Exact solution for the Bariev model with boundary fields

The Bariev model with open boundary conditions is introduced and analysed in detail in the framework of the Quantum Inverse Scattering Method. Two classes of independent boundary reflecting K-matrices leading to four different types of boundary fields are obtained by solving the reflection equations. The models are exactly solved by means of the algebraic nested Bethe ansatz method and the four sets or Bethe ansatz equations as well as their corresponding energy expressions are derived. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Three-point boundary value problems for second-order, ordinary, differential equations

We establish existence results for solutions to three-point boundary value problems for nonlinear, second-order, ordinary differential equations with nonlinear boundary conditions. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Topological methods for some boundary value problems

We establish existence of solutions for a finite difference approximation to y = f(x, y, y ') on [0, 1], subject to nonlinear two-point Sturm-Liouville boundary conditions of the form g(i)(y(i),y ' (i)) = 0, i = 0, 1, assuming S satisfies one-sided growth bounds with respect to y '. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Boundary value problems for systems of difference equations associated with systems of second-order ordinary differential equations

We study difference equations which arise as discrete approximations to two-point boundary value problems for systems of second-order ordinary differential equations. We formulate conditions which guarantee a priori bounds on first differences of solutions to the discretized problem. We establish existence results for solutions to the discretized boundary value problems subject to nonlinear boundary conditions. We apply our results to show that solutions to the discrete problem converge to solutions of the continuous problem in an aggregate sense. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Difference equations associated with fully nonlinear boundary value problems for second order ordinary differential equations

We study the continuous problem y"=f(x,y,y'), xc[0,1], 0=G((y(0),y(1)),(y'(0), y'(1))), and its discrete approximation (y(k+1)-2y(k)+y(k-1))/h(2) =f(t(k), y(k), v(k)), k = 1,..., n-1, 0 = G((y(0), y(n)), (v(1), v(n))), where f and G = (g(0), g(1)) are continuous and fully nonlinear, h = 1/n, v(k) = (y(k) - y(k-1))/h, for k =1,..., n, and t(k) = kh, for k = 0,...,n. We assume there exist strict lower and strict upper solutions and impose additional conditions on f and G which are known to yield a priori bounds on, and to guarantee the existence of solutions of the continuous problem. We show that the discrete approximation also has solutions which approximate solutions of the continuous problem and converge to the solution of the continuous problem when it is unique, as the grid size goes to 0. Homotopy methods can be used to compute the solution of the discrete approximation. Our results were motivated by those of Gaines.

Positive radial solutions of the Dirichlet problem for the Minkowski-Curvature equation in a ball

We study the existence and multiplicity of positive radial solutions of the Dirichlet problem for the Minkowski-curvature equation { -div(del upsilon/root 1-vertical bar del upsilon vertical bar(2)) in B-R, upsilon=0 on partial derivative B-R,B- where B-R is a ball in R-N (N >= 2). According to the behaviour off = f (r, s) near s = 0, we prove the existence of either one, two or three positive solutions. All results are obtained by reduction to an equivalent non-singular one-dimensional problem, to which variational methods can be applied in a standard way.

MASS CONSERVATION ENHANCEMENT OF FREE BOUNDARY FLOWS IN COMPOSITES MANUFACTURING

Undesirable void formation during the injection phase of the liquid composite molding process can be understood as a consequence of the non-uniformity of the flow front progression, caused by the dual porosity of the fiber perform. Therefore the best examination of the void formation physics can be provided by a mesolevel analysis, where the characteristic dimension is given by the fiber tow diameter. In mesolevel analysis, liquid impregnation along two different scales; inside fiber tows and within the spaces between them; must be considered and the coupling between these flow regimes must be addressed. In such case, it is extremely important to account correctly for the surface tension effects, which can be modeled as capillary pressure applied at the flow front. When continues Galerkin method is used, exploiting elements with velocity components and pressure as nodal variables, strong numerical implementation of such boundary conditions leads to ill-posing of the problem, in terms of the weak classical as well as stabilized formulation. As a consequence, there is an error in mass conservation accumulated especially along the free flow front. This article presents a numerical procedure, which was formulated and implemented in the existing Free Boundary Program in order to significantly reduce this error.

