Metodologias de optimização topológica em cálculo estrutural

A optimização estrutural é uma temática antiga em engenharia. No entanto, com o crescimento do método dos elementos finitos em décadas recentes, dá origem a um crescente número de aplicações. A optimização topológica, especificamente, surge associada a uma fase de definição de domínio efectivo de um processo global de optimização estrutural. Com base neste tipo de optimização, é possível obter a distribuição óptima de material para diversas aplicações e solicitações. Os materiais compósitos e alguns materiais celulares, em particular, encontram-se entre os materiais mais proeminentes dos nossos dias, em termos das suas aplicações e de investigação e desenvolvimento. No entanto, a sua estrutura potencialmente complexa e natureza heterogénea acarretam grandes complexidades, tanto ao nível da previsão das suas propriedades constitutivas quanto na obtenção das distribuições óptimas de constituintes. Procedimentos de homogeneização podem fornecer algumas respostas em ambos os casos. Em particular, a homogeneização por expansão assimptótica pode ser utilizada para determinar propriedades termomecânicas efectivas e globais a partir de volumes representativos, de forma flexível e independente da distribuição de constituintes. Além disso, integra processos de localização e fornece informação detalhada acerca de sensibilidades locais em metodologias de optimização multiescala. A conjugação destas áreas pode conduzir a metodologias de optimização topológica multiescala, nas quais de procede à obtenção não só de estruturas óptimas mas também das distribuições ideais de materiais constituintes. Os problemas associados a estas abordagens tendem, no entanto, a exigir recursos computacionais assinaláveis, criando muitas vezes sérias limitações à exequibilidade da sua resolução. Neste sentido, técnicas de cálculo paralelo e distribuído apresentam-se como uma potencial solução. Ao dividir os problemas por diferentes unidades memória e de processamento, é possível abordar problemas que, de outra forma, seriam proibitivos. O principal foco deste trabalho centra-se na importância do desenvolvimento de procedimentos computacionais para as aplicações referidas. Adicionalmente, estas conduzem a diversas abordagens alternativas na procura simultânea de estruturas e materiais para responder a aplicações termomecânicas. Face ao exposto, tudo isto é integrado numa plataforma computacional de optimização multiobjectivo multiescala em termoelasticidade, desenvolvida e implementada ao longo deste trabalho. Adicionalmente, o trabalho é complementado com a montagem e configuração de um cluster do tipo Beowulf, assim como com o desenvolvimento do código com vista ao cálculo paralelo e distribuído.

Cálculo das variações fraccional generalizado

Nesta tese de doutoramento apresentamos um cálculo das variações fraccional generalizado. Consideramos problemas variacionais com derivadas e integrais fraccionais generalizados e estudamo-los usando métodos directos e indirectos. Em particular, obtemos condições necessárias de optimalidade de Euler-Lagrange para o problema fundamental e isoperimétrico, condições de transversalidade e teoremas de Noether. Demonstramos a existência de soluções, num espaço de funções apropriado, sob condições do tipo de Tonelli. Terminamos mostrando a existência de valores próprios, e correspondentes funções próprias ortogonais, para problemas de Sturm- Liouville.

Calculus of variations on time scales and discrete fractional calculus

Estudamos problemas do cálculo das variações e controlo óptimo no contexto das escalas temporais. Especificamente, obtemos condições necessárias de optimalidade do tipo de Euler–Lagrange tanto para lagrangianos dependendo de derivadas delta de ordem superior como para problemas isoperimétricos. Desenvolvemos também alguns métodos directos que permitem resolver determinadas classes de problemas variacionais através de desigualdades em escalas temporais. No último capítulo apresentamos operadores de diferença fraccionários e propomos um novo cálculo das variações fraccionário em tempo discreto. Obtemos as correspondentes condições necessárias de Euler– Lagrange e Legendre, ilustrando depois a teoria com alguns exemplos.

Existência de minimizantes relaxados e fenómeno de Lavrentiev

Neste trabalho prova-se a existência de minimizantes relaxados em problemas de controlo óptimo não convexos usando técnicas de compactificação. Faz-se a extensão do exemplo de Manià a dimensão dois, obtendo-se uma classe de problemas variacionais em 2D que apresentam Fenómeno de Lavrentiev. Prova-se que o fenómeno persiste a certas perturbações, obtendo- -se assim uma classe de funcionais cujos Lagrangianos são coercivos e convexos em relação ao gradiente. Adicionalmente, apresentam-se exemplos de problemas do cálculo das variações com diferentes condições de fronteira, e em diferentes tipos de domínios (incluindo domínios com fronteira fractal), que exibem Fenómeno de Lavrentiev.

