Fractional calculus analysis of the cosmic microwave background

Cosmic microwave background (CMB) radiation is the imprint from an early stage of the Universe and investigation of its properties is crucial for understanding the fundamental laws governing the structure and evolution of the Universe. Measurements of the CMB anisotropies are decisive to cosmology, since any cosmological model must explain it. The brightness, strongest at the microwave frequencies, is almost uniform in all directions, but tiny variations reveal a spatial pattern of small anisotropies. Active research is being developed seeking better interpretations of the phenomenon. This paper analyses the recent data in the perspective of fractional calculus. By taking advantage of the inherent memory of fractional operators some hidden properties are captured and described.

Determinantes da estrutura de capitais do setor do calçado em Portugal

Dissertação de Mestrado apresentado ao Instituto de Contabilidade e Administração do Porto para a obtenção do grau de Mestre em Contabilidade e Finanças, sob orientação de Mestre Adalmiro Álvaro Malheiro de Castro Andrade Pereira

Using interval graphs in an order processing optimization problem

In this paper we address an order processing optimization problem known as minimization of open stacks (MOSP). We present an integer pro gramming model, based on the existence of a perfect elimination scheme in interval graphs, which finds an optimal sequence for the costumers orders.

A mathematical model for supermarket order picking

Order picking consists in retrieving products from storage locations to satisfy independent orders from multiple customers. It is generally recognized as one of the most significant activities in a warehouse (Koster et al, 2007). In fact, order picking accounts up to 50% (Frazelle, 2001) or even 80% (Van den Berg, 1999) of the total warehouse operating costs. The critical issue in today’s business environment is to simultaneously reduce the cost and increase the speed of order picking. In this paper, we address the order picking process in one of the Portuguese largest companies in the grocery business. This problem was proposed at the 92nd European Study Group with Industry (ESGI92). In this setting, each operator steers a trolley on the shop floor in order to select items for multiple customers. The objective is to improve their grocery e-commerce and bring it up to the level of the best international practices. In particular, the company wants to improve the routing tasks in order to decrease distances. For this purpose, a mathematical model for a faster open shop picking was developed. In this paper, we describe the problem, our proposed solution as well as some preliminary results and conclusions.

Inserção de todos os consumidores no mercado liberalizado de energia elétrica: oportunidades e desafios

O processo de liberalização do setor elétrico em Portugal Continental seguiu uma metodologia idêntica à da maior parte dos países europeus, tendo a abertura de mercado sido efetuada de forma progressiva. Assim, no âmbito do acompanhamento do setor elétrico nacional, reveste-se de particular interesse caracterizar a evolução mais recente do mercado liberalizado, nomeadamente em relação ao preço da energia elétrica. A previsão do preço da energia elétrica é uma questão muito importante para todos os participantes do mercado de energia elétrica. Como se trata de um assunto de grande importância, a previsão do preço da energia elétrica tem sido alvo de diversos estudos e diversas metodologias têm sido propostas. Esta questão é abordada na presente dissertação recorrendo a técnicas de previsão, nomeadamente a métodos baseados no histórico da variável em estudo. As previsões são, segundo alguns especialistas, um dos inputs essenciais que os gestores desenvolvem para ajudar no processo de decisão. Virtualmente cada decisão relevante ao nível das operações depende de uma previsão. Para a realização do modelo de previsão de preço da energia elétrica foram utilizados os modelos Autorregressivos Integrados de Médias Móveis, Autoregressive / Integrated / Moving Average (ARIMA), que geram previsões através da informação contida na própria série temporal. Como se pretende avaliar a estrutura do preço da energia elétrica do mercado de energia, é importante identificar, deste conjunto de variáveis, quais as que estão mais relacionados com o preço. Neste sentido, é realizada em paralelo uma análise exploratória, através da correlação entre o preço da energia elétrica e outras variáveis de estudo, utilizando para esse efeito o coeficiente de correlação de Pearson. O coeficiente de correlação de Pearson é uma medida do grau e da direção de relação linear entre duas variáveis quantitativas. O modelo desenvolvido foi aplicado tendo por base o histórico de preço da eletricidade desde o inicio do mercado liberalizado e de modo a obter as previsões diária, mensal e anual do preço da eletricidade. A metodologia desenvolvida demonstrou ser eficiente na obtenção das soluções e ser suficientemente rápida para prever o valor do preço da energia elétrica em poucos segundos, servindo de apoio à decisão em ambiente de mercado.

