On Bounded Strictly Positive Operators of Closed Range and Some Applications to Asymptotic Hyperstability of Dynamic Systems

The problem discussed is the stability of two input-output feedforward and feedback relations, under an integral-type constraint defining an admissible class of feedback controllers. Sufficiency-type conditions are given for the positive, bounded and of closed range feed-forward operator to be strictly positive and then boundedly invertible, with its existing inverse being also a strictly positive operator. The general formalism is first established and the linked to properties of some typical contractive and pseudocontractive mappings while some real-world applications and links of the above formalism to asymptotic hyperstability of dynamic systems are discussed later on.

LMI-based algorithm for strictly positive real systems with static output feedback

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

OUTPUT CONTROL WITH DYNAMIC COMPENSATORS AND STRICTLY POSITIVE REAL SYSTEMS

We present new results on the output control of uncertain dynamical systems. The design method uses dynamical compensators to turn the compensated plant into a strictly positive real system, and then chooses the control law-for example, a sliding mode control. This result is compared with another result from the literature which uses static compensators. An example is presented where the control with dynamic compensation works while a static compensation does not.

CONTROL OF UNCERTAIN DYNAMIC-SYSTEMS USING STRICTLY POSITIVE REAL SYSTEMS

This paper presents necessary and sufficient conditions to turn a linear time-invariant system with p outputs, m inputs, p greater-than-or-equal-to m and using only inputs and outputs measurements into a Strictly Positive Real (SPR).Two results are presented. In the first, the system compensation is made by two static compensators, one of which forward feeds the outputs and the second back feeds the outputs of the nominal system.The second result presents conditions for the Walcott and Zak variable structure observer-controller synthesis. In this problem, if the nominal system is given by {A,B,C}, then the compensated system is given by {A+GC,B,FC} where F and G are the constant compensation matrices. These results are useful in the control system with uncertainties.

Some properties of g- and P-spaces

A γ-space with a strictly positive measure is separable. An example of a non-separable γ−space with c.c.c. is given. A P−space with c.c.c. is countable and discrete.

On the existence of uni-instantaneous Q-processes with a given finite mu-invariant measure

Let S be a countable set and let Q = (q(ij), i, j is an element of S) be a conservative q-matrix over S with a single instantaneous state b. Suppose that we are given a real number mu >= 0 and a strictly positive probability measure m = (m(j), j is an element of S) such that Sigma(i is an element of S) m(i)q(ij) = -mu m(j), j 0 b. We prove that there exists a Q-process P(t) = (p(ij) (t), i, j E S) for which m is a mu-invariant measure, that is Sigma(i is an element of s) m(i)p(ij)(t) = e(-mu t)m(j), j is an element of S. We illustrate our results with reference to the Kolmogorov 'K 1' chain and a birth-death process with catastrophes and instantaneous resurrection.

A Fast Linear Separability Test by Projection of Positive Points on Subspaces

A geometric and non parametric procedure for testing if two finite set of points are linearly separable is proposed. The Linear Separability Test is equivalent to a test that determines if a strictly positive point h > 0 exists in the range of a matrix A (related to the points in the two finite sets). The algorithm proposed in the paper iteratively checks if a strictly positive point exists in a subspace by projecting a strictly positive vector with equal co-ordinates (p), on the subspace. At the end of each iteration, the subspace is reduced to a lower dimensional subspace. The test is completed within r ≤ min(n, d + 1) steps, for both linearly separable and non separable problems (r is the rank of A, n is the number of points and d is the dimension of the space containing the points). The worst case time complexity of the algorithm is O(nr3) and space complexity of the algorithm is O(nd). A small review of some of the prominent algorithms and their time complexities is included. The worst case computational complexity of our algorithm is lower than the worst case computational complexity of Simplex, Perceptron, Support Vector Machine and Convex Hull Algorithms, if d

