Mathématiques et Applications – serie

Cet ouvrage propose une introduction claire et structurée à la théorie des graphes, conçue comme un manuel de référence pour les étudiants de licence et de master, en mathématiques comme en informatique. Alliant rigueur mathématique et approche intuitive, il offre un traitement systématique du domaine et présente les méthodes de démonstration les plus courantes, illustrées par de nombreux exemples concrets. Au-delà de sa vocation pédagogique, ce livre constitue également une passerelle vers la recherche, fournissant une base solide pour aborder les avancées contemporaines en théorie des graphes.

This book provides a unified analysis and scheme for the existence and uniqueness of strong and mild solutions to certain fractional kinetic equations. This class of equations is characterized by the presence of a nonlinear time-dependent source, generally of arbitrary growth in the unknown function, a time derivative in the sense of Caputo and the presence of a large class of diffusion operators. The global regularity problem is then treated separately and the analysis is extended to some systems of fractional kinetic equations, including prey-predator models of Volterra–Lotka type and chemical reactions models, all of them possibly containing some fractional kinetics.Besides classical examples involving the Laplace operator, subject to standard (namely, Dirichlet, Neumann, Robin, dynamic/Wentzell and Steklov) boundary conditions, the framework also includes non-standard diffusion operators of "fractional" type, subject to appropriate boundary conditions.This book is aimed at graduate students and researchers in mathematics, physics, mathematical engineering and mathematical biology, whose research involves partial differential equations.

Les modèles eulériens sont devenus dans les quinze dernières années des outils populaires pour étudier les interactions fluide-structure, car, au contraire des méthodes plus classiques de type ALE, ils permettent de résoudre numériquement ces problèmes en se ramenant à une grille et une méthode de résolution unique pour les différents milieux. Ce livre s’intéresse à cette classe de modèles en adoptant le point de vue original des méthodes level-set, utilisées à la fois pour suivre les interfaces fluide-solide, représenter les contraintes élastiques des solides et modéliser les forces de contact entre solides. Il combine un éclairage mathématique des modèles, des aspects d’analyse numérique, des codes élémentaires et des illustrations numériques permettant au lecteur de se faire une idée des domaines d’application et des performances de ces modèles.Les pré-requis nécessaires pour profiter pleinement de son contenu font partie du bagage scientifique d’élèves de niveau masteren mathématiques appliquées ou mécanique théorique. Il sera un outil pédagogique fructueux pour des cours de deuxième année de master ou de début de thèse, ainsi que pour des chercheurs voulant aborder ou approfondir ce domaine.

Ce livre présente la théorie spectrale des opérateurs auto-adjoints en dimension infinie ainsi que son application à la mécanique quantique. Le concept d'auto-adjonction, découvert par John von Neumann dans les années 1930, est bien plus subtil dans ce cadre que pour les matrices hermitiennes en dimension finie. Cet ouvrage peut aussi servir d’introduction mathématique à la mécanique quantique. De multiples exemples physiques servent ainsi à illustrer et motiver les théorèmes plus abstraits. Les deux derniers chapitres présentent des résultats plus récents concernant l'équation de Schrödinger pour les atomes, les molécules et les solides. Aucune connaissance physique n'est cependant requise pour lire ces pages.Premier livre en français sur le sujet destiné aux étudiants de Master, ce livre pourra accompagner un cours à ce niveau. Il devrait aussi être utile aux lecteurs plus avancés désirant en savoir plus sur cette théorie.***This book presents the spectral theory of self-adjoint operators on Hilbert space, with applications to quantum mechanics. The concept of self-adjointness in infinite dimension was discovered by John von Neumann in the 1930s and it is much more involved than in the case of Hermitian matrices in finite dimension.The book also provides an introduction to quantum mechanics, suitable for students with a mathematics background. The presentation provides numerous physical examples illustrating the abstract theory. The last two chapters present recent results on Schrödinger’s equation for systems of particles. No previous knowledge of physics is required for the book.Based on the author’s teaching and intended for graduate courses, this French language textbook can also serve as a useful introduction to the topic for more advanced readers.

