Issue of time in generally covariant theories and the Komar-Bergmann approach to observables in general relativity

Diffeomorphism-induced symmetry transformations and time evolution are distinct operations in generally covariant theories formulated in phase space. Time is not frozen. Diffeomorphism invariants are consequently not necessarily constants of the motion. Time-dependent invariants arise through the choice of an intrinsic time, or equivalently through the imposition of time-dependent gauge fixation conditions. One example of such a time-dependent gauge fixing is the Komar-Bergmann use of Weyl curvature scalars in general relativity. An analogous gauge fixing is also imposed for the relativistic free particle and the resulting complete set time-dependent invariants for this exactly solvable model are displayed. In contrast with the free particle case, we show that gauge invariants that are simultaneously constants of motion cannot exist in general relativity. They vary with intrinsic time.

Nullification of small knots

in the paper we consider the nullification number of small knots with at most 9 crossings. We establish two inequalities (Corollary 2.1) relating the nullification number to other knot invariants and properties of the knot diagram. We show that these inequalities allow us to settle the nullification number for all of the 84 prime knots with at most 9 crossings.

Integral cohomology of finite postnikov towers

Depuis le séminaire H. Cartan de 1954-55, il est bien connu que l'on peut trouver des éléments de torsion arbitrairement grande dans l'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane K(G,n) où G est un groupe abélien non trivial et n>1. L'objectif majeur de ce travail est d'étendre ce résultat à des H-espaces possédant plus d'un groupe d'homotopie non trivial. Dans le but de contrôler précisément le résultat de H. Cartan, on commence par étudier la dualité entre l'homologie et la cohomologie des espaces d'Eilenberg-MacLane 2-locaux de type fini. On parvient ainsi à raffiner quelques résultats qui découlent des calculs de H. Cartan. Le résultat principal de ce travail peut être formulé comme suit. Soit X un H-espace ne possédant que deux groupes d'homotopie non triviaux, tous deux finis et de 2-torsion. Alors X n'admet pas d'exposant pour son groupe gradué d'homologie entière réduite. On construit une large classe d'espaces pour laquelle ce résultat n'est qu'une conséquence d'une caractéristique topologique, à savoir l'existence d'un rétract faible X K(G,n) pour un certain groupe abélien G et n>1. On généralise également notre résultat principal à des espaces plus compliqués en utilisant la suite spectrale d'Eilenberg-Moore ainsi que des méthodes analytiques faisant apparaître les nombres de Betti et leur comportement asymptotique. Finalement, on conjecture que les espaces qui ne possédent qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non triviaux n'admettent pas d'exposant homologique. Ce travail contient par ailleurs la présentation de la « machine d'Eilenberg-MacLane », un programme C++ conçu pour calculer explicitement les groupes d'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane. <br/><br/>By the work of H. Cartan, it is well known that one can find elements of arbitrarilly high torsion in the integral (co)homology groups of an Eilenberg-MacLane space K(G,n), where G is a non-trivial abelian group and n>1. The main goal of this work is to extend this result to H-spaces having more than one non-trivial homotopy groups. In order to have an accurate hold on H. Cartan's result, we start by studying the duality between homology and cohomology of 2-local Eilenberg-MacLane spaces of finite type. This leads us to some improvements of H. Cartan's methods in this particular case. Our main result can be stated as follows. Let X be an H-space with two non-vanishing finite 2-torsion homotopy groups. Then X does not admit any exponent for its reduced integral graded (co)homology group. We construct a wide class of examples for which this result is a simple consequence of a topological feature, namely the existence of a weak retract X K(G,n) for some abelian group G and n>1. We also generalize our main result to more complicated stable two stage Postnikov systems, using the Eilenberg-Moore spectral sequence and analytic methods involving Betti numbers and their asymptotic behaviour. Finally, we investigate some guesses on the non-existence of homology exponents for finite Postnikov towers. We conjecture that Postnikov pieces do not admit any (co)homology exponent. This work also includes the presentation of the "Eilenberg-MacLane machine", a C++ program designed to compute explicitely all integral homology groups of Eilenberg-MacLane spaces. <br/><br/>Il est toujours difficile pour un