In this thesis we prove several results on the structure of solutions to optimal transportation problems. The second chapter represents joint work with Robert McCann and Micah Warren; the main result is that, under a non-degeneracy condition on the cost function, the optimal is concentrated on a $n$-dimensional Lipschitz submanifold of the product space. As a consequence, we provide a simple, new proof that the optimal map satisfies a Jacobian equation almost everywhere. In the third chapter, we prove an analogous result for the multi-marginal optimal transportation problem; in this context, the dimension of the support of the solution depends on the signatures of a $2^{m-1}$ vertex convex polytope of semi-Riemannian metrics on the product space, induce by the cost function. In the fourth chapter, we identify sufficient conditions under which the solution to the multi-marginal problem is concentrated on the graph of a function over one of the marginals. In the fifth chapter, we investigate the regularity of the optimal map when the dimensions of the two spaces fail to coincide. We prove that a regularity theory can be developed only for very special cost functions, in which case a quotient construction can be used to reduce the problem to an optimal transport problem between spaces of equal dimension. The final chapter applies the results of chapter 5 to the principal-agent problem in mathematical economics when the space of types and the space of available goods differ. When the dimension of the space of types exceeds the dimension of the space of goods, we show if the problem can be formulated as a maximization over a convex set, a quotient procedure can reduce the problem to one where the two dimensions coincide. Analogous conditions are investigated when the dimension of the space of goods exceeds that of the space of types.

This thesis consists of six scientific papers, an introduction and a summary. All six papers concern the boundary behavior of non-negative solutions to partial differential equations. Paper I concerns solutions to certain p-Laplace type operators with variable coefficients. Suppose that u is a non-negative solution that vanishes on a part Γ of an Ahlfors regular NTA-domain. We prove among other things that the gradient Du of u has non-tangential limits almost everywhere on the boundary piece Γ, and that log|Du| is a BMO function on the boundary.  Furthermore, for Ahlfors regular NTA-domains that are uniformly (N,δ,r0)-approximable by Lipschitz graph domains we prove a boundary Harnack inequality provided that δ is small enough.  Paper II concerns solutions to a p-Laplace type operator with lower order terms in δ-Reifenberg flat domains. We prove that the ratio of two non-negative solutions vanishing on a part of the boundary is Hölder continuous provided that δ is small enough. Furthermore we solve the Martin boundary problem provided δ is small enough. In Paper III we prove that the boundary type Riesz measure associated to an A-capacitary function in a Reifenberg flat domain with vanishing constant is asymptotically optimal doubling. Paper IV concerns the boundary behavior of solutions to certain parabolic equations of p-Laplace type in Lipschitz cylinders. Among other things, we prove an intrinsic Carleson type estimate for the degenerate case and a weak intrinsic Carleson type estimate in the singular supercritical case. In Paper V we are concerned with equations of p-Laplace type structured on Hörmander vector fields. We prove that the boundary type Riesz measure associated to a non-negative solution that vanishes on a part Γ of an X-NTA-domain, is doubling on Γ. Paper VI concerns a one-phase free boundary problem for linear elliptic equations of non-divergence type. Assume that we know that the positivity set is an NTA-domain and that the free boundary is a graph. Furthermore assume that our solution is monotone in the graph direction and that the coefficients of the equation are constant in the graph direction. We prove that the graph giving the free boundary is Lipschitz continuous.

