Stocasticità e incomprimibilità algoritmica

Partiamo dal lavoro di Kolmogorov per definire una misura della quantità di informazione contenuta in una stringa tramite un approccio computazionale: la complessità di una stringa è la lunghezza del più corto programma capace di produrla. Vediamo poi gli sviluppi moderni di questa teoria, in particolare i contributi di Chaitin, e notiamo subito i forti legami con la teoria della probabilità e con l'entropia di Shannon. Successivamente proponiamo di identificare le stringhe casuali (nel senso intuitivo) con quelle algoritmicamente incomprimibili, seguendo l'idea che minore comprimibilità significhi minore regolarità e dunque maggiore casualità. Infine vediamo che, in effetti, le stringhe incomprimibili soddisfano tutte le proprietà stocastiche effettivamente verificabili, cioè le proprietà che la teoria della probabilità attribuisce a successioni di variabili aleatorie indipendenti e identicamente distribuite. Facciamo ciò in maniera generale utilizzando la notevole teoria di Martin-Löf e poi vediamo in dettaglio l'aspetto della normalità di Borel.

Cosmologia con missione spaziale "Euclid"

Nel 2020 verrà lanciata la missione spaziale Euclid per investigare la natura dell’energia oscura. Euclid otterrà un’immensa quantità di dati fotometrici e spettrometrici finalizzati, soprattutto, alla misura di lenti gravitazionali deboli e oscillazioni acustiche barioniche. In questa tesi daremo una descrizione generale dello strumento e della scienza che potrà essere fatta grazie ad esso. In particolare, nel capitolo 2 verrà fornita una introduzione alla cosmologia e verranno introdotti i vari parametri cosmologici che Euclid sarà in grado di vincolare. Nel capitolo 3 si farà un’analisi dei principali fenomeni fisici che Euclid indagherà. Nel capitolo 4 verrà data una panoramica del satellite, descrivendo in dettaglio gli obiettivi, cosa osserverà e come farà le osservazioni, e quali sono gli strumenti che lo compongono (satellite, telescopio, VIS e NISP). Infine, nel capitolo 5 verranno mostrati dei primi risultati preliminari, ottenuti in questa tesi, riguardanti il test di un programma che servirà per la misura della funzione di correlazione a due punti di Euclid.

Longitudinal dynamics modeling and handling qualities of a conventional jet aircraft

Un noto centro di ricerca europea ha recentemente modificato un jet convenzionale di classe CS-25 in una piattaforma scientifica. Durante il processo di certificazione delle modifiche, l’impatto delle stesse sulle prestazioni è stato studiato in modo esaustivo. Per lo studio delle qualità di volo, i piloti collaudatori hanno sviluppato una procedura di certificazione ad hoc che consiste in test qualitativi separati della stabilità longitudinale, laterale e direzionale. L’obiettivo della tesi è analizzare i dati di volo, registrati durante i test di collaudo, con l'obiettivo di estrarre informazioni di carattere quantitativo circa la stabilità longitudinale del velivolo modificato. In primo luogo sono state analizzate tre diverse modifiche apportate all’aeromobile e successivamente i risultati sono stati messi a confronto per capirne l’influenza sulle qualità di volo dell’aeromobile. Le derivate aerodinamiche sono state stimate utilizzando la cosiddetta “identificazione dei parametri”, che mira a replicare le variabili registrate durante i test di volo, variando un dato insieme di coefficienti all’interno del modello linearizzato della dinamica dell’aeromobile. L'identificazione del modo di corto periodo ha consentito l'estrazione dei suoi parametri caratteristici, quali il rapporto di smorzamento e la frequenza naturale. La procedura ha consentito inoltre di calcolare il cosiddetto “Control Anticipation Parameter” (CAP), parametro caratterizzante delle qualità di volo di un aeroplano. I risultati ottenuti sono stati messi a confronto con i requisiti prescritti dalla normativa MIL-STD-1797-A, risultando conformi al livello più alto di qualità di volo.

