Ondes périodiques dans des systèmes d’ÉDP hamiltoniens : stabilité, modulations et chocs dispersifs

Periodic waves in some Hamiltonian PDEs : stability, modulations and dispersive shocks

• Auteur / Autrice : Colin Mietka
• Direction : Sylvie Benzoni-Gavage, Luis Miguel Rodrigues
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 28/02/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale InfoMaths (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Camille Jordan (Rhône ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Martine Marion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brigitte Bidégaray-Fesquet, Michael Shearer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Bresch, Stephan De Bièvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stabilité

Dispersion (mathématiques)

Systèmes hamiltoniens

Mots clés libres

Onde périodique

Dynamique hamiltonienne

Dispersion

Stabilité

Modulation

Choc dispersif

Periodic wave

Hamiltonian dynamics

Dispersion

Stability

Modulation

Dispersive shocks

Résumé

La première partie de cette thèse concerne l'étude du problème de Cauchy pour l'équation de KdV quasi-linéaire.On établit un théorème d'existence locale obtenu grâce à des propriétés structurelles et des techniques de jauge qui permettent de compenser les pertes de dérivées apparentes dans les estimations a priori.Dans la seconde partie, les propriétés de stabilité orbitale co-périodique et modulationnelle sont explorées numériquement en exploitant des critères algébriques tous établis à partir d'une même intégrale d'action et de ses dérivées secondes. Notre méthode utilise des quadratures numériques suivies de différences finies afin de calculer la matrice hessienne de l'intégrale d'action. Le comportement asymptotique de cette matrice nous pousse à prêter beaucoup d'attention à l'étude des ondes de grande période ou de faible amplitude. Les résultats numériquesprésentés fournissent de nombreuses informations en lien avec des questions ouvertes.On effectue également des simulations directes sur le système d' ÉDP original pour étudier à la fois le comportement des ondes périodiques sous différents types de perturbations, et les solutions de problèmes de Cauchy avec donnée initiale discontinue. Pour ces derniers, on s'attend à observer des chocs dispersifs, dont la compréhension est basée sur le problème de Gurevich-Pitaevskii, où les équations modulées à la Whitham sont utilisées pour approcher la zone oscillante des chocs. On compare des simulations directes aux solutions idéales du problème de Gurevich-Pitaevskii, en commençant par la célèbre équation de KdV

The first part of this manuscript presents a well-posedness result for a quasilinear version of the KdV equation.The proof takes advantage of structural properties and gauge techniques to deal with apparent loss of derivativesin a priori estimates.In the second part, we investigate the modulational and orbital coperiodic stability of periodic waves by computingalgebraic criteria involving the same abbreviated action integral and its second order derivatives. Our methoduses numerical integrations followed by finite differences to compute the Hessian matrix of the action integral.We pay attention to the asymptotic behavior of this matrix in the large period and small amplitude limits. Thenumerical results about stability give some new insight on several analytical open questions.Finally, direct numerical computations are done on the original system of PDEs to study the behavior of periodictraveling waves under various kinds of perturbations and the solutions of Cauchy problem with discontinuousinitial data. For the latter, we expect dispersive shock waves to arise. The building block for understandingdispersive shocks is known as the Gurevich-Pitaevskii problem, in which modulated equations 'a la Whitham'are used as an approximate model for the oscillatory zone. We compare direct numerical simulations to idealizedsolutions of Gurevich-Pitaevskii problems, starting with the famous KdV equation