Analysis of temperature time-series: embedding dynamics into the MDS method

Global warming and the associated climate changes are being the subject of intensive research due to their major impact on social, economic and health aspects of the human life. Surface temperature time-series characterise Earth as a slow dynamics spatiotemporal system, evidencing long memory behaviour, typical of fractional order systems. Such phenomena are difficult to model and analyse, demanding for alternative approaches. This paper studies the complex correlations between global temperature time-series using the Multidimensional scaling (MDS) approach. MDS provides a graphical representation of the pattern of climatic similarities between regions around the globe. The similarities are quantified through two mathematical indices that correlate the monthly average temperatures observed in meteorological stations, over a given period of time. Furthermore, time dynamics is analysed by performing the MDS analysis over slices sampling the time series. MDS generates maps describing the stations’ locus in the perspective that, if they are perceived to be similar to each other, then they are placed on the map forming clusters. We show that MDS provides an intuitive and useful visual representation of the complex relationships that are present among temperature time-series, which are not perceived on traditional geographic maps. Moreover, MDS avoids sensitivity to the irregular distribution density of the meteorological stations.

Analysis of financial data series using fractional Fourier transform and multidimensional scaling

The goal of this study is the analysis of the dynamical properties of financial data series from worldwide stock market indexes during the period 2000–2009. We analyze, under a regional criterium, ten main indexes at a daily time horizon. The methods and algorithms that have been explored for the description of dynamical phenomena become an effective background in the analysis of economical data. We start by applying the classical concepts of signal analysis, fractional Fourier transform, and methods of fractional calculus. In a second phase we adopt the multidimensional scaling approach. Stock market indexes are examples of complex interacting systems for which a huge amount of data exists. Therefore, these indexes, viewed from a different perspectives, lead to new classification patterns.

Radioactivity levels of 238U and 232Th decay series and related dose rates in the surroundings of a coal power plant using high resolution g-spectrometry

Gamma radiations measurements were carried out in the vicinity of a coal-fired power plant located in the southwest coastline of Portugal. Two different gamma detectors were used to assess the environmental radiation within a circular area of 20 km centred in the coal plant: a scintillometer (SPP2 NF, Saphymo) and a high purity germanium detector (HPGe, Canberra). Fifty urban and suburban measurements locations were established within the defined area and two measurements campaigns were carried out. The results of the total gamma radiation ranged from 20.83 to 98.33 counts per second (c.p.s.) for both measurement campaigns and outdoor doses rates ranged from 77.65 to 366.51 Gy/h. Natural emitting nuclides from the U-238 and Th-232 decay series were identified as well as the natural emitting nuclide K-40. The radionuclide concentration from the uranium and thorium series determined by gamma spectrometry ranged from 0.93 to 73.68 Bq/kg, while for K-40 the concentration ranged from 84.14 to 904.38 Bq/kg. The obtained results were used primarily to define the variability in measured environmental radiation and to determine the coal plant’s influence in the measured radiation levels. The highest values were measured at two locations near the power plant and at locations between the distance of 6 and 20 km away from the stacks, mainly in the prevailing wind direction. The results showed an increase or at least an influence from the coal-fired plant operations, both qualitatively and quantitatively.

Dynamical Analysis and Visualization of Tornadoes Time Series

In this paper we analyze the behavior of tornado time-series in the U.S. from the perspective of dynamical systems. A tornado is a violently rotating column of air extending from a cumulonimbus cloud down to the ground. Such phenomena reveal features that are well described by power law functions and unveil characteristics found in systems with long range memory effects. Tornado time series are viewed as the output of a complex system and are interpreted as a manifestation of its dynamics. Tornadoes are modeled as sequences of Dirac impulses with amplitude proportional to the events size. First, a collection of time series involving 64 years is analyzed in the frequency domain by means of the Fourier transform. The amplitude spectra are approximated by power law functions and their parameters are read as an underlying signature of the system dynamics. Second, it is adopted the concept of circular time and the collective behavior of tornadoes analyzed. Clustering techniques are then adopted to identify and visualize the emerging patterns.

