Leis de potência em sistemas naturais e artificiais

A Lei de Potência é uma particularidade de um sistema não linear, revelando um sistema complexo próximo da auto-organização. Algumas características de sistemas naturais e artificiais, tais como dimensão populacional das cidades, valor dos rendimentos pessoais, frequência de ocorrência de palavras em textos e magnitude de sismos, seguem distribuições do tipo Lei de Potência. Estas distribuições indicam que pequenas ocorrências são muito comuns e grandes ocorrências são raras, podendo porém verificar-se com razoável probabilidade. A finalidade deste trabalho visa a identificação de fenómenos associados às Leis de Potência. Mostra-se o comportamento típico destes fenómenos, com os dados retirados dos vários casos de estudo e com a ajuda de uma meta-análise. As Leis de Potência em sistemas naturais e artificiais apresentam uma proximidade a um padrão, quando os valores são normalizados (frequências relativas) para dar origem a um meta-gráfico.

Edifícios altos – problemas associados e análise estrutural de um caso prático

Com a presente dissertação pretende-se analisar alguns dos problemas associados aos edifícios altos, na fase de projeto, bem como compilar um conjunto de informações e conhecimentos científicos sobre a área abordada. São descritas algumas soluções de sistemas estruturais possíveis de idealizar para edifícios altos. Posteriormente, tendo por base um projeto de estruturas de um edifício com 25 pisos localizado em Luanda, capital de Angola, o objetivo consistiu em analisar estática e dinamicamente o seu comportamento quando solicitado fundamentalmente pelas ações do vento e dos sismos. A análise estrutural foi realizada com recurso a dois softwares de cálculo automático, nomeadamente, o Cypecad e o Robot Structural Analysis Professional e pelos métodos preconizados no Regulamento de Segurança e Ações para estruturas de edifícios e pontes e o Eurocódigo 8 – “Projeto de estruturas para resistência aos sismos”. Aborda-se a temática do faseamento construtivo, assunto que revela algumas limitações dos programas de cálculo utilizados, sendo descrito um método simplificado para prever os seus efeitos em termos de dimensionamento final. Os resultados obtidos permitiram avaliar o bom comportamento da estrutura no que respeita ao cumprimento dos estados limites últimos e de serviço. Conclui-se que o sistema estrutural adotado no modelo em estudo se encontra bem dimensionado relativamente ao colapso e à limitação de danos.

Analysis and visualization of seismic data using mutual information

Seismic data is difficult to analyze and classical mathematical tools reveal strong limitations in exposing hidden relationships between earthquakes. In this paper, we study earthquake phenomena in the perspective of complex systems. Global seismic data, covering the period from 1962 up to 2011 is analyzed. The events, characterized by their magnitude, geographic location and time of occurrence, are divided into groups, either according to the Flinn-Engdahl (F-E) seismic regions of Earth or using a rectangular grid based in latitude and longitude coordinates. Two methods of analysis are considered and compared in this study. In a first method, the distributions of magnitudes are approximated by Gutenberg-Richter (G-R) distributions and the parameters used to reveal the relationships among regions. In the second method, the mutual information is calculated and adopted as a measure of similarity between regions. In both cases, using clustering analysis, visualization maps are generated, providing an intuitive and useful representation of the complex relationships that are present among seismic data. Such relationships might not be perceived on classical geographic maps. Therefore, the generated charts are a valid alternative to other visualization tools, for understanding the global behavior of earthquakes.

Fractional dynamics and MDS visualization of earthquake phenomena

This paper analyses earthquake data in the perspective of dynamical systems and fractional calculus (FC). This new standpoint uses Multidimensional Scaling (MDS) as a powerful clustering and visualization tool. FC extends the concepts of integrals and derivatives to non-integer and complex orders. MDS is a technique that produces spatial or geometric representations of complex objects, such that those objects that are perceived to be similar in some sense are placed on the MDS maps forming clusters. In this study, over three million seismic occurrences, covering the period from January 1, 1904 up to March 14, 2012 are analysed. The events are characterized by their magnitude and spatiotemporal distributions and are divided into fifty groups, according to the Flinn–Engdahl (F–E) seismic regions of Earth. Several correlation indices are proposed to quantify the similarities among regions. MDS maps are proven as an intuitive and useful visual representation of the complex relationships that are present among seismic events, which may not be perceived on traditional geographic maps. Therefore, MDS constitutes a valid alternative to classic visualization tools for understanding the global behaviour of earthquakes.

