Monte Carlo Methods in Parameter Estimation of Nonlinear Models

Yksi keskeisimmistä tehtävistä matemaattisten mallien tilastollisessa analyysissä on mallien tuntemattomien parametrien estimointi. Tässä diplomityössä ollaan kiinnostuneita tuntemattomien parametrien jakaumista ja niiden muodostamiseen sopivista numeerisista menetelmistä, etenkin tapauksissa, joissa malli on epälineaarinen parametrien suhteen. Erilaisten numeeristen menetelmien osalta pääpaino on Markovin ketju Monte Carlo -menetelmissä (MCMC). Nämä laskentaintensiiviset menetelmät ovat viime aikoina kasvattaneet suosiotaan lähinnä kasvaneen laskentatehon vuoksi. Sekä Markovin ketjujen että Monte Carlo -simuloinnin teoriaa on esitelty työssä siinä määrin, että menetelmien toimivuus saadaan perusteltua. Viime aikoina kehitetyistä menetelmistä tarkastellaan etenkin adaptiivisia MCMC menetelmiä. Työn lähestymistapa on käytännönläheinen ja erilaisia MCMC -menetelmien toteutukseen liittyviä asioita korostetaan. Työn empiirisessä osuudessa tarkastellaan viiden esimerkkimallin tuntemattomien parametrien jakaumaa käyttäen hyväksi teoriaosassa esitettyjä menetelmiä. Mallit kuvaavat kemiallisia reaktioita ja kuvataan tavallisina differentiaaliyhtälöryhminä. Mallit on kerätty kemisteiltä Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta ja Åbo Akademista, Turusta.

Tiivispaperin rasvanläpäisyn luonnehtiminen

Työn tavoitteena oli kehittää Metsä Tissue Oyj:n Mäntän tehtaille uusi testimenetelmä leivinpaperin rasvanläpäisyn mittaamiseen. Uudella testimenetelmällä korvataan kaksi nykyisistä testimenetelmistä, jotka ovat aikaa vieviä ja epäluotettavia. Uudelta menetelmältä vaaditaan lyhyttä kestoa, hyvää toistettavuutta ja luotettavuutta sekä korreloivuutta nykyisiin testimenetelmiin. Nykyisissä testeissä leivinpaperilla paistetaan sikaa ja kanaa uunissa, jonka jälkeen tarkastetaan leivinpaperin läpäisseen rasvan määrää leivinpaperin alla olleen lautasen puhtauden perusteella. Sikatesti on huomattavasti kriittisempi kuin kanatesti, joten tässä työssä keskitytään sikatestin korvaamiseen uudella testimenetelmällä. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin rasvatiiviisiin papereihin, niiden valmistukseen ja ominaisuuksiin. Lähinnä keskityttiin tiivispaperin valmistukseen ja sen silikonointiin. Lisäksi esitettiin rasvanläpäisyn mekanismeja ja niihin vaikuttavia tekijöitä sekä rasvanläpäisyn mittaamiseen kehitettyjä menetelmiä. Kokeellisen osan alussa tehtiin esikokeita olemassa olevilla testeillä, kuten Helga- ja Tappi-rasvatiiveystestillä, DIN 53116 standardin mukaisella menetelmällä sekä DPM menetelmällä. Esikokeiden tarkoituksena oli selvittää missä määrin sikatesti korreloi muiden testimenetelmien kanssa. Näistä menetelmistä ei löydetty korrelaatiota sikatestiin, joten kehitettiin aivan uusi testimenetelmä. Kokeellisessa osassa tutkittiin sikatestissä leivinpaperin pidättämiä ja läpäisemiä aineita. Testeissä huomattiin, että leivinpaperin läpäisseet aineet olivat pääosin vesiliukoisia proteiineja. Leivinpaperin pidättämässä aineessa oli vettä, vesiliukoista proteiineja ja rasvaa, siasta riippuen hyvinkin erilaisissa suhteissa. Täten todettiin sikatestin huono toistettavuus ja luotettavuus. Uudessa testimenetelmässä leivinpaperia ja sen päällä olevaa koeainetta puristetaan määrätyllä paineella määrätyssä lämpötilassa, jonka jälkeen leivinpaperin läpäissyt rasva havainnoidaan leivinpaperin alla olevasta indikaattoripaperista. Lopuksi lasketaan tietynkokoisten läpimenotahrojen lukumäärän perusteella näytteelle rasvan läpäisyindeksi. Uusi menetelmä korreloi sekä sika- että kanatestin kanssa.

