Studies in nuclear reactor dynamics : I. The accuracy of point kinetics. II. The effect of delayed neutrons on the spectrum of the group-diffusion operator

This thesis is a theoretical work on the space-time dynamic behavior of a nuclear reactor without feedback. Diffusion theory with G-energy groups is used.

In the first part the accuracy of the point kinetics (lumped-parameter description) model is examined. The fundamental approximation of this model is the splitting of the neutron density into a product of a known function of space and an unknown function of time; then the properties of the system can be averaged in space through the use of appropriate weighting functions; as a result a set of ordinary differential equations is obtained for the description of time behavior. It is clear that changes of the shape of the neutron-density distribution due to space-dependent perturbations are neglected. This results to an error in the eigenvalues and it is to this error that bounds are derived. This is done by using the method of weighted residuals to reduce the original eigenvalue problem to that of a real asymmetric matrix. Then Gershgorin-type theorems .are used to find discs in the complex plane in which the eigenvalues are contained. The radii of the discs depend on the perturbation in a simple manner.

In the second part the effect of delayed neutrons on the eigenvalues of the group-diffusion operator is examined. The delayed neutrons cause a shifting of the prompt-neutron eigenvalue s and the appearance of the delayed eigenvalues. Using a simple perturbation method this shifting is calculated and the delayed eigenvalues are predicted with good accuracy.

Fast numerical methods for mixed, singular Helmholtz boundary value problems and Laplace eigenvalue problems - with applications to antenna design, sloshing, electromagnetic scattering and spectral geometry

This thesis presents a novel class of algorithms for the solution of scattering and eigenvalue problems on general two-dimensional domains under a variety of boundary conditions, including non-smooth domains and certain "Zaremba" boundary conditions - for which Dirichlet and Neumann conditions are specified on various portions of the domain boundary. The theoretical basis of the methods for the Zaremba problems on smooth domains concern detailed information, which is put forth for the first time in this thesis, about the singularity structure of solutions of the Laplace operator under boundary conditions of Zaremba type. The new methods, which are based on use of Green functions and integral equations, incorporate a number of algorithmic innovations, including a fast and robust eigenvalue-search algorithm, use of the Fourier Continuation method for regularization of all smooth-domain Zaremba singularities, and newly derived quadrature rules which give rise to high-order convergence even around singular points for the Zaremba problem. The resulting algorithms enjoy high-order convergence, and they can tackle a variety of elliptic problems under general boundary conditions, including, for example, eigenvalue problems, scattering problems, and, in particular, eigenfunction expansion for time-domain problems in non-separable physical domains with mixed boundary conditions.

Bessel functions and equations of mathematical physics

The aim of this dissertation is to introduce Bessel functions to the reader, as well as studying some of their properties. Moreover, the final goal of this document is to present the most well- known applications of Bessel functions in physics.

Differential and numerical models of hysteretic systems with stochastic and deterministic inputs

Many deterministic models with hysteresis have been developed in the areas of economics, finance, terrestrial hydrology and biology. These models lack any stochastic element which can often have a strong effect in these areas. In this work stochastically driven closed loop systems with hysteresis type memory are studied. This type of system is presented as a possible stochastic counterpart to deterministic models in the areas of economics, finance, terrestrial hydrology and biology. Some price dynamics models are presented as a motivation for the development of this type of model. Numerical schemes for solving this class of stochastic differential equation are developed in order to examine the prototype models presented. As a means of further testing the developed numerical schemes, numerical examination is made of the behaviour near equilibrium of coupled ordinary differential equations where the time derivative of the Preisach operator is included in one of the equations. A model of two phenotype bacteria is also presented. This model is examined to explore memory effects and related hysteresis effects in the area of biology. The memory effects found in this model are similar to that found in the non-ideal relay. This non-ideal relay type behaviour is used to model a colony of bacteria with multiple switching thresholds. This model contains a Preisach type memory with a variable Preisach weight function. Shown numerically for this multi-threshold model is a pattern formation for the distribution of the phenotypes among the available thresholds.

Higher order derivatives and norms of certain matrix functions

Tese de doutoramento, Matemática (Álgebra Lógica e Fundamentos), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

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.

Unfolded singularities of analytic differential equations

La thèse est composée d’un chapitre de préliminaires et de deux articles sur le sujet du déploiement de singularités d’équations différentielles ordinaires analytiques dans le plan complexe. L’article Analytic classification of families of linear differential systems unfolding a resonant irregular singularity traite le problème de l’équivalence analytique de familles paramétriques de systèmes linéaires en dimension 2 qui déploient une singularité résonante générique de rang de Poincaré 1 dont la matrice principale est composée d’un seul bloc de Jordan. La question: quand deux telles familles sontelles équivalentes au moyen d’un changement analytique de coordonnées au voisinage d’une singularité? est complètement résolue et l’espace des modules des classes d’équivalence analytiques est décrit en termes d’un ensemble d’invariants formels et d’un invariant analytique, obtenu à partir de la trace de la monodromie. Des déploiements universels sont donnés pour toutes ces singularités. Dans l’article Confluence of singularities of non-linear differential equations via Borel–Laplace transformations on cherche des solutions bornées de systèmes paramétriques des équations non-linéaires de la variété centre de dimension 1 d’une singularité col-noeud déployée dans une famille de champs vectoriels complexes. En général, un système d’ÉDO analytiques avec une singularité double possède une unique solution formelle divergente au voisinage de la singularité, à laquelle on peut associer des vraies solutions sur certains secteurs dans le plan complexe en utilisant les transformations de Borel–Laplace. L’article montre comment généraliser cette méthode et déployer les solutions sectorielles. On construit des solutions de systèmes paramétriques, avec deux singularités régulières déployant une singularité irrégulière double, qui sont bornées sur des domaines «spirals» attachés aux deux points singuliers, et qui, à la limite, convergent vers une paire de solutions sectorielles couvrant un voisinage de la singularité confluente. La méthode apporte une description unifiée pour toutes les valeurs du paramètre.

