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.

Partitions spectrales optimales pour les problèmes aux valeurs propres de Dirichlet et de Neumann

Les façons d'aborder l'étude du spectre du laplacien sont multiples. Ce mémoire se concentre sur les partitions spectrales optimales de domaines planaires. Plus précisément, lorsque nous imposons des conditions aux limites de Dirichlet, nous cherchons à trouver la ou les partitions qui réalisent l'infimum (sur l'ensemble des partitions à un certain nombre de composantes) du maximum de la première valeur propre du laplacien sur tous ses sous-domaines. Dans les dernières années, cette question a été activement étudiée par B. Helffer, T. Hoffmann-Ostenhof, S. Terracini et leurs collaborateurs, qui ont obtenu plusieurs résultats analytiques et numériques importants. Dans ce mémoire, nous proposons un problème analogue, mais pour des conditions aux limites de Neumann cette fois. Dans ce contexte, nous nous intéressons aux partitions spectrales maximales plutôt que minimales. Nous cherchons alors à vérifier le maximum sur toutes les $k$-partitions possibles du minimum de la première valeur propre non nulle de chacune des composantes. Cette question s'avère plus difficile que sa semblable dans la mesure où plusieurs propriétés des valeurs propres de Dirichlet, telles que la monotonicité par rapport au domaine, ne tiennent plus. Néanmoins, quelques résultats sont obtenus pour des 2-partitions de domaines symétriques et des partitions spécifiques sont trouvées analytiquement pour des domaines rectangulaires. En outre, des propriétés générales des partitions spectrales optimales et des problèmes ouverts sont abordés.

Croissance et ensemble nodal de fonctions propres du laplacien sur des surfaces

Dans cette thèse, nous étudions les fonctions propres de l'opérateur de Laplace-Beltrami - ou simplement laplacien - sur une surface fermée, c'est-à-dire une variété riemannienne lisse, compacte et sans bord de dimension 2. Ces fonctions propres satisfont l'équation $\Delta_g \phi_\lambda + \lambda \phi_\lambda = 0$ et les valeurs propres forment une suite infinie. L'ensemble nodal d'une fonction propre du laplacien est celui de ses zéros et est d'intérêt depuis les expériences de plaques vibrantes de Chladni qui remontent au début du 19ème siècle et, plus récemment, dans le contexte de la mécanique quantique. La taille de cet ensemble nodal a été largement étudiée ces dernières années, notamment par Donnelly et Fefferman, Colding et Minicozzi, Hezari et Sogge, Mangoubi ainsi que Sogge et Zelditch. L'étude de la croissance de fonctions propres n'est pas en reste, avec entre autres les récents travaux de Donnelly et Fefferman, Sogge, Toth et Zelditch, pour ne nommer que ceux-là. Notre thèse s'inscrit dans la foulée du travail de Nazarov, Polterovich et Sodin et relie les propriétés de croissance des fonctions propres avec la taille de leur ensemble nodal dans l'asymptotique $\lambda \nearrow \infty$. Pour ce faire, nous considérons d'abord les exposants de croissance, qui mesurent la croissance locale de fonctions propres et qui sont obtenus à partir de la norme uniforme de celles-ci. Nous construisons ensuite la croissance locale moyenne d'une fonction propre en calculant la moyenne sur toute la surface de ces exposants de croissance, définis sur de petits disques de rayon comparable à la longueur d'onde. Nous montrons alors que la taille de l'ensemble nodal est contrôlée par le produit de cette croissance locale moyenne et de la fréquence $\sqrt{\lambda}$. Ce résultat permet une reformulation centrée sur les fonctions propres de la célèbre conjecture de Yau, qui prévoit que la mesure de l'ensemble nodal croît au rythme de la fréquence. Notre travail renforce également l'intuition répandue selon laquelle une fonction propre se comporte comme un polynôme de degré $\sqrt{\lambda}$. Nous généralisons ensuite nos résultats pour des exposants de croissance construits à partir de normes $L^q$. Nous sommes également amenés à étudier les fonctions appartenant au noyau d'opérateurs de Schrödinger avec petit potentiel dans le plan. Pour de telles fonctions, nous obtenons deux résultats qui relient croissance et taille de l'ensemble nodal.