Asiakaslähtöisen kombipatatuotannon tehostaminen tuotevalikoimaa moduloimalla

Työn tavoitteena oli tehostaa asiakaslähtöistä kombipatatuotantoa moduloimalla tuotevalikoimaa. Työ tehtiin Hackman Metos Oy:lle Keravalla, liittyen Innovative Cooking-osaston tuotannon tehostamishankkeeseen. Työssä lähdettiin liikkeelle tutustuen yrityksen nykyisiin tuotteisiin sekä tuotantoon. Perehtymisen jälkeen etsittiin sopivia modulointimenetelmiä, joilla työn tavoitteena oleva perusmoduulien määrittäminen pystyttäisiin toteuttamaan. Modulointimenetelmien vertailu ja modulointityökalun valinta perustui kirjallisuuteen ja kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin. Valittuja modulointimenetelmiä vertailtiin keskenään ja niistä pyrittiin valitsemaan parhaiten soveltuva vaihtoehto. Työn monipuolisen tarkastelun vuoksi päädyttiin etenemään käyttäen kahta menetelmää, MFD-menetelmää sekä moduuliheuristiikkaa. Nämä menetelmät täydensivät hyvin toisiaan suurien moduulijakojen tekemistä silmällä pitäen. Diplomityön tuloksena syntyi moduloinnille ratkaisuehdotus, jossa on esitetty jako perusmoduuleihin sekä ratkaisut tuotannon tehostamiseen. Lisäksi on paneuduttu tarkastelemaan kokoonpanon pullonkaulakohtia ja niiden toimivuuden kehittämistä.

Advanced orbital pipe welding

Since the introduction of automatic orbital welding in pipeline application in 1961, significant improvements have been obtained in orbital pipe welding systems. Requirement of more productive welding systems for pipeline application forces manufacturers to innovate new advanced systems and welding processes for orbital welding method. Various methods have been used to make welding process adaptive, such as visual sensing, passive visual sensing, real-time intelligent control, scan welding technique, multi laser vision sensor, thermal scanning, adaptive image processing, neural network model, machine vision, and optical sensing. Numerous studies are reviewed and discussed in this Master’s thesis and based on a wide range of experiments which already have been accomplished by different researches the vision sensor are reported to be the best choice for adaptive orbital pipe welding system. Also, in this study the most welding processes as well as the most pipe variations welded by orbital welding systems mainly for oil and gas pipeline applications are explained. The welding results show that Gas Metal Arc Welding (GMAW) and its variants like Surface Tension Transfer (STT) and modified short circuit are the most preferred processes in the welding of root pass and can be replaced to the Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) in many applications. Furthermore, dual-tandem gas metal arc welding technique is currently considered the most efficient method in the welding of fill pass. Orbital GTAW process mostly is applied for applications ranging from single run welding of thin walled stainless tubes to multi run welding of thick walled pipes. Flux cored arc welding process is faster process with higher deposition rate and recently this process is getting more popular in pipe welding applications. Also, combination of gas metal arc welding and Nd:YAG laser has shown acceptable results in girth welding of land pipelines for oil and gas industry. This Master’s thesis can be implemented as a guideline in welding of pipes and tubes to achieve higher quality and efficiency. Also, this research can be used as a base material for future investigations to supplement present finding.

Vaativien kanavien vaatimusten mukainen mitoitus kattilalaitoksessa

Työssä tutkitaan kattilalaitosten vaativien, ulkoista kuormaa kantavien savukaasu- ja palamisilmakanavien rakennemitoitusta. Teoriaosuudessa esitetään vaativien kanavien mitoituksessa tarvittava levy- ja palkkilujuusoppi. Kantavien rakenteiden Eurokoodi-standardien soveltuvuutta kanavien mitoitukseen on tutkittu elementtimenetelmän avulla. Tutkittuja menetelmiä sovelletaan case-rakenteen mitoituksessa.

