Preconditioning strategies for the numerical solution of convection-diffusion partial differential equations

Il trattamento numerico dell'equazione di convezione-diffusione con le relative condizioni al bordo, comporta la risoluzione di sistemi lineari algebrici di grandi dimensioni in cui la matrice dei coefficienti è non simmetrica. Risolutori iterativi basati sul sottospazio di Krylov sono ampiamente utilizzati per questi sistemi lineari la cui risoluzione risulta particolarmente impegnativa nel caso di convezione dominante. In questa tesi vengono analizzate alcune strategie di precondizionamento, atte ad accelerare la convergenza di questi metodi iterativi. Vengono confrontati sperimentalmente precondizionatori molto noti come ILU e iterazioni di tipo inner-outer flessibile. Nel caso in cui i coefficienti del termine di convezione siano a variabili separabili, proponiamo una nuova strategia di precondizionamento basata sull'approssimazione, mediante equazione matriciale, dell'operatore differenziale di convezione-diffusione. L'azione di questo nuovo precondizionatore sfrutta in modo opportuno recenti risolutori efficienti per equazioni matriciali lineari. Vengono riportati numerosi esperimenti numerici per studiare la dipendenza della performance dei diversi risolutori dalla scelta del termine di convezione, e dai parametri di discretizzazione.

Jarrow-Yildirim model for inflation: theory and applications

This thesis deals with inflation theory, focussing on the model of Jarrow & Yildirim, which is nowadays used when pricing inflation derivatives. After recalling main results about short and forward interest rate models, the dynamics of the main components of the market are derived. Then the most important inflation-indexed derivatives are explained (zero coupon swap, year-on-year, cap and floor), and their pricing proceeding is shown step by step. Calibration is explained and performed with a common method and an heuristic and non standard one. The model is enriched with credit risk, too, which allows to take into account the possibility of bankrupt of the counterparty of a contract. In this context, the general method of pricing is derived, with the introduction of defaultable zero-coupon bonds, and the Monte Carlo method is treated in detailed and used to price a concrete example of contract. Appendixes: A: martingale measures, Girsanov's theorem and the change of numeraire. B: some aspects of the theory of Stochastic Differential Equations; in particular, the solution for linear EDSs, and the Feynman-Kac Theorem, which shows the connection between EDSs and Partial Differential Equations. C: some useful results about normal distribution.

Stochastic local volatility model for fx markets

Questa tesi verte sullo studio di un modello a volatilità stocastica e locale, utilizzato per valutare opzioni esotiche nei mercati dei cambio. La difficoltà nell'implementare un modello di tal tipo risiede nella calibrazione della leverage surface e uno degli scopi principali di questo lavoro è quello di mostrarne la procedura.

La metrica di Agmon ed il decadimento esponenziale delle soluzioni di equazioni alle derivate parziali

The aim of this master thesis is to study the exponential decay of solutions of elliptic partial equations. This work is based on the results obtained by Agmon. To this purpose, first, we define the Agmon metric, that plays an important role in the study of exponential decay, because it is related to the rate of decay. Under some assumptions on the growth of the function and on the positivity of the quadratic form associated to the operator, a first result of exponential decay is presented. This result is then applied to show the exponential decay of eigenfunctions with eigenvalues whose real part lies below the bottom of the essential spectrum. Finally, three examples are given: the harmonic oscillator, the hydrogen atom and a Schrödinger operator with purely discrete spectrum.

Funzioni di Sobolev

In questa tesi cercherò di analizzare le funzioni di Sobolev su R}^{n}, seguendo le trattazioni Measure Theory and Fine Properties of Functions di L.C. Evans e R.F.Gariepy e l'elaborato Functional Analysis, Sobolev Spaces and Partial Differential Equations di H. Brezis. Le funzioni di Sobolev si caratterizzano per essere funzioni con le derivate prime deboli appartenenti a qualche spazio L^{p}. I vari spazi di Sobolev hanno buone proprietà di completezza e compattezza e conseguentemente sono spesso i giusti spazi per le applicazioni di analisi funzionale. Ora, come vedremo, per definizione, l'integrazione per parti è valida per le funzioni di Sobolev. È, invece, meno ovvio che altre regole di calcolo siano allo stesso modo valide. Così, ho inteso chiarire questa questione di carattere generale, con particolare attenzione alle proprietà puntuali delle funzioni di Sobolev. Abbiamo suddiviso il lavoro svolto in cinque capitoli. Il capitolo 1 contiene le definizioni di base necessarie per la trattazione svolta; nel secondo capitolo sono stati derivati vari modi di approssimazione delle funzioni di Sobolev con funzioni lisce e sono state fornite alcune regole di calcolo per tali funzioni. Il capitolo 3 darà un' interpretazione dei valori al bordo delle funzioni di Sobolev utilizzando l'operatore Traccia, mentre il capitolo 4 discute l' estensione su tutto R^{n} di tali funzioni. Proveremo infine le principali disuguaglianze di Sobolev nel Capitolo 5.