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.

Semiautomated 3D liver segmentation using computed tomography and magnetic resonance imaging

Le foie est un organe vital ayant une capacité de régénération exceptionnelle et un rôle crucial dans le fonctionnement de l’organisme. L’évaluation du volume du foie est un outil important pouvant être utilisé comme marqueur biologique de sévérité de maladies hépatiques. La volumétrie du foie est indiquée avant les hépatectomies majeures, l’embolisation de la veine porte et la transplantation. La méthode la plus répandue sur la base d'examens de tomodensitométrie (TDM) et d'imagerie par résonance magnétique (IRM) consiste à délimiter le contour du foie sur plusieurs coupes consécutives, un processus appelé la «segmentation». Nous présentons la conception et la stratégie de validation pour une méthode de segmentation semi-automatisée développée à notre institution. Notre méthode représente une approche basée sur un modèle utilisant l’interpolation variationnelle de forme ainsi que l’optimisation de maillages de Laplace. La méthode a été conçue afin d’être compatible avec la TDM ainsi que l' IRM. Nous avons évalué la répétabilité, la fiabilité ainsi que l’efficacité de notre méthode semi-automatisée de segmentation avec deux études transversales conçues rétrospectivement. Les résultats de nos études de validation suggèrent que la méthode de segmentation confère une fiabilité et répétabilité comparables à la segmentation manuelle. De plus, cette méthode diminue de façon significative le temps d’interaction, la rendant ainsi adaptée à la pratique clinique courante. D’autres études pourraient incorporer la volumétrie afin de déterminer des marqueurs biologiques de maladie hépatique basés sur le volume tels que la présence de stéatose, de fer, ou encore la mesure de fibrose par unité de volume.

Enhancement of Calcifications in Mammograms using Volterra Series based Quadratic Filter

The paper summarizes the design and implementation of a quadratic edge detection filter, based on Volterra series, for enhancing calcifications in mammograms. The proposed filter can account for much of the polynomial nonlinearities inherent in the input mammogram image and can replace the conventional edge detectors like Laplacian, gaussian etc. The filter gives rise to improved visualization and early detection of microcalcifications, which if left undetected, can lead to breast cancer. The performance of the filter is analyzed and found superior to conventional spatial edge detectors

Evaluation of sets of oriented and non-oriented receptive fields as local descriptors

Local descriptors are increasingly used for the task of object recognition because of their perceived robustness with respect to occlusions and to global geometrical deformations. We propose a performance criterion for a local descriptor based on the tradeoff between selectivity and invariance. In this paper, we evaluate several local descriptors with respect to selectivity and invariance. The descriptors that we evaluated are Gaussian derivatives up to the third order, gray image patches, and Laplacian-based descriptors with either three scales or one scale filters. We compare selectivity and invariance to several affine changes such as rotation, scale, brightness, and viewpoint. Comparisons have been made keeping the dimensionality of the descriptors roughly constant. The overall results indicate a good performance by the descriptor based on a set of oriented Gaussian filters. It is interesting that oriented receptive fields similar to the Gaussian derivatives as well as receptive fields similar to the Laplacian are found in primate visual cortex.

The mapping of the local contributions of Fermi and Coulomb correlation into intracule and extracule density distributions

The contributions of the correlated and uncorrelated components of the electron-pair density to atomic and molecular intracule I(r) and extracule E(R) densities and its Laplacian functions ∇2I(r) and ∇2E(R) are analyzed at the Hartree-Fock (HF) and configuration interaction (CI) levels of theory. The topologies of the uncorrelated components of these functions can be rationalized in terms of the corresponding one-electron densities. In contrast, by analyzing the correlated components of I(r) and E(R), namely, IC(r) and EC(R), the effect of electron Fermi and Coulomb correlation can be assessed at the HF and CI levels of theory. Moreover, the contribution of Coulomb correlation can be isolated by means of difference maps between IC(r) and EC(R) distributions calculated at the two levels of theory. As application examples, the He, Ne, and Ar atomic series, the C2-2, N2, O2+2 molecular series, and the C2H4 molecule have been investigated. For these atoms and molecules, it is found that Fermi correlation accounts for the main characteristics of IC(r) and EC(R), with Coulomb correlation increasing slightly the locality of these functions at the CI level of theory. Furthermore, IC(r), EC(R), and the associated Laplacian functions, reveal the short-ranged nature and high isotropy of Fermi and Coulomb correlation in atoms and molecules