The book provides a pedagogic and comprehensive introduction to homogenization theory with a special focus on problems set for non-periodic media. The presentation encompasses both deterministic and probabilistic settings. It also mixes the most abstract aspects with some more practical aspects regarding the numerical approaches necessary to simulate such multiscale problems. Based on lecture courses of the authors, the book is suitable for graduate students of mathematics and engineering.​Cet ouvrage est une introduction pédagogique à la théorie de l’homogénéisation, et aux approches numériques associées, pour la compréhension et la simulation des problèmes à plusieurs échelles. La présentation est axée sur les différentes hypothèses possibles pour mettre en œuvre la théorie, selon que le milieu ambiant a une géométrie périodique ou non. Le public visé est celui des cycles M et D des universités ainsi que celui des écoles d’ingénieurs et formations équivalentes.

De nombreux systèmes physiques, mécaniques, financiers et économiques peuvent être décrits par des modèles mathématiques qui visent à optimiser des fonctions, trouver des équilibres et effectuer des arbitrages. Souvent, la convexité des ensembles et des fonctions ainsi que les conditions de monotonie sur les systèmes d'inéquations qui régissent ces systèmes se présentent naturellement dans les modèles. C'est dans cet esprit que nous avons conçu ce livre en mettant l'accent sur une approche géométrique qui privilégie l'intuition par rapport à une approche plus analytique. Les démonstrations des résultats classiques ont été revues dans cette optique et simplifiées. De nombreux exemples d'applications sont étudiés et des exercices sont proposés.Ce livre s'adresse aux étudiants en master de mathématiques appliquées, ainsi qu'aux doctorants, chercheurs et ingénieurs souhaitant comprendre les fondements de l'analyse convexe et de la théorie des inéquations variationnelles monotones.

This book offers a comprehensive introduction to the study of solutions of linear and nonlinear partial differential equations, covering elliptic, parabolic and hyperbolic types. It places particular emphasis on the concept of weak solution, a fundamental framework for addressing well-posed problems in PDE theory. The book examines the existence and uniqueness of solutions for various types of PDEs, along with their key properties. Additionally, many of the methods introduced are also applicable for analyzing the convergence of numerical schemes used to approximate these equations. Based on courses taught by the authors, this book is primarily aimed at graduate students and contains numerous exercises and problems with detailed solutions.

This book presents a comprehensive overview of the modeling of complex fluids, including many common substances, such as toothpaste, hair gel, mayonnaise, liquid foam, cement and blood, which cannot be described by Navier-Stokes equations. It also offers an up-to-date mathematical and numerical analysis of the corresponding equations, as well as several practical numerical algorithms and software solutions for the approximation of the solutions. It discusses industrial (molten plastics, forming process), geophysical (mud flows, volcanic lava, glaciers and snow avalanches), and biological (blood flows, tissues) modeling applications. This book is a valuable resource for undergraduate students and researchers in applied mathematics, mechanical engineering and physics.

This book presents essential tools for modelling non-linear time series. The first part of the book describes the main standard tools of probability and statistics that directly apply to the time series context to obtain a wide range of modelling possibilities. Functional estimation and bootstrap are discussed, and stationarity is reviewed. The second part describes a number of tools from Gaussian chaos and proposes a tour of linear time series models. It goes on to address nonlinearity from polynomial or chaotic models for which explicit expansions are available, then turns to Markov and non-Markov linear models and discusses Bernoulli shifts time series models. Finally, the volume focuses on the limit theory, starting with the ergodic theorem, which is seen as the first step for statistics of time series. It defines the distributional range to obtain generic tools for limit theory under long or short-range dependences (LRD/SRD) and explains examples of LRD behaviours. More general techniques (central limit theorems) are described under SRD; mixing and weak dependence are also reviewed. In closing, it describes moment techniques together with their relations to cumulant sums as well as an application to kernel type estimation.The appendix reviews basic probability theory facts and discusses useful laws stemming from the Gaussian laws as well as the basic principles of probability, and is completed by R-scripts used for the figures. Richly illustrated with examples and simulations, the book is recommended for advanced master courses for mathematicians just entering the field of time series, and statisticians who want more mathematical insights into the background of non-linear time series.

