We study the convergence of a nonlinear approximation method introduced in the engineering literature for the numerical solution of a high-dimensional Fokker--Planck equation featuring in Navier--Stokes--Fokker--Planck systems that arise in kinetic models of dilute polymers. To do so, we build on the analysis carried out recently by Le~Bris, Leli\`evre and Maday (Const. Approx. 30: 621--651, 2009) in the case of Poisson's equation on a rectangular domain in $\mathbb{R}^2$, subject to a homogeneous Dirichlet boundary condition, where they exploited the connection of the approximation method with the greedy algorithms from nonlinear approximation theory explored, for example, by DeVore and Temlyakov (Adv. Comput. Math. 5:173--187, 1996). We extend the convergence analysis of the pure greedy and orthogonal greedy algorithms considered by Le~Bris, Leli\`evre and Maday to the technically more complicated situation of the elliptic Fokker--Planck equation, where the role of the Laplace operator is played out by a high-dimensional Ornstein--Uhlenbeck operator with unbounded drift, of the kind that appears in Fokker--Planck equations that arise in bead-spring chain type kinetic polymer models with finitely extensible nonlinear elastic potentials, posed on a high-dimensional Cartesian product configuration space $\mathsf{D} = D_1 \times \dotsm \times D_N$ contained in $\mathbb{R}^{N d}$, where each set $D_i$, $i=1, \dotsc, N$, is a bounded open ball in $\mathbb{R}^d$, $d = 2, 3$. We exploit detailed information on the spectral properties and elliptic regularity of the Ornstein--Uhlenbeck operator to give conditions on the true solution of the Fokker--Planck equation which guarantee certain rates of convergence of the greedy algorithms. We extend the analysis to discretized versions of the greedy algorithms.

Dans ce travail, nous nous intéressons au transport des aérosols dans les voies aériennes supérieures du poumon humain. Ce phénomène est modélisé dans notre étude par un couplage d'équations aux dérivées partielles issues de la mécanique des fluides et de la théorie cinétique. Ainsi, le fluide est décrit par des fonctions macroscopiques (vitesse, pression), par l'intermédiaire des équations de Navier-Stokes incompressibles tandis que la phase dispersée est décrite par sa densité dans l'espace des phases, grâce à une équation de transport (Vlasov ou Vlasov-Fokker-Planck). Le couplage effectué est fort, en ce sens qu'il associe à l'aérosol une force de rétroaction correspondant au retour de l'accélération de traînée fournie par le fluide: l'interaction fluide/spray se fait dans les deux sens. Enfin, les équations sont en toute généralité considérées en domaine spatial mobile, ceci afin de tenir compte de l'éventuel mouvement des bronches. Dans un premier chapitre, après quelques rappels concernant l'arbre pulmonaire et les aérosols, nous décrivons le système d'équations de Vlasov/Navier-Stokes pour lequel nous avons développé un schéma d'approximation numérique. Ce dernier aspect est abordé dans le deuxième chapitre. La méthode utilisée consiste en un couplage explicite d'une méthode ALE/éléments finis pour le fluide et d'une méthode particulaire pour la phase dispersée. L'algorithme développé nécessitant une procédure de localisation des particules dans le maillage, celle-ci a également été mise en place. Différentes exploitations du code ont ensuite été réalisées. Une première série de simulations numériques a été effectuée afin d'évaluer l'influence de la rétroaction du spray sur le fluide. On prouve ainsi que, pour des données en cohérence avec les nébuliseurs commerciaux, l'aérosol peut accélérer un fluide au repos et de ce fait influencer son propre mouvement. Une autre exploitation du code a été effectuée en collaboration avec une équipe de l'INSERM, à Tours, à l'aide de données expérimentales in vitro. Enfin, une dernière étude a été réalisée sur un conduit cylindrique présentant une constriction en son centre. Nous avons évalué l'influence du mouvement de sa paroi sur la capture de particules sur cette géométrie. Les deux derniers chapitres de cette thèse traitent de l'analyse mathématique de deux couplages fluides/cinétiques. Le premier de ces couplages est celui de Vlasov/Navier-Stokes, précédemment introduit. On prouve l'existence de solutions faibles globales périodiques du système par une méthode basée sur un schéma d'approximation voisin de celui utilisé lors de l'implémentation numérique. Le deuxième couplage est celui de Vlasov-Fokker-Planck/Navier-Stokes pour lequel nous avons obtenu l'existence de solutions fortes pour des données initiales régulières et proches d'un point d'équilibre. Nous avons ensuite étudié le comportement en temps long de solutions du système et précisé la régularité que celui-ci leur impose.