Teollisuusprosessien signaalien automaattinen analysointi

Diplomityössä kehitettiin menetelmiä teollisuusprosessien signaalien automaattiseen havainnointiin ja luotiin työkalu tulosten esittämiseen. Työn tarkoituksena on nopeuttaa ja helpottaa prosessin ongelmien ratkaisua luokittelemalla signaalit matemaattisten menetelmien avulla. Koska prosessin mittaussignaalit ovat pääasiassa stokastisia, eli niitä ei voida etukäteen ennustaa, käsitellään signaaleita tilastomatemaattisin keinoin. Työstä rajattiin mittaushistorian käyttö, joten värähtelyiden tunnistus toteutettiin taajuusanalyysin avulla. Korrelaation avulla löydetään samankaltaiset signaalit. Testeissä todettiin, että työssä kehitetyt havainnoinnit toimivat eri näytteenottotaajuuksilla ja työkalun suoritusnopeus todettiin hyväksi. Lopuksi esiteltiin todellinen teollisuusprosessin ongelma ja siihen mahdollisia ratkaisuja.

Innovatiivisten ja funktionaalisten tuotteiden kysynnän ennustaminen terveydenhuollonalan tukkuyrityksessä

Tässä diplomityössä tutkitaan miten kysyntää voidaan ennustaa erityyppisille tuotteille. Työssä esitellään miten funktionaaliset ja innovatiiviset tuotteet poikkeavat toisistaan sekä miten niiden toimitusketjut eroavat. Työssä esitellään kvantitatiivisia ja kvalitatiivisia menetelmiä kysynnän ennustamiseen erityyppisille tuotteille ja sitä kuinka ennustemenetelmä tulisi tuotteille valita. Työssä käydään läpi ennusteprosessi, ennusteiden suorituskyvyn mittaaminen ja ennustamisen hyödyt ja sudenkuopat. Työn käytännönosuus on tehty kohdeyritykselle, joka toimii terveydenhuollonalan maahantuojana ja tukkuyrityksenä. Työn tarkoituksena on luoda yritykselle ennusteenvalintatyökalu, jonka avulla voidaan valita yrityksen toisistaan poikkeaville tuotteille tarpeeseen sopivia kysynnän ennusteita. Työssä luodaan ennusteet neljälle yrityksen toisistaan poikkeavalle tuoteryhmälle, joista jokaisella on erilainen tarve ennusteen käytölle. Jokaisesta tuoteryhmästä on valittu yhdestä kolmeen tuotetta, joille luodaan ennusteet käyttäen yhtä tai kahta erilaista menetelmää ja niiden suoriutumista verrataan yksinkertaisimpaan menetelmään, naiiviin menetelmän tuloksiin.

Fluid flow in T-junction of pipes

The aim of this work is to study flow properties at T-junction of pipe, pressure loss suffered by the flow after passing through T-junction and to study reliability of the classical engineering formulas used to find head loss for T-junction of pipes. In this we have compared our results with CFD software packages with classical formula and made an attempt to determine accuracy of the classical formulas. In this work we have studies head loss in T-junction of pipes with various inlet velocities, head loss in T-junction of pipes when the angle of the junction is slightly different from 90 degrees and T-junction with different area of cross-section of the main pipe and branch pipe. In this work we have simulated the flow at T-junction of pipe with FLUENT and Comsol Multiphysics and observed flow properties inside the T-junction and studied the head loss suffered by fluid flow after passing through the junction. We have also compared pressure (head) losses obtained by classical formulas by A. Vazsonyi and Andrew Gardel and formulas obtained by assuming T-junction as combination of other pipe components and observations obtained from software experiments. One of the purposes of this study is also to study change in pressure loss with change in angle of T-junction. Using software we can have better view of flow inside the junction and study turbulence, kinetic energy, pressure loss etc. Such simulations save a lot of time and can be performed without actually doing the experiment. There were no real life experiments made, the results obtained completely rely on accuracy of software and numerical methods used.