Detection of neural correlates of self-paced motor activity using empirical mode decomposition phase locking analysis

Transient episodes of synchronisation of neuronal activity in particular frequency ranges are thought to underlie cognition. Empirical mode decomposition phase locking (EMDPL) analysis is a method for determining the frequency and timing of phase synchrony that is adaptive to intrinsic oscillations within data, alleviating the need for arbitrary bandpass filter cut-off selection. It is extended here to address the choice of reference electrode and removal of spurious synchrony resulting from volume conduction. Spline Laplacian transformation and independent component analysis (ICA) are performed as pre-processing steps, and preservation of phase synchrony between synthetic signals. combined using a simple forward model, is demonstrated. The method is contrasted with use of bandpass filtering following the same preprocessing steps, and filter cut-offs are shown to influence synchrony detection markedly. Furthermore, an approach to the assessment of multiple EEG trials using the method is introduced, and the assessment of statistical significance of phase locking episodes is extended to render it adaptive to local phase synchrony levels. EMDPL is validated in the analysis of real EEG data, during finger tapping. The time course of event-related (de)synchronisation (ERD/ERS) is shown to differ from that of longer range phase locking episodes, implying different roles for these different types of synchronisation. It is suggested that the increase in phase locking which occurs just prior to movement, coinciding with a reduction in power (or ERD) may result from selection of the neural assembly relevant to the particular movement. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

On the principal eigenvalue of a Robin problem with a large parameter

We study the asymptotic behaviour of the principal eigenvalue of a Robin (or generalised Neumann) problem with a large parameter in the boundary condition for the Laplacian in a piecewise smooth domain. We show that the leading asymptotic term depends only on the singularities of the boundary of the domain, and give either explicit expressions or two-sided estimates for this term in a variety of situations.

Integration of a 3D Variational data assimilation scheme with a coastal area morphodynamic model of Morecambe Bay

This paper describes the implementation of a 3D variational (3D-Var) data assimilation scheme for a morphodynamic model applied to Morecambe Bay, UK. A simple decoupled hydrodynamic and sediment transport model is combined with a data assimilation scheme to investigate the ability of such methods to improve the accuracy of the predicted bathymetry. The inverse forecast error covariance matrix is modelled using a Laplacian approximation which is calibrated for the length scale parameter required. Calibration is also performed for the Soulsby-van Rijn sediment transport equations. The data used for assimilation purposes comprises waterlines derived from SAR imagery covering the entire period of the model run, and swath bathymetry data collected by a ship-borne survey for one date towards the end of the model run. A LiDAR survey of the entire bay carried out in November 2005 is used for validation purposes. The comparison of the predictive ability of the model alone with the model-forecast-assimilation system demonstrates that using data assimilation significantly improves the forecast skill. An investigation of the assimilation of the swath bathymetry as well as the waterlines demonstrates that the overall improvement is initially large, but decreases over time as the bathymetry evolves away from that observed by the survey. The result of combining the calibration runs into a pseudo-ensemble provides a higher skill score than for a single optimized model run. A brief comparison of the Optimal Interpolation assimilation method with the 3D-Var method shows that the two schemes give similar results.

Building a tropical-extratropical cloud band metbot

An automated cloud band identification procedure is developed that captures the meteorology of such events over southern Africa. This “metbot” is built upon a connected component labelling method that enables blob detection in various atmospheric fields. Outgoing longwave radiation is used to flag candidate cloud band days by thresholding the data and requiring detected blobs to have sufficient latitudinal extent and exhibit positive tilt. The Laplacian operator is used on gridded reanalysis variables to highlight other features of meteorological interest. The ability of this methodology to capture the significant meteorology and rainfall of these synoptic systems is tested in a case study. Usefulness of the metbot in understanding event to event similarities of meteorological features is demonstrated, highlighting features previous studies have noted as key ingredients to cloud band development in the region. Moreover, this allows the presentation of a composite cloud band life cycle for southern Africa events. The potential of metbot to study multiscale interactions is discussed, emphasising its key strength: the ability to retain details of extreme and infrequent events. It automatically builds a database that is ideal for research questions focused on the influence of intraseasonal to interannual variability processes on synoptic events. Application of the method to convergence zone studies and atmospheric river descriptions is suggested. In conclusion, a relation-building metbot can retain details that are often lost with object-based methods but are crucial in case studies. Capturing and summarising these details may be necessary to develop deeper process-level understanding of multiscale interactions.

