de acoplamento mínimo (quintessência, energia de phantom, k-inflação ou k-essência) e os modelos de gravidade escalar tensorial tais como os modelos de Brans-Dicke, de acoplamento não-mínimo e de gravidade modificada. Nosso principal interesse está em descrever os tipos de singularidades de modelos cosmológicos anisotrópicos e homogêneos, com ênfase especial no caso f(R, ,X) = f(R, ) + p(,X), onde f(R, ) representa um termo de acoplamento não-mínimo e p(,X) o termo não-canônico de energia cinética. O estudo de tais singularidades põe diversos vínculos para a viabilidade de modelos cosmológicos envolvendo Lagrangianas de gravidade generalizada. / The concept of inflation was firstly introduced in order to solve some problems that the original Big Bang cosmology could not explain such as the flatness and the horizon problems. In the inflationary phase, the Universe undergoes an accelerating expansion (¨a > 0) for a short time during which there is the production of the density perturbations that are responsible for the formation of the large scale structures in the Universe. The simplest cosmological models found in the literature are governed by a scalar field , called inflaton, minimally coupled to the Einstein gravity and subjected to a self-interaction potential V (). The crucial ingredient of the inflation is its slow time evolution (slow roll) in which the self-interaction potential V () overcomes the kinetic energy term 2/2 and produces this accelerating expansion. In this thesis, we consider a generalized Lagrangian given by f(R, ,X) to study cosmological models, mainly in their inflationary phases. This Lagrangian comprehends any type of gravity theory found in the literature such as the minimal coupling gravity (i.e. quintessence, phantom energy, k-inflation or k-essence models) and the scalar-tensor gravity such as Brans-Dicke, non-minimal coupling and modified gravity models. We are specially interested in describing the types of singularities that can be found in anisotropic and homogeneous cosmological models in which the Lagrangian assumes the particular form f(R, ,X) = f(R, ) + p(,X), where f(R, ) represents the non-minimal coupling term and p(,X) is the non-canonical kinetic term. The study of these singularities stablishes many constraints for the viability of cosmological models presenting a generalized gravity Lagrangian.

O conceito de inflação foi introduzido inicialmente para resolver alguns problemas que a cosmologia de Big Bang original não conseguia explicar, tais como os problemas do horizonte e da planura. Na fase inflacionária, o universo sofre uma expansão acelerada ( ¨a > 0) em um curto período de tempo, durante o qual também são produzidas as perturbações de densidade que são responsáveis pela formação das estruturas de larga escala no universo. Os modelos cosmológicos mais simples descritos na literatura são governados por um campo escalar , chamado inflaton, minimamente acoplado à gravidade de Einstein, e sujeito a um potencial de auto-interação V (). O ingrediente crucial da inflação é a sua evolução temporal lenta (slow roll), na qual o potencial V () supera o termo de energia cinética 2/2 ao produzir esta expansão acelerada. Nesta tese, considera-se uma Lagrangiana generalizada para o inflaton dada por f(R, ,X) a fim de se estudar modelos cosmológicos, principalmente em suas fases inflacionárias. Esta Lagrangiana engloba todos os tipos de teoria da gravidade descritos na literatura, tais como os modelos de gravidade de acoplamento mínimo (quintessência, energia de phantom, k-inflação ou k-essência) e os modelos de gravidade escalar tensorial tais como os modelos de Brans-Dicke, de acoplamento não-mínimo e de gravidade modificada. Nosso principal interesse está em descrever os tipos de singularidades de modelos cosmológicos anisotrópicos e homogêneos, com ênfase especial no caso f(R, ,X) = f(R, ) + p(,X), onde f(R, ) representa um termo de acoplamento não-mínimo e p(,X) o termo não-canônico de energia cinética. O estudo de tais singularidades põe diversos vínculos para a viabilidade de modelos cosmológicos envolvendo Lagrangianas de gravidade generalizada. / The concept of inflation was firstly introduced in order to solve some problems that the original Big Bang cosmology could not explain such as the flatness and the horizon problems. In the inflationary phase, the Universe undergoes an accelerating expansion (¨a > 0) for a short time during which there is the production of the density perturbations that are responsible for the formation of the large scale structures in the Universe. The simplest cosmological models found in the literature are governed by a scalar field , called inflaton, minimally coupled to the Einstein gravity and subjected to a self-interaction potential V (). The crucial ingredient of the inflation is its slow time evolution (slow roll) in which the self-interaction potential V () overcomes the kinetic energy term 2/2 and produces this accelerating expansion. In this thesis, we consider a generalized Lagrangian given by f(R, ,X) to study cosmological models, mainly in their inflationary phases. This Lagrangian comprehends any type of gravity theory found in the literature such as the minimal coupling gravity (i.e. quintessence, phantom energy, k-inflation or k-essence models) and the scalar-tensor gravity such as Brans-Dicke, non-minimal coupling and modified gravity models. We are specially interested in describing the types of singularities that can be found in anisotropic and homogeneous cosmological models in which the Lagrangian assumes the particular form f(R, ,X) = f(R, ) + p(,X), where f(R, ) represents the non-minimal coupling term and p(,X) is the non-canonical kinetic term. The study of these singularities stablishes many constraints for the viability of cosmological models presenting a generalized gravity Lagrangian.

