PDE and applications seminar | Metz

Résumé à venir

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Kernel-based methods are central to modern data analysis, supporting nonlinear regression, forecasting, and advanced function approximations and extensions. Here, we introduce two multiscale kernel constructions, adapted for three distinct application settings, each centered
around function approximations and extension schemes.

First, a multiscale iterative scheme is used to enhance coarse-grid finite-difference computations, enabling accurate fine-grid solutions. This same iterative scheme is also employed in a spatiotemporal kernel regression model, which fuses information from multiple spatial locations. This approach yields accurate forecasts across diverse real-world datasets, including solar energy productions, epidemiological trends, and fire-events dynamics.
Finally, a second construction uses high-order multiscale kernels, which are constructed via combinations of scaled Gaussians. This approach preserves more spectral energy in the leading modes and enhances Nyström-type extensions and out-of-sample embeddings in manifoldlearning settings.
Altogether, these contributions offer a unified multiscale perspective. By capturing data geometry with kernels and transferring information across scales and modalities, the framework enables a robust yet simple scheme for approximations and extensions. This approach is readily applicable to a wide range of scientific problems.

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In this talk we present the problem of designing infinite-dimensional observers for infinite-dimensional systems. We consider the situation where only boundary measurement is available. Infinite-dimensional Luenberger-like observers are elaborated to infinite-dimensional dynamical systems in the abstract framework of semigroup systems. Exponential convergence of the proposed observers is guaranteed in the abstract framework by using the Lyapunov techniques. As examples explicit observers are worked out for PDE systems such as Euler-Bernoulli elastic beam systems and water wave systems. Thanks to observability property exponential or strong convergence of the designed observers is established with the convergence rate estimated in function of parameters of the observed systems, which is a desirable property for practical applications.

1. Lien entre l’hydrodynamique quantique et les équations de Schrödinger non linéaires
2. Vitesse de propagation maximale pour les équations de Schrödinger

The standard approach for photoacoustic imaging with variable speed of sound is time reversal, which consists of solving a well-posed final-boundary value problem for the wave equation backwards in time. We present a gradient based approach which consists of the iterative Landweber regularization algorithm, where convergence is guaranteed by standard regularization theory, notably also in cases of trapping sound speed or for short measurement times.
We formulate and solve the direct and inverse problem on the whole Euclidean space, which is common in standard photoacoustic imaging, but not for time reversal algorithms, where the problems are considered on a domain enclosed by the measurement devices. We formulate both the direct and adjoint photoacoustic operator as the solution of an interior and an exterior differential equation which are coupled by transmission conditions. The former is solved numerically using a Galerkin scheme in space and finite difference discretization in time, while the latter consists of solving a boundary integral equation. We therefore use a boundary element method/finite element method approach for numerical solution of the forward operators.
We analyze this method, prove convergence, and provide numerical tests. Moreover, we compare the approach to time reversal.

We consider the Dirichlet Laplacian in a two-dimensional strip composed of segments translated along a straight line with respect to a rotation angle with velocity diverging at infinity. We show that this model exhibits a “raise of dimension” at infinity leading to an essential spectrum determined by an asymptotic three-dimensional tube of annular cross section. If the cross section of the asymptotic tube is a disc, we also prove the existence of discrete eigenvalues below the essential spectrum. Joint work with David Krejcirik (Prague).

Le but de ce travail est de montrer la contrôlabilité à zéro d’un système modélisant l’interaction entre un fluide incompressible et une structure solide en utilisant un contrôle distribué localement situé dans le domaine du fluide. Le fluide est modélisé par le système de Navier-Stokes avec les conditions de Navier sur le bord, tandis que le corps rigide est gouverné par les lois de Newton. Le résultat principal montre qu’on peut amener les vitesses du fluide et de la structure à zéro et qu’on peut contrôler exactement la position du solide qui est supposé être assez régulier et de forme géométrique quelconque. Le point clé consiste à l’élaboration d’une nouvelle inégalité de Carleman pour le système linéarisé associé à notre problème couplant les équations de Stokes et des équations différentielles ordinaires avec les conditions de Navier sur le bord.

Nous appliquons une méthode de commutateurs à l’opérateur de Schrödinger discret sur . Nous proposons un nouvel opérateur conjugué qui nous permet de prouver la présence de spectre purement absolument continue à certains niveaux d’énergie. Nous imposons aux potentiels une décroissance de type longue portée plus générale que dans le traitement classique. Typiquement, on suppose une décroissance sur où κ>1 et τ_j est une translation dans la direction j. Le cas classique correspond à κ=1.

Travail réalisé en collaboration avec Marc-Adrien Mandich

On s’intéresse aux équations paraboliques linéaires, donc aux équations de la forme

(avec une condition initiale).

