Invariant conserved currents in gravity theories with local Lorentz and diffeomorphism symmetry

We discuss conservation laws for gravity theories invariant under general coordinate and local Lorentz transformations. We demonstrate the possibility to formulate these conservation laws in many covariant and noncovariant(ly looking) ways. An interesting mathematical fact underlies such a diversity: there is a certain ambiguity in a definition of the (Lorentz-) covariant generalization of the usual Lie derivative. Using this freedom, we develop a general approach to the construction of invariant conserved currents generated by an arbitrary vector field on the spacetime. This is done in any dimension, for any Lagrangian of the gravitational field and of a (minimally or nonminimally) coupled matter field. A development of the regularization via relocalization scheme is used to obtain finite conserved quantities for asymptotically nonflat solutions. We illustrate how our formalism works by some explicit examples. © 2006 The American Physical Society.

Nonlinear control of the Reaction Wheel Pendulum

In this paper we introduce the Reaction Wheel Pendulum, a novel mechanical system consisting of a physical pendulum with a rotating bob. This system has several attractive features both from a pedagogical standpoint and from a research standpoint. From a pedagogical standpoint, the dynamics are the simplest among the various pendulum experiments available so that the system can be introduced to students earlier in their education. At the same time, the system is nonlinear and underactuated so that it can be used as a benchmark experiment to study recent advanced methodologies in nonlinear control, such as feedback linearization, passivity methods, backstepping and hybrid control. In this paper we discuss two control approaches for the problems of swingup and balance, namely, feedback linearization and passivity based control. We first show that the system is locally feedback linearizable by a local diffeomorphism in state space and nonlinear feedback. We compare the feedback linearization control with a linear pole-placement control for the problem of balancing the pendulum about the inverted position. For the swingup problem we discuss an energy approach based on collocated partial feedback linearization, and passivity of the resulting zero dynamics. A hybrid/switching control strategy is used to switch between the swingup and the balance control. Experimental results are presented.

Discussion on the geometric structure of strange attractor

We discuss the transversal heteroclinic cycle formed by hyperbolic periodic pointes of diffeomorphism on the differential manifold. We point out that every possible kind of transversal heteroclinic cycle has the Smalehorse property and the unstable manifolds of hyperbolic periodic points have the closure relation mutually. Therefore the strange attractor may be the closure of unstable manifolds of a countable number of hyperbolic periodic points. The Henon mapping is used as an example to show that the conclusion is reasonable.

Hausdorff dimension bounds for smoothness of holonomies for codimension 1 hyperbolic dynamics

We prove that the stable holonomies of a proper codimension 1 attractor Λ, for a Cr diffeomorphism f of a surface, are not C1+θ for θ greater than the Hausdorff dimension of the stable leaves of f intersected with Λ. To prove this result we show that there are no diffeomorphisms of surfaces, with a proper codimension 1 attractor, that are affine on a neighbourhood of the attractor and have affine stable holonomies on the attractor.

Characterization of the unfolding of a weak focus and modulus of analytic classification

La thèse présente une description géométrique d’un germe de famille générique déployant un champ de vecteurs réel analytique avec un foyer faible à l’origine et son complexifié : le feuilletage holomorphe singulier associé. On montre que deux germes de telles familles sont orbitalement analytiquement équivalents si et seulement si les germes de familles de difféomorphismes déployant la complexification de leurs fonctions de retour de Poincaré sont conjuguées par une conjugaison analytique réelle. Le “caractère réel” de la famille correspond à sa Z2-équivariance dans R^4, et cela s’exprime comme l’invariance du plan réel sous le flot du système laquelle, à son tour, entraîne que l’expansion asymptotique de la fonction de Poincaré est réelle quand le paramètre est réel. Le pullback du plan réel après éclatement par la projection monoidal standard intersecte le feuilletage en une bande de Möbius réelle. La technique d’éclatement des singularités permet aussi de donner une réponse à la question de la “réalisation” d’un germe de famille déployant un germe de difféomorphisme avec un point fixe de multiplicateur égal à −1 et de codimension un comme application de semi-monodromie d’une famille générique déployant un foyer faible d’ordre un. Afin d’étudier l’espace des orbites de l’application de Poincaré, nous utilisons le point de vue de Glutsyuk, puisque la dynamique est linéarisable auprès des points singuliers : pour les valeurs réels du paramètre, notre démarche, classique, utilise une méthode géométrique, soit un changement de coordonée (coordonée “déroulante”) dans lequel la dynamique devient beaucoup plus simple. Mais le prix à payer est que la géométrie locale du plan complexe ambiante devient une surface de Riemann, sur laquelle deux notions de translation sont définies. Après avoir pris le quotient par le relèvement de la dynamique nous obtenons l’espace des orbites, ce qui s’avère être l’union de trois tores complexes plus les points singuliers (l’espace résultant est non-Hausdorff). Les translations, le caractère réel de l’application de Poincaré et le fait que cette application est un carré relient les différentes composantes du “module de Glutsyuk”. Cette propriété implique donc le fait qu’une seule composante de l’invariant Glutsyuk est indépendante.

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).

