Higher order Lagrangian systems: Geometric structures, Dynamics, and Constraints

In order to study the connections between Lagrangian and Hamiltonian formalisms constructed from aperhaps singularhigher-order Lagrangian, some geometric structures are constructed. Intermediate spaces between those of Lagrangian and Hamiltonian formalisms, partial Ostrogradskiis transformations and unambiguous evolution operators connecting these spaces are intrinsically defined, and some of their properties studied. Equations of motion, constraints, and arbitrary functions of Lagrangian and Hamiltonian formalisms are thoroughly studied. In particular, all the Lagrangian constraints are obtained from the Hamiltonian ones. Once the gauge transformations are taken into account, the true number of degrees of freedom is obtained, both in the Lagrangian and Hamiltonian formalisms, and also in all the intermediate formalisms herein defined.

Topographic forcing of flow partition and flow structures at river bifurcations

This paper presents the predicted flow dynamics from the application of a Reynolds-averaged NavierStokes model to a series of bifurcation geometries with morphologies measured during previous flume experiments. The topography of the bifurcations consists of either plane or bedform-dominated beds which may or may not possess discordance between the two bifurcation distributaries. Numerical predictions are compared with experimental results to assess the ability of the numerical model to reproduce the division of flow into the bifurcation distributaries. The hydrodynamic model predicts: (1) diverting fluxes in the upstream channel which direct water into the distributaries; (2) super-elevation of the free surface induced at the bifurcation edge by pressure differences; and (3) counter-rotating secondary circulation cells which develop upstream of the apex of the bifurcation and move into the downstream channels, with water converging at the surface and diverging at the bed. When bedforms are not present, weak transversal fluxes characterize the upstream channel for almost its entire length, associated with clearly distinguishable secondary circulation cells, although these may be under-estimated by the turbulence model used in the solution. In the bedform dominated case, the same hydrodynamic conditions were not observed, with the bifurcation influence restricted and depth scale secondary circulation cells not forming. The results also demonstrate the dominant effect bed discordance has upon flow division between the two distributaries. Finally, results indicate that in bedform dominated rivers. Consequently, we suggest that sand-bed river bifurcations are more likely to have an influence that extends much further upstream and have a greater impact upon water distribution. This may contribute to observed morphological differences between sand-bedded and gravel-bedded braided river networks. Copyright (C) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Erasing the glassy state in magnetic fine particles

BaFe10.4Co0.8Ti0.8O19 magnetic fine particles exhibit most of the features attributed to glassy behavior, e.g., irreversibility in the hysteresis loops and in the zero-field-cooling and field-cooling curves extends up to very high fields, and aging and magnetic training phenomena occur. However, the multivalley energy structure of the glassy state can be strongly modified by a field-cooling process at a moderate field. Slow relaxation experiments demonstrate that the intrinsic energy barriers of the individual particles dominate the behavior of the system at high cooling fields, while the energy states corresponding to collective glassy behavior play the dominant role at low cooling fields.

Reply to "Comment on 'Erasing glassy state in magnetic fine particles'"

The Comment affirms that no phase transition occurs in spin-glass systems with an applied magnetic field. However, only according to the droplet model is this result expected. Other models do not predict this result and, consequently, it is under current discussion. In addition, we show how the experimental results obtained in our system correspond to a cluster glass rather than to a true spin glass.

Long-range-interactions induced ordered structures in deposition processes

We present a new model of sequential adsorption in which the adsorbing particles experience dipolar interactions. We show that in the presence of these long-range interactions, highly ordered structures in the adsorbed layer may be induced at low temperatures. The new phenomenology is manifest through significant variations of the pair correlation function and the jamming limit, with respect to the case of noninteracting particles. Our study could be relevant in understanding the adsorption of magnetic colloidal particles in the presence of a magnetic field.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Flow structures at an idealized bifurcation : a numerical experiment