Este trabalho teve por objetivo investigar alguns aspectos dinâmicos de modelos de gravidade generalizada escalares-tensoriais e f(R), que pretendem resolver de modo mais natural o problema da existência da energia escura, que seria a componente do Universo responsável por sua expansão acelerada. Num espaço-tempo de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker com curvatura espacial nula foi possível escrever as equações de movimento de forma a se obter um sistema dinâmico com um número menor de variáveis e cujo espaço de fase foi estudado genericamente e esboçado para alguns modelos em particular. Em seguida, as regiões dinamicamente proibidas e os pontos fixos do espaço de fase foram analisados. Para os modelos f(R), apresentamos Lagrangianas e Hamiltonianas efetivas e deduzimos uma expressão geral para o parâmetro de equação de estado w. Discutimos ainda a equivalência entre os modelos f(R) e os escalares-tensoriais. Por fim, introduzimos o Princípio de Maupertuis-Jacobi, que permite relacionar a Lagrangiana de um sistema mecânico a uma métrica numa determinada variedade Riemanniana, para determinar singularidades que podem surgir nos modelos f(R), tanto numa métrica isotrópica como numa anisotrópica do tipo mais simples (Bianchi tipo I). Encontramos, de maneira mais direta, as mesmas singularidades já conhecidas através de métodos de análise dinâmica. / This work aims the investigation of some dynamical aspects of generalized gravity models, namely scalar-tensor and f(R) models. These models intend to solve in a more natural way the problem of the existence of the dark energy, which is supposedly the component of the Universe that causes its accelerated expansion. In a null spatial curvature Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker spacetime, it has been possible to write the equations of movement in a fashion that allowed us to obtain a dynamical system with a reduced number of variables, whose phase space has been generically studied and depicted for some particular models. In sequence, the dynamically forbidden regions and the fixed points of the phase space have been analyzed. For f(R) models, we have presented effective Lagrangians and Hamiltonians and derived a general expression for the equation of state parameter w. Furthermore, we have discussed the equivalence between f(R) and scalar-tensor models. Finally, we have introduced the Maupertuis-Jacobi Principle, which allows one to relate the Lagrangian for a mechanical system to a metric in a certain Riemannian manifold, to determine singularities which may appear in f(R) models, in an isotropic metric as well as in an anisotropic one of the simplest kind (Bianchi type I). We have found, in a more direct way, the same singularities that arise by using dynamical analysis methods.

Este trabalho teve por objetivo investigar alguns aspectos dinâmicos de modelos de gravidade generalizada escalares-tensoriais e f(R), que pretendem resolver de modo mais natural o problema da existência da energia escura, que seria a componente do Universo responsável por sua expansão acelerada. Num espaço-tempo de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker com curvatura espacial nula foi possível escrever as equações de movimento de forma a se obter um sistema dinâmico com um número menor de variáveis e cujo espaço de fase foi estudado genericamente e esboçado para alguns modelos em particular. Em seguida, as regiões dinamicamente proibidas e os pontos fixos do espaço de fase foram analisados. Para os modelos f(R), apresentamos Lagrangianas e Hamiltonianas efetivas e deduzimos uma expressão geral para o parâmetro de equação de estado w. Discutimos ainda a equivalência entre os modelos f(R) e os escalares-tensoriais. Por fim, introduzimos o Princípio de Maupertuis-Jacobi, que permite relacionar a Lagrangiana de um sistema mecânico a uma métrica numa determinada variedade Riemanniana, para determinar singularidades que podem surgir nos modelos f(R), tanto numa métrica isotrópica como numa anisotrópica do tipo mais simples (Bianchi tipo I). Encontramos, de maneira mais direta, as mesmas singularidades já conhecidas através de métodos de análise dinâmica. / This work aims the investigation of some dynamical aspects of generalized gravity models, namely scalar-tensor and f(R) models. These models intend to solve in a more natural way the problem of the existence of the dark energy, which is supposedly the component of the Universe that causes its accelerated expansion. In a null spatial curvature Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker spacetime, it has been possible to write the equations of movement in a fashion that allowed us to obtain a dynamical system with a reduced number of variables, whose phase space has been generically studied and depicted for some particular models. In sequence, the dynamically forbidden regions and the fixed points of the phase space have been analyzed. For f(R) models, we have presented effective Lagrangians and Hamiltonians and derived a general expression for the equation of state parameter w. Furthermore, we have discussed the equivalence between f(R) and scalar-tensor models. Finally, we have introduced the Maupertuis-Jacobi Principle, which allows one to relate the Lagrangian for a mechanical system to a metric in a certain Riemannian manifold, to determine singularities which may appear in f(R) models, in an isotropic metric as well as in an anisotropic one of the simplest kind (Bianchi type I). We have found, in a more direct way, the same singularities that arise by using dynamical analysis methods.