On Topological Solitons in The Faddeev-Skyrme Model and its Extensions

The topological solitons of two classical field theories, the Faddeev-Skyrme model and the Ginzburg-Landau model are studied numerically and analytically in this work. The aim is to gain information on the existence and properties of these topological solitons, their structure and behaviour under relaxation. First, the conditions and mechanisms leading to the possibility of topological solitons are explored from the field theoretical point of view. This leads one to consider continuous deformations of the solutions of the equations of motion. The results of algebraic topology necessary for the systematic treatment of such deformations are reviewed and methods of determining the homotopy classes of topological solitons are presented. The Faddeev-Skyrme and Ginzburg-Landau models are presented, some earlier results reviewed and the numerical methods used in this work are described. The topological solitons of the Faddeev-Skyrme model, Hopfions, are found to follow the same mechanisms of relaxation in three different domains with three different topological classifications. For two of the domains, the necessary but unusual topological classification is presented. Finite size topological solitons are not found in the Ginzburg-Landau model and a scaling argument is used to suggest that there are indeed none unless a certain modification to the model, due to R. S. Ward, is made. In that case, the Hopfions of the Faddeev-Skyrme model are seen to be present for some parameter values. A boundary in the parameter space separating the region where the Hopfions exist and the area where they do not exist is found and the behaviour of the Hopfion energy on this boundary is studied.

Testate amoebae (thecamoebians) as indicators of aquatic mine impact

The environmental impacts of a single mine often remain local, but acidic and metal-rich acid mine drainage (AMD) from the waste materials may pose a serious threat to adjacent surface waters and their ecosystems. Testate amoebae (thecamoebian) analysis was used together with lake sediment geochemistry to study and evaluate the ecological effects of sulphidic metal mines on aquatic environments. Three different mines were included in the study: Luikonlahti Cu-mine in Kaavi, eastern Finland, Haveri Cu-Au mine in Ylöjärvi, southern Finland and Pyhäsalmi Zn-Cu-S mine in Pyhäjärvi, central Finland. Luikonlahti and Haveri are closed mines, but Pyhäsalmi is still operating. The sampling strategy was case specific, and planned to provide a representative sediment sample series to define natural background conditions, to detect spatial and temporal variations in mine impacts, to evaluate the possible recovery after the peak contamination, and to distinguish the effects of other environmental factors from the mining impacts. In the Haveri case, diatom analyses were performed alongside thecamoebian analysis to evaluate the similarities and differences between the two proxies. The results of the analyses were investigated with multivariate methods (direct and indirect ordinations, diversity and distance measure indices). Finally, the results of each case study were harmonized, pooled, and jointly analyzed to summarize the results for this dissertation. Geochemical results showed broadly similar temporal patterns in each case. Concentrations of ions in the pre-disturbance samples defined the natural baseline against which other results were compared. The beginning of the mining activities had only minor impacts on sediment geochemistry, mainly appearing as an increased clastic input into the lakes at Haveri and Pyhäsalmi. The active mining phase was followed by the metallic contamination and, subsequently, by the most recent change towards decreased but still elevated metal concentrations in the sediments. Because of the delay in the oxidation of waste material and formation of AMD, the most intense, but transient metal contamination phase occurred in the post-mining period at Luikonlahti and Haveri. At Pyhäsalmi, the highest metal contamination preceded effluent mitigation actions. Spatial gradients were observed besides the temporal evolution in both the pre-disturbance and mine-impacted samples from Luikonlahti and Pyhäsalmi. The geochemical gradients varied with distance from the main source of contaminants (dispersion and dilution) and with water depth (redox and pH). The spatial extent of the highest metal contamination associated with these mines remained rather limited. At Haveri, the metallic impact was widespread, with the upstream site in another lake basin found to be contaminated. Changes in thecamoebian assemblages corresponded well with the geochemical results. Despite some differences, the general features and ecological responses of the faunal assemblages were rather similar in each lake. Constantly abundant strains of Difflugia oblonga, Difflugia protaeiformis and centropyxids formed the core of these assemblages. Increasing proportions of Cucurbitella tricuspis towards the surface samples were found in all of the cases. The results affirmed the indicator value of some already known indicator forms, but such as C. tricuspis and higher nutrient levels, but also elicited possible new ones such as D. oblonga ‘spinosa’ and clayey substrate, high conductivity and/or alkalinity, D. protaeiformis ‘multicornis’ and pH, water hardness and the amount of clastic material and Centropyxis constricta ‘aerophila’ and high metal and S concentrations. In each case, eutrophication appeared to be the most important environmental factor, masking the effects of other variables. Faunal responses to high metal inputs in sediments remained minor, but were nevertheless detectable. Besides the trophic state of the lake, numerical methods suggested overall geochemical conditions (pH, redox) to be the most important factor at Luikonlahti, whereas the Haveri results showed the clearest connection between metals and amoebae. At Pyhäsalmi, the strongest relationships were found between Ca- and S-rich present loading, redox conditions and substrate composition. Sediment geochemistry and testate amoeba analysis proved to be a suitable combination of methods to detect and describe the aquatic mine impacts in each specific case, to evaluate recovery and to differentiate between the effects of different anthropogenic and natural environmental factors. It was also suggested that aquatic mine impacts can be significantly mitigated by careful design and after-care of the waste facilities, especially by reducing and preventing AMD. The case-specific approach is nevertheless necessary because of the unique characteristics of each mine and variations in the environmental background conditions.

