Les travaux de recherche présentés dans cette thèse sont consacrés à l’étude de la stabilité dans divers problèmes inverses associés à l’équation de Schrödinger magnétique. Dans la première partie, on s’intéresse à un problème inverse concernant l’équation de Schrödinger autonome posée dans un domaine cylindrique non borné, avec potentiel magnétique périodique. On démontre à l’aide d’une construction de solutions particulières, dites solutions de type "optique géométrique", que le champ magnétique induit par le potentiel périodique est déterminé de façon stable à partir une infinité d’observations latérales de la solution, contenues dans l’opérateur de Dirichlet-Neumann. La deuxième partie de la thèse porte sur le même type de problèmes inverses mais associés à l’équation de Schrödinger magnétique non autonome. Dans un premier temps, on montre l’existence d’une unique solution régulière de cette équation dans un domaine borné ou non. Ensuite, on s’intéresse au problème inverse de la détermination simultanée des potentiels magnétique et électrique dans un domaine borné, à partir d’un nombre fini d’observations latérales de la solution. Enfin, on prouve que dans un domaine cylindrique infini, le potentiel magnétique peut être reconstruit de façon Lipschitz stable à partir d’un nombre fini d’observations de type Neumann. / This thesis, is devoted to the study of inverse problems related to the Schrödinger equation. The first partof the thesis is devoted to study the boundary inverse problem of determining the alignedmagnetic field appearing in the magnetic Schrödinger equation in a periodic quantum cylindricalwaveguide. From the Dirichlet-to-Neumann map of the magnetic Schrödinger equation,we prove a Hölder stability estimate with respect to the Dirichlet-to-Neumann map, by meansof the geometrical optics solutions of the magnetic Schrödinger equation.The second part of this thesis deals with the inverse problem of determining the magnetic field and the electricpotential appearing in the magnetic Schrödinger equation, from the knowledge of a finitenumber of lateral observations of the solution.

A distribuição de massa molar (DMM) e seus parâmetros são de fundamental importância na caracterização dos polímeros. Por este motivo, o desenvolvimento de técnicas que permitam a determinação da DMM de forma mais rápida e a menor custo é de grande importância prática. Os principais objetivos deste trabalho foram a implementação de alguns dos modelos baseados da teoria da reptação dupla propostos na literatura para descrever o mecanismo de relaxação das cadeias poliméricas, a avaliação dessas implementações e a análise de dois passos fundamentais na obtenção da DMM a partir de dados reológicos que são a metodologia de cálculo do espectro de relaxação baseado no modelo de Maxwell e a estratégia para a avaliação numérica das integrais que aparecem nos modelos de relaxação. Foi resolvido o problema denominado problema inverso, ou seja, a determinação da DMM a partir de dados reológicos usando um modelo de relaxação especificado e uma função de distribuição imposta. Foi usada a função Exponencial Generalizada (GEX) para representar a probabilidade de distribuição, sendo consideradas duas abordagens: i) cálculo explícito do espectro de relaxação e ii) aproximações paramétricas de Schwarzl, que evitam a necessidade do cálculo explícito do espectro de relaxação. A metodologia de determinação da DMM foi aplicada para amostras de polietileno e foram estimadas distribuições com boa representação dos dados experimentais do GPC, ao considerarem-se amostras com polidispersões inferiores a 10. Com relação a metodologia de cálculo do espectro de relaxação, foi realizado um estudo comparativo da aplicação de espectros de relaxação discreto e contínuo, com o objetivo de estabelecer critérios para especificação do número ótimo de modos de Maxwell a serem considerados. Ao efetuar-se a comparação entre as técnicas, verificou-se o espectro discreto apresenta como um sistema melhor condicionado, permitindo assim obter maior confiabilidade dos parâmetros estimados. Também é proposta uma modificação da metodologia de determinação da DMM, em que é aplicada a quadratura de Gauss-Hermite para a resolução numérica da integral dos modelos de relaxação. / The molecular weight distribution (MWD) and its parameters are of the fundamental importance in the characterization of polymers. Therefore, the development of techniques for faster and less time consuming determination of the MWD is of great practical relevance. The goals of this work were the implementation of some of the relaxation models from double reptation theory proposed in the literature, the evaluation of these implementations and the analysis of two key points in the recovery of the MWD from rheological data which are the methodology for calculation of the relaxation spectrum based on the Maxwell model and the numeric strategy for the evaluation of the integrals appearing in the relaxation models. The inverse problem, i.e., the determination of the MWD from rheological data using a specified relaxation model and an imposed distribution function, was solved. In the analysis of the inverse problem, the Generalized Exponential (GEX) was used as distribution function and two approaches were considered: i) explicit calculation of the relaxation spectrum and ii) use of the parametric method proposed by Schwarzl to avoid the explicit calculation of the relaxation spectrum. In the test of commercial samples of polyethylene with polidispersity less than 10, the application of this methodology led to MWD curves which provided good fit of the experimental SEC data. Regarding the methodology for calculation of the relaxation spectrum, a comparison between the performance of discrete and continuous relaxation spectrum was performed and some possible a criteria to determine the appropriate number of relaxation modes of Maxwell to be used were evaluated. It was found that the technique of discrete spectrum leads to better conditioned systems and, consequently, greater reliability of the estimated parameters. With relation to the numeric strategy for the evaluation of the integrals appearing in the relaxation models, the use of Gauss-Hermite quadrature using a new change of variables was proposed.

