Construction of Hamiltonian-Minimal Lagrangian submanifolds in Complex Euclidean Space

We describe several families of Lagrangian submanifolds in complex Euclidean space which are H-minimal, i.e. critical points of the volume functional restricted to Hamiltonian variations. We make use of various constructions involving planar, spherical and hyperbolic curves, as well as Legendrian submanifolds of the odd-dimensional unit sphere.

Minimal Lagrangian surfaces in the tangent bundle of a Riemannian surface

Given an oriented Riemannian surface (Sigma, g), its tangent bundle T Sigma enjoys a natural pseudo-Kahler structure, that is the combination of a complex structure 2, a pseudo-metric G with neutral signature and a symplectic structure Omega. We give a local classification of those surfaces of T Sigma which are both Lagrangian with respect to Omega and minimal with respect to G. We first show that if g is non-flat, the only such surfaces are affine normal bundles over geodesics. In the flat case there is, in contrast, a large set of Lagrangian minimal surfaces, which is described explicitly. As an application, we show that motions of surfaces in R(3) or R(1)(3) induce Hamiltonian motions of their normal congruences, which are Lagrangian surfaces in TS(2) or TH(2) respectively. We relate the area of the congruence to a second-order functional F = f root H(2) - K dA on the original surface. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Exact Lagrangian cobordism and pseudo-isotopy

Dans cette thèse, on étudie les propriétés des sous-variétés lagrangiennes dans une variété symplectique en utilisant la relation de cobordisme lagrangien. Plus précisément, on s'intéresse à déterminer les conditions pour lesquelles les cobordismes lagrangiens élémentaires sont en fait triviaux. En utilisant des techniques de l'homologie de Floer et le théorème du s-cobordisme on démontre que, sous certaines hypothèses topologiques, un cobordisme lagrangien exact est une pseudo-isotopie lagrangienne. Ce resultat est une forme faible d'une conjecture due à Biran et Cornea qui stipule qu'un cobordisme lagrangien exact est hamiltonien isotope à une suspension lagrangianenne.

Éclatement et contraction lagrangiens et applications

Soit (M, ω) une variété symplectique. Nous construisons une version de l’éclatement et de la contraction symplectique, que nous définissons relative à une sous-variété lagrangienne L ⊂ M. En outre, si M admet une involution anti-symplectique ϕ, et que nous éclatons une configuration suffisament symmetrique des plongements de boules, nous démontrons qu’il existe aussi une involution anti-symplectique sur l’éclatement ~M. Nous dérivons ensuite une condition homologique pour les surfaces lagrangiennes réeles L = Fix(ϕ), qui détermine quand la topologie de L change losqu’on contracte une courbe exceptionnelle C dans M. Finalement, on utilise ces constructions afin d’étudier le packing relatif dans (ℂP²,ℝP²).

Structures quantiques de certaines sous-variétés lagrangiennes non-monotones

Soit (M,ω) un variété symplectique fermée et connexe.On considère des sous-variétés lagrangiennes α : L → (M,ω). Si α est monotone, c.- à-d. s’il existe η > 0 tel que ημ = ω, Paul Biran et Octav Conea ont défini une version relative de l’homologie quantique. Dans ce contexte ils ont déformé l’opérateur de bord du complexe de Morse ainsi que le produit d’intersection à l’aide de disques pseudo-holomorphes. On note (QH(L), ∗), l’homologie quantique de L munie du produit quantique. Le principal objectif de cette dissertation est de généraliser leur construction à un classe plus large d’espaces. Plus précisément on considère soit des sous-variétés presque monotone, c.-à-d. α est C1-proche d’un plongement lagrangian monotone ; soit les fibres toriques de variétés toriques Fano. Dans ces cas non nécessairement monotones, QH(L) va dépendre de certains choix, mais cela sera irrelevant pour les applications présentées ici. Dans le cas presque monotone, on s’intéresse principalement à des questions de déplaçabilité, d’uniréglage et d’estimation d’énergie de difféomorphismes hamiltoniens. Enfin nous terminons par une application combinant les deux approches, concernant la dynamique d’un hamiltonien déplaçant toutes les fibres toriques non-monotones dans CPn.