This monograph presents  the Gradient Discretisation Method (GDM), which is a unified convergence analysis framework for numerical methods for elliptic and parabolic partial differential equations. The results obtained by the GDM cover both stationary and transient models; error estimates are provided for linear (and some non-linear) equations, and convergence is established for a wide range of fully non-linear models (e.g. Leray–Lions equations and degenerate parabolic equations such as the Stefan or Richards models). The GDM applies to a diverse range of methods, both classical (conforming, non-conforming, mixed finite elements, discontinuous Galerkin) and modern (mimetic finite differences, hybrid and mixed finite volume, MPFA-O finite volume), some of which can be built on very general meshes.

Cet ouvrage présente les types d'arbres les plus utilisés en informatique, sous les angles algorithmique et mathématique. Pour chaque type, nous donnons les algorithmes courants associés et des exemples d'utilisation, directe ou en modélisation, puis nous étudions leurs performances d'un point de vue mathématique. Nos outils sont les mathématiques discrètes, les probabilités et la combinatoire analytique, présentés ici simultanément.Le public visé est d'abord celui des étudiants de niveau master scientifique ou en dernière année d’école d’ingénieurs avec un cursus préalable en informatique ou en mathématiques, ou ceux visant une double compétence en mathématiques et informatique ; ainsi que toute personne dotée d’un bagage scientifique « minimal » et amenée à utiliser des structures arborescentes liées à des algorithmes, qui souhaiterait avoir une meilleure connaissance de ces structures et une idée des performances des algorithmes associés sans se plonger dans les travaux originaux.This book presents a wide range of tree structures, from both a computer science and a mathematical point of view. For each of these structures we give the algorithms that allow us to visit or update the structure, and discuss their potential uses, either directly (for storing data) or in modelling a variety of situations. We  present a mathematical approach to their performances; this is done by the systematic and parallel use of tools from discrete mathematics, probability and analytic combinatorics.The book is intended for graduate students in mathematics or computer science (or both) and in engineering schools. It is also suitable for anyone with a basic level of scientific knowledge who may have to use tree structures and related algorithms, and who wishes to get a rigorous knowledge of their performance without going back to the original, often specialized, results.

The role of singular trajectories in control theory is analysed in this volume that contains about 60 exercieses and problems. A section is devoted to the applications of singular trajectories to the optimisation of batch reactors. The theoretical paart based on the Martinet case concerns the singulatrity analysis of singular trajectories in sub-Riemannian geometry. An algorithm is gibven to evaluate conjugate points and a final chapter discusses open problems. The volume will interest mathematicians and engineers.

Ce livre est une introduction à la théorie de la complexité algébrique basée sur un panorama des méthodes algorithmiques en algèbre linéaire exacte. Il donne en particulier les principaux algorithmes pour le calcul du polynôme caractéristique. Il donne aussi une discussion détaillée des méthodes de multiplication rapide des polynômes et des matrices, sans pour autant réclamer de prérequis théoriques de haut niveau. Tout en étant centré sur les problèmes de complexité algébrique, il aborde aussi la complexité binaire. Une place importante est accordée au parallélisme. Le livre se termine par une introduction raisonnée à l'importante théorie de Valiant concernant un analogue algébrique de la conjecture P = NP. Ce livre se remarque par l'étendue des sujets traités tout en restant très lisible.

This monograph is the first devoted to optimal syntheses in control theory and focuses on minimum time on 2-D manifolds. The first chapter outlines book results and examples of applicability. Then a quick introduction to geometric methods in control theory is provided. The following chapters contain a deep analysis of single input systems on 2-D manifolds including classifications of optimal syntheses and feedbacks, their singularities, extremals projection and minimum time singularities. Various extensions and applications are also illustrated. The volume is suitable for a graduate level one-semester course on optimal syntheses theory for mathematicians or engineers with a solid mathematical background.