On state and parameter estimation in chaotic systems

State-of-the-art predictions of atmospheric states rely on large-scale numerical models of chaotic systems. This dissertation studies numerical methods for state and parameter estimation in such systems. The motivation comes from weather and climate models and a methodological perspective is adopted. The dissertation comprises three sections: state estimation, parameter estimation and chemical data assimilation with real atmospheric satellite data. In the state estimation part of this dissertation, a new filtering technique based on a combination of ensemble and variational Kalman filtering approaches, is presented, experimented and discussed. This new filter is developed for large-scale Kalman filtering applications. In the parameter estimation part, three different techniques for parameter estimation in chaotic systems are considered. The methods are studied using the parameterized Lorenz 95 system, which is a benchmark model for data assimilation. In addition, a dilemma related to the uniqueness of weather and climate model closure parameters is discussed. In the data-oriented part of this dissertation, data from the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) satellite instrument are considered and an alternative algorithm to retrieve atmospheric parameters from the measurements is presented. The validation study presents first global comparisons between two unique satellite-borne datasets of vertical profiles of nitrogen trioxide (NO3), retrieved using GOMOS and Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III (SAGE III) satellite instruments. The GOMOS NO3 observations are also considered in a chemical state estimation study in order to retrieve stratospheric temperature profiles. The main result of this dissertation is the consideration of likelihood calculations via Kalman filtering outputs. The concept has previously been used together with stochastic differential equations and in time series analysis. In this work, the concept is applied to chaotic dynamical systems and used together with Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods for statistical analysis. In particular, this methodology is advocated for use in numerical weather prediction (NWP) and climate model applications. In addition, the concept is shown to be useful in estimating the filter-specific parameters related, e.g., to model error covariance matrix parameters.

Turbulenssimallien soveltuminen syklonien numeeriseen virtauslaskentaan

Tässä työssä tutkittiin miten totuudenmukaisia tuloksia syklonierottimen virtauskentästä saadaan numeerisella laskennalla, kun käytetään eri turbulenssimalleja. Tarkoitus oli myös selvittää yleisesti syklonin toimintaperiaatteita, haasteita sen käytössä sekä syklonin numeerisen virtauslaskennan perusteita. Numeerisen virtauslaskennan teoria selitetään pääpiirteittäin, samoin turbulenssin mallinnus. Työn laskentaosiossa simuloitiin Fluent-ohjelmalla syklonin virtauskenttää kuumalla ilmalla sekä kahdella eri turbulenssimallilla ja verrattiin tuloksia kirjallisuudesta löytyviin mittaustuloksiin. Simuloinnit suoritettiin sekä ajasta riippuvana että ajasta riippumattomana ja kahdella eri laskentahilalla. Simulointien tulokset osoittivat, että RNG k-ε turbulenssimalli ei kykene tuottamaan totuu-denmukaista virtauskenttää. Toisen käytetyn turbulenssimallin, Reynolds-jännitysmallin tulokset vastasivat enemmän mittaustuloksia. Reynolds-jännitysmallia voidaan pitää käyttökelpoisena syklonin simuloinnissa tämän työn ja kirjallisuuden perusteella. Mallissa oli yksinkertaistuksia, esimerkiksi kiinteää ainetta ei otettu huomioon lainkaan.