Funzioni polinomiali negli anelli z_(p^n)

Questa ricerca affronta in maniera interdisciplinare il tema delle funzioni polinomiali definite sugli anelli degli interi modulo la potenza di un numero primo. In primo luogo è stato esaminato il caso particolare del campo Zp, dimostrando che in esso tutte le funzioni sono polinomiali. In seguito è stato calcolato il numero delle funzioni polinomiali negli interi modulo 9 e modulo 25, mostrando un procedimento che può essere esteso a qualsiasi potenza di un numero primo. Esso fa uso di alcuni risultati di teoria dei numeri e di aritmetica e affronta il tema da un punto di vista prettamente algebrico. A queste dimostrazioni è stato affiancato un esperimento di tipo statistico, il cui obiettivo è cercare una regolarità che permetta, dati il numero primo p e il suo esponente n, di calcolare immediatamente il numero delle funzioni polinomiali nell'anello degli interi modulo p^n. Sono state presentate due congetture, ottenute utilizzando strumenti di tipo informatico: un software di calcolo e un linguaggio di programmazione ad alto livello. Gli strumenti della statistica descrittiva, in particolare il test di Pearson, si sono rivelati essenziali per verificare l'adeguatezza delle supposizioni. Questa ricerca può essere considerata il punto di partenza per dimostrare (o confutare) quello che è stato ipotizzato attraverso un'analisi di tipo sperimentale.

Firmware development and testing for L1/L2 IBL upgrade

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente l'upgrade, la simulazione e il test di schede VME chiamate ReadOut Driver (ROD), che sono parte della catena di elaborazione ed acquisizione dati di IBL (Insertable B-Layer). IBL è il nuovo componente del Pixel Detector dell'esperimento ATLAS al Cern che è stato inserito nel detector durante lo shut down di LHC; fino al 2012 infatti il Pixel Detector era costituito da tre layer, chiamati (partendo dal più interno): Barrel Layer 0, Layer 1 e Layer 2. Tuttavia, l'aumento di luminosità di LHC, l'invecchiamento dei pixel e la richiesta di avere misure sempre più precise, portarono alla necessità di migliorare il rivelatore. Così, a partire dall'inizio del 2013, IBL (che fino a quel momento era stato un progetto sviluppato e finanziato separatamente dal Pixel Detector) è diventato parte del Pixel Detector di ATLAS ed è stato installato tra la beam-pipe e il layer B0. Questa tesi fornirà innanzitutto una panoramica generale dell'esperimento ATLAS al CERN, includendo aspetti sia fisici sia tecnici, poi tratterà in dettaglio le varie parti del rivelatore, con particolare attenzione su Insertable B-Layer. Su quest'ultimo punto la tesi si focalizzerà sui motivi che ne hanno portato alla costruzione, sugli aspetti di design, sulle tecnologie utilizzate (volte a rendere nel miglior modo possibile compatibili IBL e il resto del Pixel Detector) e sulle scelte di sviluppo e fabbricazione. La tesi tratterà poi la catena di read-out dei dati, descrivendo le tecniche di interfacciamento con i chip di front-end, ed in particolare si concentrerà sul lavoro svolto per l'upgrade e lo sviluppo delle schede ReadOut Drivers (ROD) introducendo le migliorie da me apportate, volte a eliminare eventuali difetti, migliorare le prestazioni ed a predisporre il sistema ad una analisi prestazionale del rivelatore. Allo stato attuale le schede sono state prodotte e montate e sono già parte del sistema di acquisizione dati del Pixel Detector di ATLAS, ma il firmware è in continuo aggiornamento. Il mio lavoro si è principalmente focalizzato sul debugging e il miglioramento delle schede ROD; in particolare ho aggiunto due features: - programmazione parallela delle FPGA} delle ROD via VME. IBL richiede l'utilizzo di 15 schede ROD e programmandole tutte insieme (invece che una alla volta) porta ad un sensibile guadagno nei tempi di programmazione. Questo è utile soprattutto in fase di test; - reset del Phase-Locked Loop (PLL)} tramite VME. Il PLL è un chip presente nelle ROD che distribuisce il clock a tutte le componenti della scheda. Avere la possibilità di resettare questo chip da remoto permette di risolvere problemi di sincronizzazione. Le ReadOut Driver saranno inoltre utilizzate da più layer del Pixel Detector. Infatti oltre ad IBL anche i dati provenienti dai layer 1 e 2 dei sensori a pixel dell’esperimento ATLAS verranno acquisiti sfruttando la catena hardware progettata, realizzata e testata a Bologna.

