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Mención Internacional en el título de doctor La presente tesis doctoral tiene por objeto el estudio de familias de polinomios que son soluciones del siguiente problema con valores iniciales donde tanto f como g son polinomios y L en los capítulos 2 y 3 es el operador derivada m-ésima de f. La diferencia en los dos casos anteriores es que mientras en el capítulo 2 se considera que g es un polinomio ortogonal clásico sobre la recta real, en el capítulo 3 denotamos por g al polinomio ortogonal con respecto a una cierta medida soportada sobre un arco de la circunferencia unidad y [omega]k es constante para cada k = 0 ,..., m. El capítulo 4, se dedica a las aplicaciones al procesamiento digital de imágenes, de las soluciones del problema (1) cuando f = g. Como puede apreciarse más adelante, este último caso corresponde a los conocidos polinomios de Krawtchouk. Acerca de la localización de los puntos críticos de polinomios en términos de sus ceros existe una teoría amplia (vea [72, Part I] y [81]), cuyas bases fundamentales son los teoremas de Rolle, Gauss-Lucas y sus refinamientos. Sin embargo, no existen recíprocos generales de estos resultados. Es obvio, que dado un cero de un polinomio y sus puntos críticos, los restantes ceros están unívocamente determinados. No obstante, solo existen unos pocos resultados sobre localización de ceros en función de sus puntos críticos y uno de sus ceros, la mayoría de los cuales se pueden ver en [72, x4.5]. En general, estos resultados son corolarios del Teorema de Composición de Schur-Szego (vea [72, Th.3.4.1d]. Quizás, los resultados más significativos en este sentido sean los Teoremas de Walsh [72, Th. 4.5.1] y Biernacki [72, Th. 4.5.2]. Hasta donde conocemos, sobre la localización de ceros de integrales iteradas de polinomios, normalizados con la condicin de anularse en el origen, solo existe el trabajo [16]. El mencionado artículo estudia varios casos particulares de familias de polinomios, entre ellos los polinomios de Legendre, y plantea una serie de conjeturas, algunas de las cuales se responden en los Capítulos 2 y 3 de esta memoria. El Capítulo 2 de esta memoria está dedicado a las integrales iteradas de polinomios ortogonales clásicos sobre la recta real, con énfasis en el caso Jacobi. Los trabajos [9, 10] muestran el interés de este tipo de polinomios para las aplicaciones a los métodos numéricos de elementos finitos. Es bien conocido que el polinomio mónico de Hermite Hn+m de grado (n + m) 2 Z+, donde tanto n como m son enteros no negativos. Como se mencionó anteriormente, el tercer capítulo se dedica al estudio del comportamientos asintótico los polinomios obtenidos mediante la integración iterada de los polinomios ortogonales con respecto a medias soportadas en un arco de la circunferencia unidad y el conjunto de acumulación de sus ceros. Se encuentra el comportamiento asintótico relativo entre las familias de polinomios ortogonales y sus respectivas familias de polinomios obtenidos por integración iterada. Se muestra la representación gráfica de regiones cerradas que contienen los ceros de las nuevas familias de polinomios y de curvas donde se acumulan los mismos en varios casos particulares. El tema central del Capítulo 4 es la implementación de un algoritmo eficiente para la detección de bordes de imágenes digitales basado en las propiedades de los polinomios ortogonales de Krawtchouk en dos variables. La primera parte del capítulo se dedica a estudiar las propiedades de esta familia de polinomios ortogonales en dos variables, que son de interés para el algoritmo propuesto. Las novedades de este algoritmo que fundamentan la calificación de eficiente son las siguientes: La aproximación de las diferencias parciales (derivadas parciales discretas) se realiza mediante una combinación lineal de polinomios de Krawtchouk en dos variables, los cuales son ortogonales con respecto a un producto interior discreto que involucra a la distribución binomial. En consecuencia, ya no es necesario suavizar la imagen mediante un filtro Gaussiano en dos dimensiones antes de realizar la diferenciación numérica, con el fin de regularizar la naturaleza mal condicionada de la diferenciación (ver [91]) y por lo tanto mejorar la localización de los bordes. En [11, 36] los autores describen un procedimiento para la detección de bordes utilizando los polinomios discretos de Chebyshev y un único umbral de discriminación de bordes para toda la imagen. Aquí, el algoritmo propuesto utiliza dos niveles de umbrales adaptativos, lo que reduce la presencia de falsos positivos o negativos en la selección de pixels-bordes. El operador gradiente para submatrices bloques de 5x5, en lugar del tradicional 3x3, proporciona una mejor localización de los pixels-bordes, ya que los bordes tienden a ser más gruesos cuando el tamaño del bloque incrementa [36, 69]. Para evitar el efecto de bordes gruesos y mejorar el resultado final en el algoritmo se aplican operaciones morfológicas (estrechar, erosionar y adelgazar) a la imagen de borde obtenida después del segundo paso de procesamiento del algoritmo. Para demostrar la efectividad del algoritmo propuesto se utilizaron imágenes tomadas de dos campos de aplicación muy diferentes: imágenes naturales utilizadas para la detección de objetos, vigilancia, etc; así como mapas de profundidad utilizados actualmente en aplicaciones y servicios multimedia de video 3D. Los contornos de objetos superpuestos, como la identificación de objetos de primer plano en mapas de profundidad, se obtienen con bastante buena precisión. Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Matemática Presidente: Francisco José Marcellán Español.- Secretario: Ramón Ángel Orive Rodríguez.- Vocal: Wilfredo Óscar Urbina Romero

Mención Internacional en el título de doctor, In the last 30 years, the study of orthogonal polynomials in Sobolev spaces has obtained an increasing attention from the research community. The first work on Sobolev orthogonal polynomials was published in 1962 by Althammer, who studied the Legendre-Sobolev polynomials orthogonal with respect to the inner product. The study of this family of orthogonal polynomials is not only interesting for a comparison with the standard theory of orthogonal polynomials, but these polynomials also arise in a natural way in a variety of contexts. In this thesis, we analyze the properties of polynomials orthogonal with respect to a discrete Sobolev inner product. More precisely, we will focus our attention on the study of connection formulas relating Sobolev orthogonal polynomials with the corresponding ordinary ones. Indeed, we deal with some problems on asymptotic behavior of Sobolev orthogonal polynomials as well as we obtain some results on convergence of Fourier-Sobolev series. The present Thesis is organized as follows: In Chapter 1 we introduce the theory of Sobolev orthogonal polynomials and the notation that we will use along this Thesis. We summarize two main differences between the standard orthogonal polynomials and the Sobolev case: recurrence relations and the location of zeros of orthogonal polynomials. Here, we also include a thorough study about the known connection formulas. Finally, for a better understanding of our work, we give the state of the art about asymptotics and Fourier series of orthogonal polynomials, analyzing both the cases of measures with bounded and unbounded support, respectively. In Chapter 2 we study some algebraic and analytic aspects of certain family of Sobolev polynomials orthogonal with respect to a measure with a bounded support on the real line. In Section 2.1 we present an alternative proof for a known result about Outer Relative Asymptotics of Sobolev orthogonal polynomials. In Section 2.2 we also include a new matrix connection relating the matrix associated to the higher order recurrence relation for Sobolev polynomials and the corresponding Jacobi matrix associated to the standard ones. In Section 2.3 we show a result about pointwise convergence of Fourier-Sobolev series in the case of measures with bounded support. In Chapter 3 we summarize some known properties of polynomials orthogonal with respect to a modification of the Laguerre measure, the k-iterated Christoffel one. Later on, we obtain estimates for the norm of such polynomials as well as a generalized Christoffel formula for them. Finally, we present a detailed study about the diagonal Christoffel kernels associated to the Gamma distribution. In particular, we obtain the asymptotic behavior of these kernel polynomials both inside and outside the support of the measure. In Chapter 4 we deal with the Outer and Inner Relative Asymptotics of Sobolevtype orthogonal polynomials when the mass points are located inside the support of the measure, the oscillatory region for such polynomials. Finally, we obtain the asymptotic behavior of the coefficients appearing in the higher order recurrence relation that Sobolev polynomials satisfy. In Chapter 5 we show the divergence of a certain Fourier-Sobolev series. The main tool for this purpose will be a Cohen type inequality. This problem is dealing for the first time for a Sobolev-type inner product with a mass point outside the support of the measure., El desarrollo del estudio de polinomios ortogonales en espacios de Sobolev ha tenido lugar a lo largo de los últimos 30 años. El primer artículo sobre polinomios ortogonales de Sobolev, fue publicado en 1962 por Althammer, quien estudió los polinomios de Sobolev-Legendre ortogonales respecto al producto interno. El estudio de estas nuevas familias de polinomios ortogonales es interesante, no sólo por la comparación entre las propiedades y comportamiento de estos polinomios frente a los polinomios ortogonales, sino por las múltiples aplicaciones que tienen en diferentes