The supermassive binary black hole system OJ287

Abstract This doctoral thesis concerns the active galactic nucleus (AGN) most often referred to with the catalogue number OJ287. The publications in the thesis present new discoveries of the system in the context of a supermassive binary black hole model. In addition, the introduction discusses general characteristics of the OJ287 system and the physical fundamentals behind these characteristics. The place of OJ287 in the hierarchy of known types of AGN is also discussed. The introduction presents a large selection of fundamental physics required to have a basic understanding of active galactic nuclei, binary black holes, relativistic jets and accretion disks. Particularly the general relativistic nature of the orbits of close binaries of supermassive black holes is explored with some detail. Analytic estimates of some of the general relativistic effects in such a binary are presented, as well as numerical methods to calculate the effects more precisely. It is also shown how these results can be applied to the OJ287 system. The binary orbit model forms the basis for models of the recurring optical outbursts in the OJ287 system. In the introduction, two physical outburst models are presented in some detail and compared. The radiation hydrodynamics of the outbursts are discussed and optical light curve predictions are derived. The precursor outbursts studied in Paper III are also presented, and tied into the model of OJ287. To complete the discussion of the observable features of OJ287, the nature of the relativistic jets in the system, and in active galactic nuclei in general, is discussed. Basic physics of relativistic jets are presented, with additional detail added in the form of helical jet models. The results of Papers II, IV and V concerning the jet of OJ287 are presented, and their relation to other facets of the binary black hole model is discussed. As a whole, the introduction serves as a guide, though terse, for the physics and numerical methods required to successfully understand and simulate a close binary of supermassive black holes. For this purpose, the introduction necessarily combines a large number of both fundamental and specific results from broad disciplines like general relativity and radiation hydrodynamics. With the material included in the introduction, the publications of the thesis, which present new results with a much narrower focus, can be readily understood. Of the publications, Paper I presents newly discovered optical data points for OJ287, detected on archival astronomical plates from the Harvard College Observatory. These data points show the 1900 outburst of OJ287 for the first time. In addition, new data points covering the 1913 outburst allowed the determination of the start of the outburst with more precision than was possible before. These outbursts were then successfully numerically modelled with an N-body simulation of the OJ287 binary and accretion disc. In Paper II, mechanisms for the spin-up of the secondary black hole in OJ287 via interaction with the primary accretion disc and the magnetic fields in the system are discussed. Timescales for spin-up and alignment via both processes are estimated. It is found that the secondary black hole likely has a high spin. Paper III reports a new outburst of OJ287 in March 2013. The outburst was found to be rather similar to the ones reported in 1993 and 2004. All these outbursts happened just before the main outburst season, and are called precursor outbursts. In this paper, a mechanism was proposed for the precursor outbursts, where the secondary black hole collides with a gas cloud in the primary accretion disc corona. From this, estimates of brightness and timescales for the precursor were derived, as well as a prediction of the timing of the next precursor outburst. In Paper IV, observations from the 2004–2006 OJ287 observing program are used to investigate the existence of short periodicities in OJ287. The existence of a _50 day quasiperiodic component is confirmed. In addition, statistically significant 250 day and 3.5 day periods are found. Primary black hole accretion of a spiral density wave in the accretion disc is proposed as the source of the 50 day period, with numerical simulations supporting these results. Lorentz contracted jet re-emission is then proposed as the reason for the 3.5 day timescale. Paper V fits optical observations and mm and cm radio observations of OJ287 with a helical jet model. The jet is found to have a spine–sheath structure, with the sheath having a much lower Lorentz gamma factor than the spine. The sheath opening angle and Lorentz factor, as well as the helical wavelength of the jet are reported for the first time. Tiivistelmä Tässä väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty tutkimaan aktiivista