Teoria de controle ótimo com aplicações a sistemas biológicos

Neste trabalho apresentamos as etapas para a utilização do método da Programação Dinâmica, ou Princípio de Otimização de Bellman, para aplicações de controle ótimo. Investigamos a noção de funções de controle de Lyapunov (FCL) e sua relação com a estabilidade de sistemas autônomos com controle. Uma função de controle de Lyapunov deverá satisfazer a equação de Hamilton-Jacobi-Bellman (H-J-B). Usando esse fato, se uma função de controle de Lyapunov é conhecida, será então possível determinar a lei de realimentação ótima; isto é, a lei de controle que torna o sistema globalmente assintóticamente controlável a um estado de equilíbrio. Como aplicação, apresentamos uma modelagem matemática adequada a um problema de controle ótimo de certos sistemas biológicos. Este trabalho conta também com um breve histórico sobre o desenvolvimento da Teoria de Controle de forma a ilustrar a importância, o progresso e a aplicação das técnicas de controle em diferentes áreas ao longo do tempo.

Modelando evolução por endossimbiose

Nesta dissertação é apresentada uma modelagem analítica para o processo evolucionário formulado pela Teoria da Evolução por Endossimbiose representado através de uma sucessão de estágios envolvendo diferentes interações ecológicas e metábolicas entre populações de bactérias considerando tanto a dinâmica populacional como os processos produtivos dessas populações. Para tal abordagem é feito uso do sistema de equações diferenciais conhecido como sistema de Volterra-Hamilton bem como de determinados conceitos geométricos envolvendo a Teoria KCC e a Geometria Projetiva. Os principais cálculos foram realizados pelo pacote de programação algébrica FINSLER, aplicado sobre o MAPLE.

A via L-arginina-óxido nítrico no transtorno depressivo e sua associação com a função plaquetária e o estresse oxidativo

O transtorno depressivo (TD) é um fator de risco cardiovascular independente que apresenta elevada morbi-mortalidade. Recentes evidências sugerem a participação do óxido nítrico (NO), potente vasodilatador e anti-agregante plaquetário, na patogênese de doenças cardiovasculares e psiquiátricas. A síntese do NO ocorre através da conversão do aminoácido L-arginina em L-citrulina e NO, pela ação da enzima NO sintase (NOS). Esta tese aborda o papel da via L-arginina-NO em plaquetas de pacientes com TD e sua associação com a função plaquetária e estresse oxidativo. Para análise comportamental da depressão em modelo animal, foi utilizado o modelo de estresse pós-natal de separação única (SMU). Os animais foram divididos em quatro grupos para a realização do estudo: Grupo Controle Sedentário (GCS), Grupo Controle Exercício (GCE), Grupo SMU Sedentário (SMUS) e Grupo SMU Exercício (SMUE). O treinamento físico (TF) dos animais englobou 8 semanas, com duração de 30 minutos e uma velocidade de treinamento estabelecida pelo teste máximo (TE). Para o estudo em humanos, 10 pacientes com TD com score Hamilton: 201, (média de idade: 384anos), foram pareados com 10 indivíduos saudáveis (média de idade: 383anos). Os estudos em humanos e animais foram aprovados pelos Comitês de Ética: 1436 - CEP/HUPE e CEUA/047/2010, respectivamente. Foi mensurado em humanos e em animais: transporte de L-arginina, concentração GMPc, atividade das enzimas NOS e superóxido dismutase (SOD) em plaquetas e cortisol sistêmico. Experimentos realizados somente em humanos: expressão das enzimas NOS, arginase e guanilato ciclase através de Western Blotting. A agregação plaquetária foi induzida por colágeno e foi realizada análise sistêmica de proteína C-reativa, fibrinogênio e L-arginina. Para o tratamento estatístico utilizou-se três testes estatísticos para avaliar as diferenças das curvas de sobrevida: Kaplan-Meier, e os testes de Tarone-Ware e Peto-Prentice. Em humanos, houve uma redução do transporte de L-arginina, da atividade das enzimas NOS e SOD, e da concentração de GMPc em plaquetas, e nas concentrações plasmáticas de L-arginina no grupo com TD em relação ao grupo controle. Foi observado um aumento dos níveis plasmáticos de fibrinogênio no TD. Esses resultados demonstram uma inibição da via L-arginina-NO-GMPc e da enzima anti-oxidante SOD em pacientes com TD sem afetar a função plaquetária. Em relação ao TF, para o modelo animal, foram encontradas alterações iniciais quanto à distância percorrida e tempo de execução do TE entre os grupos controles e o grupos SMUs, apresentando estes últimos menores valores para o TE. Após 8 semanas de TF, verificou-se um maior influxo no transporte de L-arginina para o SMUE em comparação ao grupo SMUS. As diferenças observadas para o tempo e a distância percorrida no TE inicial entre os grupos controle e no modelo de estresse foram revertidas após as 8 semanas de TF, demonstrando o efeito benéfico do exercício físico na capacidade cardiorespiratória em modelos de depressão.