Auditoria energética às unidades de cogeração e central térmica

A tese de mestrado teve como objetivo o estudo e análise do funcionamento das centrais de cogeração e térmica da fábrica da Unicer em Leça do Balio, com o intuito de melhorar a sua eficiência, propondo alterações processuais. O trabalho realizado consistiu no reconhecimento das instalações, seguido da formulação e resolução dos balanços de energia globais. Com o acompanhamento diário do funcionamento foi possível propor melhorias sem custos que se revelaram muito benéficas, registando-se um aumento nas recuperações térmicas e por consequência no Rendimento Elétrico Equivalente (R.E.E.), na eficiência da instalação da cogeração e da central térmica. Na cogeração registou-se um aumento de 36,2% na potência recuperada em água quente, aproximadamente 600 kW, sendo já superior à prevista pelo projeto. Na caldeira recuperativa registou-se um ligeiro aumento de 4,0% na potência recuperada. Deste modo o rendimento térmico da central aumentou 6,4%, atingindo os 40,8% e superando os 40,4% projetados. O rendimento global final foi de 83,1% o que representa um aumento de 6,3%. O R.E.E. em Maio de 2014 foi de 76,3%, superior ao valor em Junho de 2013 em 8,7%. Tendo como referência o valor alvo de 70,5% para o R.E.E. apontado no início do estágio, nos últimos 8 meses o seu valor tem sido sempre superior e em crescimento. Existe ainda a possibilidade de aproveitar a energia térmica de baixa temperatura que está a ser dissipada numa torre de arrefecimento, no mínimo 40 kW, num investimento com um período de retorno de investimento máximo de 8,1 meses. Na central térmica registou-se um aumento do rendimento para a mesma quantidade de energia produzida na central, pois esta é a principal variável do processo. Em 2014 a produção de energia apresentou um valor inferior a 2013, 6,9%, e a eficiência registou um acréscimo de 2,0%. A incorporação de biogás na alimentação de combustível à caldeira bifuel não pareceu comprometer significativamente a eficiência da central térmica, pelo que a sua utilização é benéfica. Com o aumento das recuperações térmicas na central de cogeração foram estimadas poupanças de gás natural equivalentes a 3,3 GWh, o que significa 120.680€ economizados nos últimos 11 meses do trabalho. É esperado uma poupança de 18.000€ mensais com a melhoria do funcionamento obtida nas duas centrais.

O papel das agências de rating e a dívida pública portuguesa

Durante as últimas décadas observou-se o crescimento da importância das avaliações fornecidas pelas agências de rating, sendo este um fator decisivo na tomada de decisão dos investidores. Também os emitentes de dívida são largamente afetados pelas alterações das classificações atribuídas por estas agências. Esta investigação pretende, por um lado, compreender se estas agências têm poder para conseguirem influenciar a evolução da dívida pública e qual o seu papel no mercado financeiro. Por outro, pretende compreender quais os fatores determinantes da dívida pública portuguesa, bem como a realização de uma análise por percentis com o objetivo de lhe atribuir um rating. Para a análise dos fatores que poderão influenciar a dívida pública, a metodologia utilizada é uma regressão linear múltipla estimada através do Método dos Mínimos Quadrados (Ordinary Least Squares – OLS), em que num cenário inicial era composta por onze variáveis independentes, sendo a dívida pública a variável dependente, para um período compreendido entre 1996 e 2013. Foram realizados vários testes ao modelo inicial, com o objetivo de encontrar um modelo que fosse o mais explicativo possível. Conseguimos ainda identificar uma relação inversa entre o rating atribuído por estas agências e a evolução da dívida pública, no sentido em que para períodos em que o rating desce, o crescimento da dívida é mais acentuado. Não nos foi, no entanto, possível atribuir um rating à dívida pública através de uma análise de percentis.