Quelques propriétés des sous-variétés lagrangiennes monotones : Rayon de Gromov et morphisme de Seidel

Cette thèse présente quelques propriétés des sous-variétés lagrangiennes monotones. On résoud d'abord une conjecture de Barraud et Cornea dans le cadre monotone en montrant que le rayon de Gromov relatif à deux lagrangiennes dans la même classe d'isotopie hamiltonienne donne une borne inférieure à la distance de Hofer entre ces deux mêmes lagrangiennes. Le cas non-monotone de cette conjecture reste ouvert encore. On définit toutes les structures nécessaires à l'énoncé et à la preuve de cette conjecture. Deuxièmement, on définit une nouvelle version d'un morphisme de Seidel relatif à l'aide des cobordismes lagrangiens de Biran et Cornea. On montre que cette version est chaîne-homotope aux différentes autres versions apparaissant dans la littérature. Que toutes ces définitions sont équivalentes fait partie du folklore mais n'apparaît pas dans la littérature. On conclut par une conjecture qui identifie un triangle exact obtenu par chirurgie lagrangienne et un autre dû à Seidel et faisant intervenir le twist de Dehn symplectique.

Source spaces and perturbations for cluster complexes

Dans ce travail, nous définissons des objets composés de disques complexes marqués reliés entre eux par des segments de droite munis d’une longueur. Nous construisons deux séries d’espaces de module de ces objets appelés clus- ters, une qui sera dite non symétrique, la version ⊗, et l’autre qui est dite symétrique, la version •. Cette construction permet des choix de perturba- tions pour deux versions correspondantes des trajectoires de Floer introduites par Cornea et Lalonde ([CL]). Ces choix devraient fournir une nouvelle option pour la description géométrique des structures A∞ et L∞ obstruées étudiées par Fukaya, Oh, Ohta et Ono ([FOOO2],[FOOO]) et Cho ([Cho]). Dans le cas où L ⊂ (M, ω) est une sous-variété lagrangienne Pin± mono- tone avec nombre de Maslov ≥ 2, nous définissons une structure d’algèbre A∞ sur les points critiques d’une fonction de Morse générique sur L. Cette struc- ture est présentée comme une extension du complexe des perles de Oh ([Oh]) muni de son produit quantique, plus récemment étudié par Biran et Cornea ([BC]). Plus généralement, nous décrivons une version géométrique d’une catégorie de Fukaya avec seul objet L qui se veut alternative à la description (relative) hamiltonienne de Seidel ([Sei]). Nous vérifions la fonctorialité de notre construction en définissant des espaces de module de clusters occultés qui servent d’espaces sources pour des morphismes de comparaison.

Cobordismes lagrangiens et uniréglage

Ce mémoire traite de la question suivante: est-ce que les cobordismes lagrangiens préservent l'uniréglage? Dans les deux premiers chapitres, on présente en survol la théorie des courbes pseudo-holomorphes nécessaire. On examine d'abord en détail la preuve que les espaces de courbes $ J $-holomorphes simples est une variété de dimension finie. On présente ensuite les résultats nécessaires à la compactification de ces espaces pour arriver à la définition des invariants de Gromov-Witten. Le troisième chapitre traite ensuite de quelques résultats sur la propriété d'uniréglage, ce qu'elle entraine et comment elle peut être démontrée. Le quatrième chapitre est consacré à la définition et la description de l'homologie quantique, en particulier celle des cobordismes lagrangiens, ainsi que sa structure d'anneau et de module qui sont finalement utilisées dans le dernier chapitre pour présenter quelques cas ou la conjecture tient.

Resolvent and Scattering Matrix at the Maximum of the Potential

2000 Mathematics Subject Classification: 35P25, 81U20, 35S30, 47A10, 35B38.

Structured minimal-memory inexact quasi-Newton method and secant preconditioners for augmented Lagrangian optimization

Augmented Lagrangian methods for large-scale optimization usually require efficient algorithms for minimization with box constraints. On the other hand, active-set box-constraint methods employ unconstrained optimization algorithms for minimization inside the faces of the box. Several approaches may be employed for computing internal search directions in the large-scale case. In this paper a minimal-memory quasi-Newton approach with secant preconditioners is proposed, taking into account the structure of Augmented Lagrangians that come from the popular Powell-Hestenes-Rockafellar scheme. A combined algorithm, that uses the quasi-Newton formula or a truncated-Newton procedure, depending on the presence of active constraints in the penalty-Lagrangian function, is also suggested. Numerical experiments using the Cute collection are presented.