Mass Conservation Enhancement of Free Boundary Mesolevel Flows during LCM Processes of Composites Manufacturing

Undesirable void formation during the injection phase of the liquid composite moulding process can be understood as a consequence of the non-uniformity of the flow front progression, caused by the dual porosity of the fibre perform. Therefore the best examination of the void formation physics can be provided by a mesolevel analysis, where the characteristic dimension is given by the fibre tow diameter. In mesolevel analysis, liquid impregnation along two different scales; inside fibre tows and within the open spaces between them; must be considered and the coupling between these flow regimes must be addressed. In such case, it is extremely important to account correctly for the surface tension effects, which can be modelled as capillary pressure applied at the flow front. Numerical implementation of such boundary conditions leads to ill-posing of the problem, in terms of the weak classical as well as stabilized formulation. As a consequence, there is an error in mass conservation accumulated especially along the free flow front. This contribution presents a numerical procedure, which was formulated and implemented in the existing Free Boundary Program in order to significantly reduce this error.

Monte Carlo thermodynamic and structural properties of the TIP4P water model: dependence on the computational conditions

Classical Monte Carlo simulations were carried out on the NPT ensemble at 25°C and 1 atm, aiming to investigate the ability of the TIP4P water model [Jorgensen, Chandrasekhar, Madura, Impey and Klein; J. Chem. Phys., 79 (1983) 926] to reproduce the newest structural picture of liquid water. The results were compared with recent neutron diffraction data [Soper; Bruni and Ricci; J. Chem. Phys., 106 (1997) 247]. The influence of the computational conditions on the thermodynamic and structural results obtained with this model was also analyzed. The findings were compared with the original ones from Jorgensen et al [above-cited reference plus Mol. Phys., 56 (1985) 1381]. It is notice that the thermodynamic results are dependent on the boundary conditions used, whereas the usual radial distribution functions g(O/O(r)) and g(O/H(r)) do not depend on them.

Croissance des fonctions propres du laplacien sur un domaine circulaire

Ce mémoire a pour but d'étudier les propriétés des solutions à l'équation aux valeurs propres de l'opérateur de Laplace sur le disque lorsque les valeurs propres tendent vers l'in ni. En particulier, on s'intéresse au taux de croissance des normes ponctuelle et L1. Soit D le disque unitaire et @D sa frontière (le cercle unitaire). On s'inté- resse aux solutions de l'équation aux valeurs propres f = f avec soit des conditions frontières de Dirichlet (fj@D = 0), soit des conditions frontières de Neumann ( @f @nj@D = 0 ; notons que sur le disque, la dérivée normale est simplement la dérivée par rapport à la variable radiale : @ @n = @ @r ). Les fonctions propres correspondantes sont données par : f (r; ) = fn;m(r; ) = Jn(kn;mr)(Acos(n ) + B sin(n )) (Dirichlet) fN (r; ) = fN n;m(r; ) = Jn(k0 n;mr)(Acos(n ) + B sin(n )) (Neumann) où Jn est la fonction de Bessel de premier type d'ordre n, kn;m est son m- ième zéro et k0 n;m est le m-ième zéro de sa dérivée (ici on dénote les fonctions propres pour le problème de Dirichlet par f et celles pour le problème de Neumann par fN). Dans ce cas, on obtient que le spectre SpD( ) du laplacien sur D, c'est-à-dire l'ensemble de ses valeurs propres, est donné par : SpD( ) = f : f = fg = fk2 n;m : n = 0; 1; 2; : : :m = 1; 2; : : :g (Dirichlet) SpN D( ) = f : fN = fNg = fk0 n;m 2 : n = 0; 1; 2; : : :m = 1; 2; : : :g (Neumann) En n, on impose que nos fonctions propres soient normalisées par rapport à la norme L2 sur D, c'est-à-dire : R D F2 da = 1 (à partir de maintenant on utilise F pour noter les fonctions propres normalisées et f pour les fonctions propres quelconques). Sous ces conditions, on s'intéresse à déterminer le taux de croissance de la norme L1 des fonctions propres normalisées, notée jjF jj1, selon . Il est vi important de mentionner que la norme L1 d'une fonction sur un domaine correspond au maximum de sa valeur absolue sur le domaine. Notons que dépend de deux paramètres, m et n et que la dépendance entre et la norme L1 dépendra du rapport entre leurs taux de croissance. L'étude du comportement de la norme L1 est étroitement liée à l'étude de l'ensemble E(D) qui est l'ensemble des points d'accumulation de log(jjF jj1)= log : Notre principal résultat sera de montrer que [7=36; 1=4] E(B2) [1=18; 1=4]: Le mémoire est organisé comme suit. L'introdution et les résultats principaux sont présentés au chapitre 1. Au chapitre 2, on rappelle quelques faits biens connus concernant les fonctions propres du laplacien sur le disque et sur les fonctions de Bessel. Au chapitre 3, on prouve des résultats concernant la croissance de la norme ponctuelle des fonctions propres. On montre notamment que, si m=n ! 0, alors pour tout point donné (r; ) du disque, la valeur de F (r; ) décroit exponentiellement lorsque ! 1. Au chapitre 4, on montre plusieurs résultats sur la croissance de la norme L1. Le probl ème avec conditions frontières de Neumann est discuté au chapitre 5 et on présente quelques résultats numériques au chapitre 6. Une brève discussion et un sommaire de notre travail se trouve au chapitre 7.