River bifurcations are key nodes within braided river systems controlling the flow and sediment partitioning and therefore the dynamics of the river braiding process. Recent research has shown that certain geometrical configurations induce instabilities that lead to downstream mid-channel bar formation and the formation of bifurcations. However, we currently have a poor understanding of the flow division process within bifurcations and the flow dynamics in the downstream bifurcates, both of which are needed to understand bifurcation stability. This paper presents results of a numerical sensitivity experiment undertaken using computational fluid dynamics (CFD) with the purpose of understanding the flow dynamics of a series of idealized bifurcations. A geometric sensitivity analysis is undertaken for a range of channel slopes (0.005 to 0.03), bifurcation angles (22 degrees to 42 degrees) and a restricted set of inflow conditions based upon simulating flow through meander bends with different curvature on the flow field dynamics through the bifurcation. The results demonstrate that the overall slope of the bifurcation affects the velocity of flow through the bifurcation and when slope asymmetry is introduced, the flow structures in the bifurcation are modified. In terms of bifurcation evolution the most important observation appears to be that once slope asymmetry is greater than 0.2 the flow within the steep bifurcate shows potential instability and the potential for alternate channel bar formation. Bifurcation angle also defines the flow structures within the bifurcation with an increase in bifurcation angle increasing the flow velocity down both bifurcates. However, redistributive effects of secondary circulation caused by upstream curvature can very easily counter the effects of local bifurcation characteristics. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Fine structure of the vaccinia virus gene encoding the precursor of the major core protein 4 a.

A 6008 base pair fragment of the vaccinia virus DNA containing the gene for the precursor of the major core protein 4 a, which has been designated P4 a, was sequenced. A long open reading frame (ORF) encoding a protein of molecular weight 102,157 started close to the position where the P4 a mRNA had been mapped. Analysis of the mRNA by S1 nuclease mapping and primer extension indicated that the 5' end defined by the former method is not the true 5' end. This suggests that the P4 a coding region is preceded by leader sequences that are not derived from the immediate vicinity of the gene, similar to what has been reported for another late vaccinia virus mRNA. The sequenced DNA contained several further ORFs on the same, or opposite DNA strand, providing further evidence for the close spacing of protein-coding sequences in the viral genome.

Apprentissage automatique de la morphologie : le cas des structures racine-schème