Cette thèse a le but d'introduire le concept de l'inertie dans la dynamique dissipative du macrospin. En suivant le travail de T. L. Gilbert dans cette direction, une masse est associée au macrospin, qui n'est pas liée au mouvement d'une masse réelle, mais à l'inertie du macrospin. Comme conséquence, une forme généralisée de l'équation dynamique du Gilbert tenant compte de l'inertie du macrospin est obtenue. A l'échelle d'une nanostructure ferromagnétique, les fluctuations sont relevantes. Le macrospin suit un mouvement Brownien dans l'espace de configuration correspondant (une sphère de rayon Ms). Pour faire une description de la dynamique du macrospin, une simple, rigoureuse et nouvelle théorie, celle de la thermodynamique mésoscopique hors équilibre est utilisée comme alternative au formalisme des processus stochastiques utilisé par W. F. Brown Jr. L'état de l'aimantation est décrit par un nombre de degrés de liberté qui influencent la dynamique du système : l'orientation m de l'aimantation décrite par les angles (θ, φ) et la vitesse u = dm/dt , ou le moment cinétique L. Une fonction de distribution f est introduite liée à la probabilité de trouver l'aimantation dans un état particulier (m, u) ou (m,L). La combination de la définition statistique de l'entropie comme une fonction de la probabilité, avec la méthodologie systèmatique de la thermodynamique hors equilibre résulte dans une théorie puissante décrivant pas seulement la dynamique moyennée du macrospin, mais aussi les fluctuations autour de la moyenne. Donc, une équation généralisée dynamique de Gilbert et une équation généralisée stochastique de Brown sont obtenues avec la théorie MNET. Un temps de relaxation est défini dépendent de l'inertie et du coefficient de dissipation du macrospin. Le comportement de l'aimantation impose deux régimes : un régime inertiel ou des temps courts t << τ , et le régime de diffusion ou des temps longs t >> τ . Un nouveau phénomène, la nutation, est prédite dans le régime inertiel, tandis que l'équation dynamique de Gilbert et l'équation stochastique de Brown sont obtenues aux temps longs. De plus, la question sur l'application de MNET dans le domaine de la spintronique est posée dans le contexte du spin transfer. Un modèle à deux fluides en rotation est présenté pour les spins s des électrons de conduction et les spins d des électrons constituant l'aimantation. Le modèle est intéressant proche de la interface normal-ferromagnet où se trouve accumulation de spin.

This doctoral study consists of two parts. In the first part, the quantum statistical effects on the formation process of the heavy ion fusion reactions have been investigated by using the c-number quantum Langevin equation approach. It has been shown that the quantum effects enhance the over-passing probability at low temperatures. In the second part, we have developed a simulation technique for the quantum noises which can be approximated by two-term exponential colored noise.