This paper offers an existence result for finite dimensional stochastic differential inclusions with maximal monotone drift and diffusion terms. Kravets studied only set-valued drifts in [5], whereas Motyl [4] additionally observed set-valued diffusions in an infinite dimensional context. In the proof we make use of the Yosida approximation of maximal monotone operators to achieve stochastic differential equations which are solvable by a theorem of Krylov and Rozovskij [7]. The selection property is verified with certain properties of the considered set-valued maps. Concerning Lipschitz continuous set-valued diffusion terms, uniqueness holds. At last two examples for application are given.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-07-17T17:56:04Z No. of bitstreams: 1 JEFFERSON ABRANTES DOS SANTOS - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2007..pdf: 851615 bytes, checksum: 3c65fe64e44e2b25e61689585f18f5bb (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-17T17:56:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JEFFERSON ABRANTES DOS SANTOS - DISSERTAÇÃO PPGMAT 2007..pdf: 851615 bytes, checksum: 3c65fe64e44e2b25e61689585f18f5bb (MD5) Previous issue date: 2007-12 / CNPq / Capes / Neste trabalho estudamos a existência de solução não nula, via Métodos Variacionais para uma classe de problemas Elípticos onde f :R→R apresenta uma descontinuidade, do tipo salto, com seu conjunto de pontos de descontinuidade sendo um conjunto enumerável sem pontos de acumulação e Ω é um domínio limitado com fronteira suave. * Para Visualisar as equações ou formulas originalmente escritas neste resumo recomendamos o downloado do arquivo completo. / In this work we study the existence of solutions for the following class of Elliptic problems wherethefunctionf :R →RhassomediscontinuitiesandΩisaboundeddomainwith smooth boundary. The main tool used is the Variational Methods together arguments developed by Chang [9]. *To see the equations or formulas originally written in this summary we recommend downloading the complete file.

Nous prouvons essentiellement, à partir du formalisme adopté dans les articles [Che] et [CK1], un théorème de di fférentiation de type Calderòn pour les applications des espaces de Hajlasz fondés sur des espaces métriques PI et à valeurs dans des espaces de Banach RNP. Grâce à toutes les techniques développées pour le théorème précédent, nous pouvons -par la suite- a ffaiblir la condition d'appartenance à un espace de Hajlasz surcritique (par rapport à la dimension homogène de l'espace métrique ambiant) en une condition d'intégrabilité locale sur la constante de Lipschitz ponctuelle supérieure. Nous montrons que ces théorèmes de di fférentiation entrent en jeu naturellement pour caractériser les espaces de Hajlasz fondés sur des espaces métriques PI. Ceci débouche sur des critères intégraux, dans la veine de [Br2], pour reconnaitre si des applications mesurables sont constantes ou non dans les espaces métriques PI. En fin, nous discutons certains types d'inégalités de Poincaré locales dépendant du centre et du rayon des boules. Dans ce cadre aff aibli, l'analyse menée précedemment est tout à fait possible mais sous des conditions topologiques et géométriques supplémentaires sur l'espace métrique ambiant. / In this thesis, we essentially prove the Cheeger-differentiability of some Hajlasz-Sobolev functions between PI metric spaces and RNP Banach spaces. Then, we prove a refinement. More precisely, we establish a kind of Rademacher-Stepanov Theorem in the same setting as above but under the simple condition that the upper lipschitz constant is in a Lp space. Then, all these differentiation Theorems are naturally used to give a precise and complete description of the Hajlasz-Sobolev spaces on PI metric spaces in term of an energy integral. This leads to some criteria to detect if a measurable function is constant or not. At the end, we discuss some topological consequences of some weak Poincaré inequalities, we mean that depend of the center and of the radius of the balls involved in these inequalities. In this context, we are able to give some new criteria but the price to pay is to suppose strong topological assumptions on the metric space.

