Discrete Clifford analysis

Abstract

Esta tese estuda os fundamentos de uma teoria discreta de funções em dimensões superiores usando a linguagem das Álgebras de Clifford. Esta abordagem combina as ideias do Cálculo Umbral e Formas Diferenciais. O potencial desta abordagem assenta essencialmente da osmose entre ambas as linguagens. Isto permitiu a construção de operadores de entrelaçamento entre estruturas contínuas e discretas, transferindo resultados conhecidos do contínuo para o discreto. Adicionalmente, isto resultou numa transcrição mimética de bases de polinómios, funções geradoras, Decomposição de Fischer, Lema de Poincaré, Teorema de Stokes, fórmula de Cauchy e fórmula de Borel-Pompeiu. Esta teoria também inclui a descrição dos homólogos discretos de formas diferenciais, campos vectores e integração discreta. De facto, a construção resultante de formas diferenciais, campos vectores e integração discreta em termos de coordenadas baricêntricas conduz à correspondência entre a teoria de Diferenças Finitas e a teoria de Elementos Finitos, dando um núcleo de aplicações desta abordagem promissora em análise numérica. Algumas ideias preliminares deste ponto de vista foram apresentadas nesta tese. Também foram apresentados resultados preliminares na teoria discreta de funções em complexos envolvendo simplexes. Algumas ligações com Combinatória e Mecânica Quântica foram também apresentadas ao longo desta tese.

This thesis studies the fundamentals of a higher dimensional discrete function theory using the Clifford Algebra setting. This approach combines the ideas of Umbral Calculus and Differential Forms. Its powerful rests mostly on the interplay between both languages. This allowed the construction of intertwining operators between continuous and discrete structures, lifting the well known results from continuum to discrete. Furthermore, this resulted in a mimetic transcription of basis polynomial, generating functions, Fischer Decomposition, Poincaré and dual-Poincaré lemmata, Stokes theorem and Cauchy’s formula. This theory also includes the description discrete counterparts of differential forms, vector-fields and discrete integration. Indeed the resulted construction of discrete differential forms, discrete vector-fields and discrete integration in terms of barycentric coordinates leads to the correspondence between the theory of Finite Differences and the theory of Finite Elements, which gives a core of promising applications of this approach in numerical analysis. Some preliminary ideas on this point of view were presented in this thesis. We also developed some preliminary results in the theory of discrete monogenic functions on simplicial complexes. Some connections with Combinatorics and Quantum Mechanics were also presented along this thesis.