Controlled drift: an investigation into the controllability of underwater vehicles with minimal actuation

This paper is directed towards providing an answer to the question, ”Can you control the trajectory of a Lagrangian float?” Being a float that has minimal actuation (only buoyancy control), their horizontal trajectory is dictated through drifting with ocean currents. However, with the appropriate vertical actuation and utilising spatio-temporal variations in water speed and direction, we show here that broad controllabilty results can be met such as waypoint following to keep a float inside of a bay or out of a designated region. This paper extends theory experimen- tally evaluted on horizontally actuated Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) for trajectory control utilising ocean forecast models and presents an initial investi- gation into the controllability of these minimally actuated drifting AUVs. Simulated results for offshore coastal and within highly dynamic tidal bays illustrate two tech- niques with the promise for an affirmative answer to the posed question above.

Fast Geodesic Active Fields for Image Registration Based on Splitting and Augmented Lagrangian Approaches.

In this paper, we present an efficient numerical scheme for the recently introduced geodesic active fields (GAF) framework for geometric image registration. This framework considers the registration task as a weighted minimal surface problem. Hence, the data-term and the regularization-term are combined through multiplication in a single, parametrization invariant and geometric cost functional. The multiplicative coupling provides an intrinsic, spatially varying and data-dependent tuning of the regularization strength, and the parametrization invariance allows working with images of nonflat geometry, generally defined on any smoothly parametrizable manifold. The resulting energy-minimizing flow, however, has poor numerical properties. Here, we provide an efficient numerical scheme that uses a splitting approach; data and regularity terms are optimized over two distinct deformation fields that are constrained to be equal via an augmented Lagrangian approach. Our approach is more flexible than standard Gaussian regularization, since one can interpolate freely between isotropic Gaussian and anisotropic TV-like smoothing. In this paper, we compare the geodesic active fields method with the popular Demons method and three more recent state-of-the-art algorithms: NL-optical flow, MRF image registration, and landmark-enhanced large displacement optical flow. Thus, we can show the advantages of the proposed FastGAF method. It compares favorably against Demons, both in terms of registration speed and quality. Over the range of example applications, it also consistently produces results not far from more dedicated state-of-the-art methods, illustrating the flexibility of the proposed framework.

Aircraft routing with minimal climate impact: the REACT4C climate cost function modelling approach (V1.0)

In addition to CO2, the climate impact of aviation is strongly influenced by non-CO2 emissions, such as nitrogen oxides, influencing ozone and methane, and water vapour, which can lead to the formation of persistent contrails in ice-supersaturated regions. Because these non-CO2 emission effects are characterised by a short lifetime, their climate impact largely depends on emission location and time; that is to say, emissions in certain locations (or times) can lead to a greater climate impact (even on the global average) than the same emission in other locations (or times). Avoiding these climate-sensitive regions might thus be beneficial to climate. Here, we describe a modelling chain for investigating this climate impact mitigation option. This modelling chain forms a multi-step modelling approach, starting with the simulation of the fate of emissions released at a certain location and time (time-region grid points). This is performed with the chemistry–climate model EMAC, extended via the two submodels AIRTRAC (V1.0) and CONTRAIL (V1.0), which describe the contribution of emissions to the composition of the atmosphere and to contrail formation, respectively. The impact of emissions from the large number of time-region grid points is efficiently calculated by applying a Lagrangian scheme. EMAC also includes the calculation of radiative impacts, which are, in a second step, the input to climate metric formulas describing the global climate impact of the emission at each time-region grid point. The result of the modelling chain comprises a four-dimensional data set in space and time, which we call climate cost functions and which describes the global climate impact of an emission at each grid point and each point in time. In a third step, these climate cost functions are used in an air traffic simulator (SAAM) coupled to an emission tool (AEM) to optimise aircraft trajectories for the North Atlantic region. Here, we describe the details of this new modelling approach and show some example results. A number of sensitivity analyses are performed to motivate the settings of individual parameters. A stepwise sanity check of the results of the modelling chain is undertaken to demonstrate the plausibility of the climate cost functions.