RÉSUMÉ Cette thèse porte sur le développement de méthodes algorithmiques pour découvrir automatiquement la structure morphologique des mots d'un corpus. On considère en particulier le cas des langues s'approchant du type introflexionnel, comme l'arabe ou l'hébreu. La tradition linguistique décrit la morphologie de ces langues en termes d'unités discontinues : les racines consonantiques et les schèmes vocaliques. Ce genre de structure constitue un défi pour les systèmes actuels d'apprentissage automatique, qui opèrent généralement avec des unités continues. La stratégie adoptée ici consiste à traiter le problème comme une séquence de deux sous-problèmes. Le premier est d'ordre phonologique : il s'agit de diviser les symboles (phonèmes, lettres) du corpus en deux groupes correspondant autant que possible aux consonnes et voyelles phonétiques. Le second est de nature morphologique et repose sur les résultats du premier : il s'agit d'établir l'inventaire des racines et schèmes du corpus et de déterminer leurs règles de combinaison. On examine la portée et les limites d'une approche basée sur deux hypothèses : (i) la distinction entre consonnes et voyelles peut être inférée sur la base de leur tendance à alterner dans la chaîne parlée; (ii) les racines et les schèmes peuvent être identifiés respectivement aux séquences de consonnes et voyelles découvertes précédemment. L'algorithme proposé utilise une méthode purement distributionnelle pour partitionner les symboles du corpus. Puis il applique des principes analogiques pour identifier un ensemble de candidats sérieux au titre de racine ou de schème, et pour élargir progressivement cet ensemble. Cette extension est soumise à une procédure d'évaluation basée sur le principe de la longueur de description minimale, dans- l'esprit de LINGUISTICA (Goldsmith, 2001). L'algorithme est implémenté sous la forme d'un programme informatique nommé ARABICA, et évalué sur un corpus de noms arabes, du point de vue de sa capacité à décrire le système du pluriel. Cette étude montre que des structures linguistiques complexes peuvent être découvertes en ne faisant qu'un minimum d'hypothèses a priori sur les phénomènes considérés. Elle illustre la synergie possible entre des mécanismes d'apprentissage portant sur des niveaux de description linguistique distincts, et cherche à déterminer quand et pourquoi cette coopération échoue. Elle conclut que la tension entre l'universalité de la distinction consonnes-voyelles et la spécificité de la structuration racine-schème est cruciale pour expliquer les forces et les faiblesses d'une telle approche. ABSTRACT This dissertation is concerned with the development of algorithmic methods for the unsupervised learning of natural language morphology, using a symbolically transcribed wordlist. It focuses on the case of languages approaching the introflectional type, such as Arabic or Hebrew. The morphology of such languages is traditionally described in terms of discontinuous units: consonantal roots and vocalic patterns. Inferring this kind of structure is a challenging task for current unsupervised learning systems, which generally operate with continuous units. In this study, the problem of learning root-and-pattern morphology is divided into a phonological and a morphological subproblem. The phonological component of the analysis seeks to partition the symbols of a corpus (phonemes, letters) into two subsets that correspond well with the phonetic definition of consonants and vowels; building around this result, the morphological component attempts to establish the list of roots and patterns in the corpus, and to infer the rules that govern their combinations. We assess the extent to which this can be done on the basis of two hypotheses: (i) the distinction between consonants and vowels can be learned by observing their tendency to alternate in speech; (ii) roots and patterns can be identified as sequences of the previously discovered consonants and vowels respectively. The proposed algorithm uses a purely distributional method for partitioning symbols. Then it applies analogical principles to identify a preliminary set of reliable roots and patterns, and gradually enlarge it. This extension process is guided by an evaluation procedure based on the minimum description length principle, in line with the approach to morphological learning embodied in LINGUISTICA (Goldsmith, 2001). The algorithm is implemented as a computer program named ARABICA; it is evaluated with regard to its ability to account for the system of plural formation in a corpus of Arabic nouns. This thesis shows that complex linguistic structures can be discovered without recourse to a rich set of a priori hypotheses about the phenomena under consideration. It illustrates the possible synergy between learning mechanisms operating at distinct levels of linguistic description, and attempts to determine where and why such a cooperation fails. It concludes that the tension between the universality of the consonant-vowel distinction and the specificity of root-and-pattern structure is crucial for understanding the advantages and weaknesses of this approach.

Les sociologues ont-ils perdu l'esprit ? À la recherche des structures élémentaires de la vie sociale

Ce texte est un « droit de réponse » par les auteurs de l'article « Vers un naturalisme social. À la croisée des sciences sociales et des sciences cognitives », publié par SociologieS en octobre 2011, au débat qu'il a suscité. Après une brève mise au point sur la forme même du débat, ainsi que sur les dissensions ponctuelles qui opposent les différents protagonistes, l'article répond aux inquiétudes parfaitement légitimes et aux questions de fond que soulève le naturalisme social.

Fine-Tuning Translation Kinetics Selection as the Driving Force of Codon Usage Bias in the Hepatitis A Virus Capsid

Hepatitis A virus (HAV), the prototype of genus Hepatovirus, has several unique biological characteristics that distinguish it from other members of the Picornaviridae family. Among these, the need for an intact eIF4G factor for the initiation of translation results in an inability to shut down host protein synthesis by a mechanism similar to that of other picornaviruses. Consequently, HAV must inefficiently compete for the cellular translational machinery and this may explain its poor growth in cell culture. In this context of virus/cell competition, HAV has strategically adopted a naturally highly deoptimized codon usage with respect to that of its cellular host. With the aim to optimize its codon usage the virus was adapted to propagate in cells with impaired protein synthesis, in order to make tRNA pools more available for the virus. A significant loss of fitness was the immediate response to the adaptation process that was, however, later on recovered and more associated to a re-deoptimization rather than to an optimization of the codon usage specifically in the capsid coding region. These results exclude translation selection and instead suggest fine-tuning translation kinetics selection as the underlying mechanism of the codon usage bias in this specific genome region. Additionally, the results provide clear evidence of the Red Queen dynamics of evolution since the virus has very much evolved to re-adapt its codon usage to the environmental cellular changing conditions in order to recover the original fitness.