Fast numerical methods for mixed, singular Helmholtz boundary value problems and Laplace eigenvalue problems - with applications to antenna design, sloshing, electromagnetic scattering and spectral geometry

This thesis presents a novel class of algorithms for the solution of scattering and eigenvalue problems on general two-dimensional domains under a variety of boundary conditions, including non-smooth domains and certain "Zaremba" boundary conditions - for which Dirichlet and Neumann conditions are specified on various portions of the domain boundary. The theoretical basis of the methods for the Zaremba problems on smooth domains concern detailed information, which is put forth for the first time in this thesis, about the singularity structure of solutions of the Laplace operator under boundary conditions of Zaremba type. The new methods, which are based on use of Green functions and integral equations, incorporate a number of algorithmic innovations, including a fast and robust eigenvalue-search algorithm, use of the Fourier Continuation method for regularization of all smooth-domain Zaremba singularities, and newly derived quadrature rules which give rise to high-order convergence even around singular points for the Zaremba problem. The resulting algorithms enjoy high-order convergence, and they can tackle a variety of elliptic problems under general boundary conditions, including, for example, eigenvalue problems, scattering problems, and, in particular, eigenfunction expansion for time-domain problems in non-separable physical domains with mixed boundary conditions.

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.

Théorème de Pleijel pour l'oscillateur harmonique quantique

L'objectif de ce mémoire est de démontrer certaines propriétés géométriques des fonctions propres de l'oscillateur harmonique quantique. Nous étudierons les domaines nodaux, c'est-à-dire les composantes connexes du complément de l'ensemble nodal. Supposons que les valeurs propres ont été ordonnées en ordre croissant. Selon un théorème fondamental dû à Courant, une fonction propre associée à la $n$-ième valeur propre ne peut avoir plus de $n$ domaines nodaux. Ce résultat a été prouvé initialement pour le laplacien de Dirichlet sur un domaine borné mais il est aussi vrai pour l'oscillateur harmonique quantique isotrope. Le théorème a été amélioré par Pleijel en 1956 pour le laplacien de Dirichlet. En effet, on peut donner un résultat asymptotique plus fort pour le nombre de domaines nodaux lorsque les valeurs propres tendent vers l'infini. Dans ce mémoire, nous prouvons un résultat du même type pour l'oscillateur harmonique quantique isotrope. Pour ce faire, nous utiliserons une combinaison d'outils classiques de la géométrie spectrale (dont certains ont été utilisés dans la preuve originale de Pleijel) et de plusieurs nouvelles idées, notamment l'application de certaines techniques tirées de la géométrie algébrique et l'étude des domaines nodaux non-bornés.

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.

The analytic torsion of a disc

In this article, we study the Reidemeister torsion and the analytic torsion of the m dimensional disc, with the Ray and Singer homology basis (Adv Math 7:145-210, 1971). We prove that the Reidemeister torsion coincides with a power of the volume of the disc. We study the additional terms arising in the analytic torsion due to the boundary, using generalizations of the Cheeger-Muller theorem. We use a formula proved by Bruning and Ma (GAFA 16:767-873, 2006) that predicts a new anomaly boundary term beside the known term proportional to the Euler characteristic of the boundary (Luck, J Diff Geom 37:263-322, 1993). Some of our results extend to the case of the cone over a sphere, in particular we evaluate directly the analytic torsion for a cone over the circle and over the two sphere. We compare the results obtained in the low dimensional cases. We also consider a different formula for the boundary term given by Dai and Fang (Asian J Math 4:695-714, 2000), and we compare the results. The results of these work were announced in the study of Hartmann et al. (BUMI 2:529-533, 2009).

Analysis of the spectral response of fractal antennas related with its geometry and current paths

Fractal antennas have been proposed to improve the bandwidth of resonant structures and optical antennas. Their multiband characteristics are of interest in radiofrequency and microwave technologies. In this contribution we link the geometry of the current paths built-in the fractal antenna with the spectral response. We have seen that the actual currents owing through the structure are not limited to the portion of the fractal that should be geometrically linked with the signal. This fact strongly depends on the design of the fractal and how the different scales are arranged within the antenna. Some ideas involving materials that could actively respond to the incoming radiation could be of help to spectrally select the response of the multiband design.

Optical absorption, infrared, Raman and EPR spectral studies on natural Iowaite mineral

Natural iowaite, magnesium–ferric oxychloride mineral having light green color originating from Australia has been characterized by EPR, optical, IR, and Raman spectroscopy. The optical spectrum exhibits a number of electronic bands due to both Fe(III) and Mn(II) ions in iowaite. From EPR studies, the g values are calculated for Fe(III) and g and A values for Mn(II). EPR and optical absorption studies confirm that Fe(III) and Mn(II) are in distorted octahedral geometry. The bands that appear both in NIR and Raman spectra are due to the overtones and combinations of water and carbonate molecules. Thus EPR, optical, and Raman spectroscopy have proven most useful for the study of the chemistry of natural iowaite and chemical changes in the mineral.

