Laplace operator on finite graphs and a network diffusion model for the progression of the Alzheimer disease

Nella tesi viene descritto il Network Diffusion Model, ovvero il modello di A. Ray, A. Kuceyeski, M. Weiner inerente i meccanismi di progressione della demenza senile. In tale modello si approssima l'encefalo sano con una rete cerebrale (ovvero un grafo pesato), si identifica un generale fattore di malattia e se ne analizza la propagazione che avviene secondo meccanismi analoghi a quelli di un'infezione da prioni. La progressione del fattore di malattia e le conseguenze macroscopiche di tale processo(tra cui principalmente l'atrofia corticale) vengono, poi, descritte mediante approccio matematico. I risultati teoretici vengono confrontati con quanto osservato sperimentalmente in pazienti affetti da demenza senile. Nella tesi, inoltre, si fornisce una panoramica sui recenti studi inerenti i processi neurodegenerativi e si costruisce il contesto matematico di riferimento del modello preso in esame. Si presenta una panoramica sui grafi finiti, si introduce l'operatore di Laplace sui grafi e si forniscono stime dall'alto e dal basso per gli autovalori. Al fine di costruire una cornice matematica completa si analizza la relazione tra caso discreto e continuo: viene descritto l'operatore di Laplace-Beltrami sulle varietà riemanniane compatte e vengono fornite stime dall'alto per gli autovalori dell'operatore di Laplace-Beltrami associato a tali varietà a partire dalle stime dall'alto per gli autovalori del laplaciano sui grafi finiti.

Famiglie Normali per Operatori Sub-ellittici e i Teoremi di Montel e Koebe

Scopo della tesi è di estendere un celebre teorema di Montel, sulle famiglie normali di funzioni olomorfe, all'ambiente sub-ellittico delle famiglie di soluzioni u dell'equazione Lu=0, dove L appartiene ad un'ampia classe di operatori differenziali alle derivate parziali reali del secondo ordine in forma di divergenza, comprendente i sub-Laplaciani sui gruppi di Carnot, i Laplaciani sub-ellittici su arbitrari gruppi di Lie, oltre all'operatore di Laplace-Beltrami su varietà di Riemann. A questo scopo, forniremo una versione sub-ellittica di un altro notevole risultato, dovuto a Koebe, che caratterizza le funzioni armoniche come punti fissi di opportuni operatori integrali di media con nuclei non banali. Sarà fornito anche un adeguato sostituto della formula integrale di Cauchy.

Regularity of solutions of the p-Laplace equation in the Heisenberg group

tbd

Inversione della trasformata di Laplace mediante regolarizzazione con norma L1

I dati derivanti da spettroscopia NMR sono l'effetto di fenomeni descritti attraverso la trasformata di Laplace della sorgente che li ha prodotti. Ci si riferisce a un problema inverso con dati discreti ed in relazione ad essi nasce l'esigenza di realizzare metodi numerici per l'inversione della trasformata di Laplace con dati discreti che è notoriamente un problema mal posto e pertanto occorre ricorrere a metodi di regolarizzazione. In questo contesto si propone una variante ai modelli presenti il letteratura che fanno utilizzo della norma L2, introducendo la norma L1.

The Wiener criterion for the Laplacian and the heat operator

La tesi presenta il criterio di regolarità di Wiener dell’ambito classico dell’operatore di Laplace ed in seguito alcune nozioni di teoria del potenziale e la dimostrazione del criterio nel caso dell’operatore del calore; in questa seconda sezione viene dedicata particolare attenzione alle formule di media e ad una diseguaglianza forte di Harnack, che risultano fondamentali nella trattazione dell’argomento centrale.

Stato ecologico di Punte Alberete e Valle Mandriole: popolamenti macrozoobentonici e chimica delle acque

Il presente studio si è proposto di fornire un contributo per la definizione dello stato ecologico delle zone umide d’acqua dolce ravennati (Punte Alberete, Valle Mandriole e uno stagno temporaneo creatosi nella limitrofa Pineta di San Vitale), attraverso lo studio della fauna macrobentonica presente nei sedimenti e nella vegetazione emergente. Sono stati prelevati campioni d’acqua con lo scopo di analizzare alcuni parametri chimico fisici, per relazionarli con i dati ecologici sulle comunità oggetto di studio. Inoltre è stato valutato il potenziale effetto sulle comunità macrozoobentoniche della attuale gestione di Valle Mandriole, che prevede il prosciugamento estivo della zona meridionale al fine di consentire operazioni di sflacio della vegetazione. Per valutare questo tipo di impatto è stato applicato un disegno di campionamento di tipo Beyond-BACI. Sono stati definiti quattro siti di controllo ed un sito potenzialmente impattato. Sono stati definiti due punti di campionamento su ciascun sito e sono stati campionati in totale quattro volte ciascuno, due volte prima del periodo estivo, corrispondente alla messa in secca del sito impattato, e due volte in autunno. I dati raccolti sul benthos e sulle acque sono poi stati analizzati attraverso l’analisi statistica multivariata PERMANOVA. I risultati dei test statistici non hanno rilevato nessun tipo di impatto associabile alla pratica di gestione attuata a Valle Mandriole, mentre l’analisi delle comunità macrozoobentoniche ha evidenziato, attraverso confronti temporali con dati storici e con altri studi, una situazione di degrado dal punto di vista delle stato ecologico di Punte Alberete e Valle Mandriole, molto probabilmente associabile all’abbondante presenza del gambero della Louisiana. La condizione di stato ecologico non soddisfacente può oltretutto essere imputabile anche alla qualità ecologica scarsa dei corsi d’acqua deputati al ricarico delle zone umide considerate. Lo studio ha inoltre sottolineato l’importanza dal punto di vista conservazionistico dello stagno in Pineta San Vitale.