Géométrie nodale et valeurs propres de l’opérateur de Laplace et du p-laplacien

La présente thèse porte sur différentes questions émanant de la géométrie spectrale. Ce domaine des mathématiques fondamentales a pour objet d'établir des liens entre la géométrie et le spectre d'une variété riemannienne. Le spectre d'une variété compacte fermée M munie d'une métrique riemannienne $g$ associée à l'opérateur de Laplace-Beltrami est une suite de nombres non négatifs croissante qui tend vers l’infini. La racine carrée de ces derniers représente une fréquence de vibration de la variété. Cette thèse présente quatre articles touchant divers aspects de la géométrie spectrale. Le premier article, présenté au Chapitre 1 et intitulé « Superlevel sets and nodal extrema of Laplace eigenfunctions », porte sur la géométrie nodale d'opérateurs elliptiques. L’objectif de mes travaux a été de généraliser un résultat de L. Polterovich et de M. Sodin qui établit une borne sur la distribution des extrema nodaux sur une surface riemannienne pour une assez vaste classe de fonctions, incluant, entre autres, les fonctions propres associées à l'opérateur de Laplace-Beltrami. La preuve fournie par ces auteurs n'étant valable que pour les surfaces riemanniennes, je prouve dans ce chapitre une approche indépendante pour les fonctions propres de l’opérateur de Laplace-Beltrami dans le cas des variétés riemanniennes de dimension arbitraire. Les deuxième et troisième articles traitent d'un autre opérateur elliptique, le p-laplacien. Sa particularité réside dans le fait qu'il est non linéaire. Au Chapitre 2, l'article « Principal frequency of the p-laplacian and the inradius of Euclidean domains » se penche sur l'étude de bornes inférieures sur la première valeur propre du problème de Dirichlet du p-laplacien en termes du rayon inscrit d’un domaine euclidien. Plus particulièrement, je prouve que, si p est supérieur à la dimension du domaine, il est possible d'établir une borne inférieure sans aucune hypothèse sur la topologie de ce dernier. L'étude de telles bornes a fait l'objet de nombreux articles par des chercheurs connus, tels que W. K. Haymann, E. Lieb, R. Banuelos et T. Carroll, principalement pour le cas de l'opérateur de Laplace. L'adaptation de ce type de bornes au cas du p-laplacien est abordée dans mon troisième article, « Bounds on the Principal Frequency of the p-Laplacian », présenté au Chapitre 3 de cet ouvrage. Mon quatrième article, « Wolf-Keller theorem for Neumann Eigenvalues », est le fruit d'une collaboration avec Guillaume Roy-Fortin. Le thème central de ce travail gravite autour de l'optimisation de formes dans le contexte du problème aux valeurs limites de Neumann. Le résultat principal de cet article est que les valeurs propres de Neumann ne sont pas toujours maximisées par l'union disjointe de disques arbitraires pour les domaines planaires d'aire fixée. Le tout est présenté au Chapitre 4 de cette thèse.

Nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden für lineare und quasilineare (monotone und nichtmonotone) Probleme