Bearing Fault Diagnostics Using the Spectral Pattern Recognition

In the field of diagnostics of rolling element bearings, the development of sophisticated techniques, such as Spectral Kurtosis and 2nd Order Cyclostationarity, extended the capability of expert users to identify not only the presence, but also the location of the damage in the bearing. Most of the signal-analysis methods, as the ones previously mentioned, result in a spectrum-like diagram that presents line frequencies or peaks in the neighbourhood of some theoretical characteristic frequencies, in case of damage. These frequencies depend only on damage position, bearing geometry and rotational speed. The major improvement in this field would be the development of algorithms with high degree of automation. This paper aims at this important objective, by discussing for the first time how these peaks can draw away from the theoretical expected frequencies as a function of different working conditions, i.e. speed, torque and lubrication. After providing a brief description of the peak-patterns associated with each type of damage, this paper shows the typical magnitudes of the deviations from the theoretical expected frequencies. The last part of the study presents some remarks about increasing the reliability of the automatic algorithm. The research is based on experimental data obtained by using artificially damaged bearings installed in a gearbox.

Detection of nitrogen deficiency in wheat from spectral reflectance indices and basic crop eco-physiological concepts

We tested the capacity of several published multispectral indices to estimate the nitrogen nutrition of wheat canopies grown under different levels of water supply and plant density and derived a simple canopy reflectance index that is greatly independent of those factors. Planar domain geometry was used to account for mixed signals from the canopy and soil when the ground cover was low. A nitrogen stress index was developed, which adjusts shoot %N for plant biomass and area, thereby accounting for environmental conditions that affect growth, such as crop water status. The canopy chlorophyll content index (CCCi) and the modified spectral ratio planar index (mSRPi) could explain 68 and 69% of the observed variability in the nitrogen nutrition of the crop as early as Zadoks 33, irrespective of water status or ground cover. The CCCi was derived from the combination of 3 wavebands 670, 720 and 790 nm, and the mSRPi from 445, 705 and 750 nm, together with broader bands in the NIR and RED. The potential for their spatial application over large fields/paddocks is discussed.

Crystal structure of 3-acetylcoumarin-o-aminobenzoylhydrazone and synthesis, spectral and thermal studies of its transition metal complexes

Transition metal [Mn(II), Co(II), Ni(II), Cu(II), Zn(II) and Cd(II)] complexes of a new Schiff base, 3-acetylcoumarin-o-aminobenzoylhydrazone were synthesized and characterized by elemental analyses, magnetic moments, conductivity measurements, spectral [Electronic, IR, H-1 and C-13 NMR, EPR] and thermal studies. The ligand crystallizes in the monoclinic system, space group P2(1)/n with a = 9.201(5), b = 16.596( 9), c = 11.517(6) angstrom, beta= 101.388(9)degrees, V = 1724.2 (17) angstrom(3) and Z = 4. Conductivity measurements indicated Mn(II) and Co(II) complexes to be 1 : 1 electrolytes whereas Ni(II), Cu(II), Zn(II) and Cd(II) complexes are non-electrolytes. Electronic spectra reveal that all the complexes possess four-coordinate geometry around the metal.

Spectral states and accretion geometries in Galactic black hole binaries

Black hole X-ray binaries, binary systems where matter from a companion star is accreted by a stellar mass black hole, thereby releasing enormous amounts of gravitational energy converted into radiation, are seen as strong X-ray sources in the sky. As a black hole can only be detected via its interaction with its surroundings, these binary systems provide important evidence for the existence of black holes. There are now at least twenty cases where the measured mass of the X-ray emitting compact object in a binary exceeds the upper limit for a neutron star, thus inferring the presence of a black hole. These binary systems serve as excellent laboratories not only to study the physics of accretion but also to test predictions of general relativity in strongly curved space time. An understanding of the accretion flow onto these, the most compact objects in our Universe, is therefore of great importance to physics. We are only now slowly beginning to understand the spectra and variability observed in these X-ray sources. During the last decade, a framework has developed that provides an interpretation of the spectral evolution as a function of changes in the physics and geometry of the accretion flow driven by a variable accretion rate. This doctoral thesis presents studies of two black hole binary systems, Cygnus~X-1 and GRS~1915+105, plus the possible black hole candidate Cygnus~X-3, and the results from an attempt to interpret their observed properties within this emerging framework. The main result presented in this thesis is an interpretation of the spectral variability in the enigmatic source Cygnus~X-3, including the nature and accretion geometry of its so-called hard spectral state. The results suggest that the compact object in this source, which has not been uniquely identified as a black hole on the basis of standard mass measurements, is most probably a massive, ~30 Msun, black hole, and thus the most massive black hole observed in a binary in our Galaxy so far. In addition, results concerning a possible observation of limit-cycle variability in the microquasar GRS~1915+105 are presented as well as evidence of `mini-hysteresis' in the extreme hard state of Cygnus X-1.