Godefroy et Ozawa ont montré qu’il existe un espace compact dont l’espace libre n’a pas la propriété d’approximation. Il est donc naturel de se demander quels sont les espaces métriques dont l’espace libre à la propriété d’approximation bornée. Grothendieck a montré qu’un dual séparable ayant la propriété d’approximation a la propriété d’approximation métrique. Ce résultat justifie l’utilité de savoir si un espace libre est un dual. Le premier chapitre est consacré à la dualité. Pour commencer nous présentons un théorème permettant de montrer qu’un espace de Banach séparable est le dual d’un sous-espace de son dual, sous conditions. Nous expliquons ensuite comment appliquer ce théorème dans le cadre des espaces libres. Dans la suite du chapitre nous l’appliquons aux espaces propres dénombrables ou ultramétriques. Dans le deuxième chapitre nous nous intéressons à la propriété d’approximation métrique sur l’espace libre des espaces propres dénombrables. Nous énonçons tout d’abord un résultat dû à Kalton puis nous l’utilisons pour montrer que sous ces hypothèses, l’espace libre a la propriété d’approximation métrique. Le troisième chapitre est dédié à l’étude des espaces libres sur les espaces ultramétriques. Nous montrons dans un premier temps que lorsque l’espace ultramétrique est propre, son espace libre a la propriété d’approximation métrique et est isomorphe à l1, de plus il admet un prédualisomorphe à c0. Enfin, en collaboration avec P. Kaufmann et A. Prochàzka, nous montrons que l’espace libre sur un espace ultramétrique n’est jamais isométrique à un espace l1 et nous généralisons ce résultat à certains sous-ensembles des arbres réels séparables. / Godefroy and Ozawa have proved that there exists a compact space with a free space failing the approximation property. Then it is natural to ask what are the metric spaces whose freespace has the bounded approximation property. Grothendieck has proved that a separable Banach space with the approximation property has the metric approximation property. This result justifies why it is interesting to know whether a free space is a dual space. The first chapter is dedicated to duality. First we introduce a result to prove that a Banach space is a dual space, under some conditions. Then we explain how to use it in the context offree spaces and finally we apply it to countable or ultrametric proper metric spaces.In the second chapter, we study the metric approximation property of free spaces overcountable proper metric spaces.In the third chapter, ultrametric spaces are investigated. We prove first that the free spaceover a proper ultrametric space has the metric approximation property, is isomorphic to l1 andadmits a predual isomorphic to c0. Finally, in collaboration with P. Kaufmann et A. Proch`azka,we prove that the free space over a ultrametric space is never isometric to l1 and we generalizethis result to some subsets of separable R-trees.

Cette thèse est consacrée aux quelques problèmes mathématiques concernant les extensions minimales de Lipschitz. Elle est organisée de manière suivante. Le chapitre 1 est dédié à l’introduction des extensions minimales de Lipschitz. Dans le chapitre 2, nous étudions la relation entre la constante de Lipschitz d’ 1-field et la constante de Lipschitz du gradient associée à ce 1-field. Nous proposons deux formules explicites Sup-Inf, qui sont des extensions extrêmes minimales de Lipschitz d’1-field. Nous expliquons comment les utiliser pour construire les extensions minimales de Lipschitz pour les applications Rmà Rn . Par ailleurs, nous montrons que les extensions de Wells d’1- fields sont les extensions absolument minimales de Lipschitz (AMLE) lorsque le domaine d’expansion d’1-field est infini. Un contreexemple est présenté afin de montrer que ce résultat n’est pas vrai en général. Dans le chapitre 3, nous étudions la version discrète de l’existence et l’unicité de l’AMLE. Nous montrons que la fonction tight introduite par Sheffield and Smart est l’extension de Kirszbraun. Dans le cas réel, nous pouvons montrer que cette extension est unique. De plus, nous proposons un algorithme qui permet de calculer efficacement la valeur de l’extension de Kirszbraun en complexité polynomiale. Pour conclure, nous décrivons quelques pistes pour la future recherche, qui sont liées au sujet présenté dans ce manuscrit. / The thesis is concerned to some mathematical problems on minimal Lipschitz extensions. Chapter 1: We introduce some basic background about minimal Lipschitz extension (MLE) problems. Chapter 2: We study the relationship between the Lipschitz constant of 1-field and the Lipschitz constant of the gradient associated with this 1-field. We produce two Sup-Inf explicit formulas which are two extremal minimal Lipschitz extensions for 1-fields. We explain how to use the Sup-Inf explicit minimal Lipschitz extensions for 1-fields to construct minimal Lipschitz extension of mappings from Rm to Rn. Moreover, we show that Wells’s extensions of 1-fields are absolutely minimal Lipschitz extensions (AMLE) when the domain of 1-field to expand is finite. We provide a counter-example showing that this result is false in general. Chapter 3: We study the discrete version of the existence and uniqueness of AMLE. We prove that the tight function introduced by Sheffield and Smart is a Kirszbraun extension. In the realvalued case, we prove that the Kirszbraun extension is unique. Moreover, we produce a simple algorithm which calculates efficiently the value of the Kirszbraun extension in polynomial time. Chapter 4: We describe some problems for future research, which are related to the subject represented in the thesis.