Power law and entropy analysis of catastrophic phenomena

Catastrophic events, such as wars and terrorist attacks, tornadoes and hurricanes, earthquakes, tsunamis, floods and landslides, are always accompanied by a large number of casualties. The size distribution of these casualties has separately been shown to follow approximate power law (PL) distributions. In this paper, we analyze the statistical distributions of the number of victims of catastrophic phenomena, in particular, terrorism, and find double PL behavior. This means that the data sets are better approximated by two PLs instead of a single one. We plot the PL parameters, corresponding to several events, and observe an interesting pattern in the charts, where the lines that connect each pair of points defining the double PLs are almost parallel to each other. A complementary data analysis is performed by means of the computation of the entropy. The results reveal relationships hidden in the data that may trigger a future comprehensive explanation of this type of phenomena.

And I say to myself: “What a fractional world!”

This paper discusses several complex systems in the perspective of fractional dynamics. For prototype systems are considered the cases of deoxyribonucleic acid decoding, financial evolution, earthquakes events, global warming trend, and musical rhythms. The application of the Fourier transform and of the power law trendlines leads to an assertive representation of the dynamics and to a simple comparison of their characteristics. Moreover, the gallery of different systems, both natural and man made, demonstrates the richness of phenomena that can be described and studied with the tools of fractional calculus.

A Lei de ZIPF ou Regra 80/20 da Internet

As Leis de Potência, LP, (Power Laws, em inglês), Leis de Pareto ou Leis de Zipf são distribuições estatísticas, com inúmeras aplicações práticas, em sistemas naturais e artificiais. Alguns exemplos são a variação dos rendimentos pessoais ou de empresas, a ocorrência de palavras em textos, as repetições de sons ou conjuntos de sons em composições musicais, o número de vítimas em guerras ou outros cataclismos, a magnitude de tremores de terra, o número de vendas de livros ou CD’s na internet, o número de sítios mais acedidos na Internet, entre muitos outros. Vilfredo Pareto (1897-1906) afirma, no manual de economia política “Cours d’Economie Politique”, que grande parte da economia mundial segue uma determinada distribuição, em que 20% da população reúne 80% da riqueza total do país, estando, assim uma pequena fração da sociedade a controlar a maior fatia do dinheiro. Isto resume o comportamento de uma variável que segue uma distribuição de Pareto (ou Lei de Potência). Neste trabalho pretende-se estudar em pormenor a aplicação das leis de potência a fenómenos da internet, como sendo o número de sítios mais visitados, o número de links existentes em determinado sítio, a distribuição de nós numa rede da internet, o número livros vendidos e as vendas em leilões online. Os resultados obtidos permitem-nos concluir que todos os dados estudados são bem aproximados, numa escala logarítmica, por uma reta com declive negativo, seguindo, assim, uma distribuição de Pareto. O desenvolvimento e crescimento da Web, tem proporcionado um aumento do número dos utilizadores, conteúdos e dos sítios. Grande parte dos exemplos presentes neste trabalho serão alvo de novos estudos e de novas conclusões. O fato da internet ter um papel preponderante nas sociedades modernas, faz com que esteja em constante evolução e cada vez mais seja possível apresentar fenómenos na internet associados Lei de Potência.

Multidimensional scaling visualization of earthquake phenomena

Earthquakes are associated with negative events, such as large number of casualties, destruction of buildings and infrastructures, or emergence of tsunamis. In this paper, we apply the Multidimensional Scaling (MDS) analysis to earthquake data. MDS is a set of techniques that produce spatial or geometric representations of complex objects, such that, objects perceived to be similar/distinct in some sense are placed nearby/distant on the MDS maps. The interpretation of the charts is based on the resulting clusters since MDS produces a different locus for each similarity measure. In this study, over three million seismic occurrences, covering the period from January 1, 1904 up to March 14, 2012 are analyzed. The events, characterized by their magnitude and spatiotemporal distributions, are divided into groups, either according to the Flinn–Engdahl seismic regions of Earth or using a rectangular grid based in latitude and longitude coordinates. Space-time and Space-frequency correlation indices are proposed to quantify the similarities among events. MDS has the advantage of avoiding sensitivity to the non-uniform spatial distribution of seismic data, resulting from poorly instrumented areas, and is well suited for accessing dynamics of complex systems. MDS maps are proven as an intuitive and useful visual representation of the complex relationships that are present among seismic events, which may not be perceived on traditional geographic maps. Therefore, MDS constitutes a valid alternative to classic visualization tools, for understanding the global behavior of earthquakes.

