Dynamical Systems approach to Saffman-Taylor fingering. A Dynamical Solvability Scenario

A dynamical systems approach to competition of Saffman-Taylor fingers in a Hele-Shaw channel is developed. This is based on global analysis of the phase space flow of the low-dimensional ordinary-differential-equation sets associated with the classes of exact solutions of the problem without surface tension. Some simple examples are studied in detail. A general proof of the existence of finite-time singularities for broad classes of solutions is given. Solutions leading to finite-time interface pinchoff are also identified. The existence of a continuum of multifinger fixed points and its dynamical implications are discussed. We conclude that exact zero-surface tension solutions taken in a global sense as families of trajectories in phase space are unphysical because the multifinger fixed points are nonhyperbolic, and an unfolding does not exist within the same class of solutions. Hyperbolicity (saddle-point structure) of the multifinger fixed points is argued to be essential to the physically correct qualitative description of finger competition. The restoring of hyperbolicity by surface tension is proposed as the key point to formulate a generic dynamical solvability scenario for interfacial pattern selection.

Surface tension and dynamics of fingering patterns

We study the minimal class of exact solutions of the Saffman-Taylor problem with zero surface tension, which contains the physical fixed points of the regularized (nonzero surface tension) problem. New fixed points are found and the basin of attraction of the Saffman-Taylor finger is determined within that class. Specific features of the physics of finger competition are identified and quantitatively defined, which are absent in the zero surface tension case. This has dramatic consequences for the long-time asymptotics, revealing a fundamental role of surface tension in the dynamics of the problem. A multifinger extension of microscopic solvability theory is proposed to elucidate the interplay between finger widths, screening and surface tension.

Black diholes

We present and analyze exact solutions of the Einstein-Maxwell and Einstein-Maxwell-dilaton equations that describe static pairs of oppositely charged extremal black holes, i.e., black diholes. The holes are suspended in equilibrium in an external magnetic field, or held apart by cosmic strings. We comment as well on the relation of these solutions to brane-antibrane configurations in string and M theory.

Solution to telegrapher's equation in the presence of reflecting and partly reflecting broundaries

We show that the reflecting boundary condition for a one-dimensional telegraphers equation is the same as that for the diffusion equation, in contrast to what is found for the absorbing boundary condition. The radiation boundary condition is found to have a quite complicated form. We also obtain exact solutions of the telegraphers equation in the presence of these boundaries.

Higher-dimensional rotating charged black holes

Using the blackfold approach, we study new classes of higher-dimensional rotating black holes with electric charges and string dipoles, in theories of gravity coupled to a 2-form or 3-form field strength and to a dilaton with arbitrary coupling. The method allows to describe not only black holes with large angular momenta, but also other regimes that include charged black holes near extremality with slow rotation. We construct explicit examples of electric rotating black holes of dilatonic and non-dilatonic Einstein-Maxwell theory, with horizons of spherical and non-spherical topology. We also find new families of solutions with string dipoles, including a new class of prolate black rings. Whenever there are exact solutions that we can compare to, their properties in the appropriate regime are reproduced precisely by our solutions. The analysis of blackfolds with string charges requires the formulation of the dynamics of anisotropic fluids with conserved string-number currents, which is new, and is carried out in detail for perfect fluids. Finally, our results indicate new instabilities of near-extremal, slowly rotating charged black holes, and motivate conjectures about topological constraints on dipole hair.

Nonperturbative semiclassical stability of de Sitter spacetime for small metric deviations

We consider the linearized semiclassical Einstein equations for small deviations around de Sitter spacetime including the vacuum polarization effects of conformal fields. Employing the method of order reduction, we find the exact solutions for general metric perturbations (of scalar, vector and tensor type). Our exact (nonperturbative) solutions show clearly that in this case de Sitter is stable with respect to small metric deviations and a late-time attractor. Furthermore, they also reveal a breakdown of perturbative solutions for a sufficiently long evolution inside the horizon. Our results are valid for any conformal theory, even self-interacting ones with arbitrarily strong coupling.

Evanescent field of vectorial highly non-paraxial beams

In terms of the Fourier spectrum, a simple but general analytical expression is given for the evanescent field associated to a certain kind of non-paraxial exact solutions of the Maxwell equations. This expression enables one to compare the relative weight of the evanescent wave with regard to the propagating field. In addition, in those cases in which the evanescent term is significant, the magnitude of the field components across the transverse profile (including the evanescent features) can be determined. These results are applied to some illustrative examples.

Surface Tension Implementation for Gensmac2d

In the present work we describe a method which allows the incorporation of surface tension into the GENSMAC2D code. This is achieved on two scales. First on the scale of a cell, the surface tension effects are incorporated into the free surface boundary conditions through the computation of the capillary pressure. The required curvature is estimated by fitting a least square circle to the free surface using the tracking particles in the cell and in its close neighbors. On a sub-cell scale, short wavelength perturbations are filtered out using a local 4-point stencil which is mass conservative. An efficient implementation is obtained through a dual representation of the cell data, using both a matrix representation, for ease at identifying neighbouring cells, and also a tree data structure, which permits the representation of specific groups of cells with additional information pertaining to that group. The resulting code is shown to be robust, and to produce accurate results when compared with exact solutions of selected fluid dynamic problems involving surface tension.

Gestion adaptative des ressources dans les réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques.

