Andrés Zúñiga Munizaga ● Profesor Asistente

This research proposal aims to study the long-term behavior of solutions to partial differential equations arising from dispersive dynamics, kinetic models, and integro-differential dynamics in ecology; and to study extremals of functional inequalities in connection to the ground states of partial differential equations arising from quantum mechanics and diffusion phenomena. Five major topics are proposed: Relativistic quantum mechanics, Dirac operators and functional inequalities; Symmetry breaking in weighted functional inequalities and weighted diffusions; long time dynamics in dispersive PDEs in one space dimension; long-term dynamics in nonlocal models from ecology; and hypocoercivity and decay to equilibrium in kinetic models with heavy tails. The first topic focuses on establishing connections between spectral problems and functional inequalities for Dirac operators. The aim is to analyse the symmetry of optimal spinors in inequalities of Keller-Lieb-Thirring type, and to obtain the solitary waves of Soler-type nonlinear Dirac equations as optimizers of a nonlinear inequality. The second topic aims to characterize a symmetry range in which optimal functions are radially symmetric for weighted logarithmic Sobolev inequalities and a new family of Caffarelli-Kohn-Nirenberg inequalities. A nonlinear carré-du-champ method will be adapted to prove entropy-type estimates. Rigidity, perturbation, and stability issues will be addressed. The third topic seeks to study the asymptotic stability of topological and non-topological solitions for a class of dispersive PDEs in dimension one. A new method is proposed, based on perturbations in weighted spaces with exponential weights, on the so-called virial identities, and on the study of existence of breathers. The fourth topic concerns the description of evolutionary stable strategies of long-term dynamics of integro-differential models that arise in the modeling of structured populations, and to obtain qualitative and quantitative insights on the concentration dynamics. In the fifth topic, the aim is to extend the Dolbeault-Mouhot-Schmeiser method to study the large-time behavior of solutions for a broad family of kinetic equations in which the confinement potential exhibits heavy tails. The goals of this project are multiple: to strengthen and to create new collaborative research networks between France and Chile in the field of nonlinear partial differential equations and applications, to publish co-authored articles in top-tier journals and disseminate the results in international meetings, and to promote the formation of advanced human capital. In order to achieve these goals, yearly workshops will be organized in France and Chile to account for the progress of the investigations as well as to encourage the participation of students and young researchers. International training of doctoral and postdoctoral researchers will be ensured by allocating resources from this project for exchanges. Considering the history of successful collaboration amongst the members of this project, and their expertise in their research fields, we are confident about the successful termination of the project. In particular, we expect to pave the way for new research avenues. The main scientific contribution of this proposal involves adapting state-of-the-art techniques from PDEs and nonlinear analysis to obtain qualitative and quantitative results for variational problems and partial differential equations, in which the setting plays a crucial role: complex-valued matrices (first topic), nonlinear and weighted (second topic), strongly nonlinear and dispersive (third topic), nonlocal (fourth topic), general assumption on the tail of the confining potential (fifth topic). This proposed research will provide insights into spectral theory, stability theory of equilibria of differential equations, optimal rates of convergence to equilibria, and their relation to optimal constants in functional inequalities. The expected results will help improving the understanding of various real-life phenomena, including population-dynamics, relativistic quantum mechanics, and diffussion processes. The viability of the project is sustained on the expertise of the members of the Chilean and French research teams, including experts in partial differential equations, nonlinear analysis, calculus of variations, and mathematical physics. Their successful collaboration record and significant contributions to these fields only strengthen the potential of this proposal. In conclusion, the present research project will not only foster the scientific cooperation between Chile and France but it will also provide meaningful advancements in the aforementioned fields and their application to various physical phenomena.