Essais sur la gestion des ressources forestières

Cette thèse est composée de trois essais en économie forestière. Les deux premiers s'intéressent à la fixation de la redevance optimale à laquelle fait face le propriétaire d'une ressource forestière dans un contexte d'information asymétrique. Le troisième analyse l'impact à long terme du recyclage sur la surface de terre affectée à la forêt. La gestion des ressources forestières implique souvent la délégation des droits de coupe par le propriétaire forestier à une entreprise exploitante. Cette délégation prend la forme d'un contrat de concession par lequel le propriétaire forestier octroie les droits d'exploitation aux compagnies forestières, en contrepartie d'une redevance (transfert monétaire). L'octroie des droits d'exploitation s'effectue généralement sous plusieurs modes, dont les plus répandus sont les appels d'offres publics et les contrats de gré à gré, où le propriétaire forestier et la firme exploitante spécifient entre autres la redevance dans les clauses d'exploitation de la forêt. Pour déterminer le mécanisme optimal (choix de la firme, âge de coupe et redevance), le propriétaire forestier a idéalement besoin de connaître les coûts de coupe et de reboisement. Or en réalité, les firmes sont mieux informées sur leurs coûts que le propriétaire forestier. Dans ce contexte d'information asymétrique, le mécanisme optimal doit donc prendre en considération des contraintes informationnelles. Les deux premiers essais caractérisent, sous ces conditions, l'âge de coupe optimal (la rotation optimale) et la redevance optimale. Le premier essai examine le contrat optimal quand le propriétaire forestier cède les droits de coupes à une firme par un accord de gré à gré ou par une procédure d'appel d'offre public au second prix. L'analyse du problème est menée premièrement dans un contexte statique, dans le sens que les coûts de coupe sont parfaitement corrélés dans le temps, puis dans un contexte dynamique, où les coûts sont indépendants dans le temps. L'examen en statique et en dynamique montre que la rotation optimale va satisfaire une version modifiée de la règle de Faustmann qui prévaudrait en information symétrique. Cette modification est nécessaire afin d'inciter la firme à révéler ses vrais coûts. Dans le cas statique, il en résulte que la rotation optimale est plus élevée en information asymétrique qu'en situation de pleine information. Nous montrons également comment le seuil maximal de coût de coupe peut être endogénéisé, afin de permettre au propriétaire d'accroître son profit espéré en s'assurant que les forêts non profitables ne seront pas exploitées. Nous comparons ensuite la redevance optimale en information asymétrique et symétrique. Les redevances forestières dans un arrangement de gré à gré étant généralement, en pratique, une fonction linéaire du volume de bois, nous dérivons le contrat optimal en imposant une telle forme de redevance et nous caractérisons la perte en terme de profit espéré qui résulte de l'utilisation de ce type de contrat plutôt que du contrat non linéaire plus général. Finalement, toujours dans le contexte statique, nous montrons à travers un mécanisme optimal d'enchère au second prix qu'en introduisant ainsi la compétition entre les firmes le propriétaire forestier augmente son profit espéré. Les résultats obtenus dans le contexte dynamique diffèrent pour la plupart de ceux obtenus dans le cas statique. Nous montrons que le contrat optimal prévoit alors que chaque type de firme, incluant celle ayant le coût le plus élevé, obtient une rente strictement positive, laquelle augmente dans le temps. Ceci est nécessaire pour obtenir la révélation à moindre coût à la période courante du véritable type de la firme. Comme implication, la rotation optimale s'accroît aussi dans le temps. Finalement, nous montrons qu'il y a distorsion en asymétrique d'information par rapport à l'optimum de pleine information même pour le coût le plus bas (la réalisation la plus favorable). La concurrence introduite dans le premier essai sous forme d'enchère au second prix suppose que chaque firme connaît exactement son propre coût de coupe. Dans le deuxième essai nous relâchons cette hypothèse. En réalité, ni le propriétaire forestier ni les firmes ne connaissent avec précision les coûts de coupe. Chaque firme observe de manière privée un signal sur son coût. Par exemple chaque firme est autorisée à visiter un lot pour avoir une estimation (signal) de son coût de coupe. Cependant cette évaluation est approximative. Ainsi, le coût de chaque firme va dépendre des estimations (signaux) d'autres firmes participantes. Nous sommes en présence d'un mécanisme à valeurs interdépendantes. Dans ce contexte, la valeur d'une allocation dépend des signaux de toutes les firmes. Le mécanisme optimal (attribution des droits d'exploitation, redevance et âge de coupe) est exploré. Nous déterminons les conditions sous lesquelles le mécanisme optimal peut être implémenté par une enchère au second prix et dérivons la rotation optimale et le prix de réserve dans le contexte de ce type d'enchère. Le troisième essai de la thèse analyse l'impact à long terme du recyclage sur la surface de terre affectée à la forêt. L'un des principaux arguments qui milite en faveur du recours au recyclage est que cela entraînerait une réduction de la coupe de bois, épargnant ainsi des arbres. L'objectif est donc d'aboutir à un nombre d'arbres plus important qu'en l'absence de recyclage. L'idée d'accroître le stock d'arbre tient au fait que les forêts génèrent des externalités: elles créent un flux de services récréatifs, freinent l'érosion des sols et des rives des cours d'eau et absorbent du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère. Étant donné la présence d'externalités, l'équilibre des marchés résulterait en un nombre d'arbre insuffisant, justifiant donc la mise en oeuvre de politiques visant à l'accroître. Le but de ce troisième essai est de voir dans quelle mesure la promotion du recyclage est un instrument approprié pour atteindre un tel objectif. En d'autres mots, comment le recyclage affecte-t-il à long terme la surface de terre en forêt et l'âge de coupe? Nous étudions cette question en spécifiant un modèle dynamique d'allocation d'un terrain donné, par un propriétaire forestier privé, entre la forêt et une utilisation alternative du terrain, comme l'agriculture. Une fois les arbres coupés, il décide d'une nouvelle allocation du terrain. Il le fait indéfiniment comme dans le cadre du modèle de Faustmann. Le bois coupé est transformé en produit final qui est en partie recyclé comme substitut du bois original. Ainsi, les outputs passés affectent le prix courant. Nous montrons que, paradoxalement, un accroissement du taux de recyclage réduira à long terme la surface forestière et donc diminuera le nombre d'arbres plantés. Par contre l'âge de coupe optimal va s'accroître. L'effet net sur le volume de bois offert sur le marché est ambigu. Le principal message cependant est qu'à long terme le recyclage va résulter en une surface en forêt plus petite et non plus grande. Donc, si le but est d'accroître la surface en forêt, il pourrait être préférable de faire appel à d'autres types d'instruments de politique que celui d'encourager le recyclage.