Fractional calculus on time scales - Cálculo fraccional em escalas temporais

Introduzimos um cálculo das variações fraccional nas escalas temporais ℤ e (hℤ)!. Estabelecemos a primeira e a segunda condição necessária de optimalidade. São dados alguns exemplos numéricos que ilustram o uso quer da nova condição de Euler–Lagrange quer da nova condição do tipo de Legendre. Introduzimos também novas definições de derivada fraccional e de integral fraccional numa escala temporal com recurso à transformada inversa generalizada de Laplace.

Symmetric quantum calculus

Generalizamos o cálculo Hahn variacional para problemas do cálculo das variações que envolvem derivadas de ordem superior. Estudamos o cálculo quântico simétrico, nomeadamente o cálculo quântico alpha,beta-simétrico, q-simétrico e Hahn-simétrico. Introduzimos o cálculo quântico simétrico variacional e deduzimos equações do tipo Euler-Lagrange para o cálculo q-simétrico e Hahn simétrico. Definimos a derivada simétrica em escalas temporais e deduzimos algumas das suas propriedades. Finalmente, introduzimos e estudamos o integral diamond que generaliza o integral diamond-alpha das escalas temporais.

Estudo aerodinâmico e estrutural de um autogiro

O trabalho apresentado teve como principal objetivo a caracterização dos problemas aerodinâmicos e estruturais a serem observados no projeto de um Autogiro. Numa primeira etapa do trabalho, alguns conceitos básicos dos princípios da aerodinâmica que gera forças durante o voo destas aeronaves são delineadas. Numa segunda parte os componentes integrantes de um autogiro são modelados, onde alguns serão examinados por elementos finitos. Seguidamente foi realizado um cálculo á sustentação da asa, de modo a que o autogiro consiga levantar voo. Posteriormente, realizaram-se cálculos em algumas ligações aparafusadas, que se consideraram ser mais importantes para a intensidade das forças. Este cálculo teve como o objetivo, determinar se as ligações aparafusadas respeitam o critério de segurança. Finalmente, executou-se uma análise em elementos finitos na estrutura e no rotor, de maneira a avaliar o comportamento em termos da distribuição de tensões. Nesta etapa final também foi realizada uma análise às vibrações do autogiro, determinando as frequências naturais na estrutura e asa do rotor.

Manuel Rodrigues Coelho "Flores de Música" - problemas de interpretação

Este trabalho de investigação relaciona os aspectos de interpretação referidos no prefácio das Flores de Música com os tratados do séc. XVI e XVII existentes na Península Ibérica, e cujo enquadramento possibilitou a Manuel Rodrigues Coelho ser tão sucinto no seu prólogo, conciliando duas vertentes em simultâneo: a investigação histórica e a aplicação prática de modo a constituir uma base de orientação e fundamentar histórica e estilisticamente os modelos de interpretação desta obra.