Le codage parcimonieux permet la reconstruction d'un signal à partir de quelques projections linéaires de celui-ci, sous l'hypothèse que le signal se décompose de manière parcimonieuse, c'est-à-dire avec peu de coefficients, sur un dictionnaire connu. Le codage est simple, et la complexité est déportée sur la reconstruction. Après une explication détaillée du fonctionnement du codage parcimonieux, une présentation de quelques résultats théoriques et quelques simulations pour cerner les performances envisageables, nous nous intéressons à trois problèmes : d'abord, l'étude de conception d'un système permettant le codage d'un signal par une matrice binaire, et des avantages apportés par une telle implémentation. Ensuite, nous nous intéressons à la détermination du dictionnaire de représentation parcimonieuse du signal par des méthodes d'apprentissage. Enfin, nous discutons la possibilité d'effectuer des opérations comme la classification sur le signal sans le reconstruire. / Compressed sensing allows to reconstruct a signal from a few linear projections, under the assumption that the signal can be sparsely represented, that is, with only a few coefficients, on a known dictionary. Coding is very simple and all the complexity is gathered on the reconstruction. After more detailed explanations of the principle of compressed sensing, some theoretic resultats from literature and a few simulations allowing to get an idea of expected performances, we focusson three problems: First, the study for the building of a system using compressed sensing with a binary matrix and the obtained benefits. Then, we have a look at the building of a dictionary for sparse representations of the signal. And lastly, we discuss the possibility of processing signal without reconstruction, with an example in classification.

O presente trabalho aborda um problema inverso associado a difus~ao de calor em uma barra unidimensional. Esse fen^omeno e modelado por meio da equac~ao diferencial par- cial parabolica ut = uxx, conhecida como equac~ao de difus~ao do calor. O problema classico (problema direto) envolve essa equac~ao e um conjunto de restric~oes { as condic~oes inicial e de contorno {, o que permite garantir a exist^encia de uma soluc~ao unica. No problema inverso que estudamos, o valor da temperatura em um dos extremos da barra n~ao esta disponvel. Entretanto, conhecemos o valor da temperatura em um ponto x0 xo no interior da barra. Para aproximar o valor da temperatura no intervalo a direita de x0, propomos e testamos tr^es algoritmos de diferencas nitas: diferencas regressivas, leap-frog e diferencas regressivas maquiadas. / This work deals with an inverse problem for the heat diusion in a bar of size L. This one-dimensional phenomenum is modeled by the parabolic partial dierential equation ut = uxx, known as the heat diusion equation. The classic problem (Direct Problem) involves this equation coupled to a set of constraints { initial and boundary conditions { in such a way as to guarantee a unique solution for it. The inverse problem hereby considered may be described in the following way: at one bar extreme point the temperature is un- known, but it is given at a xed interior point for all time. Three nite dierence algorithms (backward dierences, leap-frog, disguised backward dierences) are proposed and tested to approximate solutions for this problem. Keywords: Diusion equation. Finite dierences. Inverse problem.