Un'interpretazione del modello classico di Retinex sulla base della funzionalita del LGN

In questa tesi consideriamo il problema della percezione di immagini, e in particolare la sensibilità al contrasto del nostro sistema visivo. Viene studiato il modello classico di Retinex, che descrive l'immagine percepita come soluzione di un'equazione di Poisson. Questo modello viene reinterpretato utilizzando strumenti di geometria differenziale e derivate covarianti. La controparte neurofisiologica del modello è la descrizione della funzionalità del LGN, e della connettività che le lega. Questa viene modellata come un nucleo soluzione fondamentale dell'equazione di Laplace, con strumenti di teoria delle distribuzioni. L'attività dello strato di cellule è quindi soluzione dell'equazione di Laplace, ovvero la stessa equazione che descrive il Retinex. Questo prova che le cellule sono responsabili della percezione a meno di illuminazione.

Formule di media per le funzioni armoniche

In questo lavoro studiamo le funzioni armoniche e le loro proprietà: le formule di media, il principio del massimo e del minimo (forte e debole), la disuguaglianza di Harnack e il teorema di Louiville. Successivamente scriviamo la prima e la seconda identità di Green, che permettono di ottenere esplicitamente la soluzione fondamentale dell’equazione di Laplace, tramite il calcolo delle soluzioni radiali del Laplaciano. Introduciamo poi la funzione di Green, da cui si ottiene una formula di rappresentazione per le funzioni armoniche. Se il dominio di riferimento è una palla, la funzione di Green può essere determinata esplicitamente, e ciò conduce alla rappresentazione integrale di Poisson per le funzioni armoniche in una palla.

Struttura Kahler degli spazi di Teichmuller

Gli spazi di Teichmuller nacquero come risposta ad un problema posto diversi anni prima da Bernhard Riemann, che si domandò in che modo poter parametrizzare le strutture complesse supportate da una superficie fissata; in questo lavoro di tesi ci proponiamo di studiarli in maniera approfondita. Una superficie connessa, orientata e dotata di struttura complessa, prende il nome di superficie di Riemann e costituisce l’oggetto principe su cui si basa l’intero studio affrontato nelle pagine a seguire. Il teorema di uniformizzazione per le superfici di Riemann permette di fare prima distinzione netta tra esse, classificandole in superfici ellittiche, piatte o iperboliche. Due superfici di Riemann R ed S si dicono equivalenti se esiste un biolomorfismo f da R in S, e si dice che hanno la stessa struttura complessa. Certamente se le due superfici hanno genere diverso non possono essere equivalenti. Tuttavia, se R ed S sono superfci con lo stesso genere g ma non equivalenti, è comunque possibile dotare R di una struttura complessa, diversa dalla precedente, che la renda equivalente ad S. Questo permette di osservare che R è in grado di supportare diverse strutture complesse non equivalenti tra loro. Lo spazio di Teichmuller Tg di R è definito come lo spazio che parametrizza tutte le strutture complesse su R a meno di biolomorfismo. D’altra parte ogni superficie connessa, compatta e orientata di genere maggiore o uguale a 2 è in grado di supportare una struttura iperbolica. Il collegamento tra il mondo delle superfici di Riemann con quello delle superfici iperboliche è stato dato da Gauss, il quale provò che per ogni fissata superficie R le metriche iperboliche sono in corrispondenza biunivoca con le strutture complesse supportate da R stessa. Questo teorema permette di fornire una versione della definizione di Tg per superfici iperboliche; precisamente due metriche h1, h2 su R sono equivalenti se e soltanto se esiste un’isometria φ : (R, h1 ) −→ (R, h2 ) isotopa all’identità. Pertanto, grazie al risultato di Gauss, gli spazi di Teichmuller possono essere studiati sia dal punto di vista complesso, che da quello iperbolico.

