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).

Influence of data acquisition geometry on soybean spectral response simulated by the prosail model

View angle and directional effects significantly affect reflectance and vegetation indices, especially when daily images collected by large field-of-view (FOV) sensors like the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) are used. In this study, the PROSAIL radiative transfer model was chosen to evaluate the impact of the geometry of data acquisition on soybean reflectance and two vegetation indices (Normalized Difference Vegetation Index - NDVI and Enhanced Vegetation Index -EVI) by varying biochemical and biophysical parameters of the crop. Input values for PROSAIL simulation were based on the literature and were adjusted by the comparison between simulated and real satellite soybean spectra acquired by the MODIS/Terra and hyperspectral Hyperion/Earth Observing-One (EO-1). Results showed that the influence of the view angle and view direction on reflectance was stronger with decreasing leaf area index (LAI) and chlorophyll concentration. Because of the greater dependence on the near-infrared reflectance, the EVI was much more sensitive to viewing geometry than NDVI presenting larger values in the backscattering direction. The contrary was observed for NDVI in the forward scattering direction. In relation to the LAI, NDVI was much more isotropic for closed soybean canopies than for incomplete canopies and a contrary behavior was verified for EVI.

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.

Onset of Nucleate Boiling and Onset of Fully Developed Subcooled Boiling Using Pressure Transducers Signals Spectral Analysis

The experimental technique used for detection of subcooled boiling through analysis of the fluctuation contained in pressure transducer signals is presented. This work was partly conducted at the Institut für Kerntechnik und zertörungsfreie Prüfverfahren von Hannover (IKPH, Germany) in a thermal-hydraulic circuit with one electrically heated rod with annular geometry test section. Piezoresistive pressure sensors are used for onset of nucleate boiling (ONB) and onset of fully developed boiling (OFDB) detection using spectral analysis/ signal correlation techniques. Experimental results are interpreted by phenomenological analysis of these two points and compared with existing correlation. The results allow us to conclude that this technique is adequate for the detection and monitoring of the ONB and OFDB.

Spectral and structural studies of mono- and binuclear copper(II) complexes of salicylaldehyde N(4)-substituted thiosemicarbazones

Three copper(II) complexes of salicylaldehyde N(4)-phenyl thiosemicarbazone (H2L1) and two copper(II) complexes of N(4)-cyclohexyl thiosemicarbazone (H2L2) have been synthesized and characterized by different physicochemical techniques like magnetic studies and electronic, infrared and EPR spectral studies. The complexes View the MathML source and [(CuL2)2] (4) having dimeric structure. The thiosemicarbazones bind to the metal as dianionic ONS donor ligand in all the complexes, except in the complex [Cu(HL1)2] · H2O (2). In complex 2, the ligand moieties are coordinated as monoanionic (HL−) ones. Two of the complexes [CuL1dmbipy] · H2O (3) and [CuL2dmbipy] (5) have been found to possess the stoichiometry [CuLB], where B = 4,4′-dimethyl-2,2′-bipyridine (dmbipy). The coordination geometry around copper(II) in 5 is trigonal bipyramidal distorted square based pyramidal (TBDSBP), as obtained by X-ray diffraction studies.

Chelating behavior of acylhydrazones towards transition metals:Spectral and structural aspects

The current work deals with the synthesis and characterization of metal complexes derived from some substituted acylhydrazones. The hydrazones under investigation were characterized by IR, UV, NMR spectral studies and the molecular structure of one of the hydrazones was solved by single crystal XRD studies. In the present work dioxovanadium(V), manganese(II), cobalt(II/III), nickel(II), copper(II), zinc(II) and cadmium(II) complexes were synthesized and characterized by various spectroscopic techniques, molar conductance measurements, magnetic susceptibility measurements and cyclic voltammetry. Single crystals of some of the complexes were isolated and characterized by single crystal X-ray diffraction.The thesis is divided into eight chapters. Chapter 1 gives an introduction on hydrazones, diversity in their chelating behavior and their application in various fields. This chapter also describes different analytical techniques employed for the characterization of hydrazones and their metal complexes. Chapter 2 includes the synthesis and characterization of two substituted acylhydrazones. This chapter also discusses how the coordination behavior of hydrazones under investigation is interesting. Chapters 3-8 discuss the synthesis and characterization of some transition metal complexes derived from the acylhydrazones under study.The hydrazones synthesized were found to exist in the amido form. Various characterization techniques were carried out to explore the structure of the synthesized complexes. The results indicate that both the hydrazones coordinate through the pyridyl and azomethine nitrogens and amide oxygen either in enolate or neutral form. Out of synthesized complexes V(V), Zn/Cd(II) and one of the cobalt complex was found to diamagnetic. We could isolate single crystals of some of the complexes and most of the complexes crystallized were found to have a distorted octahedral geometry. Thus X-ray crystallographic study which was used as major tool in the structure determination revealed that the hydrazones undergo a rotation about the azomethine bond on complexation. We hope the work presented in the thesis would be helpful for those who are working in the field of metal complexes and can further they can be utilized for various applications.