Leis de Pareto para Guerras e Actos de Terrorismo

Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores - Área de Especialização de Sistemas e Planeamento Industrial

Possibilidade e rentabilidade da utilização do gás de xisto em Portugal

Mestrado em Engenharia Mecânica- Energia

Leis de potência em economia e finanças

Nesta dissertação aborda-se a aplicação de Leis de Potência (LPs), também designadas de Leis de Pareto ou Leis de Zipf, a dados económicos. As LPs são distribuições estatísticas amplamente usadas na compreensão de sistemas naturais e artificiais. O aparecimento das LPs deve-se a Vilfredo Pareto que, no século XIX, publicou o manual de economia política,“Cours d’Economie Politique”. Nesse manual refere que grande parte da economia mundial segue uma LP, em que 20% da população reúne 80% da riqueza do país. Esta propriedade carateriza uma variável que segue uma distribuição de Pareto (ou LP). Desde então, as LPs foram aplicadas a outros fenómenos, nomeadamente a ocorrência de palavras em textos, os sobrenomes das pessoas, a variação dos rendimentos pessoais ou de empresas, o número de vítimas de inundações ou tremores de terra, os acessos a sítios da internet, etc. Neste trabalho, é estudado um conjunto de dados relativos às fortunas particulares ou coletivas de pessoas ou organizações. Mais concretamente são analisados dados recolhidos sobre as fortunas das mulheres mais ricas do mundo, dos homens mais ricos no ramo da tecnologia, das famílias mais ricas, das 20 mulheres mais ricas da América, dos 400 homens mais ricos da América, dos homens mais ricos do mundo, dos estabelecimentos mais ricos do mundo, das empresas mais ricas do mundo e dos países mais ricos do mundo, bem como o valor de algumas empresas no mercado de ações. Os resultados obtidos revelam uma boa aproximação de parte desses dados a uma LP simples e uma boa aproximação pelos restantes dados a uma LP dupla. Observa-se, assim, diferenciação na forma de crescimento das fortunas nos diferentes casos estudados. Como trabalho futuro, procurar-se-á analisar estes e outros dados, utilizando outras distribuições estatísticas, como a exponencial ou a lognormal, que possuem comportamentos semelhantes à LP, com o intuito de serem comparados os resultados. Um outro aspeto interessante será o de encontrar a explicação analítica para as vantagens da aproximação de dados económicos por uma LP simples vs por uma LP dupla.

A Review on the Characterization of Signals and Systems by Power Law Distributions

Power laws, also known as Pareto-like laws or Zipf-like laws, are commonly used to explain a variety of real world distinct phenomena, often described merely by the produced signals. In this paper, we study twelve cases, namely worldwide technological accidents, the annual revenue of America׳s largest private companies, the number of inhabitants in America׳s largest cities, the magnitude of earthquakes with minimum moment magnitude equal to 4, the total burned area in forest fires occurred in Portugal, the net worth of the richer people in America, the frequency of occurrence of words in the novel Ulysses, by James Joyce, the total number of deaths in worldwide terrorist attacks, the number of linking root domains of the top internet domains, the number of linking root domains of the top internet pages, the total number of human victims of tornadoes occurred in the U.S., and the number of inhabitants in the 60 most populated countries. The results demonstrate the emergence of statistical characteristics, very close to a power law behavior. Furthermore, the parametric characterization reveals complex relationships present at higher level of description.

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.

Casualties distribution in human and natural hazards

Catastrophic events, such as wars and terrorist attacks, big tornadoes and hurricanes, huge earthquakes, tsunamis, floods, and landslides, are always accompanied by a large number of casualties. The size distribution of these casualties have separately been shown to follow approximate power law (PL) distributions. In this paper, we analyze the number of victims of catastrophic phenomena, in particular, terrorism, and find double PL behavior. This means that the data set is better approximated by two PLs instead of one. We have plotted the two PL parameters corresponding to all terrorist events occurred in every year, from 1980 to 2010. We observe an interesting pattern in the chart, where the lines, that connect each pair of points defining the double PLs, are roughly aligned to each other.