Applications du processus ancestral avec recombinaison et conversion en génétique statistique

Les diagrammes de transitions d'états ont été réalisés avec le logiciel Latex.

Structures algébriques, systèmes superintégrables et polynômes orthogonaux

Cette thèse est divisée en cinq parties portant sur les thèmes suivants: l’interprétation physique et algébrique de familles de fonctions orthogonales multivariées et leurs applications, les systèmes quantiques superintégrables en deux et trois dimensions faisant intervenir des opérateurs de réflexion, la caractérisation de familles de polynômes orthogonaux appartenant au tableau de Bannai-Ito et l’examen des structures algébriques qui leurs sont associées, l’étude de la relation entre le recouplage de représentations irréductibles d’algèbres et de superalgèbres et les systèmes superintégrables, ainsi que l’interprétation algébrique de familles de polynômes multi-orthogonaux matriciels. Dans la première partie, on développe l’interprétation physico-algébrique des familles de polynômes orthogonaux multivariés de Krawtchouk, de Meixner et de Charlier en tant qu’éléments de matrice des représentations unitaires des groupes SO(d+1), SO(d,1) et E(d) sur les états d’oscillateurs. On détermine les amplitudes de transition entre les états de l’oscillateur singulier associés aux bases cartésienne et polysphérique en termes des polynômes multivariés de Hahn. On examine les coefficients 9j de su(1,1) par le biais du système superintégrable générique sur la 3-sphère. On caractérise les polynômes de q-Krawtchouk comme éléments de matrices des «q-rotations» de U_q(sl_2). On conçoit un réseau de spin bidimensionnel qui permet le transfert parfait d’états quantiques à l’aide des polynômes de Krawtchouk à deux variables et on construit un modèle discret de l’oscillateur quantique dans le plan à l’aide des polynômes de Meixner bivariés. Dans la seconde partie, on étudie les systèmes superintégrables de type Dunkl, qui font intervenir des opérateurs de réflexion. On examine l’oscillateur de Dunkl en deux et trois dimensions, l’oscillateur singulier de Dunkl dans le plan et le système générique sur la 2-sphère avec réflexions. On démontre la superintégrabilité de chacun de ces systèmes. On obtient leurs constantes du mouvement, on détermine leurs algèbres de symétrie et leurs représentations, on donne leurs solutions exactes et on détaille leurs liens avec les polynômes orthogonaux du tableau de Bannai-Ito. Dans la troisième partie, on caractérise deux familles de polynômes du tableau de Bannai-Ito: les polynômes de Bannai-Ito complémentaires et les polynômes de Chihara. On montre également que les polynômes de Bannai-Ito sont les coefficients de Racah de la superalgèbre osp(1,2). On détermine l’algèbre de symétrie des polynômes duaux -1 de Hahn dans le cadre du problème de Clebsch-Gordan de osp(1,2). On propose une q - généralisation des polynômes de Bannai-Ito en examinant le problème de Racah pour la superalgèbre quantique osp_q(1,2). Finalement, on montre que la q -algèbre de Bannai-Ito sert d’algèbre de covariance à osp_q(1,2). Dans la quatrième partie, on détermine le lien entre le recouplage de représentations des algèbres su(1,1) et osp(1,2) et les systèmes superintégrables du deuxième ordre avec ou sans réflexions. On étudie également les représentations des algèbres de Racah-Wilson et de Bannai-Ito. On montre aussi que l’algèbre de Racah-Wilson sert d’algèbre de covariance quadratique à l’algèbre de Lie sl(2). Dans la cinquième partie, on construit deux familles explicites de polynômes d-orthogonaux basées sur su(2). On étudie les états cohérents et comprimés de l’oscillateur fini et on caractérise une famille de polynômes multi-orthogonaux matriciels.

Some non- linear problems in theoretical physics

An immense variety of problems in theoretical physics are of the non-linear type. Non~linear partial differential equations (NPDE) have almost become the rule rather than an exception in diverse branches of physics such as fluid mechanics, field theory, particle physics, statistical physics and optics, and the construction of exact solutions of these equations constitutes one of the most vigorous activities in theoretical physics today. The thesis entitled ‘Some Non-linear Problems in Theoretical Physics’ addresses various aspects of this problem at the classical level. For obtaining exact solutions we have used mathematical tools like the bilinear operator method, base equation technique and similarity method with emphasis on its group theoretical aspects. The thesis deals with certain methods of finding exact solutions of a number of non-linear partial differential equations of importance to theoretical physics. Some of these new solutions are of relevance from the applications point of view in diverse branches such as elementary particle physics, field theory, solid state physics and non-linear optics and give some insight into the stable or unstable behavior of dynamical Systems The thesis consists of six chapters.

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Memory and burstiness in dynamic networks

A discrete-time random process is described, which can generate bursty sequences of events. A Bernoulli process, where the probability of an event occurring at time t is given by a fixed probability x, is modified to include a memory effect where the event probability is increased proportionally to the number of events that occurred within a given amount of time preceding t. For small values of x the interevent time distribution follows a power law with exponent −2−x. We consider a dynamic network where each node forms, and breaks connections according to this process. The value of x for each node depends on the fitness distribution, \rho(x), from which it is drawn; we find exact solutions for the expectation of the degree distribution for a variety of possible fitness distributions, and for both cases where the memory effect either is, or is not present. This work can potentially lead to methods to uncover hidden fitness distributions from fast changing, temporal network data, such as online social communications and fMRI scans.