Représentation et détection des images et des surfaces déformables

La représentation d'une surface, son lissage et son utilisation pour l'identification, la comparaison, la classification, et l'étude des variations de volume, de courbure ou de topologie sont omniprésentes dans l'aire de la numérisation. Parmi les méthodes mathématiques, nous avons retenu les transformations difféomorphiques d'un pattern de référence. Il y a un grand intérêt théorique et numérique à approcher un difféomorphisme arbitraire par des difféomorphismes engendrés par des champs de vitesses. Sur le plan théorique la question est : "est-ce que le sous-groupe de difféomorphismes engendrés par des champs de vitesses est dense dans le groupe plus large de Micheletti pour la métrique de Courant ?" Malgré quelques progrès réalisés ici, cette question demeure ouverte. Les pistes empruntées ont alors convergé vers le sous-groupe de Azencott et de Trouvé et sa métrique dans le cadre de l'imagerie. Elle correspond à une notion de géodésique entre deux difféomorphismes dans leur sous-groupe. L'optimisation est utilisée pour obtenir un système d'équations état adjoint caractérisant la solution optimale du problème d'identification à partir des observations. Cette approche est adaptée à l'identification de surfaces obtenues par un numériseur tel que, par exemple, le scan d'un visage. Ce problème est beaucoup plus difficile que celui d'imagerie. On doit alors introduire un système de référence courbe et une surface à facettes pour les calculs. On donne la formulation du problème d'identification et du calcul du changement de volume par rapport à un scan de référence.

Représentation et identification des hypersurfaces

L’objectif à moyen terme de ce travail est d’explorer quelques formulations des problèmes d’identification de forme et de reconnaissance de surface à partir de mesures ponctuelles. Ces problèmes ont plusieurs applications importantes dans les domaines de l’imagerie médicale, de la biométrie, de la sécurité des accès automatiques et dans l’identification de structures cohérentes lagrangiennes en mécanique des fluides. Par exemple, le problème d’identification des différentes caractéristiques de la main droite ou du visage d’une population à l’autre ou le suivi d’une chirurgie à partir des données générées par un numériseur. L’objectif de ce mémoire est de préparer le terrain en passant en revue les différents outils mathématiques disponibles pour appréhender la géométrie comme variable d’optimisation ou d’identification. Pour l’identification des surfaces, on explore l’utilisation de fonctions distance ou distance orientée, et d’ensembles de niveau comme chez S. Osher et R. Fedkiw ; pour la comparaison de surfaces, on présente les constructions des métriques de Courant par A. M. Micheletti en 1972 et le point de vue de R. Azencott et A. Trouvé en 1995 qui consistent à générer des déformations d’une surface de référence via une famille de difféomorphismes. L’accent est mis sur les fondations mathématiques sous-jacentes que l’on a essayé de clarifier lorsque nécessaire, et, le cas échéant, sur l’exploration d’autres avenues.

The Hilbert space of the Chern-Simons theory on a cylinder: a loop quantum gravity approach

As a laboratory for loop quantum gravity, we consider the canonical quantization of the three-dimensional Chern-Simons theory on a noncompact space with the topology of a cylinder. Working within the loop quantization formalism, we define at the quantum level the constraints appearing in the canonical approach and completely solve them, thus constructing a gauge and diffeomorphism invariant physical Hilbert space for the theory. This space turns out to be infinite dimensional, but separable.

Convexity in multidimensional mechanism design

The present article initiates a systematic study of the behavior of a strictly increasing, C2 , utility function u(a), seen as a function of agents' types, a, when the set of types, A, is a compact, convex subset of iRm . When A is a m-dimensional rectangle it shows that there is a diffeomorphism of A such that the function U = u o H is strictly increasing, C2 , and strictly convexo Moreover, when A is a strictly convex leveI set of a nowhere singular function, there exists a change of coordinates H such that B = H-1(A) is a strictly convex set and U = u o H : B ~ iR is a strictly convex function, as long as a characteristic number of u is smaller than a characteristic number of A. Therefore, a utility function can be assumed convex in agents' types without loss of generality in a wide variety of economic environments.

LEAST ACTION PRINCIPLE and THE INCOMPRESSIBLE EULER EQUATIONS WITH VARIABLE DENSITY

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Spinning Hopf solitons on S-3 x R

We consider a field theory with target space being the two dimensional sphere S-2 and defined on the space-time S-3 x R. The Lagrangean is the square of the pull-back of the area form on S-2. It is invariant under the conformal group SO(4, 2) and the infinite dimensional group of area preserving diffeomorphisms of S-2. We construct an infinite number of exact soliton solutions with non-trivial Hopf topological charges. The solutions spin with a frequency which is bounded above by a quantity proportional to the inverse of the radius of S-3. The construction of the solutions is made possible by an ansatz which explores the conformal symmetry and a U(1) subgroup of the area preserving diffeomorphism group.

Conserved currents in gravitational models with quasi-invariant Lagrangians: Application to teleparallel gravity

Conservation laws in gravitational theories with diffeomorphism and local Lorentz symmetry are studied. Main attention is paid to the construction of conserved currents and charges associated with an arbitrary vector field that generates a diffeomorphism on the spacetime. We further generalize previous results for the case of gravitational models described by quasi-invariant Lagrangians, that is, Lagrangians that change by a total derivative under the action of the local Lorentz group. The general formalism is then applied to the teleparallel models, for which the energy and the angular momentum of a Kerr black hole are calculated. The subsequent analysis of the results obtained demonstrates the importance of the choice of the frame.