Benefício da natação em modelo experimental de doença gordurosa hepática não alcoólica e síndrome metabólica

O acúmulo crônico de gordura no fígado (doença hepática gordurosa não alcoólica ou esteatose hepática não alcoólica - NAFLD) está fortemente associada com a obesidade e a resistência à insulina. O estudo teve como objetivo investigar o efeito do exercício físico (natação) na redução da esteatose hepática e comorbidades associadas, incluindo a expressão hepática de síntese de ácidos graxos e receptor proliferador de peroxissoma atividade alfa. Camundongos machos C57BL/6 foram divididos em dois grandes grupos de acordo com a dieta durante 22 semanas: dieta padrão (10% de gordura, SC) ou dieta rica em gordura (60% de gordura, HF), caracterizando os grupos sedentários SC-Sed e HF-Sed. Nas últimas 10 semanas do experimento, metade dos grupos sedentários foram submetidos ao protocolo de natação com um aumento progressivo no tempo (6/dia até 60/dia, 5x/semana), caracterizando os grupos exercitados: SC-Ex e HF-Ex. No final do experimento, comparado ao grupo SC-Sed, o grupo HF-Sed teve a massa corporal significativamente superior, hiperglicemia, hiperinsulinemia com resistência à insulina, hipertrofia dos adipócitos (com infiltrado inflamatório), hipertrofia das ilhotas pancreáticas, dislipidemia, alteração das enzimas hepáticas e inflamatórias e NAFLD com mudanças na expressão de proteínas hepáticas lipogênicas e oxidativas. O programa de natação, mesmo concomitante com a dieta rica em gordura, reduziu o excesso de peso e todos os outros resultados, especialmente a NAFLD. Os resultados permitem concluir que a natação pode atenuar os efeitos deletérios de uma dieta rica em gorduras combinado com estilo de vida sedentário em camundongos. Estes dados reforçam a idéia que o exercício físico pode ser considerado uma estratégia terapêutica não farmacológica eficaz no tratamento da NAFLD, obesidade e resistência à insulina.

Implementação paralela do algoritmo iterativo de busca do parâmetro de regularização ótimo para o funcional de Tikhonov no problema de restauração de imagens

O uso de técnicas com o funcional de Tikhonov em processamento de imagens tem sido amplamente usado nos últimos anos. A ideia básica nesse processo é modificar uma imagem inicial via equação de convolução e encontrar um parâmetro que minimize esse funcional afim de obter uma aproximação da imagem original. Porém, um problema típico neste método consiste na seleção do parâmetro de regularização adequado para o compromisso entre a acurácia e a estabilidade da solução. Um método desenvolvido por pesquisadores do IPRJ e UFRJ, atuantes na área de problemas inversos, consiste em minimizar um funcional de resíduos através do parâmetro de regularização de Tikhonov. Uma estratégia que emprega a busca iterativa deste parâmetro visando obter um valor mínimo para o funcional na iteração seguinte foi adotada recentemente em um algoritmo serial de restauração. Porém, o custo computacional é um fator problema encontrado ao empregar o método iterativo de busca. Com esta abordagem, neste trabalho é feita uma implementação em linguagem C++ que emprega técnicas de computação paralela usando MPI (Message Passing Interface) para a estratégia de minimização do funcional com o método de busca iterativa, reduzindo assim, o tempo de execução requerido pelo algoritmo. Uma versão modificada do método de Jacobi é considerada em duas versões do algoritmo, uma serial e outra em paralelo. Este algoritmo é adequado para implementação paralela por não possuir dependências de dados como de Gauss-Seidel que também é mostrado a convergir. Como indicador de desempenho para avaliação do algoritmo de restauração, além das medidas tradicionais, uma nova métrica que se baseia em critérios subjetivos denominada IWMSE (Information Weighted Mean Square Error) é empregada. Essas métricas foram introduzidas no programa serial de processamento de imagens e permitem fazer a análise da restauração a cada passo de iteração. Os resultados obtidos através das duas versões possibilitou verificar a aceleração e a eficiência da implementação paralela. A método de paralelismo apresentou resultados satisfatórios em um menor tempo de processamento e com desempenho aceitável.