Integer and Fractional Order Entropy Analysis of Earthquake Data-series

This paper studies the statistical distributions of worldwide earthquakes from year 1963 up to year 2012. A Cartesian grid, dividing Earth into geographic regions, is considered. Entropy and the Jensen–Shannon divergence are used to analyze and compare real-world data. Hierarchical clustering and multi-dimensional scaling techniques are adopted for data visualization. Entropy-based indices have the advantage of leading to a single parameter expressing the relationships between the seismic data. Classical and generalized (fractional) entropy and Jensen–Shannon divergence are tested. The generalized measures lead to a clear identification of patterns embedded in the data and contribute to better understand earthquake distributions.

A aquisição de competências matemáticas no 1º e 2º ciclos:construção de um instrumento e intervenção com base nos seus resultados

Com base no modelo de Resposta à Intervenção (RtI), este estudo centrouse em três objetivos: construir um instrumento vocacionado para a determinação do nível de competências fundamentais, do 1º ao 6º anos, na disciplina de Matemática; avaliar o valor preditivo do instrumento sobre a necessidade de intervenção; examinar o efeito de uma intervenção planeada com base na avaliação diagnóstica desse instrumento. Para dar resposta ao primeiro e segundo objetivos foram consideradas duas amostras de conveniência: a primeira, constituída por 5 docentes, avaliou a versão teste do instrumento e a segunda, constituída por 6 docentes, avaliou a sua versão final (perfazendo um total de 75 alunos). Recorrendo ao método kmeans, os resultados mostraram que o instrumento é de útil e fácil aplicação, permitindo aos docentes avaliarem e identificarem o grupo de desempenho a que pertence cada aluno, em relação à média dos resultados da respetiva turma. Relativamente ao terceiro objetivo, foi constituída uma amostra de 7 alunos de uma turma do 4º ano. A intervenção decorreu ao longo de 11 semanas, com 2 sessões semanais, cuja duração variou entre 10 a 35 minutos. Para avaliar os efeitos da intervenção, foi realizado um pré e um pós-teste, assim como 2 sessões de avaliação intermédia (checkpoints), tendo-se recorrido ao teste não paramétrico de Friedman e ao teste de Wilcoxon, para avaliar a significância das diferenças entre os tempos e os níveis de suporte, para o aluno resolver a tarefa com sucesso, respetivamente. Os resultados mostraram diferenças estatiscamente significativas, particularmente entre as duas avaliações intermédia consideradas.

Modelos Teóricos de Difusão Dérmica: abordagens matemáticas e computacionais para terapias transdérmicas da Obesidade

É de senso comum que os nutrientes são fundamentais à vida e que a subnutrição leva à acumulação de gorduras que pode chegar a casos de obesidade, tendo como consequência inúmeras complicações de saúde. Diferentes estruturas neuroanatómicas do cérebro têm um papel essencial no comportamento digestivo. A ação de várias moléculas de sinalização (hormonas, neurotransmissores e neuropéptidos) resulta na regulação da ingestão de alimentos, sendo que, por exemplo, algumas hormonas podem aumentar a sensação de saciedade podendo diminuir o apetite e a ingestão calórica. A descoberta de hormonas envolvidas no balanço energético proporcionou novas oportunidades para desenvolver meios para o tratamento da obesidade. A transferência de medicação antiobesidade por via tópica ou transdérmica é um desafio pois a pele funciona como uma barreira natural e protetora. Sendo uma barreira com uma grande área de superfície e de fácil acessibilidade, a pele tem potencial interesse na libertação de fármacos específicos a cada terapia. Vários métodos têm sido estudados de modo a permitir um aumento da permeabilidade de moléculas terapêuticas para o interior da pele e através da pele. As biotecnologias transdérmicas são um campo de interesse cada vez maior, devido as aplicações dérmicas e farmacêuticas que lhes estão subjacentes. Existem vários modelos computacionais e matemáticos em uso que permite uma visão mais abrangente de puros dados experimentais e até mesmo permite a extrapolação prática de novas metodologias de difusão dérmica. Contudo, eles compreendem uma complexa variedade de teorias e suposições que atribuem a sua utilização para situações específicas. Este trabalho, primeiramente analisa, de forma extensiva, as várias metodologias teóricas para o estudo da difusão dérmica e sistematiza as suas características, realizando depois a fase prévia duma nova abordagem computacional para o estudo da difusão dérmica, que determina características microscópicas de moléculas capazes de provocar a perda de peso, tais como a Leptina e/ou os seus agonistas.