L'analyse numérique de deux types de discrétisations variationnelles est effectuée en détail pour des problèmes elliptiques: les méthodes spectrales et les méthodes d'éléments finis. Les avantages de chaque type sont mis en valeur, et leur mise en oeuvre est décrite. L'originalité de cet ouvrage est d'insérer ces deux types de discrétisation dans un cadre abstrait commun, ce qui permet au lecteur d'étendre l'approche à bien d'autres méthodes et problèmes. Sont présentés également un algorithme pour coupler ces méthodes dans un cadre de décomposition de domaine et une application aux écoulements de fluides incompressibles dans des milieux poreux. L'ouvrage s'adresse aux étudiants de 3ème cycle en mathématiques appliquées et mécanique, ainsi qu'à tous les ingénieurs intéressés par la simulation numérique.

Par sa nature pluridisciplinaire, ce livre s'adresse à un large public de mathématiciens, physiciens et ingénieurs s'intéressant aux aspects théoriques des phénomènes périodiques, de même qu'aux étudiants en sciences de la vie intéressés par les outils mathématiques de la modélisation. Les oscillations complexes mises en évidence dans les systèmes physiologiques s'analysent par des modèles. Cet ouvrage se propose de présenter et de développer les mathématiques nécessaires à leur compréhension. On présente en particulier les notions d'excitabilité, de bistabilité, de synchronisation et d'oscillations en salves dans le cadre de l'analyse qualitative.

Systèmes multi-échelles est une introduction à la problématique des systèmes multi-échelles du point de vue du mathématicien appliqué. Il se compose d'une mosaique d'exemples dont le seul lien est d'appartenir à la très grande famille des problèmes issus de la physique au sens large qui présentent pour leur modélisation et leur simulation cette difficulté essentielle de comporter en leur sein des échelles de temps ou d'espace très différentes.

Ce livre est une initiation aux approches modernes de l’optimisation mathématique de formes. On y développe la méthodologie ainsi que les outils d’analyse mathématique et de géométrie nécessaires à l’étude des variations de domaines. On y trouve une étude systématique des questions géométriques associées à l’opérateur de Laplace, de la capacité classique, de la dérivation par rapport à une forme, ainsi qu’un FAQ sur les topologies usuelles sur les domaines et sur les propriétés géométriques des formes optimales avec ce qui se passe quand elles n’existent pas, le tout avec une importante bibliographie.

Cet ouvrage présente les modèles d'interaction onde-matière faisant intervenir une description quantique de la matière (optique quantique), ainsi que des modèles classiques qui en sont dérivés. L'objectif est de décrypter pour des lecteurs mathématiciens ces modèles habituellement décrits dans des livres de physique et de donner les résultats mathématiques et les méthodes numériques existants. Ces résultats, reflets de sujets de recherche actuels faisant intervenir des outils mathématiques variés, sont détaillés pour être accessibles à des étudiants ayant un niveau DEA. Les parties numériques de ce livre peuvent également intéresser des physiciens désirant effectuer des simulations.

This book is devoted to analyze the vibrations of simpli?ed 1? d models of multi-body structures consisting of a ?nite number of ?exible strings d- tributed along planar graphs. We?rstdiscussissueson existence and uniquenessof solutions that can be solved by standard methods (energy arguments, semigroup theory, separation ofvariables,transposition,...).Thenweanalyzehowsolutionspropagatealong the graph as the time evolves, addressing the problem of the observation of waves. Roughly, the question of observability can be formulated as follows: Can we obtain complete information on the vibrations by making measu- ments in one single extreme of the network? This formulation is relevant both in the context of control and inverse problems. UsingtheFourierdevelopmentofsolutionsandtechniquesofNonharmonic Fourier Analysis, we give spectral conditions that guarantee the observability property to hold in any time larger than twice the total length of the network in a suitable Hilbert space that can be characterized in terms of Fourier series by means of properly chosen weights. When the network graph is a tree, we characterize these weights in terms of the eigenvalues of the corresponding elliptic problem. The resulting weighted observability inequality allows id- tifying the observable energy in Sobolev terms in some particular cases. That is the case, for instance, when the network is star-shaped and the ratios of the lengths of its strings are algebraic irrational numbers.