Le manuscrit est constitué de deux parties indépendantes.Propriétés des Solutions de Viscosité des Equations Integro-Différentielles.Nous considérons des équations intégro-différentielles elliptiques et paraboliques non-linéaires (EID), où les termes non-locaux sont associés à des processus de Lévy. Ce travail est motivé par l'étude du Comportement en temps long des solutions de viscosité des EID, dans le cas périodique. Le résultat classique nous dit que la solution u(¢, t ) du problème de Dirichlet pour EID se comporte comme ?t Åv(x)Åo(1) quand t !1, où v est la solution du problème ergodique stationaire qui correspond à une unique constante ergodique ?.En général, l'étude du comportement asymptotique est basé sur deux arguments: la régularité de solutions et le principe de maximumfort.Dans un premier temps, nous étudions le Principe de Maximum Fort pour les solutions de viscosité semicontinues des équations intégro-différentielles non-linéaires. Nous l'utilisons ensuite pour déduire un résultat de comparaison fort entre sous et sur-solutions des équations intégro-différentielles, qui va assurer l'unicité des solutions du problème ergodique à une constante additive près. De plus, pour des équationssuper-quadratiques le principe de maximum fort et en conséquence le comportement en temps grand exige la régularité Lipschitzienne.Dans une deuxième partie, nous établissons de nouvelles estimations Hölderiennes et Lipschitziennes pour les solutions de viscosité d'une large classe d'équations intégro-différentielles non-linéaires, par la méthode classique de Ishii-Lions. Les résultats de régularité aident de plus à la résolution du problème ergodique et sont utilisés pour fournir existence des solutions périodiques des EID.Nos résultats s'appliquent à une nouvelle classe d'équations non-locales que nous appelons équations intégro-différentielles mixtes. Ces équations sont particulièrement intéressantes, car elles sont dégénérées à la fois dans le terme local et non-local, mais leur comportement global est conduit par l'interaction locale - non-locale, par exemple la diffusion fractionnaire peut donner l'ellipticité dans une direction et la diffusion classique dans la direction orthogonale.Visualisation et Restauration d'Images par Mouvements de CourbureLe rôle de la courbure dans la perception visuelle remonte à 1954, et on le doit à Attneave. Des arguments neurologiques expliquent que le cerveau humain ne pourrait pas possiblement utiliser toutes les informations fournies par des états de simulation. Mais en réalité on enregistre des régions où la couleur change brusquement (des contours) et en outre les angles et les extremas de courbure. Pourtant, un calcul direct de courbures sur une image est impossible. Nous montrons comment les courbures peuvent être précisément évaluées, à résolution sous-pixelique par un calcul sur les lignes de niveau après leur lissage indépendant.Pour cela, nous construisons un algorithme que nous appelons Level Lines (Affine) Shortening, simulant une évolution sous-pixelique d'une image par mouvement de courbure moyenne ou affine. Aussi bien dans le cadre analytique que numérique, LLS (respectivement LLAS) extrait toutes les lignes de niveau d'une image, lisse indépendamment et simultanément toutes ces lignes de niveau par Curve Shortening(CS) (respectivement Affine Shortening (AS)) et reconstruit une nouvelle image. Nousmontrons que LL(A)S calcule explicitement une solution de viscosité pour le le Mouvement de Courbure Moyenne (respectivement Mouvement par Courbure Affine), ce qui donne une équivalence avec le mouvement géométrique.Basé sur le raccourcissement de lignes de niveau simultané, nous fournissons un outil de visualisation précis des courbures d'une image, que nous appelons un Microscope de Courbure d'Image. En tant que application, nous donnons quelques exemples explicatifs de visualisation et restauration d'image : du bruit, des artefacts JPEG, de l'aliasing seront atténués par un mouvement de courbure sous-pixelique / The present dissertation has two independent parts.Viscosity solutions theory for nonlinear Integro-Differential EquationsWe consider nonlinear elliptic and parabolic Partial Integro-Differential Equations (PIDES), where the nonlocal terms are associated to jump Lévy processes. The present work is motivated by the study of the Long Time Behavior of Viscosity Solutions for Nonlocal PDEs, in the periodic setting. The typical result states that the solution u(¢, t ) of the initial value problem for parabolic PIDEs behaves like ?t Å v(x) Å o(1) as t ! 