mathématicien de parler de son travail. La difficulté réside dans le fait que les objets qu'il étudie sont abstraits. On rencontre assez rarement un espace vectoriel, une catégorie abélienne ou une transformée de Laplace au coin de la rue ! Cependant, même si les objets mathématiques sont difficiles à cerner pour un non-mathématicien, les méthodes pour les étudier sont essentiellement les mêmes que celles utilisées dans les autres disciplines scientifiques. On décortique les objets complexes en composantes plus simples à étudier. On dresse la liste des propriétés des objets mathématiques, puis on les classe en formant des familles d'objets partageant un caractère commun. On cherche des façons différentes, mais équivalentes, de formuler un problème. Etc. Mon travail concerne le domaine mathématique de la topologie algébrique. Le but ultime de cette discipline est de parvenir à classifier tous les espaces topologiques en faisant usage de l'algèbre. Cette activité est comparable à celle d'un ornithologue (topologue) qui étudierait les oiseaux (les espaces topologiques) par exemple à l'aide de jumelles (l'algèbre). S'il voit un oiseau de petite taille, arboricole, chanteur et bâtisseur de nids, pourvu de pattes à quatre doigts, dont trois en avant et un, muni d'une forte griffe, en arrière, alors il en déduira à coup sûr que c'est un passereau. Il lui restera encore à déterminer si c'est un moineau, un merle ou un rossignol. Considérons ci-dessous quelques exemples d'espaces topologiques: a) un cube creux, b) une sphère et c) un tore creux (c.-à-d. une chambre à air). a) b) c) Si toute personne normalement constituée perçoit ici trois figures différentes, le topologue, lui, n'en voit que deux ! De son point de vue, le cube et la sphère ne sont pas différents puisque ils sont homéomorphes: on peut transformer l'un en l'autre de façon continue (il suffirait de souffler dans le cube pour obtenir la sphère). Par contre, la sphère et le tore ne sont pas homéomorphes: triturez la sphère de toutes les façons (sans la déchirer), jamais vous n'obtiendrez le tore. Il existe un infinité d'espaces topologiques et, contrairement à ce que l'on serait naïvement tenté de croire, déterminer si deux d'entre eux sont homéomorphes est très difficile en général. Pour essayer de résoudre ce problème, les topologues ont eu l'idée de faire intervenir l'algèbre dans leurs raisonnements. Ce fut la naissance de la théorie de l'homotopie. Il s'agit, suivant une recette bien particulière, d'associer à tout espace topologique une infinité de ce que les algébristes appellent des groupes. Les groupes ainsi obtenus sont appelés groupes d'homotopie de l'espace topologique. Les mathématiciens ont commencé par montrer que deux espaces topologiques qui sont homéomorphes (par exemple le cube et la sphère) ont les même groupes d'homotopie. On parle alors d'invariants (les groupes d'homotopie sont bien invariants relativement à des espaces topologiques qui sont homéomorphes). Par conséquent, deux espaces topologiques qui n'ont pas les mêmes groupes d'homotopie ne peuvent en aucun cas être homéomorphes. C'est là un excellent moyen de classer les espaces topologiques (pensez à l'ornithologue qui observe les pattes des oiseaux pour déterminer s'il a affaire à un passereau ou non). Mon travail porte sur les espaces topologiques qui n'ont qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non nuls. De tels espaces sont appelés des tours de Postnikov finies. On y étudie leurs groupes de cohomologie entière, une autre famille d'invariants, à l'instar des groupes d'homotopie. On mesure d'une certaine manière la taille d'un groupe de cohomologie à l'aide de la notion d'exposant; ainsi, un groupe de cohomologie possédant un exposant est relativement petit. L'un des résultats principaux de ce travail porte sur une étude de la taille des groupes de cohomologie des tours de Postnikov finies. Il s'agit du théorème suivant: un H-espace topologique 1-connexe 2-local et de type fini qui ne possède qu'un ou deux groupes d'homotopie non nuls n'a pas d'exposant pour son groupe gradué de cohomologie entière réduite. S'il fallait interpréter qualitativement ce résultat, on pourrait dire que plus un espace est petit du point de vue de la cohomologie (c.-à-d. s'il possède un exposant cohomologique), plus il est intéressant du point de vue de l'homotopie (c.-à-d. il aura plus de deux groupes d'homotopie non nuls). Il ressort de mon travail que de tels espaces sont très intéressants dans le sens où ils peuvent avoir une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Jean-Pierre Serre, médaillé Fields en 1954, a montré que toutes les sphères de dimension >1 ont une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Des espaces avec un exposant cohomologique aux sphères, il n'y a qu'un pas à franchir...