Avaliação dos algoritmos de Picard-Krylov e Newton-Krylov na solução da equação de Richards

A engenharia geotécnica é uma das grandes áreas da engenharia civil que estuda a interação entre as construções realizadas pelo homem ou de fenômenos naturais com o ambiente geológico, que na grande maioria das vezes trata-se de solos parcialmente saturados. Neste sentido, o desempenho de obras como estabilização, contenção de barragens, muros de contenção, fundações e estradas estão condicionados a uma correta predição do fluxo de água no interior dos solos. Porém, como a área das regiões a serem estudas com relação à predição do fluxo de água são comumente da ordem de quilômetros quadrados, as soluções dos modelos matemáticos exigem malhas computacionais de grandes proporções, ocasionando sérias limitações associadas aos requisitos de memória computacional e tempo de processamento. A fim de contornar estas limitações, métodos numéricos eficientes devem ser empregados na solução do problema em análise. Portanto, métodos iterativos para solução de sistemas não lineares e lineares esparsos de grande porte devem ser utilizados neste tipo de aplicação. Em suma, visto a relevância do tema, esta pesquisa aproximou uma solução para a equação diferencial parcial de Richards pelo método dos volumes finitos em duas dimensões, empregando o método de Picard e Newton com maior eficiência computacional. Para tanto, foram utilizadas técnicas iterativas de resolução de sistemas lineares baseados no espaço de Krylov com matrizes pré-condicionadoras com a biblioteca numérica Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc). Os resultados indicam que quando se resolve a equação de Richards considerando-se o método de PICARD-KRYLOV, não importando o modelo de avaliação do solo, a melhor combinação para resolução dos sistemas lineares é o método dos gradientes biconjugados estabilizado mais o pré-condicionador SOR. Por outro lado, quando se utiliza as equações de van Genuchten deve ser optar pela combinação do método dos gradientes conjugados em conjunto com pré-condicionador SOR. Quando se adota o método de NEWTON-KRYLOV, o método gradientes biconjugados estabilizado é o mais eficiente na resolução do sistema linear do passo de Newton, com relação ao pré-condicionador deve-se dar preferência ao bloco Jacobi. Por fim, há evidências que apontam que o método PICARD-KRYLOV pode ser mais vantajoso que o método de NEWTON-KRYLOV, quando empregados na resolução da equação diferencial parcial de Richards.

Representações pós-coloniais em Ruy Duarte: uma leitura de Os papéis do inglês

Representações pós-coloniais em Ruy Duarte de Carvalho: uma leitura de Os papéis do inglês investiga a narrativa ficcional do romancista e antropólogo angolano Ruy Duarte de Carvalho, partindo do pressuposto de que a obra contém uma intricada rede discursiva em que estão confrontados os discursos colonial, pós-colonial e a crítica do modelo utópico de nação que se buscou construir, e efetivamente se construiu, em Angola após a independência. Para-lelamente a essa rede discursiva, a narrativa também se constitui de um encontro de diversas formas literárias distintas a poesia, o diário, a prosa e o ensaio etnográfico, evidenciando a complexidade do romance em questão. Tendo como base o livro de Ruy Duarte de Carvalho, abordamos a história literária e política de Angola, seu desenvolvimento, suas relações e ten-sões principalmente com o colonizador europeu, com sua história passada e, mais recente-mente, com seu período independentista, procurando evidenciar como as releituras dos discur-sos históricos e ideológicos coloniais tornaram-se um campo profícuo para o desenvolvimento de narrativas literárias que ampliam os limites da escrita no âmbito ficcional e político-ideológico. Além dos textos de Ruy Duarte de Carvalho, este trabalho foi desenvolvido utili-zando como eixo norteador textos de estudiosos da literatura angolana, como Laura Padilha, Rita Chaves e José Carlos Venâncio; teóricos que discutem a crítica pós-colonial, como An-tonio Negri, Edward Said, Stuart Hall, Russel Hamilton e Boaventura de Sousa Santos; textos históricos escritos pelo colonizador português em solo angolano, como Henrique Galvão, Ralph Delgado e José Ribeiro da Cruz; além de textos escritos por intelectuais africanos, como Aimé Césaire e Amadou Hampaté-Bá, e teóricos que analisam as relações entre antropologia e literatura, como James Clifford