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.

Orthogonal polynomials and recurrence equations, operator equations and factorization

This article surveys the classical orthogonal polynomial systems of the Hahn class, which are solutions of second-order differential, difference or q-difference equations. Orthogonal families satisfy three-term recurrence equations. Example applications of an algorithm to determine whether a three-term recurrence equation has solutions in the Hahn class - implemented in the computer algebra system Maple - are given. Modifications of these families, in particular associated orthogonal systems, satisfy fourth-order operator equations. A factorization of these equations leads to a solution basis.

Elimination in Operator Algebras

A large class of special functions are solutions of systems of linear difference and differential equations with polynomial coefficients. For a given function, these equations considered as operator polynomials generate a left ideal in a noncommutative algebra called Ore algebra. This ideal with finitely many conditions characterizes the function uniquely so that Gröbner basis techniques can be applied. Many problems related to special functions which can be described by such ideals can be solved by performing elimination of appropriate noncommutative variables in these ideals. In this work, we mainly achieve the following: 1. We give an overview of the theoretical algebraic background as well as the algorithmic aspects of different methods using noncommutative Gröbner elimination techniques in Ore algebras in order to solve problems related to special functions. 2. We describe in detail algorithms which are based on Gröbner elimination techniques and perform the creative telescoping method for sums and integrals of special functions. 3. We investigate and compare these algorithms by illustrative examples which are performed by the computer algebra system Maple. This investigation has the objective to test how far noncommutative Gröbner elimination techniques may be efficiently applied to perform creative telescoping.

Operator Theory and Its Applications: In Memory of V. B. Lidskii (1924-2008)

This book is a collection of articles devoted to the theory of linear operators in Hilbert spaces and its applications. The subjects covered range from the abstract theory of Toeplitz operators to the analysis of very specific differential operators arising in quantum mechanics, electromagnetism, and the theory of elasticity; the stability of numerical methods is also discussed. Many of the articles deal with spectral problems for not necessarily selfadjoint operators. Some of the articles are surveys outlining the current state of the subject and presenting open problems.

Vekua theory for the Helmholtz operator

Vekua operators map harmonic functions defined on domain in \mathbb R2R2 to solutions of elliptic partial differential equations on the same domain and vice versa. In this paper, following the original work of I. Vekua (Ilja Vekua (1907–1977), Soviet-Georgian mathematician), we define Vekua operators in the case of the Helmholtz equation in a completely explicit fashion, in any space dimension N ≥ 2. We prove (i) that they actually transform harmonic functions and Helmholtz solutions into each other; (ii) that they are inverse to each other; and (iii) that they are continuous in any Sobolev norm in star-shaped Lipschitz domains. Finally, we define and compute the generalized harmonic polynomials as the Vekua transforms of harmonic polynomials. These results are instrumental in proving approximation estimates for solutions of the Helmholtz equation in spaces of circular, spherical, and plane waves.

Heat kernel smoothing via Laplace-Beltrami eigenfunctions and its application to subcortical structure modeling

We present a new subcortical structure shape modeling framework using heat kernel smoothing constructed with the Laplace-Beltrami eigenfunctions. The cotan discretization is used to numerically obtain the eigenfunctions of the Laplace-Beltrami operator along the surface of subcortical structures of the brain. The eigenfunctions are then used to construct the heat kernel and used in smoothing out measurements noise along the surface. The proposed framework is applied in investigating the influence of age (38-79 years) and gender on amygdala and hippocampus shape. We detected a significant age effect on hippocampus in accordance with the previous studies. In addition, we also detected a significant gender effect on amygdala. Since we did not find any such differences in the traditional volumetric methods, our results demonstrate the benefit of the current framework over traditional volumetric methods.

Femtosecond pulse shaping using differential evolutionary algorithm and wavelet operators

Evolutionary meta-algorithms for pulse shaping of broadband femtosecond duration laser pulses are proposed. The genetic algorithm searching the evolutionary landscape for desired pulse shapes consists of a population of waveforms (genes), each made from two concatenated vectors, specifying phases and magnitudes, respectively, over a range of frequencies. Frequency domain operators such as mutation, two-point crossover average crossover, polynomial phase mutation, creep and three-point smoothing as well as a time-domain crossover are combined to produce fitter offsprings at each iteration step. The algorithm applies roulette wheel selection; elitists and linear fitness scaling to the gene population. A differential evolution (DE) operator that provides a source of directed mutation and new wavelet operators are proposed. Using properly tuned parameters for DE, the meta-algorithm is used to solve a waveform matching problem. Tuning allows either a greedy directed search near the best known solution or a robust search across the entire parameter space.

Spectral theory of some non-selfadjoint linear differential operators

We give a characterisation of the spectral properties of linear differential operators with constant coefficients, acting on functions defined on a bounded interval, and determined by general linear boundary conditions. The boundary conditions may be such that the resulting operator is not selfadjoint. We associate the spectral properties of such an operator $S$ with the properties of the solution of a corresponding boundary value problem for the partial differential equation $\partial_t q \pm iSq=0$. Namely, we are able to establish an explicit correspondence between the properties of the family of eigenfunctions of the operator, and in particular whether this family is a basis, and the existence and properties of the unique solution of the associated boundary value problem. When such a unique solution exists, we consider its representation as a complex contour integral that is obtained using a transform method recently proposed by Fokas and one of the authors. The analyticity properties of the integrand in this representation are crucial for studying the spectral theory of the associated operator.