A game theoretical approach to the algebraic counterpart of the Wagner hierarchy

La hiérarchie de Wagner constitue à ce jour la plus fine classification des langages ω-réguliers. Par ailleurs, l'approche algébrique de la théorie de langages formels montre que ces ensembles ω-réguliers correspondent précisément aux langages reconnaissables par des ω-semigroupes finis pointés. Ce travail s'inscrit dans ce contexte en fournissant une description complète de la contrepartie algébrique de la hiérarchie de Wagner, et ce par le biais de la théorie descriptive des jeux de Wadge. Plus précisément, nous montrons d'abord que le degré de Wagner d'un langage ω-régulier est effectivement un invariant syntaxique. Nous définissons ensuite une relation de réduction entre ω-semigroupes pointés par le biais d'un jeu infini de type Wadge. La collection de ces structures algébriques ordonnée par cette relation apparaît alors comme étant isomorphe à la hiérarchie de Wagner, soit un quasi bon ordre décidable de largeur 2 et de hauteur ω. Nous exposons par la suite une procédure de décidabilité de cette hiérarchie algébrique : on décrit une représentation graphique des ω-semigroupes finis pointés, puis un algorithme sur ces structures graphiques qui calcule le degré de Wagner de n'importe quel élément. Ainsi le degré de Wagner de tout langage ω-régulier peut être calculé de manière effective directement sur son image syntaxique. Nous montrons ensuite comment construire directement et inductivement une structure de n''importe quel degré. Nous terminons par une description détaillée des invariants algébriques qui caractérisent tous les degrés de cette hiérarchie. Abstract The Wagner hierarchy is known so far to be the most refined topological classification of ω-rational languages. Also, the algebraic study of formal languages shows that these ω-rational sets correspond precisely to the languages recognizable by finite pointed ω-semigroups. Within this framework, we provide a construction of the algebraic counterpart of the Wagner hierarchy. We adopt a hierarchical game approach, by translating the Wadge theory from the ω-rational language to the ω-semigroup context. More precisely, we first show that the Wagner degree is indeed a syntactic invariant. We then define a reduction relation on finite pointed ω-semigroups by means of a Wadge-like infinite two-player game. The collection of these algebraic structures ordered by this reduction is then proven to be isomorphic to the Wagner hierarchy, namely a well-founded and decidable partial ordering of width 2 and height $\omega^\omega$. We also describe a decidability procedure of this hierarchy: we introduce a graph representation of finite pointed ω-semigroups allowing to compute their precise Wagner degrees. The Wagner degree of every ω-rational language can therefore be computed directly on its syntactic image. We then show how to build a finite pointed ω-semigroup of any given Wagner degree. We finally describe the algebraic invariants characterizing every Wagner degree of this hierarchy.

Reliable computation of robust response tori on the verge of breakdown

We prove the existence and local uniqueness of invariant tori on the verge of breakdown for two systems: the quasi-periodically driven logistic map and the quasi-periodically forced standard map. These systems exemplify two scenarios: the Heagy-Hammel route for the creation of strange non- chaotic attractors and the nonsmooth bifurcation of saddle invariant tori. Our proofs are computer- assisted and are based on a tailored version of the Newton-Kantorovich theorem. The proofs cannot be performed using classical perturbation theory because the two scenarios are very far from the perturbative regime, and fundamental hypotheses such as reducibility or hyperbolicity either do not hold or are very close to failing. Our proofs are based on a reliable computation of the invariant tori and a careful study of their dynamical properties, leading to the rigorous validation of the numerical results with our novel computational techniques.