Electrodialysis performance strongly depends on the boundary layer near ion exchange membranes. The thickness of the boundary layer has not been clearly evaluated due to its substantial fluctuation around the spacer geometry. In this study, the boundary layer thickness was defined with three statistical parameters: the mean, standard deviation, and correlation coefficient between the two boundary layers facing across the spacer. The relationship between the current and potential under conditions of the competitive transport between mono- and di-valent cations was used to estimate the statistical parameters. An uncertainty model was developed for the steady-state ionic transport in a two-dimensional cell pair. Faster ionic separations were achieved with smaller means, greater standard deviations, and more positive correlation coefficients. With the increasing flow velocity from 1.06 to 4.24 cm/s in the bench-scale electrodialyzer, the best fit values for the mean thickness reduced from 40 to less than 10 μm, and the standard deviation was in the same order of magnitude as the mean. For the partitioning of mono- and di-valent cations, a CMV membrane was examined in various KCl and CaCl₂ mixtures. The equivalent fraction correlation and separation factor responded sensitively to the composition of the mixture; however, the selectivity coefficient was consistent over the range of aqueous-phase ionic contents between 5 and 100 mN and the range of equivalent fractions of each cation between 0.2 and 0.8. It was shown that small analytic errors in measuring the concentration of the mono-valent cation are amplified when estimating the selectivity coefficient. To minimize the effects of such error propagation, a novel method employing the least square fitting was proposed to determine the selectivity coefficient. Each of thermodynamic factors, such as the aqueous- and membrane-phase activity coefficients, water activity, and standard state, was found to affect the magnitude of the selectivity coefficient. The overlimiting current, occurring beyond the electroneutral limit, has not been clearly explained because of the difficulty in solving the singularly perturbed Nernst-Planck-Poisson equations. The steady-state Nernst-Planck-Poisson equations were converted into the Painlevé equation of the second kind (P[subscript II] equation). The converted model domain is explicitly divided into the space charge and electroneutral regions. Given this property, two mathematical formulae were proposed for the limiting current and the width of the space charge region. The Airy solution of the P[subscript II] equation described the ionic transport in the space charge region. By using a hybrid numerical scheme including the fixed point iteration and Newton Raphson methods, the P[subscript II] equation was successfully solved for the ionic transport in the space charge and electroneutral regions as well as their transition zone. Above the limiting current, the sum of the ionic charge in the aqueous-phase electric double layer and in the space charge region remains stationary. Thus, growth of the space charge region involves shrinkage of the aqueous-phase electric double layer. Based on this observation, a repetitive mechanism of expansion and shrinkage of the aqueous-phase electric double layer was suggested to explain additional current above the limiting current. / text

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Dans le cadre des recherches de la qualité des ressources en eau, l'étude du processus de transfert de masse du sol vers la nappe phréatique constitue un élément primordial pour la compréhension de la pollution de cette dernière. En effet, les éléments polluants solubles à la surface (produits liés aux activités humaines tels engrais, pesticides...) peuvent transiter vers la nappe à travers le milieu poreux qu'est le sol. Ce scénario de transfert de pollution repose sur deux phénomènes : la pluie qui génère la masse d'eau à la surface et la dispersion de celle-ci à travers le milieu poreux. La dispersion de masse dans un milieu poreux naturel comme le sol forme un sujet de recherche vaste et difficile aussi bien au plan expérimental que théorique. Sa modélisation constitue une préoccupation du laboratoire EMMAH, en particulier dans le cadre du projet Sol Virtuel dans lequel un modèle de transfert (modèle PASTIS) a été développé. Le couplage de ce modèle de transfert avec en entrée un modèle décrivant la dynamique aléatoire de la pluie est un des objectifs de la présente thèse. Ce travail de thèse aborde cet objectif en s'appuyant d'une part sur des résultats d'observations expérimentaux et d'autre part sur de la modélisation inspirée par l'analyse des données d'observation. La première partie du travail est consacrée à l'élaboration d'un modèle stochastique de pluie. Le choix et la nature du modèle sont basés sur les caractéristiques obtenus à partir de l'analyse de données de hauteur de pluie recueillies sur 40 ans (1968-2008) sur le Centre de Recherche de l'INRA d'Avignon. Pour cela, la représentation cumulée des précipitations sera assimilée à une marche aléatoire dans laquelle les sauts et les temps