Crystal structure of 2-thiophene-2-yl-3(thiophene-2-carboxylideneamino)-1,2-dihydroquinazolin-4(3H)-one and the synthesis, spectral and thermal studies of its transition metal(II) complexes

The synthesis of manganese(II), cobalt(II), nickel(II), copper(II), zinc(II) and cadmium(II) complexes of a new ligand 2-thiophene-2-yl-3(thiophene-2-carboxylidene-amino)-1,2-dihydroquinazolin-4(3H)-one (TTCADQ) is described. The ligand and metal complexes were characterized by elemental analysis, conductivity measurements, spectral (u.v.-vis., i.r., 1D n.m.r., 2D hetcor and e.p.r.) and thermal studies. The formation of 1,2-dihydroquinazolin-4(3H)-one rather than hydrazone, in the reaction of aromatic aldehyde and o-aminobenzoylhydrazide is proved by single crystal X-ray diffraction and 2D hetcor n.m.r. studies. On the basis of elemental analysis, u.v.-vis.spectroscopy and magnetic moment studies, six coordinate geometry for all the complexes was proposed. The i.r. spectral studies reveal the bidentate behaviour of the ligand.

Synthesis, spectral and structural studies on metal complexes of Schiff bases involving vitamin B6 and histamine

Six metal complexes of Schiff bases involving Vitamin B6 and the decarboxylated amino acid histamine have been synthesised and characterized. Crystal structures have been determined for [CuL1(H2O)Br]-NO31(L1= pyridoxylidenehistamine) and [Cu2L22(NO3)2]·6H2O 2(L2= 5′-phosphopyridoxylidenehistaminate). The crystal structure of complex 1[space group P[1 with combining macron], a= 8.161(2), b= 10.368(2), c= 11.110(2)Å, α= 105.18(1), β= 102.12(1), γ= 72.10(1)° and Z= 2; R= 0.072, R′= 0.083] consists of square-pyramidally co-ordinated copper with the tridentate Schiff base in the zwitterionic form, whereas in 2[space group P[1 with combining macron], a= 8.727(1), b= 10.308(1), c= 12.845(2)Å, α= 110.00(1), β= 78.94(1), γ= 114.35(1)° and Z= 1; R= 0.035, R′= 0.034] the copper has the same co-ordination geometry but the tetradentate Schiff-base ligand exists as a monoanion. The conformational parameters deduced from such structures are important for understanding the stereochemical aspects of Vitamin B6-catalysed model reactions involving histidine.

Crystal structures, spectral and magnetic properties of (µ-hydroxo)(µ-acetato)dicopper(II) complexes containing chelating amines

The reaction of [Cu2(O2CMe)4(H2O)2] with N, N, N′, N′-tetramethylethane- 1,2-diamine (tmen) in ethanol yielded the dicopper(II) complex [Cu2(OH)(O2CMe)(tmen)2][ClO4]21. A similar reaction with N, N- dimethylethane- 1,2-diamine (dmen) afforded a crystalline product 2 in which two dicopper(II) complexes, [Cu2(OH)(O2CMe)(dmen)2][ClO4]22a and [Cu2(OH)(O2CMe)(H2O)2(dmen)2][ClO4]22b, are cocrystallized in a 1 : 1 molar ratio along with 2NaClO4. The crystal structures of 1 and 2 have been determined. The complexes have an asymmetrically dibridged [Cu2(µ-OH)(µ-O2CMe)]2+ core. The co-ordination geometry of the metal is square planar (CuO2N2). The copper atoms in 2b have a square-pyramidal CuO3N2 co-ordination sphere. The Cu Cu distances and Cu–O–Cu angles in 1, 2a and 2b are 3.339(2), 3.368(3), 3.395(7)Å, 120.1(2), 116.4(1) and 123.6(2)°, respectively. Complex 1 exhibits an axial ESR spectrum in a methanol glass giving g∥= 2.26 (A∥= 164 × 10–4 cm–1) and g⊥= 2.04. The ESR spectra obtained from the bulk material of the dmen product are indicative of the presence of two dimers, viz. complex 2a(g∥= 2.25, A∥= 165 × 10–4 cm–1; g⊥= 2.03) and 2b(g∥= 2.19, A∥= 184 × 10–4 cm–1; g⊥= 2.0). Variable-temperature magnetic susceptibility measurements on these complexes show an intramolecular antiferromagnetic coupling in the dimeric core. The fitting parameters are J=–27.8 cm–1, g= 2.1 for complex 1 and J=–10.1 cm–1, g= 2.0 for 2. The magnetostructural properties of the complexes are discussed. There is a linear correlation of the –2J values with the Cu Cu distances among dibridged complexes having square-planar copper(II) centres.