Le but de ce livre est de présenter les développements récents du contrôle géométrique orienté vers la commande (notamment optimale) des véhicules spatiaux. Il est principalement destiné aux étudiants de 3e cycle et aux chercheurs, et son contenu a servi de base à une série de cours de contrôle et d'automatique enseignés à des étudiants de 3e cycle. Il s'appuie sur des projets de recherche avec l'ESTEC et le CNES, sur le contrôle d'attitude d'un satellite, le problème de transfert orbital en temps minimal, et le problème de rentrée atmosphérique d'une navette spatiale. Une première partie est consacrée à une introduction à la mécanique céleste, et la seconde au contrôle des véhicules spatiaux. Un dernier chapitre concerne les méthodes numériques dites indirectes, développées à partir des études des auteurs: méthode de tir et algorithmes de calcul des points conjugués.

Cet ouvrage est consacré aux points fixes d'applications différentiables, aux zéros de systèmes non-linéaires et à la méthode de Newton. Il s'adresse à des étudiants de mastère ou préparant l'agrégation de mathématique et à des chercheurs confirmés. La première partie est consacrée à la méthode des approximations successives et confronte un point de vue «systèmes dynamiques» (théorèmes de Grobman-Hartman, de la variété stable) à des exemples issus de l'analyse numérique. La seconde partie de cet ouvrage expose la méthode de Newton et ses développements les plus récents (théorie alpha de Smale, systèmes sous ou sur-déterminés). Elle présente une nouvelle approche de ce sujet et un ensemble de résultats originaux publiés pour la première fois dans un ouvrage de langue française.

Ce cours est une introduction à la modélisation mathématique et à l'analyse numérique pour la chimie moléculaire quantique, un champ peu connu des mathématiciens et pourtant riche en sujets d'investigation. Le point de vue choisi est celui du mathématicien appliqué. Le cours est construit de manière auto-consistante. Seules des notions de base en analyse fonctionnelle sont requises pour l'aborder. Les outils mathématiques plus élaborés sont introduits progressivement et les connaissances nécessaires en physique et en théorie spectrale sont regroupées dans des annexes. On présente d'abord les modèles les plus utilisés en pratique. Puis, on analyse ces modèles d'un point de vue mathématique (questions d'existence de solutions, d'unicité, ...). On introduit ensuite les différentes stratégies numériques employées pour la résolution pratique, et on fournit, quand ceci est possible, des éléments d'analyse numérique de ces méthodes. Les liens existants entre les modèles de la chimie moléculaire et des sujets connexes sont aussi explorés : modélisation de la phase liquide, physique de l'état cristallin, biologie, simulation des matériaux, ... Le cours peut aussi intéresser le chimiste ou le physicien curieux de comprendre les techniques mathématiques dont relèvent les modèles qu'il utilise, et de découvrir comment de telles techniques peuvent améliorer significativement l'efficacité et la qualité des simulations numériques.

Le but du livre est de donner aux enseignants et aux étudiants (à partir de Bac+4) en mathématiques appliquées et en mécanique des fluides un outil d'enseignement et d'apprentissage illustré par cinquante problèmes accompagnés de leur correction détaillée. Ce livre présente une nouvelle méthode d'analyse asymptotique pour des problèmes de "couche limite". Celle-ci est appelée MASC "Méthode des Approximations Successives Complémentaires". La première moitié du livre est consacrée, outre la présentation de la MASC, à ordonner les connaissances nécessaires à l'analyse asymptotique et à donner les clés permettant la compréhension de ce qu'est un problème dit de "couche limite" et des méthodes permettant de construire une approximation. La seconde partie est consacrée à l'application de la MASC en mécanique des fluides et à la comparaison avec les méthodes plus traditionnelles issues de la célèbre MDAR, "Méthode des Développements Asymptotiques Raccordés".