d'attente entre les sauts sont respectivement les amplitudes et les durées aléatoires entre deux occurrences d'événements de pluie. Ainsi, la loi de probabilité des sauts (loi log-normale) et celle des temps d'attente entre les sauts (loi alpha-stable) sont obtenus en analysant les lois de probabilité des amplitudes et des occurrences des événements de pluie. Nous montrons alors que ce modèle de marche aléatoire tend vers un mouvement brownien géométrique subordonné en temps (quand les pas d'espace et de temps de la marche tendent simultanément vers zéro tout en gardant un rapport constant) dont la loi de densité de probabilité est régie par une équation de Fokker Planck fractionnaire (FFPE). Deux approches sont ensuite utilisées pour la mise en œuvre du modèle. La première approche est de type stochastique et repose sur le lien existant entre le processus stochastique issu de l'équation différentielle d'Itô et la FFPE. La deuxième approche utilise une résolution numérique directe par discrétisation de la FFPE. Conformément à l'objectif principal de la thèse, la seconde partie du travail est consacrée à l'analyse de la contribution de la pluie aux fluctuations de la nappe phréatique. Cette analyse est faite sur la base de deux relevés simultanées d'observations de hauteurs de pluie et de la nappe phréatique sur 14 mois (février 2005-mars 2006). Une étude statistique des liens entre les signaux de pluie et de fluctuations de la nappe est menée comme suit : Les données de variations de hauteur de nappe sont analysées et traitées pour isoler les fluctuations cohérentes avec les événements de pluie. Par ailleurs, afin de tenir compte de la dispersion de masse dans le sol, le transport de la masse d'eau pluviale dans le sol sera modélisé par un code de calcul de transfert (modèle PASTIS) auquel nous appliquons en entrée les données de hauteurs de pluie mesurées. Les résultats du modèle permettent entre autre d'estimer l'état hydrique du sol à une profondeur donnée (ici fixée à 1.6m). Une étude de la corrélation entre cet état hydrique et les fluctuations de la nappe sera ensuite effectuée en complément à celle décrite ci-dessus pour illustrer la possibilité de modéliser l'impact de la pluie sur les fluctuations de la nappe

Ma thèse de doctorat se concentre principalement sur le comportement en temps long des processus de Markov, les inégalités fonctionnelles et les techniques relatives. Plus spécifiquement, Je vais présenter les taux de convergence sous-exponentielle explicites des processus de Markov dans deux approches : la méthode Meyn-Tweedie et l'hypocoercivité (faible). Le document se divise en trois parties. Dans la première partie, Je vais présenter quelques résultats importants et des connaissances connexes. D'abord, un aperçu de mon domaine de recherche sera donné. La convergence exponentielle (ou sous-exponentielle) des chaînes de Markov et des processus de Markov (à temps continu) est un sujet d'actualité dans la théorie des probabilité. La méthode traditionnelle développée et popularisée par Meyn-Tweedie est largement utilisée pour ce problème. Dans la plupart des résultats, le taux de convergence n'est pas explicite, et certains d'entre eux seront brièvement présentés. De plus, la fonction de Lyapunov est cruciale dans l'approche Meyn-Tweedie, et elle est aussi liée à certaines inégalités fonctionnelles (par exemple, inégalité de Poincaré). Cette relation entre fonction de Lyapounov et inégalités fonctionnelles sera donnée avec les résultats au sens L2. En outre, pour l'exemple de l'équation cinétique de Fokker-Planck, un résultat de convergence exponentielle explicite de la solution sera introduite à la manière de Villani : l'hypocoercivité. Ces contenus sont les fondements de mon travail, et mon but est d'étudier la décroissance sous-exponentielle. La deuxième partie, fait l'objet d'un article écrit en coopération avec d'autres sur les taux de convergence sous-exponentielle explicites des processus de Markov à temps continu. Comme nous le savons, les résultats sur les taux de convergence explicites ont été donnés pour le cas exponentiel. Nous les étendons au cas sous-exponentielle par l'approche Meyn-Tweedie. La clé de la preuve est l'estimation du temps de passage dans un ensemble "petite", obtenue par Douc, Fort et Guillin, mais pour laquelle nous donnons une preuve plus simple. Nous utilisons aussi la construction du couplage et donnons une ergodicité sous exponentielle explicite. Enfin, nous donnons quelques applications numériques. Dans la dernière partie, mon second article traite de l'équation cinétique de Fokker-Planck. Je prolonge l'hypocoercivité à l'hypocoercivité faible qui correspond à inégalité de Poincaré faible. Grâce à cette extension, on peut obtenir le taux de convergence explicite de la solution, dans des cas sous-exponentiels. La convergence est au sens H1 et au sens L2. A la fin de ce document, j'étudie le cas de l'entropie relative comme Villani, et j'obtiens la convergence au sens de l'entropie. Enfin, Je donne deux exemples pour les potentiels qui impliquent l'inégalité de Poincaré faible ou l'inégalité de Sobolev logarithmique faible pour la mesure invariante.