Neutron radiation resistance of photomultipliers for the LUCID detector in the ATLAS experiment at LHC

Durante il Long Shutdown 1 di LHC sono stati cambiati i fotomoltiplicatori del rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS. I due modelli candidati per la sostituzione sono stati sottoposti a test di resistenza alla radiazione di gamma e neutroni. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, risposta spettrale, guadagno relativo e assoluto, prima e dopo l’irraggiamento con neutroni. L’unica differenza di rilievo riguarda un aumento della dark current, gli altri parametri non presentano variazioni entro la precisione delle misure. Non ci sono differenze sostanziali tra i due modelli per quanto riguarda la resistenza alle radiazioni.

Prove Invalsi: osservare gli studenti nella scelta delle strategie risolutive.

Questa tesi ha permesso di osservare e analizzare le strategie risolutive che gli studenti italiani utilizzano quando si cimentano nello svolgimento delle prove di matematica nazionali INVALSI (Sistema Nazionale per la Valutazione del Sistema dell'Istruzione). L'osservazione è stata svolta durante le ore di tirocinio curriculare effettuate nell'anno accademico 2014/2015 presso il liceo scientifico e delle scienze umane "Albert Bruce Sabin" di Bologna. L'interesse per l'esperimento è nato dalla constatazione dei risultati deludenti degli studenti italiani nelle prove di matematica rispetto all'andamento internazionale. Pertanto,in collaborazione con il prof Giorgio Bolondi, relatore dell'elaborato, e della prof.ssa Valeria Vesi insegnante di matematica delle classi prime seguite durante il tirocinio, è stato realizzato un test di domande estrapolate dalle prove INVALSI svolte negli anni precedenti, sottoposto a un campione di 12 studenti (14-15 anni) frequentanti le classi 1M, 1O e 1R.Il lavoro d'indagine è stato realizzato in due diverse fasi: soluzione del test e intervista-colloquio registrata. Le registrazioni, apparse fin da subito molto interessanti, rivelano importanti informazioni che permettono di evidenziare le diverse difficoltà che i nostri studenti incontrano nel risolvere le prove di matematica. Per meglio interpretare i loro comportamenti durante la messa in atto dei processi risolutivi è stato svolto uno studio e una ricerca riguardanti gli studi e le teorie che interessano il problem-solving, oltre a fornire una panoramica sulle ricerche nel campo della valutazione.

Valutazione della coordinazione motoria negli adolescenti: Analisi quantitativa mediante sensori inerziali

Introduzione: Le capacità coordinative possono essere dedotte dalle performance del movimento e possono subire un momentaneo peggioramento in seguito ad una rapida crescita in soggetti adolescenti. Attualmente la valutazione dei test motori è di tipo qualitativo o semi-quantitativo. Obiettivi: Somministrazione di test di valutazione della coordinazione motoria a soggetti adolescenti, in versione strumentata mediante sensori inerziali ed estrazione di parametri quantitativi. Valutazione della sensibilità di tali parametri ai gruppi di performance e variazione degli stessi in seguito ad uno scatto di crescita. Metodi: Ragazzi e ragazze di primo liceo (età media 15 anni) hanno indossato tre IMUs, posizionate sul tronco e attorno alle caviglie, ed hanno eseguito tre test per la valutazione della coordinazione motoria: il test della cicogna cieca, il test dell’accovacciamento, e una prova di tandem gait. Cinque mesi dopo i ragazzi cresciuti hanno ripetuto la prova di tandem gait. Risultati: I parametri scelti sono risultati sensibili alle differenze tra i gruppi di performance per due delle tre prove proposte (il test della cicogna e l’accovacciamento). Per la prova di tandem gait non sono state riscontrate differenze significative nei valori dei parametri. Conclusione: Dai risultati preliminari è emerso come i sensori inerziali possano essere utili nel guidare l’osservatore verso una valutazione oggettiva dei test motori, in particolare grazie al sensore posizionato sul tronco. Si ritiene necessario condurre prove ulteriori per standardizzare e migliorare i metodi proposti. Per la prova di tandem gait, per la quale non sono stati ottenuti risultati significativi, si suggerisce di continuare a seguire i ragazzi nella crescita, ed eventualmente aggiungere un task cognitivo alla prova.