Synthesis, spectral characterization and crystal structure of copper(II) complexes of 2-benzoylpyridine-N(4)-phenylsemicarbazone

An interesting series of nine new copper(II) complexes [Cu2L2(OAc)2] H2O (1), [CuLNCS] ½H2O (2), [CuLNO3] ½H2O (3), [Cu(HL)Cl2] H2O (4), [Cu2(HL)2(SO4)2] 4H2O (5), [CuLClO4] ½H2O (6), [CuLBr] 2H2O (7), [CuL2] H2O (8) and [CuLN3] CH3OH (9) of 2-benzoylpyridine-N(4)-phenyl semicarbazone (HL) have been synthesized and physico-chemically characterized. The tridentate character of the semicarbazone is inferred from IR spectra. Based on the EPR studies, spin Hamiltonian and bonding parameters have been calculated. The g values, calculated for all the complexes in frozen DMF, indicate the presence of the unpaired electron in the dx2 y2 orbital. The structure of the compound, [Cu2L2(OAc)2] (1a) has been resolved using single crystal X-ray diffraction studies. The crystal structure revealed monoclinic space group P21/n. The coordination geometry about the copper(II) in 1a is distorted square pyramidal with one pyridine nitrogen atom, the imino nitrogen, enolate oxygen and acetate oxygen in the basal plane, an acetate oxygen form adjacent moiety occupies the apical position, serving as a bridge to form a centrosymmetric dimeric structure

Syntheses, EPR spectral studies and crystal structures of manganese(II) complexes of neutral N,N donor bidentate Schiff bases and azide/thiocyanate as coligand

Four manganese(II) complexes Mn2(paa)2(N3)4 (1), [Mn(paa)2(NCS)2] 3/2H2O (2), Mn(papea)2(NCS)2 (3), [Mn(dpka)2(NCS)2] 1/2H2O(4) of three neutral N,N donor bidentate Schiff bases were synthesized and physico- chemically characterized by means of partial elemental analyses, electronic, infrared and EPR spectral studies. Compounds 3 and 4 were obtained as single crystals suitable for X-ray diffraction. Compound 4 recrystallized as Mn(dpka)2(NCS)2. Both the compounds crystallized in the monoclinic space groups P21 for 3 and C2/c for 4. Manganese(II) is found to be in a distorted octahedral geometry in both the monomeric complexes with thiocyanate anion as a terminal ligand coordinating through the nitrogen atom. EPR spectra in DMF solutions at 77 K show hyperfine sextets with low intensity forbidden lines lying between each of the two main hyperfine lines and the zero field splitting parameters (D and E) were calculated.

Fluctuating commutative geometry

We use the framework of noncommutative geometry to define a discrete model for fluctuating geometry. Instead of considering ordinary geometry and its metric fluctuations, we consider generalized geometries where topology and dimension can also fluctuate. The model describes the geometry of spaces with a countable number n of points. The spectral principle of Connes and Chamseddine is used to define dynamics. We show that this simple model has two phases. The expectation value , the average number of points in the universe, is finite in one phase and diverges in the other. Moreover, the dimension delta is a dynamical observable in our model, and plays the role of an order parameter. The computation of is discussed and an upper bound is found, < 2. We also address another discrete model defined on a fixed d = 1 dimension, where topology fluctuates. We comment on a possible spontaneous localization of topology.

Fluctuating dimension in a discrete model for quantum gravity based on the spectral principle

The spectral principle of Connes and Chamseddine is used as a starting point to define a discrete model for Euclidean quantum gravity. Instead of summing over ordinary geometries, we consider the sum over generalized geometries where topology, metric, and dimension can fluctuate. The model describes the geometry of spaces with a countable number n of points, and is related to the Gaussian unitary ensemble of Hermitian matrices. We show that this simple model has two phases. The expectation value , the average number of points in the Universe, is finite in one phase and diverges in the other. We compute the critical point as well as the critical exponent of . Moreover, the space-time dimension delta is a dynamical observable in our model, and plays the role of an order parameter. The computation of is discussed and an upper bound is found, < 2.

Spectral analysis and low-frequency multipath mitigation for kinematic applications

Low-frequency multipath is still one of the major challenges for high precision GPS relative positioning. In kinematic applications, mainly, due to geometry changes, the low-frequency multipath is difficult to be removed or modeled. Spectral analysis has a powerful technique to analyze this kind of non-stationary signals: the wavelet transform. However, some processes and specific ways of processing are necessary to work together in order to detect and efficiently mitigate low-frequency multipath. In this paper, these processes are discussed. Some experiments were carried out in a kinematic mode with a controlled and known vehicle movement. The data were collected in the presence of a reflector surface placed close to the vehicle to cause, mainly, low-frequency multipath. From theanalyses realized, the results in terms of double difference residuals and statistical tests showed that the proposed methodology is very efficient to detect and mitigate low-frequency multipath effects. © 2008 IEEE.