Análise multielementar em peças de ouro antigo utilizando fluorescência de raios X por dispersão em energia

Os métodos de análise não destrutiva vêm sendo largamente empregados na área de Arqueometria. Estes métodos analisam artefatos históricos e obras de arte fornecendo informações da composição, das técnicas utilizadas e do local de manufatura da época. Assim, é possível fazer a datação, estabelecer a autenticidade e avaliar técnicas de conservação e restauração. A Fluorescência de Raios X por Dispersão de Energia (EDXRF) é um método que permite fazer análises quantitativas e qualitativas multielementares dos artefatos de forma não destrutiva. Neste estudo foram analisados artefatos compostos por ouro de diferentes épocas através da técnica de Fluorescência de Raios X por Dispersão em Energia (EDXRF). Dentre os artefatos, encontram-se brincos, pingentes, estatuetas e adornos de roupa cedidos pelo Instituto de Pesquisa Histórica e Arqueológica do Rio de Janeiro (IPHARJ). As análises foram realizadas através do sistema comercial ARTAX 200. Este sistema possui ânodo de Molibdênio. Foi utilizado um filtro de alumínio com 315 μm de espessura e foi operado em 40 kV, 250 μA com 300 s de aquisição. As concentrações de Cu, Au e Ag foram obtidas através da curva de calibração feita com padrões de ouro de 24k, 18k, 16k, 14k, 12k e 10k. Os resultados mostram que todas as peças contêm ligas metálicas e ouro em diferentes concentrações em sua composição. A partir das diferenças nas concentrações de ouro, foi possível classificar as peças quanto à pureza do ouro (quilatagem). Além disso, foi possível estimar a época em que estas peças foram manufaturadas a partir da comparação dos resultados encontrados com aqueles encontrados na literatura.

Implementação paralelizada de métodos de resolução de sistemas algébricos na simulação de reservatórios de gás

Desde a década de 1960, devido à pertinência para a indústria petrolífera, a simulação numérica de reservatórios de petróleo tornou-se uma ferramenta usual e uma intensa área de pesquisa. O principal objetivo da modelagem computacional e do uso de métodos numéricos, para a simulação de reservatórios de petróleo, é o de possibilitar um melhor gerenciamento do campo produtor, de maneira que haja uma maximização na recuperação de hidrocarbonetos. Este trabalho tem como objetivo principal paralelizar, empregando a interface de programação de aplicativo OpenMP (Open Multi-Processing), o método numérico utilizado na resolução do sistema algébrico resultante da discretização da equação que descreve o escoamento monofásico em um reservatório de gás, em termos da variável pressão. O conjunto de equações governantes é formado pela equação da continuidade, por uma expressão para o balanço da quantidade de movimento e por uma equação de estado. A Equação da Difusividade Hidráulica (EDH), para a variável pressão, é obtida a partir deste conjunto de equações fundamentais, sendo então discretizada pela utilização do Método de Diferenças Finitas, com a escolha por uma formulação implícita. Diferentes testes numéricos são realizados a fim de estudar a eficiência computacional das versões paralelizadas dos métodos iterativos de Jacobi, Gauss-Seidel, Sobre-relaxação Sucessiva, Gradientes Conjugados (CG), Gradiente Biconjugado (BiCG) e Gradiente Biconjugado Estabilizado (BiCGStab), visando a uma futura aplicação dos mesmos na simulação de reservatórios de gás. Ressalta-se que a presença de heterogeneidades na rocha reservatório e/ou às não-linearidades presentes na EDH para o escoamento de gás aumentam a necessidade de métodos eficientes do ponto de vista de custo computacional, como é o caso de estratégias usando OpenMP.