galaksiydintä OJ287. Väitöskirjan osana olevat tieteelliset julkaisut esittelevät OJ287-systeemistä saatuja uusia tuloksia kaksoismusta-aukkomallin kontekstissa. Väitöskirjan johdannossa käsitellään OJ287:n yleisiä ominaisuuksia ja niitä fysikaalisia perusilmiöitä, jotka näiden ominaisuuksien taustalla vaikuttavat. Johdanto selvittää myös OJ287-järjestelmän sijoittumisen aktiivisten galaksiytimien hierarkiassa. Johdannossa käydään läpi joitakin perusfysiikan tuloksia, jotka ovat tarpeen aktiivisten galaksiydinten, mustien aukkojen binäärien, relativististen suihkujen ja kertymäkiekkojen ymmärtämiseksi. Kahden toisiaan kiertävän mustan aukon keskinäisen radan suhteellisuusteoreettiset perusteet käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Johdannossa esitetään joitakin analyyttisiä tuloksia tällaisessa binäärissä havaittavista suhteellisuusteoreettisista ilmiöistä. Myös numeerisia menetelmiä näiden ilmiöiden tarkempaan laskemiseen esitellään. Tuloksia sovelletaan OJ287-systeemiin, ja verrataan havaintoihin. OJ287:n mustien aukkojen ratamalli muodostaa pohjan systeemin toistuvien optisten purkausten malleille. Johdannossa esitellään yksityiskohtaisemmin kaksi fysikaalista purkausmallia, ja vertaillaan niitä. Purkausten säteilyhydrodynamiikka käydään läpi, ja myös ennusteet purkausten valokäyrille johdetaan. Johdannossa esitellään myös Julkaisussa III johdettu prekursoripurkausten malli, ja osoitetaan sen sopivan yhteen OJ287:n binäärimallin kanssa. Johdanto esittelee myös relativististen suihkujen fysiikkaa sekä OJ287- systeemiin liittyen että aktiivisten galaksiydinten kontekstissa yleisesti. Relativististen suihkujen perusfysiikka esitellään, kuten myös malleja kierteisistä suihkuista. Julkaisujen II, IV ja V OJ287-systeemin suihkuja koskevat tulokset esitellään binäärimallin kontekstissa. Kokonaisuutena johdanto palvelee suppeana oppaana, joka esittelee tarvittavan fysiikan ja tarpeelliset numeeriset menetelmät mustien aukkojen binäärijärjestelmän ymmärtämiseen ja simulointiin. Tätä tarkoitusta varten johdanto yhdistää sekä perustuloksia että joitakin syvällisempiä tuloksia laajoilta fysiikan osa-alueilta kuten suhteellisuusteoriasta ja säteilyhydrodynamiikasta. Johdannon sisältämän materiaalin avulla väitöskirjan julkaisut, ja niiden esittämät tulokset, ovat hyvin ymmärrettävissä. Väitöskirjan julkaisuista ensimmäinen esittelee uusia OJ287-systeemistä saatuja havaintopisteitä, jotka on paikallistettu Harvardin yliopiston observatorion arkiston valokuvauslevyiltä. OJ287:n vuonna 1900 tapahtunut purkaus nähdään ensimmäistä kertaa näissä havaintopisteissä. Uudet havaintopisteet mahdollistivat myös vuoden 1913 purkauksen alun ajoittamisen tarkemmin kuin aiemmin oli mahdollista. Havaitut purkaukset mallinnettiin onnistuneesti simuloimalla OJ287-järjestelmän mustien aukkojen paria ja kertymäkiekkoa. Julkaisussa II käsitellään mekanismeja OJ287:n sekundäärisen mustan aukon spinin kasvamiseen vuorovaikutuksessa primäärin kertymäkiekon ja systeemin magneettikenttien kanssa. Julkaisussa arvioidaan maksimispinin saavuttamisen ja spinin suunnan vakiintumisen aikaskaalat kummallakin mekanismilla. Tutkimuksessa havaitaan sekundäärin spinin olevan todennäköisesti suuri. Julkaisu III esittelee OJ287-systeemissä maaliskuussa 2013 tapahtuneen purkauksen. Purkauksen havaittiin muistuttavan vuosina 1993 ja 2004 tapahtuneita purkauksia, joita kutsutaan yhteisnimityksellä prekursoripurkaus (precursor outburst). Julkaisussa esitellään purkauksen synnylle mekanismi, jossa OJ287-systeemin sekundäärinen musta aukko osuu primäärisen mustan aukon kertymäkiekon koronassa olevaan kaasupilveen. Mekanismin avulla johdetaan arviot prekursoripurkausten kirkkaudelle ja aikaskaalalle. Julkaisussa johdetaan myös ennuste seuraavan prekursoripurkauksen ajankohdalle. Julkaisussa IV käytetään vuosina 2004–2006 kerättyjä havaintoja OJ287- systeemistä lyhyiden jaksollisuuksien etsintään. Julkaisussa varmennetaan systeemissä esiintyvä n. 50 päivän kvasiperiodisuus. Lisäksi tilastollisesti merkittävät 250 päivän ja 3,5 päivän jaksollisuudet havaitaan. Julkaisussa esitetään malli, jossa primäärisen mustan aukon kertymäkiekossa oleva spiraalitiheysaalto aiheuttaa 50 päivän jaksollisuuden. Mallista tehty numeerinen simulaatio tukee tulosta. Systeemin relativistisen suihkun emittoima aikadilatoitunut säteily esitetään aiheuttajaksi 3,5 päivän jaksollisuusaikaskaalalle. Julkaisussa V sovitetaan kierresuihkumalli OJ287-systeemistä tehtyihin optisiin havaintoihin ja millimetri- sekä senttimetriaallonpituuden radiohavaintoihin. Suihkun rakenteen havaitaan olevan kaksijakoinen ja koostuvan ytimestä ja kuoresta. Suihkun kuorella on merkittävästi pienempi Lorentzin gamma-tekijä kuin suihkun ytimellä. Kuoren avautumiskulma ja Lorentztekijä sekä suihkun kierteen aallonpituus raportoidaan julkaisussa ensimmäistä kertaa.