A black body is an ideal object that absorbs all incident electromagnetic radiation and simultaneously emits radiation that only depends on the temperature. The radiation is described by Planck's radiation law and its maximum by Wien's displacement law. The aim of this project is to study Planck's and Wien's laws in the frequency and wavelength domains, by theoretical studies and numerical studies in the programming language Python. Planck's law can be derived by regarding a cavity where the internal radiation either can be regarded as waves or as a gas of photons. In this study, the main focus lies in the derivation assuming radiation can be treated as waves, which uses the Maxwell-Boltzmann distribution. This derivation is also used when the radiation is simulated numerically in Python. The numerical studies use the stochastic method "hit and miss" to generate the different properties of the emitted radiation. Planck's law occurs in many different forms, the differences between some of them is explained in this project. When transforming between the domains one must use a Jacobian. If this is forgotten Wien's law, which is derived from Planck’s law, efficiently shows how the peaks of the correct and the transformed curves are at different positions. The results show that Planck's law accurately can be derived numerically. Even though the chosen method successfully reproduces the Planck distribution the program can be improved by using the inverse transform method for sampling. To study this subject further one could consider deriving and simulating the Maxwell-Boltzmann distribution. / En svart kropp är intressant att undersöka på grund av dess unika förmåga att absorbera och emittera elektromagnetisk strålning. Dessvärre kan den svarta kroppen vara svår att föreställa sig. Det vedertagna knepet för att illustrera detta fenomen är att tänka sig en låda inuti vilken det finns fotoner, och därmed energi. Fotoner kan som bekant betraktas som vågor likväl som partiklar och turligt nog spelar det ingen roll vilket sätt man väljer, svartkroppsstrålningen kan studeras ur båda dessa infallsvinklar. Tänker man sig också att det finns ett mycket litet hål i lådans vägg är det lätt att inse att fotonerna kommer att lämna lådan ur detsamma. Det är denna strålning som är svartkroppsstrålning. Svartkroppsstrålningen är fördelad enligt Plancks strålningslag som vanligtvis härleds med hjälp av teorin kring statistisk fysik som appliceras på den tänkta lådan. Detta görs även i denna studie, såväl som en numerisk simulering i programmeringsspråket Python. Ett program för studier av svartkroppsstrålning, vars främsta syfte är att simulera denna med utgångspunkt i samma låda, har skapats och förväntas kunna hjälpa den intresserade att skaffa sig förståelse för egenskaperna hos Plancks lag. För detta program används med framgång den stokastiska metoden "hit and miss" som tillåter användaren att sampla slumptal från en given fördelning. Utöver Plancks lag studeras också Wiens lag. Wiens lag beskriver vid vilken frekvens strålningen kommer att ha sitt maximum och härleds ur Plancks lag. Plancks lag förekommer i många olika former vilka beskriver olika fysikaliska storheter. I denna studie utreds dessa. Att transformera mellan de olika formerna av lagen är inte så simpelt som man kan luras att tro, utan kräver viss matematisk eftertanke. Det visar sig vara avgörande att använda en mycket viktig transformationsfaktor kallad Jacobian. Detta ger såklart också konsekvenser för Wiens lag som kommer att se olika ut beroende på vilken form av Plancks lag den härleds ur.