Gestão da sustentabilidade nas organizações: uma nova metodologia

O presente trabalho pretende auxiliar o processo de consolidação do conceito de sustentabilidade no seio das organizações. Partindo de ferramentas de gestão e avaliação já existentes, esta tese sugere a sua integração numa única metodologia, ultrapassando desse modo as limitações e potenciando as suas capacidades enquanto ferramentas isoladas. O modelo proposto para o Sistema de Gestão da Sustentabilidade (SGS) integra assim: o conceito de melhoria contínua característico dos sistemas de gestão normalizados; a capacidade de tradução da perspetiva estratégica da gestão para o plano operacional, característica do Business Scorecard (BSC); e, por fim, a avaliação emergética é ainda utilizada como uma ferramenta de avaliação da sustentabilidade de sistemas. Um objetivo secundário desta tese prende-se com o desenvolvimento de um procedimento para a realização da análise emergética de um sistema. Depois de analisada a literatura referente à utilização da análise emergética, identificou-se como necessária a definição de um procedimento normalizado, adotando um conjunto de tarefas e um formato de apresentação de resultados que permita disseminar o conceito e tornar a ferramenta mais “utilizável”. Por outro lado, procurou-se dotar o procedimento com um conjunto de indicações que permitem ultrapassar limitações e inconvenientes apontados pelos críticos mas também utilizadores do método, nomeadamente: problemas de dupla contagem, cálculo da incerteza da análise e critérios de qualidade da informação utilizada. O modelo dos sistemas de gestão normalizados apresenta um papel central na metodologia proposta. O conceito de “melhoria contínua” afigura-se como fundamental num sistema que pretende implementar o conceito “desenvolvimento sustentável” e avaliar o seu desempenho à luz do mesmo. Assim, o ciclo Plan-Do-check-Act (PDCA) deve ser utilizado para implementar o SGS de acordo com uma Política para a Sustentabilidade que a organização deve desenvolver. Definida a Política, o modelo baseia-se então no ciclo PDCA: fase de planeamento; fase de implementação; fase de verificação; e fase de revisão. É na fase de planeamento do SGS que se sugere a introdução das outras duas ferramentas: a análise emergética (AEm) e o BSC. A fase de planeamento do modelo de SGS proposto neste trabalho foi aplicada à Universidade de Aveiro (UA), incluindo a definição de uma Política para a Sustentabilidade e o planeamento estratégico e operacional. A avaliação emergética à UA foi realizada recorrendo ao procedimento desenvolvido nesta tese e permitiu caracterizar e avaliar os fluxos de recursos que a “alimentam” sob uma só unidade, atribuindo deste modo graus de importância aos diferentes recursos utilizados. A informação representa 96% do total de recursos utilizados na UA, quando avaliados sob o ponto de vista emergética. Para além da informação, os fluxos financeiros representam a maior fatia do orçamento emergético da UA, grande parte dos quais serve para sustentar os serviços prestados pelo corpo docente da UA. Analisando valores históricos de 3 indicadores de desempenho emergético, observa-se que a UA não regista uma evolução positiva em nenhum dos indicadores: a emergia utilizada nos edifícios tem-se mantido mais ou menos constante; a retribuição emergética da UA para a sociedade, avaliada sobre a forma de diplomados, tem diminuído; e a relação emergética entre professores e alunos tem também diminuído, facto que pode refletir-se na qualidade dos “produtos” da UA. Da aplicação do SGS à UA regista-se: a adequabilidade do ciclo PDCA à implementação de um SGS; a capacidade da AEm “obrigar” a organização a adotar uma abordagem sistémica da sua atividade, resultando numa visão mais aprofundada da sua relação com o contexto ambiental, económico e social em que se insere; a importância da visão estratégica e da sua tradução em termos operacionais na fase de planeamento de um SGS; e, por fim, a capacidade de adaptação e dupla funcionalidade (implementação e avaliação) do modelo de SGS proposto. A metodologia de SGS proposta nesta tese, sendo direcionada para todo o tipo de organizações, não se desvirtua quando aplicada ao contexto específico das instituições de ensino superior e permite implementar e avaliar o conceito “desenvolvimento sustentável” nas quatro dimensões da universidade (Educação, Investigação, Operação; Relação com as partes interessadas).

Computational methods in the fractional calculus of variations and optimal control

The fractional calculus of variations and fractional optimal control are generalizations of the corresponding classical theories, that allow problem modeling and formulations with arbitrary order derivatives and integrals. Because of the lack of analytic methods to solve such fractional problems, numerical techniques are developed. Here, we mainly investigate the approximation of fractional operators by means of series of integer-order derivatives and generalized finite differences. We give upper bounds for the error of proposed approximations and study their efficiency. Direct and indirect methods in solving fractional variational problems are studied in detail. Furthermore, optimality conditions are discussed for different types of unconstrained and constrained variational problems and for fractional optimal control problems. The introduced numerical methods are employed to solve some illustrative examples.

Novel critical phenomena in optimization driven processes on networks

The work presented in this Ph.D thesis was developed in the context of complex network theory, from a statistical physics standpoint. We examine two distinct problems in this research field, taking a special interest in their respective critical properties. In both cases, the emergence of criticality is driven by a local optimization dynamics. Firstly, a recently introduced class of percolation problems that attracted a significant amount of attention from the scientific community, and was quickly followed up by an abundance of other works. Percolation transitions were believed to be continuous, until, recently, an 'explosive' percolation problem was reported to undergo a discontinuous transition, in [93]. The system's evolution is driven by a metropolis-like algorithm, apparently producing a discontinuous jump on the giant component's size at the percolation threshold. This finding was subsequently supported by number of other experimental studies [96, 97, 98, 99, 100, 101]. However, in [1] we have proved that the explosive percolation transition is actually continuous. The discontinuity which was observed in the evolution of the giant component's relative size is explained by the unusual smallness of the corresponding critical exponent, combined with the finiteness of the systems considered in experiments. Therefore, the size of the jump vanishes as the system's size goes to infinity. Additionally, we provide the complete theoretical description of the critical properties for a generalized version of the explosive percolation model [2], as well as a method [3] for a precise calculation of percolation's critical properties from numerical data (useful when exact results are not available). Secondly, we study a network flow optimization model, where the dynamics consists of consecutive mergings and splittings of currents flowing in the network. The current conservation constraint does not impose any particular criterion for the split of current among channels outgoing nodes, allowing us to introduce an asymmetrical rule, observed in several real systems. We solved analytically the dynamic equations describing this model in the high and low current regimes. The solutions found are compared with numerical results, for the two regimes, showing an excellent agreement. Surprisingly, in the low current regime, this model exhibits some features usually associated with continuous phase transitions.