Il modello di oscillatore armonico come caso di studio per mostrare il ruolo della matematica nella fisica: anchor equations ed epistemic games come strumenti di analisi di libri di testo e tutorial

Nel modo in cui oggigiorno viene intrapresa la ricerca, l’interdisciplinarità assume una posizione di sempre maggior rilievo in pressoché ogni ambito del sapere. Questo è particolarmente evidente nel campo delle discipline STEM (Scienza, Tecnologia, Ingegneria, Matematica), considerando che i problemi a cui esse fanno fronte (si pensi agli studi sul cambiamento climatico o agli avanzamenti nel campo dell’intelligenza artificiale) richiedono la collaborazione ed integrazione di discipline diverse. Anche nella ricerca educativa, l’interdisciplinarità ha acquisito negli ultimi anni una notevole rilevanza ed è stata oggetto di riflessioni teoriche e di valutazioni sulle pratiche didattiche. Nell’ampio contesto di questo dibattito, questa tesi si focalizza sull’analisi dell’interdisciplinarità tra fisica e matematica, ma ancora più nel dettaglio sul ruolo che la matematica ha nei modelli fisici. L’aspetto che si vuole sottolineare è l’esigenza di superare una concezione banale e semplicistica, sebbene diffusa, per la quale la matematica avrebbe una funzione strumentale rispetto alla fisica, a favore invece di una riflessione che metta in luce il ruolo strutturale della formalizzazione matematica per l’avanzamento della conoscenza in fisica. Per fare ciò, si prende in esame il caso di studio dell’oscillatore armonico attraverso due lenti diverse che mettono in luce altrettanti temi. La prima, quella dell’anchor equation, aiuterà a cogliere gli aspetti fondamentali del ruolo strutturale della matematica nella modellizzazione dell’oscillatore armonico. La seconda, quella degli epistemic games, verrà utilizzata per indagare materiale didattico, libri di testo e tutorial, per comprendere come diverse tipologie di risorse possano condurre gli studenti ad intendere in modi diversi la relazione di interdisciplinarità tra fisica e matematica in questo contesto.

Probabilistic Envelope Curves for Extreme Rainfall Events - Curve Inviluppo Probabilistiche per Precipitazioni Estreme

A regional envelope curve (REC) of flood flows summarises the current bound on our experience of extreme floods in a region. RECs are available for most regions of the world. Recent scientific papers introduced a probabilistic interpretation of these curves and formulated an empirical estimator of the recurrence interval T associated with a REC, which, in principle, enables us to use RECs for design purposes in ungauged basins. The main aim of this work is twofold. First, it extends the REC concept to extreme rainstorm events by introducing the Depth-Duration Envelope Curves (DDEC), which are defined as the regional upper bound on all the record rainfall depths at present for various rainfall duration. Second, it adapts the probabilistic interpretation proposed for RECs to DDECs and it assesses the suitability of these curves for estimating the T-year rainfall event associated with a given duration and large T values. Probabilistic DDECs are complementary to regional frequency analysis of rainstorms and their utilization in combination with a suitable rainfall-runoff model can provide useful indications on the magnitude of extreme floods for gauged and ungauged basins. The study focuses on two different national datasets, the peak over threshold (POT) series of rainfall depths with duration 30 min., 1, 3, 9 and 24 hrs. obtained for 700 Austrian raingauges and the Annual Maximum Series (AMS) of rainfall depths with duration spanning from 5 min. to 24 hrs. collected at 220 raingauges located in northern-central Italy. The estimation of the recurrence interval of DDEC requires the quantification of the equivalent number of independent data which, in turn, is a function of the cross-correlation among sequences. While the quantification and modelling of intersite dependence is a straightforward task for AMS series, it may be cumbersome for POT series. This paper proposes a possible approach to address this problem.

Tecniche avanzate per l'analisi di sensitività globale: applicazione alla contaminazione delle acque sotterranee.