A

PINNs

Esta propuesta está dedicada al estudio de problemas locales y no locales, elípticos y parabólicos, en Ecuaciones en Derivadas Parciales (EDP). Se espera obtener resultados de existencia para los problemas planteados, son 3 los problemas que se quieren estudiar: El primer modelo involucra al Laplaciano Fraccionario con singularidades no lineales (Ecuación Fraccionaria de Burger ver (3)). En este problema queremos probar la existencia y la no unicidad de soluciones débiles de (3), teniendo en cuenta que las soluciones de entropía son soluciones débiles, el primer paso será probar existencia de soluciones de entropía, para esto usaremos el método de sub y supersoluciones, donde probaremos los resultados de los principios de Comparación y L1-Contracción. Una vez teniendo la existencia de solución de entropía, pasaremos a construir una solución débil que no sea solución de entropía, donde esta solución débil se obtendrá como límite de soluciones a problemas regularizados estacionarios, en donde usaremos métodos variacionales para resolver el problema regularizado. El segundo problema, es una extensión al caso no local del problema estudiado en [L. Jeanjean and V. Radulescu, Nonhomogeneous quasilinear elliptic problems: linear and sublinear cases, Journal d'Analyse Mathématique (2021)]. Para probar existencia de soluciones aplicaremos estudios de mínimos locales y el teorema del paso de montaña para el funcional de energía asociado. Para finalizar nuestra propuesta, queremos encontrar soluciones periódicas para sistemas de EDP de cuarto orden (tipo Fisher-Kolmogorov generalizado, ver (9). Siguiendo las técnicas en [P. Smyrnelis, Connecting orbits in Hilbert Spaces and application to PDEs, Comm. Pure Appl Anal 19 (5): 2897--2818 (2020)], usaremos métodos variacionales para probar la existencia de órbitas conectadas en espacios de Hilbert. Construiremos órbitas periódicas usando la construcción desarrollada por Alessio, Montecchiari y Zúñiga en [F. Alessio and P. Montecchiari and A. Zuniga, Prescribed energy connecting orbits for gradient systems, Discr. Cont. Dyn. Systems 39 (8): 4895--4928 (2019].

Aplicación de técnicas variacionales y de Ecuaciones Diferenciales Parciales en grafos para problemas de agrupación de datos y para segmentación de imágenes

Estudio e implementación de métodos híbridos para la resolución computacional de EDP aplicadas a Ciencia de Datos.