In dieser Arbeit werden nichtüberlappende Gebietszerlegungsmethoden einerseits hinsichtlich der zu lösenden Problemklassen verallgemeinert und andererseits in bisher nicht untersuchten Kontexten betrachtet. Dabei stehen funktionalanalytische Untersuchungen zur Wohldefiniertheit, eindeutigen Lösbarkeit und Konvergenz im Vordergrund. Im ersten Teil werden lineare elliptische Dirichlet-Randwertprobleme behandelt, wobei neben Problemen mit dominantem Hauptteil auch solche mit singulärer Störung desselben, wie konvektions- oder reaktionsdominante Probleme zugelassen sind. Der zweite Teil befasst sich mit (gleichmäßig) monotonen koerziven quasilinearen elliptischen Dirichlet-Randwertproblemen. In beiden Fällen wird das Lipschitz-Gebiet in endlich viele Lipschitz-Teilgebiete zerlegt, wobei insbesondere Kreuzungspunkte und Teilgebiete ohne Außenrand zugelassen sind. Anschließend werden Transmissionsprobleme mit frei wählbaren $L^{\infty}$-Parameterfunktionen hergeleitet, wobei die Konormalenableitungen als Funktionale auf geeigneten Funktionenräumen über den Teilrändern ($H_{00}^{1/2}(\Gamma)$) interpretiert werden. Die iterative Lösung dieser Transmissionsprobleme mit einem Ansatz von Deng führt auf eine Substrukturierungsmethode mit Robin-artigen Transmissionsbedingungen, bei der eine Auswertung der Konormalenableitungen aufgrund einer geschickten Aufdatierung der Robin-Daten nicht notwendig ist (insbesondere ist die bekannte Robin-Robin-Methode von Lions als Spezialfall enthalten). Die Konvergenz bezüglich einer partitionierten $H^1$-Norm wird für beide Problemklassen gezeigt. Dabei werden keine über $H^1$ hinausgehende Regularitätsforderungen an die Lösungen gestellt und die Gebiete müssen keine zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen erfüllen. Im letzten Kapitel werden nichtmonotone koerzive quasilineare Probleme untersucht, wobei das Zugrunde liegende Gebiet nur in zwei Lipschitz-Teilgebiete zerlegt sein soll. Das zugehörige nichtlineare Transmissionsproblem wird durch Kirchhoff-Transformation in lineare Teilprobleme mit nichtlinearen Kopplungsbedingungen überführt. Ein optimierungsbasierter Lösungsansatz, welcher einen geeigneten Abstand der rücktransformierten Dirichlet-Daten der linearen Teilprobleme auf den Teilrändern minimiert, führt auf ein optimales Kontrollproblem. Die dabei entstehenden regularisierten freien Minimierungsprobleme werden mit Hilfe eines Gradientenverfahrens unter minimalen Glattheitsforderungen an die Nichtlinearitäten gelöst. Unter zusätzlichen Glattheitsvoraussetzungen an die Nichtlinearitäten und weiteren technischen Voraussetzungen an die Lösung des quasilinearen Ausgangsproblems, kann zudem die quadratische Konvergenz des Newton-Verfahrens gesichert werden.

An integral equation method for a boundary value problem arising in unsteady water wave problems

In this paper we consider the 2D Dirichlet boundary value problem for Laplace’s equation in a non-locally perturbed half-plane, with data in the space of bounded and continuous functions. We show uniqueness of solution, using standard Phragmen-Lindelof arguments. The main result is to propose a boundary integral equation formulation, to prove equivalence with the boundary value problem, and to show that the integral equation is well posed by applying a recent partial generalisation of the Fredholm alternative in Arens et al [J. Int. Equ. Appl. 15 (2003) pp. 1-35]. This then leads to an existence proof for the boundary value problem. Keywords. Boundary integral equation method, Water waves, Laplace’s

The Klein-Gordon equation in a domain with time-dependent boundary

We solve a Dirichlet boundary value problem for the Klein–Gordon equation posed in a time-dependent domain. Our approach is based on a general transform method for solving boundary value problems for linear and integrable nonlinear PDE in two variables. Our results consist of the inversion formula for a generalized Fourier transform, and of the application of this generalized transform to the solution of the boundary value problem.

A Nyström method for a boundary value problem arising in unsteady water wave problems

This paper is concerned with solving numerically the Dirichlet boundary value problem for Laplace’s equation in a nonlocally perturbed half-plane. This problem arises in the simulation of classical unsteady water wave problems. The starting point for the numerical scheme is the boundary integral equation reformulation of this problem as an integral equation of the second kind on the real line in Preston et al. (2008, J. Int. Equ. Appl., 20, 121–152). We present a Nystr¨om method for numerical solution of this integral equation and show stability and convergence, and we present and analyse a numerical scheme for computing the Dirichlet-to-Neumann map, i.e., for deducing the instantaneous fluid surface velocity from the velocity potential on the surface, a key computational step in unsteady water wave simulations. In particular, we show that our numerical schemes are superalgebraically convergent if the fluid surface is infinitely smooth. The theoretical results are illustrated by numerical experiments.