Neuroimagiologia funcional é uma área da neurociência que visa o desenvolvimento de diversas técnicas para mapear a atividade do sistema nervoso e esteve sob constante desenvolvimento durante as últimas décadas devido à sua grande importância para aplicações clínicas e pesquisa. Técnicas usualmente utilizadas, como imagem por ressonância magnética functional (fMRI) e tomografia por emissão de pósitrons (PET) têm ótima resolução espacial (~ mm), mas uma resolução temporal limitada (~ s), impondo um grande desafio para nossa compreensão a respeito da dinâmica de funções cognitivas mais elevadas, cujas oscilações podem ocorrer em escalas temporais muito mais finas (~ ms). Tal limitação ocorre pelo fato destas técnicas medirem respostas biológicas lentas que são correlacionadas de maneira indireta com a atividade elétrica cerebral. As duas principais técnicas capazes de superar essa limitação são a Eletro- e Magnetoencefalografia (EEG/MEG), que são técnicas não invasivas para medir os campos elétricos e magnéticos no escalpo, respectivamente, gerados pelas fontes elétricas cerebrais. Ambas possuem resolução temporal na ordem de milisegundo, mas tipicalmente uma baixa resolução espacial (~ cm) devido à natureza mal posta do problema inverso eletromagnético. Um imenso esforço vem sendo feito durante as últimas décadas para melhorar suas resoluções espaciais através da incorporação de informação relevante ao problema de outras técnicas de imagens e/ou de vínculos biologicamente inspirados aliados ao desenvolvimento de métodos matemáticos e algoritmos sofisticados. Neste trabalho focaremos em EEG, embora todas técnicas aqui apresentadas possam ser igualmente aplicadas ao MEG devido às suas formas matemáticas idênticas. Em particular, nós exploramos esparsidade como uma importante restrição matemática dentro de uma abordagem Bayesiana chamada Aprendizagem Bayesiana Esparsa (SBL), que permite a obtenção de soluções únicas significativas no problema de reconstrução de fontes. Além disso, investigamos como incorporar diferentes estruturas como graus de liberdade nesta abordagem, que é uma aplicação de esparsidade estruturada e mostramos que é um caminho promisor para melhorar a precisão de reconstrução de fontes em métodos de imagens eletromagnéticos. / Functional Neuroimaging is an area of neuroscience which aims at developing several techniques to map the activity of the nervous system and has been under constant development in the last decades due to its high importance in clinical applications and research. Common applied techniques such as functional magnetic resonance imaging (fMRI) and positron emission tomography (PET) have great spatial resolution (~ mm), but a limited temporal resolution (~ s), which poses a great challenge on our understanding of the dynamics of higher cognitive functions, whose oscillations can occur in much finer temporal scales (~ ms). Such limitation occurs because these techniques rely on measurements of slow biological responses which are correlated in a complicated manner to the actual electric activity. The two major candidates that overcome this shortcoming are Electro- and Magnetoencephalography (EEG/MEG), which are non-invasive techniques that measure the electric and magnetic fields on the scalp, respectively, generated by the electrical brain sources. Both have millisecond temporal resolution, but typically low spatial resolution (~ cm) due to the highly ill-posed nature of the electromagnetic inverse problem. There has been a huge effort in the last decades to improve their spatial resolution by means of incorporating relevant information to the problem from either other imaging modalities and/or biologically inspired constraints allied with the development of sophisticated mathematical methods and algorithms. In this work we focus on EEG, although all techniques here presented can be equally applied to MEG because of their identical mathematical form. In particular, we explore sparsity as a useful mathematical constraint in a Bayesian framework called Sparse Bayesian Learning (SBL), which enables the achievement of meaningful unique solutions in the source reconstruction problem. Moreover, we investigate how to incorporate different structures as degrees of freedom into this framework, which is an application of structured sparsity and show that it is a promising way to improve the source reconstruction accuracy of electromagnetic imaging methods.

A distribuição espectral de raios X de megavoltagem utilizados em departamentos de radioterapia é uma grandeza fundamental a partir da qual, em princípio, todas as informações requeridas relevantes para tratamentos de radioterapia podem ser determinadas. A medição direta é difícil de realizar clinicamente, e a análise da transmissão é um método indireto clinicamente viável para determinar espectros de fótons de aceleradores lineares clínicos. Neste método, os sinais de transmissão são adquiridos após o feixe passar através de diferentes espessuras de atenuadores. O objetivo deste trabalho foi o estabelecimento e a aplicação de um método indireto que utilizou um modelo espectral baseado no algoritmo de recozimento simulado generalizado para determinar o espectro de fótons de aceleradores lineares clínicos com base na curva de transmissão. A análise dos espectros obtidos foi feita por determinação analítica de grandezas dosimétricas e parâmetros relacionados. / The spectral distribution of megavoltage X-rays used in radiotherapy departments is a fundamental quantity from which, in principle, all relevant information required for radiotherapy treatments can be determined. The direct measurement is difficult to achieve clinically and analyzing the transmission is a clinically viable indirect method for determining clinical linear accelerators photon spectra. In this method, transmission signals are acquired after the beam passes through different thicknesses of attenuators. The objective of this work was the establishment and application of an indirect method that used a spectral model based on generalized simulated annealing algorithm to determine the spectrum of clinical linear accelerators photons based on the transmission curve. Analysis of the spectra was made by analytical determination of dosimetric quantities and related parameters.