Effetto dei farmaci ambientali propranololo e carbamazepina sullo sviluppo larvale del mitilo, Mytilus galloprovincialis

La presenza dei farmaci in ambiente sta assumendo sempre più rilevanza come problematica da affrontare e a cui tentare di porre rimedio. Anche se le concentrazioni nei corpi idrici risultano piuttosto basse (μg/L o ng/L), i farmaci hanno proprietà diverse dagli inquinanti convenzionali e possono ugualmente indurre effetti dannosi nella fauna acquatica. In questo lavoro sono stati valutati gli effetti del propranololo (PROP, farmaco β-bloccante) e della carbamazepina (CBZ, farmaco anticonvulsivante), su di uno stadio larvale del mitilo Mytilus galloprovincialis (larva veliger – 48 ore post fecondazione). L’esposizione a concentrazioni crescenti dei due farmaci induce un progressivo aumento della anormalità delle larve, che mostrano malformazioni o ritardi nello sviluppo. Sia PROP che CBZ aumentano l’attività dei trasportatori implicati nella Multixenobiotic Resistance (MXR), indicando che il sistema di estrusione degli xenobiotici viene attivato già in questa fase dello sviluppo larvale. Analogamente, PROP aumenta l’espressione dei geni che codificano per le proteine della famiglia MXR, P-gp ed MRP. Aumenta anche l’espressione dei geni che codificano per catalasi e GST, suggerendo un aumento delle risposte antiossidanti/detossificanti. PROP aumenta i trascritti dell’anidrasi carbonica, mentre al contrario riduce i trascritti per la proteina extrapalliale: non è chiaro quindi l’effetto del farmaco sulla regolazione della espressione di proteine coinvolte nella formazione della conchiglia. CBZ aumenta l’espressione dei trascritti per P-gp ma diminuisce quella relativa ad MRP. Inoltre, riduce l’espressione dei geni codificanti per catalasi e GST, e della proteina extrapalliale, senza avere effetto sui trascritti dell’anidrasi carbonica. In generale possiamo dire che i due farmaci inducono evidenti alterazioni a livello biochimico e molecolare che possono influenzare sia la detossificazione che la biomineralizzazione, con conseguenze rilevanti per lo sviluppo larvale.

Real-time control of an Electrodynamic Shaker

Questa tesi è essenzialmente focalizzata sullo sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per uno Shaker Elettrodinamico usato per riprodurre profili di vibrazione ambientale registrati in contesti reali e di interesse per il recupero di energia. Grazie all'utilizzo di uno shaker elettrodinamico è quindi possibile riprodurre scenari di vibrazione reale in laboratorio e valutare più agevolmente le prestazioni dei trasduttori meccanici. Tuttavia, è richiesto un controllo dello Shaker non solo in termini di stabilità ma anche per garantire l'esatta riproduzione del segnale registrato nel contesto reale. In questa tesi, si è scelto di sviluppare un controllo adattivo nel dominio del tempo per garantire la corretta riproduzione del profilo di accelerazione desiderato. L'algoritmo è stato poi implementato sul sistema di prototipazione rapida dSPACE DS1104 basata su microprocessore PowerPC. La natura adattiva dell'algoritmo proposto permette di identificare cambiamenti nella risposta dinamica del sistema, e di regolare di conseguenza i parametri del controllore. Il controllo del sistema è stato ottenuto anteponendo al sistema un filtro adattivo la cui funzione di trasferimento viene continuamente adattata per rappresentare al meglio la funzione di trasferimento inversa del sistema da controllare. Esperimenti in laboratorio confermano l'efficacia del controllo nella riproduzione di segnali reali e in tipici test di sweep frequenziale.