Mitigation of symmetry condition in positive realness for adaptive control

Feasibility of nonlinear and adaptive control methodologies in multivariable linear time-invariant systems with state-space realization (A, B, C) is apparently limited by the standard strictly positive realness conditions that imply that the product CB must be positive definite symmetric. This paper expands the applicability of the strictly positive realness conditions used for the proofs of stability of adaptive control or control with uncertainty by showing that the not necessarily symmetric CB is only required to have a diagonal Jordan form and positive eigenvalues. The paper also shows that under the new condition any minimum-phase systems can be made strictly positive real via constant output feedback. The paper illustrates the usefulness of these extended properties with an adaptive control example. (C) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Construction of Stability Multipliers with Prescribed Phase Characteristics: an Improved Value for $\sigma

For a feedback system consisting of a transfer function $G(s)$ in the forward path and a time-varying gain $n(t)(0 \leqq n(t) \leqq k)$ in the feedback loop, a stability multiplier $Z(s)$ has been constructed (and used to prove stability) by Freedman [2] such that $Z(s)(G(s) + {1 / K})$ and $Z(s - \sigma )(0 < \sigma < \sigma _ * )$ are strictly positive real, where $\sigma _ * $ can be computed from a knowledge of the phase-angle characteristic of $G(i\omega ) + {1 / k}$ and the time-varying gain $n(t)$ is restricted by $\sigma _ * $ by means of an integral inequality. In this note it is shown that an improved value for $\sigma _ * $ is possible by making some modifications in his derivation. ©1973 Society for Industrial and Applied Mathematics.