The thesis is framed within the field of the stochastic approach to flow and transport themes of solutes in natural porous materials. The methodology used to characterise the uncertainty associated with the modular predictions is completely general and can be reproduced in various contexts. The theme of the research includes the following among its main objectives: (a) the development of a Global Sensitivity Analysis on contaminant transport models in the subsoil to research the effects of the uncertainty of the most important parameters; (b) the application of advanced techniques, such as Polynomial Chaos Expansion (PCE), for obtaining surrogate models starting from those which conduct traditionally developed analyses in the context of Monte Carlo simulations, characterised by an often not negligible computational burden; (c) the analyses and the understanding of the key processes at the basis of the transport of solutes in natural porous materials using the aforementioned technical and analysis resources. In the complete picture, the thesis looks at the application of a Continuous Injection transport model of contaminants, of the PCE technique which has already been developed and applied by the thesis supervisors, by way of numerical code, to a Slug Injection model. The methodology was applied to the aforementioned model with original contribution deriving from surrogate models with various degrees of approximation and developing a Global Sensitivity Analysis aimed at the determination of Sobol’ indices.

Il problema di Dirichlet per equazioni lineari ellittiche in forma di divergenza

The purpose of this dissertation is to prove that the Dirichlet problem in a bounded domain is uniquely solvable for elliptic equations in divergence form. The proof can be achieved by Hilbert space methods based on generalized or weak solutions. Existence and uniqueness of a generalized solution for the Dirichlet problem follow from the Fredholm alternative and weak maximum principle.

Applying partial virtualization on ELF binaries through dynamic loaders

The technology of partial virtualization is a revolutionary approach to the world of virtualization. It lies directly in-between full system virtual machines (like QEMU or XEN) and application-related virtual machines (like the JVM or the CLR). The ViewOS project is the flagship of such technique, developed by the Virtual Square laboratory, created to provide an abstract view of the underlying system resources on a per-process basis and work against the principle of the Global View Assumption. Virtual Square provides several different methods to achieve partial virtualization within the ViewOS system, both at user and kernel levels. Each of these approaches have their own advantages and shortcomings. This paper provides an analysis of the different virtualization methods and problems related to both the generic and partial virtualization worlds. This paper is the result of an in-depth study and research for a new technology to be employed to provide partial virtualization based on ELF dynamic binaries. It starts with a mild analysis of currently available virtualization alternatives and then goes on describing the ViewOS system, highlighting its current shortcomings. The vloader project is then proposed as a possible solution to some of these inconveniences with a working proof of concept and examples to outline the potential of such new virtualization technique. By injecting specific code and libraries in the middle of the binary loading mechanism provided by the ELF standard, the vloader project can promote a streamlined and simplified approach to trace system calls. With the advantages outlined in the following paper, this method presents better performance and portability compared to the currently available ViewOS implementations. Furthermore, some of itsdisadvantages are also discussed, along with their possible solutions.

Preparazione di catalizzatori strutturati per la reazione di ossidazione parziale del metano

Questo lavoro di tesi ha avuto come obiettivo la preparazione di catalizzatori attivi nella reazione di ossidazione parziale catalitica, CPO, del metano per produrre gas di sintesi. I catalizzatori sono stati preparati tramite sintesi elettrochimica di composti di tipo idrotalcite a base di Rh/Mg/Al utilizzando come supporto schiume metalliche costituite da FeCrAlY. L’impiego di questo tipo di supporto comporta una serie di vantaggi, dallo sviluppo del catalizzatore all’ottimizzazione del processo catalitico in termini di prestazioni catalitiche, diminuzione degli “hot spots” termici, diminuzione delle perdite di carico e costi del catalizzatore. La sintesi del catalizzatore è stata effettuata per mezzo di una cella elettrochimica innovativa, che lavora in flusso, e quindi permette la continua rigenerazione della soluzione di sintesi, a differenza di quanto avviene in una cella elettrochimica standard a singolo comparto. La precipitazione dei composti di tipo idrotalcite si ottiene grazie alla tecnica di elettrogenerazione di basi, ovvero grazie alla generazione di un pH basico all’interno della cella elettrochimica a seguito dell’applicazione di un potenziale catodico. Il pH generato è il parametro più importante e determina la natura e la qualità del materiale depositato. È sorta quindi la necessità di sviluppare un sensore potenziometrico miniaturizzato per la determinazione istantanea del pH durante la sintesi, da installare all’interno della schiuma stessa. È possibile correlare le prestazioni catalitiche dei catalizzatori sintetizzati con la cella elettrochimica in flusso, alle loro caratteristiche di morfologia superficiale ed alla composizione chimica, e confrontare le stesse prestazioni catalitiche con quelle ottenute sintetizzando i catalizzatori con la cella elettrochimica standard a singolo comparto.

Mimicking the one-dimensional marginal distributions of stochastic diffusions

In the large maturity limit, we compute explicitly the Local Volatility surface for Heston, through Dupire’s formula, with Fourier pricing of the respective derivatives of the call price. Than we verify that the prices of European call options produced by the Heston model, concide with those given by the local volatility model where the Local Volatility is computed as said above.