Nous nous intéressons principalement à l’obtention d’approximations de sa solution fondamentale K_t(x, y). Les approximations de la solution fondamentale ont une longue histoire en mathématiques et dans d’autres domaines, sous le nom d’approximation WKB (en théorie quantique) ou approximations du noyau de la chaleur.

L’asymptotique du noyau de la chaleur en termes de la géométrie a conduit à une démonstration célèbre du théorème de l’indice local et, plus récemment, dans les travaux de Pierre-Henry Labordère, à des applications souvent utilisées en finance. Si les coefficients sont suffisamment bornés (y compris leurs dérivées), j’expliquerai une méthode différente pour obtenir des développements en série perturbative qui conduit à des calculs très explicites des coefficients du développement asymptotique.

Cette méthode combine la formule de Duhamel/séries perturbatives de Dyson habituelles avec des calculs explicites inspirés des calculs des groupes de Lie nilpotents. J’expliquerai comment ces calculs peuvent ensuite être utilisés pour obtenir des approximations de la solution u de l’équation parabolique et je montrerai quelques tests numériques. J’espère que cette méthode pourra être étendue à de nombreux autres types d’équations (quelques résultats récents sur Navier-Stokes sur la sphère nous donnent plus de raisons d’espérer).

Ces techniques peuvent être combinées avec d’autres techniques (dans les EDP, dans l’analyse numérique ou dans d’autres domaines) et, en principe, pourraient fonctionner pour d’autres équations d’évolution. Dans le premier exposé, Nabil Kazi-Tani expliquera également très brièvement comment des équations paraboliques de ce type découlent de processus stochastiques.

On s’intéresse aux équations paraboliques linéaires, donc aux équations de la forme

(avec une condition initiale).

Nous nous intéressons principalement à l’obtention d’approximations de sa solution fondamentale K_t(x, y). Les approximations de la solution fondamentale ont une longue histoire en mathématiques et dans d’autres domaines, sous le nom d’approximation WKB (en théorie quantique) ou approximations du noyau de la chaleur.

L’asymptotique du noyau de la chaleur en termes de la géométrie a conduit à une démonstration célèbre du théorème de l’indice local et, plus récemment, dans les travaux de Pierre-Henry Labordère, à des applications souvent utilisées en finance. Si les coefficients sont suffisamment bornés (y compris leurs dérivées), j’expliquerai une méthode différente pour obtenir des développements en série perturbative qui conduit à des calculs très explicites des coefficients du développement asymptotique.

Cette méthode combine la formule de Duhamel/séries perturbatives de Dyson habituelles avec des calculs explicites inspirés des calculs des groupes de Lie nilpotents. J’expliquerai comment ces calculs peuvent ensuite être utilisés pour obtenir des approximations de la solution u de l’équation parabolique et je montrerai quelques tests numériques. J’espère que cette méthode pourra être étendue à de nombreux autres types d’équations (quelques résultats récents sur Navier-Stokes sur la sphère nous donnent plus de raisons d’espérer).

Ces techniques peuvent être combinées avec d’autres techniques (dans les EDP, dans l’analyse numérique ou dans d’autres domaines) et, en principe, pourraient fonctionner pour d’autres équations d’évolution. Dans le premier exposé, Nabil Kazi-Tani expliquera également très brièvement comment des équations paraboliques de ce type découlent de processus stochastiques.

The aim of this talk is to study a stochastic Schrödinger equation with a quadratic nonlinearity and a space-time fractional perturbation, in space dimension $dleq 3$. When the Hurst index is large enough, we will prove local well-posedness of the problem using classical arguments. I will briefly talk about the case where we deal with a small Hurst index since even the interpretation of the equation needs some care. A renormalization procedure must come into the picture, leading to a Wick-type interpretation of the model. Our fixed-point argument then involves some specific regularization properties of the Schrödinger group, which allows us to cope with the strong irregularity of the solution. This is a joint work with Aurélien Deya and Laurent Thomann.

We consider a nonlinear reaction–diffusion equation in a domain consisting of two bulk regions connected via small channels periodically distributed within a thin layer. The height and the thickness of the channels are of order $epsilon$, and the equation inside the layer depends on the parameter $epsilon$. We consider the critical scaling of the diffusion coefficients in the channels and nonlinear Neumann-boundary condition on the channels’ lateral boundaries. We derive effective models in the limit $epsilon to 0 $, when the channel-domain is replaced by an interface $Sigma$ between the two bulk-domains. Due to the critical size of the diffusion coefficients, we obtain jumps for the solution and its normal fluxes across $Sigma$, involving the solutions of local cell problems on the reference channel in every point of the interface $Sigma$. This is a joint work with Markus Gahn (University of Heidelberg)