Numerical analysis of the initial conditions in fractional systems

Fractional dynamics is a growing topic in theoretical and experimental scientific research. A classical problem is the initialization required by fractional operators. While the problem is clear from the mathematical point of view, it constitutes a challenge in applied sciences. This paper addresses the problem of initialization and its effect upon dynamical system simulation when adopting numerical approximations. The results are compatible with system dynamics and clarify the formulation of adequate values for the initial conditions in numerical simulations.

On the numerical computation of the Mittag-Leffler function

Recently simple limiting functions establishing upper and lower bounds on the Mittag-Leffler function were found. This paper follows those expressions to design an efficient algorithm for the approximate calculation of expressions usual in fractional-order control systems. The numerical experiments demonstrate the superior efficiency of the proposed method.

Local Fractional Variational Iteration Method for Local Fractional Poisson Equations in Two Independent Variables

The local fractional Poisson equations in two independent variables that appear in mathematical physics involving the local fractional derivatives are investigated in this paper. The approximate solutions with the nondifferentiable functions are obtained by using the local fractional variational iteration method.

Rhapsody in Fractional

This paper studies several topics related with the concept of “fractional” that are not directly related with Fractional Calculus, but can help the reader in pursuit new research directions. We introduce the concept of non-integer positional number systems, fractional sums, fractional powers of a square matrix, tolerant computing and FracSets, negative probabilities, fractional delay discrete-time linear systems, and fractional Fourier transform.

The Persistence of Memory

This paper analyzes several natural and man-made complex phenomena in the perspective of dynamical systems. Such phenomena are often characterized by the absence of a characteristic length-scale, long range correlations and persistent memory, which are features also associated to fractional order systems. For each system, the output, interpreted as a manifestation of the system dynamics, is analyzed by means of the Fourier transform. The amplitude spectrum is approximated by a power law function and the parameters are interpreted as an underlying signature of the system dynamics. The complex systems under analysis are then compared in a global perspective in order to unveil and visualize hidden relationships among them.

Pseudo Phase Plane and Fractional Calculus Modelling of Western Global Economic Downturn

This paper applies Pseudo Phase Plane (PPP) and Fractional Calculus (FC) mathematical tools for modeling world economies. A challenging global rivalry among the largest international economies began in the early 1970s, when the post-war prosperity declined. It went on, up to now. If some worrying threatens may exist actually in terms of possible ambitious military aggression, invasion, or hegemony, countries’ PPP relative positions can tell something on the current global peaceful equilibrium. A global political downturn of the USA on global hegemony in favor of Asian partners is possible, but can still be not accomplished in the next decades. If the 1973 oil chock has represented the beginning of a long-run recession, the PPP analysis of the last four decades (1972–2012) does not conclude for other partners’ global dominance (Russian, Brazil, Japan, and Germany) in reaching high degrees of similarity with the most developed world countries. The synergies of the proposed mathematical tools lead to a better understanding of the dynamics underlying world economies and point towards the estimation of future states based on the memory of each time series.

Numerical calculation of the left and right fractional derivatives

The calculation of fractional derivatives is an important topic in scientific research. While formal definitions are clear from the mathematical point of view, they pose limitations in applied sciences that have not been yet tackled. This paper addresses the problem of obtaining left and right side derivatives when adopting numerical approximations. The results reveal the relationship between the resulting distinct values for different fractional orders and types of signals.

A Review of Operational Matrices and Spectral Techniques for Fractional Calculus

Recently, operational matrices were adapted for solving several kinds of fractional differential equations (FDEs). The use of numerical techniques in conjunction with operational matrices of some orthogonal polynomials, for the solution of FDEs on finite and infinite intervals, produced highly accurate solutions for such equations. This article discusses spectral techniques based on operational matrices of fractional derivatives and integrals for solving several kinds of linear and nonlinear FDEs. More precisely, we present the operational matrices of fractional derivatives and integrals, for several polynomials on bounded domains, such as the Legendre, Chebyshev, Jacobi and Bernstein polynomials, and we use them with different spectral techniques for solving the aforementioned equations on bounded domains. The operational matrices of fractional derivatives and integrals are also presented for orthogonal Laguerre and modified generalized Laguerre polynomials, and their use with numerical techniques for solving FDEs on a semi-infinite interval is discussed. Several examples are presented to illustrate the numerical and theoretical properties of various spectral techniques for solving FDEs on finite and semi-infinite intervals.