The solutions and tunneling properties for a linear potential and an inverted harmonic oscillator in an infinite well

In this work we look at two different 1-dimensional quantum systems. The potentials for these systems are a linear potential in an infinite well and an inverted harmonic oscillator in an infinite well. We will solve the Schrödinger equation for both of these systems and get the energy eigenvalues and eigenfunctions. The solutions are obtained by using the boundary conditions and numerical methods. The motivation for our study comes from experimental background. For the linear potential we have two different boundary conditions. The first one is the so called normal boundary condition in which the wave function goes to zero on the edge of the well. The second condition is called derivative boundary condition in which the derivative of the wave function goes to zero on the edge of the well. The actual solutions are Airy functions. In the case of the inverted oscillator the solutions are parabolic cylinder functions and they are solved only using the normal boundary condition. Both of the potentials are compared with the particle in a box solutions. We will also present figures and tables from which we can see how the solutions look like. The similarities and differences with the particle in a box solution are also shown visually. The figures and calculations are done using mathematical software. We will also compare the linear potential to a case where the infinite wall is only on the left side. For this case we will also show graphical information of the different properties. With the inverted harmonic oscillator we will take a closer look at the quantum mechanical tunneling. We present some of the history of the quantum tunneling theory, its developers and finally we show the Feynman path integral theory. This theory enables us to get the instanton solutions. The instanton solutions are a way to look at the tunneling properties of the quantum system. The results are compared with the solutions of the double-well potential which is very similar to our case as a quantum system. The solutions are obtained using the same methods which makes the comparison relatively easy. All in all we consider and go through some of the stages of the quantum theory. We also look at the different ways to interpret the theory. We also present the special functions that are needed in our solutions, and look at the properties and different relations to other special functions. It is essential to notice that it is possible to use different mathematical formalisms to get the desired result. The quantum theory has been built for over one hundred years and it has different approaches. Different aspects make it possible to look at different things.