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.

Interannual and interdecadal oscillations in hydrological variables: Sources and modeling of the persistence in the Elbe River Basin

Wenn man die Existenz von physikalischen Mechanismen ignoriert, die für die Struktur hydrologischer Zeitreihen verantwortlich sind, kann das zu falschen Schlussfolgerungen bzgl. des Vorhandenseins möglicher Gedächtnis (memory) -Effekte, d.h. von Persistenz, führen. Die hier vorgelegte Doktorarbeit spürt der niedrigfrequenten klimatischen Variabilität innerhalb den hydrologischen Zyklus nach und bietet auf dieser "Reise" neue Einsichten in die Transformation der charakteristischen Eigenschaften von Zeitreihen mit einem Langzeitgedächtnis. Diese Studie vereint statistische Methoden der Zeitreihenanalyse mit empirisch-basierten Modelltechniken, um operative Modelle zu entwickeln, die in der Lage sind (1) die Dynamik des Abflusses zu modellieren, (2) sein zukünftiges Verhalten zu prognostizieren und (3) die Abflusszeitreihen an unbeobachteten Stellen abzuschätzen. Als solches präsentiert die hier vorgelegte Dissertation eine ausführliche Untersuchung zu den Ursachen der niedrigfrequenten Variabilität von hydrologischen Zeitreihen im deutschen Teil des Elbe-Einzugsgebietes, den Folgen dieser Variabilität und den physikalisch basierten Reaktionen von Oberflächen- und Grundwassermodellen auf die niedrigfrequenten Niederschlags-Eingangsganglinien. Die Doktorarbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 1 wird als Hintergrundinformation das Hurst Phänomen beschrieben und ein kurzer Rückblick auf diesbezügliche Studien gegeben. Das Kapitel 2 diskutiert den Einfluss der Präsenz von niedrigfrequenten periodischen Zeitreihen auf die Zuverlässigkeit verschiedener Hurst-Parameter-Schätztechniken. Kapitel 3 korreliert die niedrigfrequente Niederschlagsvariabilität mit dem Index der Nord-Atlantischen Ozillations (NAO). Kapitel 4-6 sind auf den deutschen Teil des Elbe-Einzugsgebietes fokussiert. So werden in Kapitel 4 die niedrigfrequenten Variabilitäten der unterschiedlichen hydro-meteorologischen Parameter untersucht und es werden Modelle beschrieben, die die Dynamik dieser Niedrigfrequenzen und deren zukünftiges Verhalten simulieren. Kapitel 5 diskutiert die mögliche Anwendung der Ergebnisse für die charakteristische Skalen und die Verfahren der Analyse der zeitlichen Variabilität auf praktische Fragestellungen im Wasserbau sowie auf die zeitliche Bestimmung des Gebiets-Abflusses an unbeobachteten Stellen. Kapitel 6 verfolgt die Spur der Niedrigfrequenzzyklen im Niederschlag durch die einzelnen Komponenten des hydrologischen Zyklus, nämlich dem Direktabfluss, dem Basisabfluss, der Grundwasserströmung und dem Gebiets-Abfluss durch empirische Modellierung. Die Schlussfolgerungen werden im Kapitel 7 präsentiert. In einem Anhang werden technische Einzelheiten zu den verwendeten statistischen Methoden und die entwickelten Software-Tools beschrieben.

Characterization theorem for classical orthogonal polynomials on non-uniform lattices: The functional approach

Using the functional approach, we state and prove a characterization theorem for classical orthogonal polynomials on non-uniform lattices (quadratic lattices of a discrete or a q-discrete variable) including the Askey-Wilson polynomials. This theorem proves the equivalence between seven characterization properties, namely the Pearson equation for the linear functional, the second-order divided-difference equation, the orthogonality of the derivatives, the Rodrigues formula, two types of structure relations,and the Riccati equation for the formal Stieltjes function.

A new set of orthogonal patterns in weather and climate: Optimally interpolated patterns.

A new spectral-based approach is presented to find orthogonal patterns from gridded weather/climate data. The method is based on optimizing the interpolation error variance. The optimally interpolated patterns (OIP) are then given by the eigenvectors of the interpolation error covariance matrix, obtained using the cross-spectral matrix. The formulation of the approach is presented, and the application to low-dimension stochastic toy models and to various reanalyses datasets is performed. In particular, it is found that the lowest-frequency patterns correspond to largest eigenvalues, that is, variances, of the interpolation error matrix. The approach has been applied to the Northern Hemispheric (NH) and tropical sea level pressure (SLP) and to the Indian Ocean sea surface temperature (SST). Two main OIP patterns are found for the NH SLP representing respectively the North Atlantic Oscillation and the North Pacific pattern. The leading tropical SLP OIP represents the Southern Oscillation. For the Indian Ocean SST, the leading OIP pattern shows a tripole-like structure having one sign over the eastern and north- and southwestern parts and an opposite sign in the remaining parts of the basin. The pattern is also found to have a high lagged correlation with the Niño-3 index with 6-months lag.