On the maximal rate of non-square STBCs from complex orthogonal designs

A Linear Processing Complex Orthogonal Design (LPCOD) is a p x n matrix epsilon, (p >= n) in k complex indeterminates x(1), x(2),..., x(k) such that (i) the entries of epsilon are complex linear combinations of 0, +/- x(i), i = 1,..., k and their conjugates, (ii) epsilon(H)epsilon = D, where epsilon(H) is the Hermitian (conjugate transpose) of epsilon and D is a diagonal matrix with the (i, i)-th diagonal element of the form l(1)((i))vertical bar x(1)vertical bar(2) + l(2)((i))vertical bar x(2)vertical bar(2)+...+ l(k)((i))vertical bar x(k)vertical bar(2) where l(j)((i)), i = 1, 2,..., n, j = 1, 2,...,k are strictly positive real numbers and the condition l(1)((i)) = l(2)((i)) = ... = l(k)((i)), called the equal-weights condition, holds for all values of i. For square designs it is known. that whenever a LPCOD exists without the equal-weights condition satisfied then there exists another LPCOD with identical parameters with l(1)((i)) = l(2)((i)) = ... = l(k)((i)) = 1. This implies that the maximum possible rate for square LPCODs without the equal-weights condition is the same as that or square LPCODs with equal-weights condition. In this paper, this result is extended to a subclass of non-square LPCODs. It is shown that, a set of sufficient conditions is identified such that whenever a non-square (p > n) LPCOD satisfies these sufficient conditions and do not satisfy the equal-weights condition, then there exists another LPCOD with the same parameters n, k and p in the same complex indeterminates with l(1)((i)) = l(2)((i)) = ... = l(k)((i)) = 1.

On the Limits of Spatial Reuse and Cooperative Communication for Dense Wireless Networks

We consider a dense ad hoc wireless network comprising n nodes confined to a given two dimensional region of fixed area. For the Gupta-Kumar random traffic model and a realistic interference and path loss model (i.e., the channel power gains are bounded above, and are bounded below by a strictly positive number), we study the scaling of the aggregate end-to-end throughput with respect to the network average power constraint, P macr, and the number of nodes, n. The network power constraint P macr is related to the per node power constraint, P macr, as P macr = np. For large P, we show that the throughput saturates as Theta(log(P macr)), irrespective of the number of nodes in the network. For moderate P, which can accommodate spatial reuse to improve end-to-end throughput, we observe that the amount of spatial reuse feasible in the network is limited by the diameter of the network. In fact, we observe that the end-to-end path loss in the network and the amount of spatial reuse feasible in the network are inversely proportional. This puts a restriction on the gains achievable using the cooperative communication techniques studied in and, as these rely on direct long distance communication over the network.

A Nearly Exact Reformulation of the Girsanov Linearization for Stochastically Driven Nonlinear Oscillators

The Girsanov linearization method (GLM), proposed earlier in Saha, N., and Roy, D., 2007, ``The Girsanov Linearisation Method for Stochastically Driven Nonlinear Oscillators,'' J. Appl. Mech., 74, pp. 885-897, is reformulated to arrive at a nearly exact, semianalytical, weak and explicit scheme for nonlinear mechanical oscillators under additive stochastic excitations. At the heart of the reformulated linearization is a temporally localized rejection sampling strategy that, combined with a resampling scheme, enables selecting from and appropriately modifying an ensemble of locally linearized trajectories while weakly applying the Girsanov correction (the Radon-Nikodym derivative) for the linearization errors. The semianalyticity is due to an explicit linearization of the nonlinear drift terms and it plays a crucial role in keeping the Radon-Nikodym derivative ``nearly bounded'' above by the inverse of the linearization time step (which means that only a subset of linearized trajectories with low, yet finite, probability exceeds this bound). Drift linearization is conveniently accomplished via the first few (lower order) terms in the associated stochastic (Ito) Taylor expansion to exclude (multiple) stochastic integrals from the numerical treatment. Similarly, the Radon-Nikodym derivative, which is a strictly positive, exponential (super-) martingale, is converted to a canonical form and evaluated over each time step without directly computing the stochastic integrals appearing in its argument. Through their numeric implementations for a few low-dimensional nonlinear oscillators, the proposed variants of the scheme, presently referred to as the Girsanov corrected linearization method (GCLM), are shown to exhibit remarkably higher numerical accuracy over a much larger range of the time step size than is possible with the local drift-linearization schemes on their own.

Extension theorems for functions of vanishing mean oscillation

A locally integrable function is said to be of vanishing mean oscillation (VMO) if its mean oscillation over cubes in R^d converges to zero with the volume of the cubes. We establish necessary and sufficient conditions for a locally integrable function defined on a bounded measurable set of positive measure to be the restriction to that set of a VMO function.

We consider the similar extension problem pertaining to BMO(ρ) functions; that is, those VMO functions whose mean oscillation over any cube is O(ρ(l(Q))) where l(Q) is the length of Q and ρ is a positive, non-decreasing function with ρ(0⁺) = 0.

We apply these results to obtain sufficient conditions for a Blaschke sequence to be the zeros of an analytic BMO(ρ) function on the unit disc.