Variazioni di gravità generate da processi deformativi in un semispazio elastico

La precisione delle misure dell’accelerazione di gravità effettuate grazie ai gravimetri più moderni fornisce importanti informazioni relative ai processi deformativi, che avvengono nel nostro pianeta. In questa tesi il primo capitolo illustra alcuni fondamenti della teoria dell’elasticità ed in particolare la possibilità di descrivere qualunque sorgente deformativa interna alla Terra tramite una distribuzione di “forze equivalenti” con risultante e momento nulli. Inoltre descriviamo i diversi contributi alle variazioni di gravità prodotte da tali eventi. Il secondo capitolo fornisce alcune tecniche di soluzione dell’equazione di Laplace, utilizzate in alcuni calcoli successivi. Nel terzo capitolo si sviluppano le soluzioni trovate da Mindlin nel 1936, che analizzò spostamenti e deformazioni generate da una forza singola in un semispazio elastico omogeneo con superficie libera. Si sono effettuati i calcoli necessari per passare da una forza singola a un dipolo di forze e una volta trovate queste soluzioni si sono effettuate combinazioni di dipoli al fine di ottenere sorgenti deformative fisicamente plausibili, come una sorgente isotropa o una dislocazione tensile (orizzontale o verticale), che permettano di descrivere fenomeni reali. Nel quarto capitolo si descrivono i diversi tipi di gravimetri, assoluti e relativi, e se ne spiega il funzionamento. Questi strumenti di misura sono infatti utilizzati in due esempi che vengono descritti in seguito. Infine, nel quinto capitolo si sono applicati i risultati ottenuti nel terzo capitolo al fine di descrivere i fenomeni avvenuti ai Campi Flegrei negli anni ‘80, cercando il tipo di processo deformativo più adatto alla descrizione sia della fase di sollevamento del suolo che quella di abbassamento. Confrontando le deformazioni e le variazioni residue di gravità misurate prima e dopo gli eventi deformativi con le previsioni dei modelli si possono estrarre importanti informazioni sui processi in atto.

Metodi numerici di regolarizzazione per l'inversione 2d di dati di risonanza magnetica nucleare

Molte applicazioni sono legate a tecniche di rilassometria e risonanza magnetica nucleare (NMR). Tali applicazioni danno luogo a problemi di inversione della trasformata di Laplace discreta che è un problema notoriamente mal posto. UPEN (Uniform Penalty) è un metodo numerico di regolarizzazione utile a risolvere problemi di questo tipo. UPEN riformula l’inversione della trasformata di Laplace come un problema di minimo vincolato in cui la funzione obiettivo contiene il fit di dati e una componente di penalizzazione locale, che varia a seconda della soluzione stessa. Nella moderna spettroscopia NMR si studiano le correlazioni multidimensionali dei parametri di rilassamento longitudinale e trasversale. Per studiare i problemi derivanti dall’analisi di campioni multicomponenti è sorta la necessità di estendere gli algoritmi che implementano la trasformata inversa di Laplace in una dimensione al caso bidimensionale. In questa tesi si propone una possibile estensione dell'algoritmo UPEN dal caso monodimensionale al caso bidimensionale e si fornisce un'analisi numerica di tale estensione su dati simulati e su dati reali.

Maximum Principle for Elliptic and Parabolic Equations

Nel primo capitolo si riporta il principio del massimo per operatori ellittici. Sarà considerato, in un primo momento, l'operatore di Laplace e, successivamente, gli operatori ellittici del secondo ordine, per i quali si dimostrerà anche il principio del massimo di Hopf. Nel secondo capitolo si affronta il principio del massimo per operatori parabolici e lo si utilizza per dimostrare l'unicità delle soluzioni di problemi ai valori al contorno.

Estimation of the ephemerides and gravity fields of the Galilean moons through orbit determination of the JUICE mission

Jupiter and its moons are a complex dynamical system that include several phenomenon like tides interactions, moon's librations and resonances. One of the most interesting characteristics of the Jovian system is the presence of the Laplace resonance, where the orbital periods of Ganymede, Europa and Io maintain a 4:2:1 ratio respectively. It is interesting to study the role of the Laplace Resonance in the dynamic of the system, especially regarding the dissipative nature of the tidal interaction between Jupiter and its closest moon, Io. Numerous theories have been proposed regarding the orbital evolution of the Galilean satellites, but they disagree about the amount of dissipation of the system, therefore about the magnitude and the direction of the evolution of the system, mainly because of the lack of experimental data. The future JUICE space mission is a great opportunity to solve this dispute. JUICE is an ESA (European Space Agency) L-class mission (the largest category of missions in the ESA Cosmic Vision) that, at the beginning of 2030, will be inserted in the Jovian system and that will perform several flybys of the Galilean satellites, with the exception of Io. Subsequently, during the last part of the mission, it will orbit around Ganymede for nine months, with a possible extension of the mission. The data that JUICE will collect during the mission will have an exceptional accuracy, allowing to investigate several aspects of the dynamics the system, especially, the evolution of Laplace Resonance of the Galilean moons and its stability. This thesis will focus on the JUICE mission, in particular in the gravity estimation and orbit reconstruction of the Galilean satellites during the Jovian orbital phase using radiometric data. This is accomplished through an orbit determination technique called multi-arc approach, using the JPL's orbit determination software MONTE (Mission-analysis, Operations and Navigation Tool-kit Environment).