En los campos de investigación de Análisis, Ecuaciones en Derivadas Parciales y Geometría, así como en otras áreas como la Física Experimental, Física Teórica y Ciencias de los Materiales, un gran foco de atención se pone en explorar las cuestiones de existencia y descripción cualitativa de puntos críticos a problemas variacionales, los cuales dependen de parámetros que surgen naturalmente en el modelamiento de fenómenos en los campos antes mencionados. Igualmente importante es el entendimiento de las propiedades de rigidez de estos modelos, a saber, decidir si la existencia y propiedades cualitativas de tales puntos críticos se mantienen, o cambian abruptamente, cuando los valores de los parámetros varían. En las últimas décadas, se ha logrado un gran progreso en estas direcciones - desde el punto de vista del análisis matemático - en dos clases de problemas variacionales que comparten ``características de isotropía sin pesos": los funcionales son construídos de manera que, a grandes rasgos, las funciones/conjuntos son penalizados independientemente de la posición, y no hay direcciones preferidas o distinguidas. El primer problema corresponde al modelo de gotas líquidas de Gamow, el cual es un problema isoperimétrico con un término adicional no-local de tipo Riesz, propuesto originalmente para describir la existencia/no-existencia y características geométricas del núcleo atómico, en física nuclear, dependiendo de un parámetro de masa. El segundo, es sobre el estudio de existencia y propiedades cualitativas de vórtices para la energía de Ginzburg-Landau (GLE), usada para describir defectos en superfluídos y física de materia condensada. En los años recientes, los investigadores se han dedicado a proponer y explorar variantes del modelo variacional antes descrito, donde el funcional de energía asociado adquiere pesos o anisotropías, en un intento por capturar fenómenos más finos y delicados encontrados en experimentos, así como para extender la teoría matemática a contextos más generales. Los objetivos principales del proyecto son el estudio de existencia, y propiedades cualitativas así como de rigidez para: (1) versiones con pesos del modelo de gotas líquidas, donde un funcional de perímetro reemplaza al perímetro usual en el sentido de De Giorgi, y (2) una version anisotrópica de la energía de Ginzburg-Landau derivada del modelamiento de defectos umbilicales en un límite 3D a 2D de cristales líquidos nemáticos, en un régimen físico que favorece el comportamiento anisotrópico. Concretamente, la primera parte del proyecto buscar establecer existencia, acotamiento y regularidad optimal para conjuntos que minimizan el funcional isoperimétrico con pesos más un potencial no-local, para una clase de pesos continuos que se asumen degenerados (valen cero en una cantidad finita de puntos) y coercivos en infinito. Además, esperamos probar una propiedad de rigidez en cuanto a la forma del minimizantes (unicidad): debe ser una bola, para un rango adecuado del parámetro de masa. Adicionalmente, planeamos argumentar rigurosamente el fenómeno de fragmentación infinita, cuando los valores del parámetro de masa tienden a cero. Esto requiere del entendimiento y adaptación de multiples heramientas profundas y sofisticadas en la teoría de medida geométrica y el cálculo de variaciones, que incluye: una versión geométrica del principio de concentración compacidad de Frank y Lieb; la teoría de regularidad estándar para conjuntos quasi-minimizantes en el contexto sin pesos, así como la adaptación de resultados de regularidad muy recientes de Pratelli y Saracco para conjuntos isoperimétricos con pesos (sin término no-local); la celebrada desigualdad isoperimétrica cuantitativa ajustada de Fusco, Maggi and Pratelli y la estrategia de Acerbi, Fusco and Morini para mostrar rigidez de minimizadores (en el marco isotrópico), entre otros. A este respecto, resaltamos un resultado reciente obtenido por el Investigador Principal sobre la existencia y regularidad de funciones con menor gradiente con pesos, un problema que está muy relacionado con el problema isoperimétrico con pesos. Concerniendo la segunda parte del proyecto, nuestro punto de partida es el trabajo de Clerc-Dávila-Vidal Henríquez-Kowalczyk quienes derivaron una version anistrópica de la energía GLE y estudiaron como la anisotropía quiebra algunas invarianzas de la asociada ecuación de GL. Las soluciones tipo-vórtice ahora consisten de un conjunto discreto (restricción en la fase), y para cada una ellos argumentan heurísticamente su estabilidad/inestabilidad, como una función del parámetro de anisotropía. El objectivo principal de este parte del proyecto es analizar rigurosamente la propiedades de estabilidad/inestabilidad lineal de soluciones tipo-vórtice simétricas (defectos puntuales) para la GLE anisotrópica, dependiendo del tamaño del núcleo de la solución. Para lograr estas metas se propone adaptar herramientas clave en el análisis de estabilidad de la energía, tales como "Fourier-splitting" y ortogonalidad de formas cuadráticas, de Mironescu; y el approach de del Pino-Felmer-Kowalczyk basado en decomposiciones tipo-Hardy, usado para argumentar la no-degeneracia de la forma cuadrática asociado al vórtice de grado-uno de GL; entre otros. Al IP le gustaría extender el análisis de estabilidad para soluciones de tipo-vórtice para la GLE anisotrópica que no son simétricas (vórtices con ``carga topológica" negativa). Este es un problema mucho más desafiante, ya que la representación polar de la solución no se desacopla en una parte radial y otra angular, de manera uni-dimensional. Finalmente, otro resultado de interés independente consiste en establecer existencia de soluciones tipo-vórtice generales para la GLE anisotrópica sin restricción en la fase; esto causa que el perfil radial sea a valores complejos, una característica fundamentalmente distinta comparada con aquella del caso isotrópico. En resumen, este proyecto buscar dar una contribución sustancial a la teoría de problemas variacionales geométricos con pesos y a la teoría de estabilidad de soluciones tipo-vórtice para versiones anisotrópicas de energías tipo Ginzburg-Landau, las cuales se estan convirtiendo en una foco de investigación profusa en la comunidad de Análisis No-Lineal. El desarrollo de herramientas y la adaptación de nuevas técnicas del Análisis nos permitirá obtener un mayor entendimiento sobre los mecanismos que influencian la existencia, propiedades cualitativas y de rigidez, en la presencia de pesos y anisotropías para los tipos de problemas variacionales propuestos. Esperamos esto llevaré a nuevas direcciones de investigación en problemas relacionados dentro del Cálculo de Variaciones, Teoría de Medida Geométrica, y Ecuaciones en Derivadas Parciales.