contextos. En esta memoria analizaremos el comportamiento y las propiedades de polinomios ortogonales respecto a productos internos de Sobolev discretos. Más concretamente, nuestro interés será el estudio de fórmulas de conexión entre polinomios ortogonales estándar y polinomios ortogonales de Sobolev. De esta forma, podremos abordar algunos problemas de asintótica de polinomios ortogonales de Sobolev, así como obtener resultados de convergencia de series de Fourier asociadas a tales polinomios. Estos contenidos se dividen en los siguientes capítulos: En el capítulo 1 presentamos una introducción a la teoría de polinomios de Sobolev, introduciendo la notación que se utilizaría a lo largo de esta tesis. Se resumirán las principales diferencias entre el caso estándar y el caso Sobolev. En concreto nos centraremos en el estudio de relaciones de recurrencia y localización de ceros de dichos polinomios ortogonales. Se incluirá un estudio bastante completo de los diferentes tipos de fórmulas de conexión existentes. Finalmente, daremos una panorámica de los resultados conocidos en asintótica y desarrollos en series de Fourier de polinomios ortogonales de Sobolev tanto en el caso de soporte acotado como en el no acotado, que permitirá una mejor comprensión de nuestro trabajo. En el capítulo 2 se estudian aspectos analíticos y algebraicos de cierta familia de polinomios de Sobolev ortogonales respecto a una medida de soporte acotado. En la sección 2.1 se presenta una demostración alternativa de un resultado conocido sobre asintótica relativa exterior de ciertos polinomios de Sobolev. Demostraremos una nueva relación matricial entre la matriz asociada a la relación de recurrencia que satisfacen los polinomios de Sobolev y la matriz de Jacobi de los correspondientes polinomios ordinarios en la sección 2.2. En la última sección presentaremos un resultado sobre convergencia puntual de series de Fourier asociadas a ciertos polinomios de Sobolev. En el capítulo 3 resumiremos algunas propiedades conocidas de polinomios ortogonales respecto a una medida de Laguerre modificada, una k-iteración de Christoffel de la medida de Laguerre. A continuación, obtendremos estimaciones para la norma de estos polinomios y proporcionaremos una fórmula generalizada de Christoffel para tal familia de polinomios. Finalmente, presentaremos un estudio completo y detallado de los núcleos de Christoffel diagonales asociados a la distribución Gamma, obteniendo la asintótica de los mismos tanto dentro como fuera del soporte de la medida. En el capítulo 4 se hace un estudio de asintótica relativo de polinomios ortogonales de Sobolev discreto cuando las masas en la parte discreta del producto interno están situadas dentro el soporte de la medida, la región de oscilación de dichos polinomios. El comportamiento de dichos polinomios será estudiado tanto dentro como fuera del soporte de la medida. Finalmente, obtendremos el comportamiento asintótico de los coeficientes que aparecen en la relación de recurrencia que satisfacen los polinomios de Sobolev. En el capítulo 5 abordaremos el problema de convergencia de series de Fourier-Sobolev. Mostraremos la divergencia de la serie de Fourier asociada a cierta familia de polinomios ortogonales de Sobolev y la principal herramienta para ello serán las desigualdades de tipo Cohen. Este problema es tratado por primera vez para un producto de Sobolev discreto con una masa fuera del soporte de la medida., Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Matemática, Presidente: Guillermo López Lagomasino.- Vocal: M. Alicia Chachafeiro López.- Secretario: José Carlos Soares Petronilho

La Teoría de funciones especiales y, más concretamente, la Teoría de polinomios ortogonales constituyen unas de las fuentes más apreciadas por la cantidad de aplicaciones tanto en la matemática y como en la física con la que éstas aparecen relacionadas. Entre ellas se encuentran la teoría de números, el análisis numérico, la teoría de operadores, la teoría de representación de grupos y la mecánica cuántica, por citar algunas. En esta memoria se han desarrollado, dentro de la variedad de problemas que se pueden encontrar relacionados con dichas teorías, los siguientes problemas que están íntimamente vinculados con algunas de las áreas antes mencionadas: 1) Estudio del problema de factorización de la ecuación de Nikiforov y Uvarov y su aplicación a la construcción de distintos modelos de q- osciladores armónicos y sus correspondientes álgebras dinámicas. 2) Estudio y desarrollo de distintos aspectos de la teoría de polinomios ortogonales clásicos y semiclásicos en redes no uniformes. En particular el estudio de ciertas propiedades que permitan caracterizar a dichas familias. 3) Finalmente se estudian algunos ejemplos concretos de q-polinomios de especial interés como los q-polinomios de Racah y los q-polinomios de tipo Krall