Valutazione quantitativa delle capacita motorie fondamentali nei bambini: una versione strumentata del TGMD-2

Lo studio dello sviluppo delle attività motorie fondamentali (FMS) nei bambini sta acquisendo in questi anni grande importanza, poiché la padronanza di queste ultime sembra essere correlata positivamente sia con la condizione di benessere fisico, sia con il mantenimento di alti livelli di autostima; si ritiene inoltre che possano contribuire al mantenimento di uno stile di vita sano in età adulta. In questo elaborato di tesi viene preso in considerazione un test di riferimento per la valutazione delle FMS, il TMGD – 2. Lo scopo è quello di fornire una valutazione quantitativa delle performance delle FMS, sulla base degli standard proposti dal protocollo TGMD-2, mediante una versione strumentata del test, utilizzando delle Inertial Measurement Unit (IMU). Questi sensori consentono di superare il limite posto dalla soggettività nella valutazione dell’operatore e permettono di esprimere un giudizio in maniera rapida e automatica. Il TGMD-2 è stato somministrato, in versione strumentata, a 91 soggetti di età compresa tra i 6 e i 10 anni. Sono stati ideati degli algoritmi che, a partire dai segnali di accelerazione e velocità angolare acquisiti mediante le IMU, consentono di conferire una valutazione a ciascuno dei task impartito dal TGMD – 2. Gli algoritmi sono stati validati mediante il confronto fra i risultati ottenuti e i giudizi di un valutatore esperto del TGMD-2, mostrando un alto grado di affinità, in genere tra l’80% e il 90%.

Stabilità e variabilità del cammino in acqua

La camminata, sia in acqua sia a secco, è un esercizio praticato frequentemente in ambito riabilitativo. Lo scopo di questa tesi è di confrontare variabilità e stabilità del cammino dentro e fuori dall’acqua, al fine di comprendere le caratteristiche dei due tipi di cammino. L’analisi si è focalizzata sulla valutazione di misure di stabilità e variabilità che non erano mai state indagate prima per la camminata in acqua: Harmonic Ratio, Plot di Poincarè, moltiplicatori di Floquet, esponenti di Lyapunov, multiscale entropy, recurrence rate, determinism, averaged diagonal line length, maximum diagonal line length e divergenza. Gli indici sono stati calcolati su camminate di 30 e di 90 passi. Da questa analisi possiamo stimare anche quale parametro è già affidabile a 30 passi e non cambia se analizzato a 90 o se un parametro necessita di più passi per risultare affidabile. Inoltre è stata effettuata indagine statistica tramite test di Kruskal-Wallis. Dall'analisi è emerso che la camminata in acqua è più stabile, meno smooth, c’è un maggiore controllo posturale lungo gli assi antero-posteriore e medio-laterale e che il cammino è condotto in maniera meno automatica.

Studio degli effetti del biochar sulla mobilità dell'azoto nei suoli

Il seguente lavoro analizza l’influenza che il biochar ha nel ciclo dell’azoto nei suoli, in particolare in riferimento alla possibilità di diminuire il fenomeno di lisciviazione dei nitrati dato il continuo aumento in agricoltura dell’uso di fertilizzanti azotati. La scelta di questo tipo di ammendante è dovuta alle sue ampie potenzialità d’impiego e si pone in un percorso di economia circolare con la valorizzazione delle biomasse di scarto. Il lavoro si divide in un’approfondita ricerca bibliografica con elaborazione critica delle informazioni e una parte sperimentale. Si sono analizzate le interazioni che il biochar ha sui vari processi che compongono il ciclo dell’azoto. Sono stati riportati e discussi i principali metodi di determinazione delle capacità adsorbenti del biochar oltre ad un’analisi e una descrizione dei più comuni modelli di isoterme di adsorbimento. Si è testata la capacità adsorbente, tramite test di screening in batch, di sette tipi di biochar che presentavano origine e sintesi differenti. I biochar hanno presentato adsorbimenti molto modesti nei confronti dei nitrati evidenziando solo una diminuzione della quantità di nitrati rilasciati dal biochar stesso. Per quanto concerne l’ammonio, invece, i biochar hanno presentato percentuali di adsorbimento tra il 60-70% con un massimo del 80%.