Neste trabalho, procuramos resolver o problema direto da equação da viga de Euler- Bernoulli bi-engastada com condições iniciais nulas. Estudamos o problema inverso da viga, que consiste em identificar a fonte de vibração, modelada como um elemento em L2, usando como dado a velocidade de um ponto arbitrário da viga, durante um intervalo de tempo arbitrariamente pequeno. A relevância deste trabalho na Engenharia encontra-se, por exemplo, na identificação de danos estruturais em vigas. / In this work, we try to solve the direct problem of the clamped-clamped Euler- Bernoulli beam equation, with zero initial conditions. We study the inverse problem of the beam, consisting in the identification of the source of vibration, shaped as an element in L2, using as data the speed from an arbitrary point of the beam, during a time interval arbitrarily small. The relevance of this work in Engineering, for example, is in the identification of structural damage in beams.

A distribuição de massa molar (DMM) e seus parâmetros são de fundamental importância na caracterização dos polímeros. Por este motivo, o desenvolvimento de técnicas que permitam a determinação da DMM de forma mais rápida e a menor custo é de grande importância prática. Os principais objetivos deste trabalho foram a implementação de alguns dos modelos baseados da teoria da reptação dupla propostos na literatura para descrever o mecanismo de relaxação das cadeias poliméricas, a avaliação dessas implementações e a análise de dois passos fundamentais na obtenção da DMM a partir de dados reológicos que são a metodologia de cálculo do espectro de relaxação baseado no modelo de Maxwell e a estratégia para a avaliação numérica das integrais que aparecem nos modelos de relaxação. Foi resolvido o problema denominado problema inverso, ou seja, a determinação da DMM a partir de dados reológicos usando um modelo de relaxação especificado e uma função de distribuição imposta. Foi usada a função Exponencial Generalizada (GEX) para representar a probabilidade de distribuição, sendo consideradas duas abordagens: i) cálculo explícito do espectro de relaxação e ii) aproximações paramétricas de Schwarzl, que evitam a necessidade do cálculo explícito do espectro de relaxação. A metodologia de determinação da DMM foi aplicada para amostras de polietileno e foram estimadas distribuições com boa representação dos dados experimentais do GPC, ao considerarem-se amostras com polidispersões inferiores a 10. Com relação a metodologia de cálculo do espectro de relaxação, foi realizado um estudo comparativo da aplicação de espectros de relaxação discreto e contínuo, com o objetivo de estabelecer critérios para especificação do número ótimo de modos de Maxwell a serem considerados. Ao efetuar-se a comparação entre as técnicas, verificou-se o espectro discreto apresenta como um sistema melhor condicionado, permitindo assim obter maior confiabilidade dos parâmetros estimados. Também é proposta uma modificação da metodologia de determinação da DMM, em que é aplicada a quadratura de Gauss-Hermite para a resolução numérica da integral dos modelos de relaxação. / The molecular weight distribution (MWD) and its parameters are of the fundamental importance in the characterization of polymers. Therefore, the development of techniques for faster and less time consuming determination of the MWD is of great practical relevance. The goals of this work were the implementation of some of the relaxation models from double reptation theory proposed in the literature, the evaluation of these implementations and the analysis of two key points in the recovery of the MWD from rheological data which are the methodology for calculation of the relaxation spectrum based on the Maxwell model and the numeric strategy for the evaluation of the integrals appearing in the relaxation models. The inverse problem, i.e., the determination of the MWD from rheological data using a specified relaxation model and an imposed distribution function, was solved. In the analysis of the inverse problem, the Generalized Exponential (GEX) was used as distribution function and two approaches were considered: i) explicit calculation of the relaxation spectrum and ii) use of the parametric method proposed by Schwarzl to avoid the explicit calculation of the relaxation spectrum. In the test of commercial samples of polyethylene with polidispersity less than 10, the application of this methodology led to MWD curves which provided good fit of the experimental SEC data. Regarding the methodology for calculation of the relaxation spectrum, a comparison between the performance of discrete and continuous relaxation spectrum was performed and some possible a criteria to determine the appropriate number of relaxation modes of Maxwell to be used were evaluated. It was found that the technique of discrete spectrum leads to better conditioned systems and, consequently, greater reliability of the estimated parameters. With relation to the numeric strategy for the evaluation of the integrals appearing in the relaxation models, the use of Gauss-Hermite quadrature using a new change of variables was proposed.