Scale-up model obtained from the rheological analysis of highly concentrated emulsions prepared at three scales

We examine the scale invariants in the preparation of highly concentrated w/o emulsions at different scales and in varying conditions. The emulsions are characterized using rheological parameters, owing to their highly elastic behavior. We first construct and validate empirical models to describe the rheological properties. These models yield a reasonable prediction of experimental data. We then build an empirical scale-up model, to predict the preparation and composition conditions that have to be kept constant at each scale to prepare the same emulsion. For this purpose, three preparation scales with geometric similarity are used. The parameter N¿D^α, as a function of the stirring rate N, the scale (D, impeller diameter) and the exponent α (calculated empirically from the regression of all the experiments in the three scales), is defined as the scale invariant that needs to be optimized, once the dispersed phase of the emulsion, the surfactant concentration, and the dispersed phase addition time are set. As far as we know, no other study has obtained a scale invariant factor N¿Dα for the preparation of highly concentrated emulsions prepared at three different scales, which covers all three scales, different addition times and surfactant concentrations. The power law exponent obtained seems to indicate that the scale-up criterion for this system is the power input per unit volume (P/V).

Conformal invariants

This master thesis investigates the moduli of families of curves and the capacities of the Gr¨otzsch and Teichm¨uller rings, which are applied in the main parts of this master thesis. The extremal properties of these rings are discussed in connection with the spherical symmetrization. Applications are given to the study of distortion of quasiconformal maps in the euclidean n-dimensional space.

Hyperbolic type metrics and distortion of quasiconformal map pings

This Ph.D. thesis consists of four original papers. The papers cover several topics from geometric function theory, more specifically, hyperbolic type metrics, conformal invariants, and the distortion properties of quasiconformal mappings. The first paper deals mostly with the quasihyperbolic metric. The main result gives the optimal bilipschitz constant with respect to the quasihyperbolic metric for the M¨obius self-mappings of the unit ball. A quasiinvariance property, sharp in a local sense, of the quasihyperbolic metric under quasiconformal mappings is also proved. The second paper studies some distortion estimates for the class of quasiconformal self-mappings fixing the boundary values of the unit ball or convex domains. The distortion is measured by the hyperbolic metric or hyperbolic type metrics. The results provide explicit, asymptotically sharp inequalities when the maximal dilatation of quasiconformal mappings tends to 1. These explicit estimates involve special functions which have a crucial role in this study. In the third paper, we investigate the notion of the quasihyperbolic volume and find the growth estimates for the quasihyperbolic volume of balls in a domain in terms of the radius. It turns out that in the case of domains with Ahlfors regular boundaries, the rate of growth depends not merely on the radius but also on the metric structure of the boundary. The topic of the fourth paper is complete elliptic integrals and inequalities. We derive some functional inequalities and elementary estimates for these special functions. As applications, some functional inequalities and the growth of the exterior modulus of a rectangle are studied.

Solutions de rang k et invariants de Riemann pour les systèmes de type hydrodynamique multidimensionnels

Dans ce travail, nous adaptons la méthode des symétries conditionnelles afin de construire des solutions exprimées en termes des invariants de Riemann. Dans ce contexte, nous considérons des systèmes non elliptiques quasilinéaires homogènes (de type hydrodynamique) du premier ordre d'équations aux dérivées partielles multidimensionnelles. Nous décrivons en détail les conditions nécessaires et suffisantes pour garantir l'existence locale de ce type de solution. Nous étudions les relations entre la structure des éléments intégraux et la possibilité de construire certaines classes de solutions de rang k. Ces classes de solutions incluent les superpositions non linéaires d'ondes de Riemann ainsi que les solutions multisolitoniques. Nous généralisons cette méthode aux systèmes non homogènes quasilinéaires et non elliptiques du premier ordre. Ces méthodes sont appliquées aux équations de la dynamique des fluides en (3+1) dimensions modélisant le flot d'un fluide isentropique. De nouvelles classes de solutions de rang 2 et 3 sont construites et elles incluent des solutions double- et triple-solitoniques. De nouveaux phénomènes non linéaires et linéaires sont établis pour la superposition des ondes de Riemann. Finalement, nous discutons de certains aspects concernant la construction de solutions de rang 2 pour l'équation de Kadomtsev-Petviashvili sans dispersion.