Resine bio-based da oli vegetali: applicazioni industriali in prodotti vernicianti rinnovabili a basso impatto ambientale

La tesi riguarda lo studio di resine polimeriche derivanti da oli vegetali, impiegabili come leganti nei prodotti vernicianti per l’edilizia ed altri settori. I prodotti vernicianti plant-based sono stati confrontati con altri prodotti attualmente commercializzati, provenienti da fonti fossili. Considerata la produzione ingente dei prodotti vernicianti su base mondiale (8,31 kg/persona) sarebbe determinante impiegare delle fonti rinnovabili per garantirne una produzione sostenibile, diminuendo l’inquinamento, ritardando l’esaurimento del petrolio e riducendo le emissioni di CO2 e di conseguenza l’effetto serra ed il cambiamento climatico. Sono state trattate, quindi, alcune vie di sintesi “green” di leganti poliuretanici ed epossidici per prodotti vernicianti ad elevate prestazioni. Gli oli vegetali sono stati scelti come materie prime in quanto relativamente economici e disponibili in grandi quantità, risultando adatti per produzioni su scala industriale. Sono inoltre riportati i metodi di formulazione di uno smalto opaco bio-based per esterni (ad es. infissi e staccionate) e una vernice opaca per parquet (interni). Le formulazioni sperimentali sono state poi caratterizzate e confrontate con altri prodotti fossil-based presenti in commercio. I prodotti vernicianti sono stati sottoposti a test di brillantezza (gloss), adesione, presa di sporco, durezza, resistenza all’abrasione e resistenza chimica.

Il livello del mare visto dai mareografi

I mareografi sono strumenti che misurano il livello del mare in un punto della costa. Tuttavia, essendovi ancorati, essi sono soggetti al suo movimento. Inoltre, il livello del mare è fortemente influenzato da effetti locali. In una prima parte, si è quindi selezionato un insieme di questi in base alla completezza dei dati e a restrizioni geografiche, in modo che nel loro complesso fossero il più possibile rappresentativi della situazione media globale. Di ognuno di essi si sono studiati la monotonicità e l’andamento in due ventenni consecutivi, il primo dal 1980. In questo modo è stato possibile evidenziare, ove presenti, modifiche nel tasso di variazione annuale del livello del mare in ogni località nei due periodi. Studiati i singoli mareografi si è poi proceduto ad effettuarne uno stacking per ottenere una stima meno influenzata da effetti locali. Il test di monotonia identifica in entrambi i casi un chiaro trend crescente. Il risultato della regressione lineare sui due periodi ha fornito tassi pari rispettivamente a (2.1 ± 0.5)mm/yr e (4.7 ± 0.5)mm/yr. Per migliorare la significatività del test di monotonia, si sono poi rimossi i modi semi-periodici mediante il metodo di decomposizione EMD (Empirical Mode Decomposition). Ripetendo la regressione lineare si ottengono risultati simili ma con minore incertezza: (2.3 ± 0.2)mm/yr e (4.9 ± 0.2)mm/yr. Come approccio alternativo, per cercare di superare l’arbitrarietà della scelta dei due archi temporali, si è effettuato un fit quadratico sulle serie dati dal 1980 al 2020. In questi modo, è stato possibile identificare e raggruppare situazioni contraddistinte da andamenti generali simili. In seguito, si è mostrato come, in entrambi i periodi, ci sia una forte correlazione lineare fra i mareografi sulla costa occidentale degli Stati Uniti e fra i mareografi posti nel Mediterraneo. Infine, viene studiato il caso dei mareografi della Laguna Veneta e la loro correlazione con altri posizionati nell'Adriatico settentrionale.