A caracterização completa de um feixe de raios X diagnósticos baseia-se na medição de seu espectro de fluência. O espectro de fluência pode ser medido diretamente utilizando métodos espectroscópicos, no entanto, exige equipamento especializado e não é facilmente realizável em ambiente clínico. Neste trabalho foi implementada uma metodologia que permite obter o espectro de raios X de forma indireta. Esta metodologia baseia-se na aplicação de um modelo matemático que utiliza a transformada inversa de Laplace da curva de atenuação do feixe, gerando dados sobre a distribuição espectral deste. As curvas de atenuação foram medidas por meio de uma câmara de ionização e filtros de alumínio de alta pureza. Os espectros reconstruídos foram validados por meio da comparação da fluência em energia calculada a partir destes e a fluência em energia calculada a partir das curvas de atenuação obtidas experimentalmente. Como aplicação também foram calculados alguns dados característicos do feixe, como primeira e segunda camada semirredutora, energia média, 10º percentil e fator de kerma. Os resultados da fluência em energia calculada a partir dos espectros reconstruídos e da fluência em energia calculada a partir das curvas de atenuação obtidas experimentalmente apresentaram boa concordância, validando os espectros reconstruídos e mostrando o valor da análise da curva de atenuação em comparação com métodos espectroscópicos uma vez que os dados de atenuação podem ser obtidos com comparativa facilidade. Os dados característicos do feixe calculados a partir dos espectros obtidos neste trabalho apresentaram resultados satisfatórios, como era de se esperar, uma vez que a integração é um processo de regularização para a distribuição espectral / A complete characterization of a diagnostic X-ray beam is based on the measurement of its fluency spectrum. The fluency spectrum can be measured directly using spectroscopic methods, however, require specialized equipment and is not easily performed in a clinical environment. In this work a methodology was implemented that allows to obtain the X-ray spectrum in an indirect way. This methodology is based on the application of a mathematical model that uses an inverse Laplace transform of the beam attenuation curve, generating data on a spectral distribution of this beam. The attenuation curves are measured by means of an ionization chamber and high purity aluminum filters. The reconstructed spectra were validated by means of the comparison of energy fluency calculated from them and an energy fluence calculated from the experimentally obtained attenuation curves. As an application, some characteristic beam data were also calculated, such as first and second half-value layers, mean energy, 10th percentile and kerma factor. The energy fluency calculated from the reconstructed spectra and the energy fluence calculated from the experimentally obtained attenuation curves showed good agreement, validating the reconstructed spectra and showing the value of the attenuation curve analysis in comparison with one spectroscopic methods attenuation data can be obtained with comparative ease. The characteristic beam data calculated from the spectra obtained in this work presented satisfactory results, as expected, since it is a regularization process for a spectral distribution

L'imagerie électrique est un outil de plus en plus important pour un large domaine d'applications relatives à la caractérisation de la subsurface proche. D'importants développements ont été réalisés au cours des vingt dernières années pour l'amélioration des systèmes d'acquisitions et des algorithmes d'inversions. L'acquisition et le traitement de gros jeux de données reste toutefois une tâche délicate, en particulier en présence de topographie. Afin d'améliorer la gestion de la topographie, nous avons développé un nouvel algorithme d'inversion électrique 2.5D et 3D. Nous avons proposé deux nouvelles formulations pour supprimer la singularité à la source. Le problème direct est résolu en utilisant la méthode des Différences Finies Généralisées et des maillages non structurés, permettant une représentation précise de la topographie. Le code d'inversion utilise la méthode de l'état adjoint pour calculer le gradient de la fonction objective de manière économique. Cette approche a donné de bons résultats avec des données synthétiques. Les premiers résultats sur des données réelles ont permis de retrouver les principales structures de la subsurface, ainsi que plusieurs zones de faibles résistivités pouvant correspondre à des zones fracturées. / DC resistivity imaging plays an important role for a wide range of applications related to the characterization of the shallow subsurface. Major developments have been made over the last two decades to improve acquisition systems as well as resistivity inversion. Nevertheless, large-scale data sets still represent a challenging task, in particular with arbitrary topography. In order to better take into account topography, we have developed a new 2.5D/3D tomographic inversion code. Two new formulations for the singularity removal have been proposed. The direct problem is solved in the framework of the Generalized Finite Differences Method, that allows the use of unstructured meshes yielding a fine represention of topography. The inversion code uses the adjoint state method to compute the gradient of the misfit function in a numerically efficient way, giving goodresults on synthetic data. First results on real data have shown the main subsurface structures, as well as several low resistivity zones possibly corresponding to fractured areas.