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.

Invariant discretizations of partial differential equations

Un algorithme permettant de discrétiser les équations aux dérivées partielles (EDP) tout en préservant leurs symétries de Lie est élaboré. Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation de dérivées partielles discrètes se transformant comme les dérivées partielles continues sous l'action de groupes de Lie locaux. Dans les applications, beaucoup d'EDP sont invariantes sous l'action de transformations ponctuelles de Lie de dimension infinie qui font partie de ce que l'on désigne comme des pseudo-groupes de Lie. Afin d'étendre la méthode de discrétisation préservant les symétries à ces équations, une discrétisation des pseudo-groupes est proposée. Cette discrétisation a pour effet de transformer les symétries ponctuelles en symétries généralisées dans l'espace discret. Des schémas invariants sont ensuite créés pour un certain nombre d'EDP. Dans tous les cas, des tests numériques montrent que les schémas invariants approximent mieux leur équivalent continu que les différences finies standard.

On Some Infinite Convex Invariants

The present study on some infinite convex invariants. The origin of convexity can be traced back to the period of Archimedes and Euclid. At the turn of the nineteenth centaury , convexicity became an independent branch of mathematics with its own problems, methods and theories. The convexity can be sorted out into two kinds, the first type deals with generalization of particular problems such as separation of convex sets[EL], extremality[FA], [DAV] or continuous selection Michael[M1] and the second type involved with a multi- purpose system of axioms. The theory of convex invariants has grown out of the classical results of Helly, Radon and Caratheodory in Euclidean spaces. Levi gave the first general definition of the invariants Helly number and Radon number. The notation of a convex structure was introduced by Jamison[JA4] and that of generating degree was introduced by Van de Vel[VAD8]. We also prove that for a non-coarse convex structure, rank is less than or equal to the generating degree, and also generalize Tverberg’s theorem using infinite partition numbers. Compare the transfinite topological and transfinite convex dimensions

A study of hydrodynamic turbulence using laser transmission

Using laser transmission, the characteristics of hydrodynamic turbulence is studied following one of the recently developed technique in nonlinear dynamics. The existence of deterministic chaos in turbulence is proved by evaluating two invariants viz. dimension of attractor and Kolmogorov entropy. The behaviour of these invariants indicates that above a certain strength of turbulence the system tends to more ordered states.

Automated synthesis of delay-reduced Reed-Muller universal logic module networks

This paper presents a new approach to implement Reed-Muller Universal Logic Module (RM-ULM) networks with reduced delay and hardware for synthesizing logic functions given in Reed-Muller (RM) form. Replication of single control line RM-ULM is used as the only design unit for defining any logic function. An algorithm is proposed that does exhaustive branching to reduce the number of levels and modules required to implement any logic function in RM form. This approach attains a reduction in delay, and power over other implementations of functions having large number of variables.

Quadrupole moments of radium isotopes from the 7p^2P_3/2 hyperfine structure in Ra II

The hyperfine structure and isotope shift of ^{221- 226}Ra and ^{212, 214}Ra have been measured in the ionic (Ra 11) transition 7s^2 S_{1/2} - 7p ^2 P_{3/2} (\lamda = 381.4 nm). The method of on-line collinear fast-beam laser spectroscopy has been applied using frequency-doubling of cw dye laser radiation in an external ring cavity. The magnetic hyperfine fields are compared with semi-empirical and ab initio calculations. The analysis of the quadrupole splitting by the same method yields the following, improved values of spectroscopic quadrupole moments: Q_s(^221 Ra)= 1.978(7)b, Q_s (^223 Ra)= 1.254(3)b and the reanalyzed values Q_s(^209 Ra) = 0.40(2)b, Q_s(^211 Ra) = 0.48(2)b, Q_s(^227 Ra)= 1.58(3)b, Q_s (^229 Ra) = 3.09(4)b with an additional scaling uncertainty of ±5%. Furthermore, the J-dependence of the isotope shift is analyzed in both Ra II transitions connecting the 7s^2 S_{1/2} ground state with the first excited doublet 7p^ P_{1/2} and 7p^ P_{3/2}.