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We propose an application of these results to a model of capital and wealth accumulation. In Chapter 1, an introduction to mean-field games is presented. We also put forward some of the motivation from Economics and discuss previous developments in the theory of differential games. These comments aim at indicating the connection between mean-field games theory, its applications and the realm of Mathematical Analysis. In Chapter 2, we present an optimal control problem. Here, the agents are supposed to be undistinguishable, rational and intelligent. Undistinguishable means that every agent is governed by the same stochastic differential equation. Rational means that all efforts of the agent is to maximize a payoff functional. Intelligent means that they are able to solve an optimal control problem. Once we describe this (stochastic) optimal control problem, we produce a heuristic derivation of the mean-field games system, which is summarized in a Verification Theorem; this gives rise to the Hamilton-Jacobi equation (HJ). After that, we obtain the Fokker-Plank equation (FP). Finally, we present a representation formula for the solutions to the (HJ) equation, together with some regularity results. In Chapter 3, a specific optimal control problem is described and the associated MFG is presented. This MFG is prescribed in a bounded domain Ω ⊂ ℝd, which introduces substantialadditional challenges from the mathematical view point. This is due to estimates for the solutionsat the boundary in Lp. The rest of the chapter puts forward two well known tips of estimates: theso-called Hopf-Lax formula and the First Order Estimate. In Chapter 4, the wealth and capital accumulation mean-field game model is presented. The relevance of studying MFG in a bounded domain then becomes clear. In light of the results obtained in Chapter 3, we close Chapter 4 with the Hopf-Lax formula, and the First Order estimates. Three appendices close this thesis. They gather elementary material on Stochastic Calculus and Functional Analysis. / Nesta dissertação são apresentadas algumas estimativas a priori para soluções de sistemas mean-field games (MFG), definidos em domínios limitados Ω ⊂ ℝd. Tais estimativas são aplicadas em um modelo mean-field específico, que descreve o acúmulo de riqueza e capital. No Capítulo 1, é apresentada uma breve introdução histórica sobre os mean-field games. Nesta introdução, exploramos sua relação com a teoria dos jogos, cujos alicerces foram construídos por economistas e matemáticos ao longo do século XX. O objetivo do capítulo é transmitir. No Capítulo 2, apresentamos um problema de controle ótimo em que cada agente é suposto ser indistinguível, racional e inteligente. Indistinguível no sentido de que cada um é governado pela mesma equação diferencial estocástica. Racional no sentido de que todos os esforços do agente são no sentido de maximizar um funcional de recompensa e, inteligente no sentido de que são capazes de resolver um problema de controle ótimo. Descreve-se este problema de controle ótimo, e apresenta-se a derivação heurística dos mean-field games; obtém-se através de um Teorema de Verificação, a equação de Hamilton-Jacobi (HJ) associada, e em seguida, obtémse a equação de Fokker-Planck. De posse destas equações, apresentamos alguns resultados preliminares, como uma fórmula de representação para soluções da equação de HJ e alguns resultados de regularidade. No Capítulo 3, descreve-se um problema específico de controle ótimo e apresenta-se a respectiva derivação heurística culminando na descrição de um MFG com condições não periódicas na fronteira; esta abordagem é original na literatura de MFG. O restante do capítulo é dedicado à exposição de dois tipos bem conhecidos de estimativas: a fórmula de Hopf-Lax e estimativa de Primeira Ordem. Uma observação relevante, é a de que o trabalho em obter-se estimativas a priori é aumentado substancialmente neste caso, devido ao fato de lidarmos com estimativas para os termos de fronteira com normas em Lp. ao leitor, as origens da Teoria Econômica contemporânea, que surgem à partir da utilização da Matemática na formulação e resolução de problemas econômicos. Tal abordagem é motivada principalmente pelo rigor e clareza da Matemática em tais circunstâncias. No Capítulo 4, apresenta-se o modelo de jogo do tipo mean-field de acúmulo de capital e riqueza, o que deixa claro a relevância do estudo dos MFG em um domínio limitado. À luz dos resultados obtidos no Capítulo 3, encerramos o Capítulo 4 com as estimativas do tipo Hopf-Lax e de Primeira Ordem. Três apêndices encerram o texto desta dissertação de mestrado; estes reúnem material elementar sobre Cálculo Estocástico e Análise Funcional.