En el capítulo 2, se obtiene una expresión explícita para la familia de coeficientes de Verblunsky asociados a la transformación de Christo el en términos de la familia de los coeficientes de Verblunsky asociados con la medida original, y se lleva a cabo un análisis del comportamiento asintótico de los mismos. En el mismo capítulo, con respecto a la transformación consistente en la multiplicación de la medida por la parte real de un polinomio, se obtiene la relación entre las correspondientes funciones de Carathéodory, utilizando la representación integral de Riesz-Herglotz de la función de Carathéodory original. Dicha relación fué obtenida en [17] utilizando un método distinto. Además, se obtiene una relación entre las correspondientes matrices de Hessenberg y un análisis asintótico de la familia de coeficientes de Verblunsky asociada a la medida perturbada. En el capítulo 3, se estudia la transformación de Geronimus. Se obtienen condiciones necesarias y suficientes para que el funcional lineal asociado a dicha transformación sea cuasi-definido asumiendo que el funcional lineal original es definido positivo. También se obtiene la expresión explícita para la nueva familia de polinomios ortogonales en términos de la sucesión de polinomios ortogonales asociados con el funcional lineal original, así como la relación entre las correspondientes matrices de Hessenberg. También se estudia el comportamiento asintótico de las familias de coeficientes de Verblunsky asociadas a las transformaciones de Uvarov con una y dos masas, respectivamente. Finalmente, en el capítulo 4 se estudia la conexión entre medidas soportadas en el intervalo [􀀀1; 1] de la recta real y medidas soportadas en la circunferencia unidad, a través de la transformación de Szeg˝o. En primer lugar, se obtiene una relación entre los parámetros de la relación de recurrencia a tres términos para los polinomios ortogonales en la recta real y la familia de coeficientes de Verblunsky en la circunferencia unidad, tomando como base la factorización LU de la matriz de Jacobi correspondiente. Luego, se estudia dicha conexión en el marco de las transformaciones espectrales. Se aplican transformaciones espectrales, tanto lineales como racionales, a funciones de Stieltjes asociadas a medidas en el intervalo [􀀀1; 1] y se describe la transformación resultante en las funciones de Carathédory asociadas a las correspondientes medidas en la circunferencia unidad. El mismo análisis se lleva a cabo en la dirección contraria, es decir, aplicando transformaciones espectrales a funciones de Carathéodory y describiendo las transformaciones resultantes en las funciones de Stieltjes correspondientes.

En esta memoria nos centramos en dos objetivos principales. El primero ha sido el tratamiento del algoritmo de Leverrier-Faddeev desde la perspectiva de los polinomios ortogonales clásicos. Este algoritmo es una útil herramienta para poder obtener de forma explícita la función de transferencia de un sistema lineal y en un marco más general, la inversa de una matriz polinómica de grado arbitrario. El segundo objetivo es el análisis de ciertas perturbaciones canónicas de funcionales hermitianos definidos en el espacio de los polinomios de Laurent. En particular, establecemos la conexión entre as correspondientes funciones de Carathéodory mediante una transformación espectral lineal

A lo largo de la presente Memoria realizamos diversos estudios que podemos enmarcar dentro de la Teoría General de Polinomios Ortogonales. Concretamente, el trabajo desarrollado gira en torno a dos ejes principales que pasamos a describir de manera breve para focalizar el objeto de nuestro estudio. Por un lado, realizamos un análisis de las familias de polinomios ortogonales con respecto a pares de funcionales (u, v) sobre los que supondremos verifican ciertas condiciones que llamaremos de coherencia generalizada. Por otro lado, hacemos una incursión en la teoría de polinomios ortogonales en varias variables, estableciendo las definiciones apropiadas de ortogonalidad y desarrollando una teoría constructiva de los mismos

Se trata de extender los resultados conocidos sobre comportamiento asintótico de polinomios ortogonales con respecto a medidas variantes y utilizarlos para resolver problemas de la teoría de la aproximación racional de funciones analíticas. Se estudian las propiedades asintóticas de los polinomios ortogonales con respecto a medidas variantes positivas. Se estudian también los polinomios Stieltjes y su comportamiento asintóticas de los polinomios ortogonales con respecto a medidas variantes positivas. Se estudian también los polinomios Stieltjes y su comportamiento asintótico. Se explican y analizan los teoremas relativos a la convergencia de los polinomios de Stieltjes, a la resolución de un problema de aproximación multipuntual tipo Padé de funciones de Marnoy y la dedución de un resultado sobre la convergencia de la fórmula de la cuadratura de Gauss-Kronrod para funciones analíticas