1, where v is a solution of the stationary ergodic problem corresponding to the unique ergodic constant ?. In general, the study of the asymptotic behavior relies on two main ingredients: regularity of solutions and the strong maximum principle.We first establish Strong Maximum Principle results for semi-continuous viscosity solutions of fully nonlinear PIDEs. This will be used to derive Strong Comparison results of viscosity sub and super-solutions, which ensure the up to constants uniqueness of solutions of the ergodic problem, and subsequently, the convergence result. Moreover, for super-quadratic equations the strong maximum principle and accordingly the large time behavior require Lipschitz regularity.We then give Lipschitz estimates of viscosity solutions for a large class of nonlocal equations, by the classical Ishii-Lions's method. Regularity results help in addition solving the ergodic problem and are used to provide existence of periodic solutions of PIDEs. In both cases, we deal with a new class of nonlocal equations that we term mixed integrodifferential equations. These equations are particularly interesting, as they are degenerate both in the local and nonlocal term, but their overall behavior is driven by the local-nonlocal interaction, e.g. the fractional diffusion may give the ellipticity in one direction and the classical diffusion in the complementary one.Image Visualization and Restoration by CurvatureMotionsThe role of curvatures in visual perception goes back to 1954 and is due to Attneave. It can be argued on neurological grounds that the human brain could not possible use all the information provided by states of simulation. But actually human brain registers regions where color changes abruptly (contours), and furthermore angles and peaks of curvature. Yet, a direct computation of curvatures on a raw image is impossible. We show how curvatures can be accurately estimated, at subpixel resolution, by a direct computation on level lines after their independent smoothing.To performthis programme, we build an image processing algorithm, termed Level Lines (Affine) Shortening, simulating a sub-pixel evolution of an image by mean curvature motion or by affine curvature motion. Both in the analytical and numerical framework, LL(A)S first extracts all the level lines of an image, then independently and simultaneously smooths all of its level lines by curve shortening (CS) (respectively affine shortening (AS)) and eventually reconstructs, at each time, a new image from the evolved level lines.We justify that the Level Lines Shortening computes explicitly a viscosity solution for the Mean CurvatureMotion and hence is equivalent with the clasical, geometric Curve Shortening.Based on simultaneous level lines shortening, we provide an accurate visualization tool of image curvatures, that we call an Image CurvatureMicroscope. As an application we give some illustrative examples of image visualization and restoration: noise, JPEG artifacts, and aliasing will be shown to be nicely smoothed out by the subpixel curvature motion.

We consider a class of control problems governed by a linear parabolic initial-boundary value problem with linear-quadratic objective and pointwise constraints on the control. The control system contains different types of perturbations. They appear in the linear part of the objective functional, in the right hand side of the equation, in its boundary condition, and in the initial value. Making use of parabolic regularity in the whole scale of $L^p$ the known Lipschitz stability in the $L^2$-norm is improved to the supremum-norm.

This paper offers an existence result for finite dimensional stochastic differential inclusions with maximal monotone drift and diffusion terms. Kravets studied only set-valued drifts in [5], whereas Motyl [4] additionally observed set-valued diffusions in an infinite dimensional context. In the proof we make use of the Yosida approximation of maximal monotone operators to achieve stochastic differential equations which are solvable by a theorem of Krylov and Rozovskij [7]. The selection property is verified with certain properties of the considered set-valued maps. Concerning Lipschitz continuous set-valued diffusion terms, uniqueness holds. At last two examples for application are given.