Mediterranean cyclones and windstorms in a changing climate

Changes in the frequency and intensity of cyclones and associated windstorms affecting the Medi-terranean region simulated under enhanced Greenhouse Gas forcing conditions are investigated. The analysis is based on 7 climate model integrations performed with two coupled global models (ECHAM5 MPIOM and INGV CMCC), comparing the end of the twentieth century and at least the first half of the twenty-first century. As one of the models has a considerably enhanced resolution of the atmosphere and the ocean, it is also investigated whether the climate change signals are influenced by the model resolution. While the higher resolved simulation is closer to reanalysis climatology, both in terms of cyclones and windstorm distributions, there is no evidence for an influence of the resolution on the sign of the climate change signal. All model simulations show a reduction in the total number of cyclones crossing the Mediterranean region under climate change conditions. Exceptions are Morocco and the Levant region, where the models predict an increase in the number of cyclones. The reduction is especially strong for intense cyclones in terms of their Laplacian of pressure. The influence of the simulated positive shift in the NAO Index on the cyclone decrease is restricted to the Western Mediterranean region, where it explains 10–50 % of the simulated trend, depending on the individual simulation. With respect to windstorms, decreases are simulated over most of the Mediterranean basin. This overall reduction is due to a decrease in the number of events associated with local cyclones, while the number of events associated with cyclones outside of the Mediterranean region slightly increases. These systems are, however, less intense in terms of their integrated severity over the Mediterranean area, as they mostly affect the fringes of the region. In spite of the general reduction in total numbers, several cyclones and windstorms of intensity unknown under current climate conditions are identified for the scenario simulations. For these events, no common trend exists in the individual simulations. Thus, they may rather be attributed to long-term (e.g. decadal) variability than to the Greenhouse Gas forcing. Nevertheless, the result indicates that high-impact weather systems will remain an important risk in the Mediterranean Basin.

Is the Helmholtz equation really sign-indefinite?

The usual variational (or weak) formulations of the Helmholtz equation are sign-indefinite in the sense that the bilinear forms cannot be bounded below by a positive multiple of the appropriate norm squared. This is often for a good reason, since in bounded domains under certain boundary conditions the solution of the Helmholtz equation is not unique at wavenumbers that correspond to eigenvalues of the Laplacian, and thus the variational problem cannot be sign-definite. However, even in cases where the solution is unique for all wavenumbers, the standard variational formulations of the Helmholtz equation are still indefinite when the wavenumber is large. This indefiniteness has implications for both the analysis and the practical implementation of finite element methods. In this paper we introduce new sign-definite (also called coercive or elliptic) formulations of the Helmholtz equation posed in either the interior of a star-shaped domain with impedance boundary conditions, or the exterior of a star-shaped domain with Dirichlet boundary conditions. Like the standard variational formulations, these new formulations arise just by multiplying the Helmholtz equation by particular test functions and integrating by parts.

The Brownian traveller on manifolds

We study the inuence of the intrinsic curvature on the large time behaviour of the heat equation in a tubular neighbourhood of an unbounded geodesic in a two-dimensional Riemannian manifold. Since we consider killing boundary conditions, there is always an exponential-type decay for the heat semigroup. We show that this exponential-type decay is slower for positively curved manifolds comparing to the at case. As the main result, we establish a sharp extra polynomial-type decay for the heat semigroup on negatively curved manifolds comparing to the at case. The proof employs the existence of Hardy-type inequalities for the Dirichlet Laplacian in the tubular neighbourhoods on negatively curved manifolds and the method of self-similar variables and weighted Sobolev spaces for the heat equation.