Polyhedral study of mixed integer sets arising from inventory problems

“Branch-and-cut” algorithm is one of the most efficient exact approaches to solve mixed integer programs. This algorithm combines the advantages of a pure branch-and-bound approach and cutting planes scheme. Branch-and-cut algorithm computes the linear programming relaxation of the problem at each node of the search tree which is improved by the use of cuts, i.e. by the inclusion of valid inequalities. It should be taken into account that selection of strongest cuts is crucial for their effective use in branch-and-cut algorithm. In this thesis, we focus on the derivation and use of cutting planes to solve general mixed integer problems, and in particular inventory problems combined with other problems such as distribution, supplier selection, vehicle routing, etc. In order to achieve this goal, we first consider substructures (relaxations) of such problems which are obtained by the coherent loss of information. The polyhedral structure of those simpler mixed integer sets is studied to derive strong valid inequalities. Finally those strong inequalities are included in the cutting plane algorithms to solve the general mixed integer problems. We study three mixed integer sets in this dissertation. The first two mixed integer sets arise as a subproblem of the lot-sizing with supplier selection, the network design and the vendor-managed inventory routing problems. These sets are variants of the well-known single node fixed-charge network set where a binary or integer variable is associated with the node. The third set occurs as a subproblem of mixed integer sets where incompatibility between binary variables is considered. We generate families of valid inequalities for those sets, identify classes of facet-defining inequalities, and discuss the separation problems associated with the inequalities. Then cutting plane frameworks are implemented to solve some mixed integer programs. Preliminary computational experiments are presented in this direction.

Calculus of variations on time scales and applications to economics

We consider some problems of the calculus of variations on time scales. On the beginning our attention is paid on two inverse extremal problems on arbitrary time scales. Firstly, using the Euler-Lagrange equation and the strengthened Legendre condition, we derive a general form for a variation functional that attains a local minimum at a given point of the vector space. Furthermore, we prove a necessary condition for a dynamic integro-differential equation to be an Euler-Lagrange equation. New and interesting results for the discrete and quantum calculus are obtained as particular cases. Afterwards, we prove Euler-Lagrange type equations and transversality conditions for generalized infinite horizon problems. Next we investigate the composition of a certain scalar function with delta and nabla integrals of a vector valued field. Euler-Lagrange equations in integral form, transversality conditions, and necessary optimality conditions for isoperimetric problems, on an arbitrary time scale, are proved. In the end, two main issues of application of time scales in economic, with interesting results, are presented. In the former case we consider a firm that wants to program its production and investment policies to reach a given production rate and to maximize its future market competitiveness. The model which describes firm activities is studied in two different ways: using classical discretizations; and applying discrete versions of our result on time scales. In the end we compare the cost functional values obtained from those two approaches. The latter problem is more complex and relates to rate of inflation, p, and rate of unemployment, u, which inflict a social loss. Using known relations between p, u, and the expected rate of inflation π, we rewrite the social loss function as a function of π. We present this model in the time scale framework and find an optimal path π that minimizes the total social loss over a given time interval.

A matemática e o comércio em Portugal através das obras de aritméticos do século XVI: Gaspar Nicolas, Ruy Mendes e Bento Fernandes

Esta dissertação tem como objetivo a divulgação de temas e de algoritmos presentes nos tratados de aritmética prática do século XVI. Pretendemos delinear a atuação dos seus autores face aos desafios do mundo mercantil envolvente. Sendo o nosso «ator principal» Ruy Mendes, esta escolha deve-se a dois motivos: entre os três autores é aquele que tem sido menos mencionado e estudado; os interesses de Mendes parecem-nos mais distantes do mundo mercantil. Assim, no desenrolar deste estudo apresentaremos a Prática do ponto de vista da estrutura e organização, contemplando os seguintes pontos: uma Matemática básica; a Matemática pour elle Même; uma Matemática para o comércio. Neste último ponto incluiremos as regras locais do comércio português: a regra de quarto e vintena e a regra da conta de Flandres. Para cada assunto é realizado um estudo comparativo com os dois tratados da mesma época: o Tratado da Pratica d'Arismetica de Gaspar Nicolas e o Tratado da Arte d'Arismetica de Bento Fernandes. Apesar de se tratar de autores já referidos por alguns historiadores, consideramos que não foram ainda estudados do ponto de vista do interesse intrínseco presente no conhecimento histórico da Matemática, bem como na sua atuação relativamente à divulgação do cálculo aritmético e do seu contributo para o desenvolvimento da Matemática através de problemas práticos.