Cet ouvrage applique les algorithmes à Régimes Glissants (RG) aux boucles industrielles de régulation et d'asservissement pilotées jusqu'à ce jour par les traditionnels PID et leurs variantes (RST, etc.). Le système réel à commander peut être de nature variée, avoir des parties mal ou non modélisées, être soumis à des perturbations. Les algorithmes numériques robustes RG calculent une commande ayant une composante discontinue et donnent une évolution du point de fonctionnement du système bouclé sur la surface de glissement (l'équation de la surface définit la dynamique du système bouclé). Pour les applications nous avons choisi le contexte de la formation initiale et de la formation continue (théorie élémentaire, schéma-bloc, tableau de synthèse, diagrammes temporels, équations différentielles, formalisme de Laplace, simulation numérique, commande par calculateur). Le tableau de synthèse conduit à l'équation de la commande et au calcul des paramètres de réglage. Des résultats de simulation et d'expérimentation sont donnés pour différents actionneurs et plusieurs technologies (électrique continue et alternative, pneumatique, hydraulique, muscles artificiels). Cette première édition comprend deux parties, des annexes et un index. La première partie est une initiation aux modes glissants complétée par divers aspects pratiques, dans le cas des systèmes continus mono-entrée mono-sortie. La deuxième partie, orientée troisième cycle et recherche, propose divers modes glissants généralisés et aspects théoriques, dans le cas des systèmes multi-entrée multi-sortie continus, discrets et hybrides. La première partie constitue une formation (initiale et continue) à la pratique des algorithmes RG et un support à l'enseignement de 3ème cycle (DEA) développé dans la deuxième partie.

Ce tome présente des modèles aléatoires élémentaires (chaînes de Markov à temps discret et continu, lois de valeurs extrêmes) et certaines de leurs applications courantes : algorithmes d'optimisation, gestion des approvisionnements, dimensionnement de files d'attente, fiabilité et dimensionnement d'ouvrages. Des problématiques plus récentes sont également abordées: recherche de séquences exceptionnelles et de zones homogènes de l'ADN, estimation du taux de mutation de l'ADN, phénomènes de coagulation de molécules de polymères ou d'aérosols.Ce tome s'adresse à un public très large d'étudiants et d'enseignants. Le prérequis pour sa lecture est la maîtrise du contenu d'un cours d'initiation aux probabilités.

"Conception optimale des structures" est une introduction à la conception optimale de structures, appelée aussi optimisation de formes. Il est principalement destiné à un public mixte de mathématiciens appliqués et de mécaniciens que relient un même intérêt pour les applications numériques. Il traite de tous les aspects de l'optimisation de formes, paramétrique, géométrique et topologique, et fait une large place aux algorithmes numériques, méthodes de gradient et méthodes stochastiques (avec une contribution originale de Marc Schoenauer pour ce dernier point). En particulier, la plupart des algorithmes d'optimisation de structures ont été implémentés dans le logiciel FreeFem++ d'éléments finis et les programmes sont disponibles librement sur le web."Conception optimale des structures" is devoted to structural or shape optimization and is intended for a mixed audience of applied mathematicians and mechanicians. It discusses parametric, geometric and topology optimization and gives deterministic and stochastic numerical algorithms (implemented in the FreeFem++ finite element software).

La théorie de l'estimation non-paramétrique s'est développée considérablement ces deux dernières décennies, en se fixant pour objectif quelques thèmes principaux, en particulier, l'étude de l'optimalité des estimateurs et l'estimation adaptative. Ces deux thèmes occupent la place centrale dans le livre. Il s'agit de présenter, pour quelques modèles et exemples simples, les idées principales de l'estimation non-paramétrique. Quelques sujets abordés sont: les méthodes de noyaux, de projection et de polynômes locaux, vitesses optimales de convergence, le théorème de Pinsker, les inégalités d'oracle, l'adaptation au sens minimax. Un chapitre est consacré à l'exposition détaillée des différentes techniques de minoration du risque minimax.

Cet ouvrage introduit un certain nombre de techniques disponibles pour la reconnaissance de formes planes, en mettant l'accent sur l'importance de la prise en compte des deux notions essentielles que sont l'invariance et l'analyse des déformations. En conciliant autant qu'il se peut les aspects théoriques fondamentaux et les techniques algorithmiques réalistes, il revisite les différentes méthodes de représentation de formes, allant des représentations paramétriques invariantes aux axes médians, décrit, sous un éclairage original un certain nombre de techniques de détection de formes, et développe des résultats récents sur l'analyse des déformations et la mise en correspondance de formes et d'images. Il est susceptible de servir à la fois de référence pour le chercheur que d'ouvrage d'introduction à la théorie pour l'étudiant de troisième cycle.