Approximation by harmonic polynomials in star-shaped domains and exponential convergence of Trefftz hp-dGFEM

We study the approximation of harmonic functions by means of harmonic polynomials in two-dimensional, bounded, star-shaped domains. Assuming that the functions possess analytic extensions to a delta-neighbourhood of the domain, we prove exponential convergence of the approximation error with respect to the degree of the approximating harmonic polynomial. All the constants appearing in the bounds are explicit and depend only on the shape-regularity of the domain and on delta. We apply the obtained estimates to show exponential convergence with rate O(exp(−b square root N)), N being the number of degrees of freedom and b>0, of a hp-dGFEM discretisation of the Laplace equation based on piecewise harmonic polynomials. This result is an improvement over the classical rate O(exp(−b cubic root N )), and is due to the use of harmonic polynomial spaces, as opposed to complete polynomial spaces.

A METHOD FOR THE STUDY OF ACCRETION DISK EMISSION IN CATACLYSMIC VARIABLES. I. THE MODEL

We have developed a spectrum synthesis method for modeling the ultraviolet (UV) emission from the accretion disk from cataclysmic variables (CVs). The disk is separated into concentric rings, with an internal structure from the Wade & Hubeny disk-atmosphere models. For each ring, a wind atmosphere is calculated in the comoving frame with a vertical velocity structure obtained from a solution of the Euler equation. Using simple assumptions, regarding rotation and the wind streamlines, these one-dimensional models are combined into a single 2.5-dimensional model for which we compute synthetic spectra. We find that the resulting line and continuum behavior as a function of the orbital inclination is consistent with the observations, and verify that the accretion rate affects the wind temperature, leading to corresponding trends in the intensity of UV lines. In general, we also find that the primary mass has a strong effect on the P Cygni absorption profiles, the synthetic emission line profiles are strongly sensitive to the wind temperature structure, and an increase in the mass-loss rate enhances the resonance line intensities. Synthetic spectra were compared with UV data for two high orbital inclination nova-like CVs-RW Tri and V347 Pup. We needed to include disk regions with arbitrary enhanced mass loss to reproduce reasonably well widths and line profiles. This fact and a lack of flux in some high ionization lines may be the signature of the presence of density-enhanced regions in the wind, or alternatively, may result from inadequacies in some of our simplifying assumptions.

Tomographic Simulations of accretion disks in cataclysmic variables - Flickering and wind

Both continuum and emission line flickering are phenomena directly associated with the mass-accretion process. In this work we simulated accretion-disk Doppler maps, including the effects of winds and flickering flares. Synthetic flickering Doppler maps were calculated and the effect of the flickering parameters on the maps was explored. Jets and winds occur in many astrophysical objects where accretion disks are present. Jets are generally absent among the cataclysmic variables (CVs), but there is evidence of mass loss by wind in many objects. CVs are ideal objects to study accretion disks, and consequently to study the wind associated with these disks. We also present simulations of accretion disks, including the presence of a wind with orbital phase resolution. Synthetic Ha line profiles in the optical region were obtained and their corresponding Doppler maps were calculated. The effect of the wind simulation parameters on the wind line profiles was also explored. From this study we verified that optically thick lines and/or emission by diffuse material into the primary Roche lobe are necessary to generate single peaked line profiles, often seen in CVs. The future accounting of these effects is suggested for interpreting Doppler tomography reconstructions.

On the Multiplicity of Orthogonal Geodesics in Riemannian Manifold With Concave Boundary. Applications to Brake Orbits and Homoclinics

Let (M, g) be a complete Riemannian Manifold, Omega subset of M an open subset whose closure is diffeomorphic to an annulus. If partial derivative Omega is smooth and it satisfies a strong concavity assumption, then it is possible to prove that there are at least two geometrically distinct geodesics in (Omega) over bar = Omega boolean OR partial derivative Omega starting orthogonally to one connected component of partial derivative Omega and arriving orthogonally onto the other one. The results given in [6] allow to obtain a proof of the existence of two distinct homoclinic orbits for an autonomous Lagrangian system emanating from a nondegenerate maximum point of the potential energy, and a proof of the existence of two distinct brake orbits for a. class of Hamiltonian systems. Under a further symmetry assumption, it is possible to show the existence of at least dim(M) pairs of geometrically distinct geodesics as above, brake orbits and homoclinics.

Monotonicity and asymptotics of zeros of Sobolev type orthogonal polynomials: A general case

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)