Caractère intrinsèque des matrices de Stokes

Il est connu qu’une équation différentielle linéaire, x^(k+1)Y' = A(x)Y, au voisinage d’un point singulier irrégulier non-résonant est uniquement déterminée (à isomorphisme analytique près) par : (1) sa forme normale formelle, (2) sa collection de matrices de Stokes. La définition des matrices de Stokes fait appel à un ordre sur les parties réelles des valeurs propres du système, ordre qui peut être perturbé par une rotation en x. Dans ce mémoire, nous avons établi le caractère intrinsèque de cette relation : nous avons donc établi comment la nouvelle collection de matrices de Stokes obtenue après une rotation en x qui change l’ordre des parties réelles des valeurs propres dépend de la collection initiale. Pour ce faire, nous donnons un chapitre de préliminaires généraux sur la forme normale des équations différentielles ordinaires puis un chapitre sur le phénomène de Stokes pour les équations différentielles linéaires. Le troisième chapitre contient nos résultats.

Classification analytique de systèmes différentiels linéaires déployant une singularité irrégulière de rang de Poincaré 1

Cette thèse traite de la classification analytique du déploiement de systèmes différentiels linéaires ayant une singularité irrégulière. Elle est composée de deux articles sur le sujet: le premier présente des résultats obtenus lors de l'étude de la confluence de l'équation hypergéométrique et peut être considéré comme un cas particulier du second; le deuxième contient les théorèmes et résultats principaux. Dans les deux articles, nous considérons la confluence de deux points singuliers réguliers en un point singulier irrégulier et nous étudions les conséquences de la divergence des solutions au point singulier irrégulier sur le comportement des solutions du système déployé. Pour ce faire, nous recouvrons un voisinage de l'origine (de manière ramifiée) dans l'espace du paramètre de déploiement $\epsilon$. La monodromie d'une base de solutions bien choisie est directement reliée aux matrices de Stokes déployées. Ces dernières donnent une interprétation géométrique aux matrices de Stokes, incluant le lien (existant au moins pour les cas génériques) entre la divergence des solutions à $\epsilon=0$ et la présence de solutions logarithmiques autour des points singuliers réguliers lors de la résonance. La monodromie d'intégrales premières de systèmes de Riccati correspondants est aussi interprétée en fonction des éléments des matrices de Stokes déployées. De plus, dans le second article, nous donnons le système complet d'invariants analytiques pour le déploiement de systèmes différentiels linéaires $x^2y'=A(x)y$ ayant une singularité irrégulière de rang de Poincaré $1$ à l'origine au-dessus d'un voisinage fixé $\mathbb{D}_r$ dans la variable $x$. Ce système est constitué d'une partie formelle, donnée par des polynômes, et d'une partie analytique, donnée par une classe d'équivalence de matrices de Stokes déployées. Pour chaque valeur du paramètre $\epsilon$ dans un secteur pointé à l'origine d'ouverture plus grande que $2\pi$, nous recouvrons l'espace de la variable, $\mathbb{D}_r$, avec deux secteurs et, au-dessus de chacun, nous choisissons une base de solutions du système déployé. Cette base sert à définir les matrices de Stokes déployées. Finalement, nous prouvons un théorème de réalisation des invariants qui satisfont une condition nécessaire et suffisante, identifiant ainsi l'ensemble des modules.

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.

Accurate series solutions for gravity-driven Stokes waves

In the past, high order series expansion techniques have been used to study the nonlinear equations that govern the form of periodic Stokes waves moving steadily on the surface of an inviscid fluid. In the present study, two such series solutions are recomputed using exact arithmetic, eliminating any loss of accuracy due to accumulation of round-off error, allowing a much greater number of terms to be found with confidence. It is shown that higher order behaviour of series generated by the solution casts doubt over arguments that rely on estimating the series’ radius of convergence. Further, the exact nature of the series is used to shed light on the unusual nature of convergence of higher order Pade approximants near the highest wave. Finally, it is concluded that, provided exact values are used in the series, these Pade approximants prove very effective in successfully predicting three turning points in both the dispersion relation and the total energy.

Exponential asymptotics with multiple stokes lines

When asymptotic series methods are applied in order to solve problems that arise in applied mathematics in the limit that some parameter becomes small, they are unable to demonstrate behaviour that occurs on a scale that is exponentially small compared to the algebraic terms of the asymptotic series. There are many examples of physical systems where behaviour on this scale has important effects and, as such, a range of techniques known as exponential asymptotic techniques were developed that may be used to examinine behaviour on this exponentially small scale. Many problems in applied mathematics may be represented by behaviour within the complex plane, which may subsequently be examined using asymptotic methods. These problems frequently demonstrate behaviour known as Stokes phenomenon, which involves the rapid switches of behaviour on an exponentially small scale in the neighbourhood of some curve known as a Stokes line. Exponential asymptotic techniques have been applied in order to obtain an expression for this exponentially small switching behaviour in the solutions to orginary and partial differential equations. The problem of potential flow over a submerged obstacle has been previously considered in this manner by Chapman & Vanden-Broeck (2006). By representing the problem in the complex plane and applying an exponential asymptotic technique, they were able to detect the switching, and subsequent behaviour, of exponentially small waves on the free surface of the flow in the limit of small Froude number, specifically considering the case of flow over a step with one Stokes line present in the complex plane. We consider an extension of this work to flow configurations with multiple Stokes lines, such as flow over an inclined step, or flow over a bump or trench. The resultant expressions are analysed, and demonstrate interesting implications, such as the presence of exponentially sub-subdominant intermediate waves and the possibility of trapped surface waves for flow over a bump or trench. We then consider the effect of multiple Stokes lines in higher order equations, particu- larly investigating the behaviour of higher-order Stokes lines in the solutions to partial differential equations. These higher-order Stokes lines switch off the ordinary Stokes lines themselves, adding a layer of complexity to the overall Stokes structure of the solution. Specifically, we consider the different approaches taken by Howls et al. (2004) and Chap- man & Mortimer (2005) in applying exponential asymptotic techniques to determine the higher-order Stokes phenomenon behaviour in the solution to a particular partial differ- ential equation.

Numerical methods of the variable-order Rayleigh-Stokes problem for a heated generalized second grade fluid with fractional derivative

Rayleigh–Stokes problems have in recent years received much attention due to their importance in physics. In this article, we focus on the variable-order Rayleigh–Stokes problem for a heated generalized second grade fluid with fractional derivative. Implicit and explicit numerical methods are developed to solve the problem. The convergence, stability of the numerical methods and solvability of the implicit numerical method are discussed via Fourier analysis. Moreover, a numerical example is given and the results support the effectiveness of the theoretical analysis.