Mathematical models to describe the volumetric shrinkage rate of red beans during drying

The present study aimed to determine the volumetric shrinkage rate of bean (Phaseolus vulgaris L.) seeds during air-drying under different conditions of air, temperature and relative humidity, and to adjust several mathematical models to the empiric values observed, and select the one that best represents the phenomenon. Six mathematical models were adjusted to the experimental values to represent the phenomenon. It was determined the degree of adjustment of each model from the value of the coefficient of determination, the behavior of the distribution of the residuals, and the magnitude of the average relative and estimated errors. The rate of volumetric shrinkage that occurred in bean seeds during drying is between 25 and 37%. It basically depends on the final moisture content, regardless of the air conditions during drying. The Modified Bala & Woods' model best represented the process.

Application of mathematical models for the prediction of adsorption isotherms in solid mixture for mango powder refreshment

Solid mixtures for refreshment are already totally integrated to the Brazilian consumers' daily routine, because of their quick preparation method, yield and reasonable price - quite lower if compared to 'ready-to-drink' products or products for prompt consumption, what makes them economically more accessible to low-income populations. Within such a context, the aim of this work was to evaluate the physicochemical and mineral composition, as well as the hygroscopic behavior of four different brands of solid mixture for mango refreshment. The BET, GAB, Oswim and Henderson mathematical models were built through the adjustment of experimental data to the isotherms of adsorption. Results from the physiochemical evaluation showed that the solid mixtures for refreshments are considerable sources of ascorbic acid and reductor sugar; and regarding mineral compounds, they are significant sources of calcium, sodium and potassium. It was also verified that the solid mixtures for refreshments of the four studied brands are considered highly hygroscopic.

Geological image processing of petrographic thin sections using the rotating polarizer stage

One of the fundamental problems with image processing of petrographic thin sections is that the appearance (colour I intensity) of a mineral grain will vary with the orientation of the crystal lattice to the preferred direction of the polarizing filters on a petrographic microscope. This makes it very difficult to determine grain boundaries, grain orientation and mineral species from a single captured image. To overcome this problem, the Rotating Polarizer Stage was used to replace the fixed polarizer and analyzer on a standard petrographic microscope. The Rotating Polarizer Stage rotates the polarizers while the thin section remains stationary, allowing for better data gathering possibilities. Instead of capturing a single image of a thin section, six composite data sets are created by rotating the polarizers through 900 (or 1800 if quartz c-axes measurements need to be taken) in both plane and cross polarized light. The composite data sets can be viewed as separate images and consist of the average intensity image, the maximum intensity image, the minimum intensity image, the maximum position image, the minimum position image and the gradient image. The overall strategy used by the image processing system is to gather the composite data sets, determine the grain boundaries using the gradient image, classify the different mineral species present using the minimum and maximum intensity images and then perform measurements of grain shape and, where possible, partial crystallographic orientation using the maximum intensity and maximum position images.

Investigations On The Development Of An Ann Model & Visual Manipulation Approach For 2-D Dft Computation In Image Processing

This thesis is an outcome of the investigations carried out on the development of an Artificial Neural Network (ANN) model to implement 2-D DFT at high speed. A new definition of 2-D DFT relation is presented. This new definition enables DFT computation organized in stages involving only real addition except at the final stage of computation. The number of stages is always fixed at 4. Two different strategies are proposed. 1) A visual representation of 2-D DFT coefficients. 2) A neural network approach. The visual representation scheme can be used to compute, analyze and manipulate 2D signals such as images in the frequency domain in terms of symbols derived from 2x2 DFT. This, in turn, can be represented in terms of real data. This approach can help analyze signals in the frequency domain even without computing the DFT coefficients. A hierarchical neural network model is developed to implement 2-D DFT. Presently, this model is capable of implementing 2-D DFT for a particular order N such that ((N))4 = 2. The model can be developed into one that can implement the 2-D DFT for any order N upto a set maximum limited by the hardware constraints. The reported method shows a potential in implementing the 2-D DF T in hardware as a VLSI / ASIC

Mathematics teachers' ideas about mathematical models : a diverse landscape

Resumen basado en el de la publicaci??n

Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Use and abuse of mathematical models: an illustration from the 2001 foot and mouth disease epidemic in the United Kingdom

Foot and mouth disease (FMD) is a major threat, not only to countries whose economies rely on agricultural exports, but also to industrialised countries that maintain a healthy domestic livestock industry by eliminating major infectious diseases from their livestock populations. Traditional methods of controlling diseases such as FMD require the rapid detection and slaughter of infected animals, and any susceptible animals with which they may have been in contact, either directly or indirectly. During the 2001 epidemic of FMD in the United Kingdom (UK), this approach was supplemented by a culling policy driven by unvalidated predictive models. The epidemic and its control resulted in the death of approximately ten million animals, public disgust with the magnitude of the slaughter, and political resolve to adopt alternative options, notably including vaccination, to control any future epidemics. The UK experience provides a salutary warning of how models can be abused in the interests of scientific opportunism.

Integration of chaos theory and mathematical models in building simulation: Part I: Literature review

Current mathematical models in building research have been limited in most studies to linear dynamics systems. A literature review of past studies investigating chaos theory approaches in building simulation models suggests that as a basis chaos model is valid and can handle the increasingly complexity of building systems that have dynamic interactions among all the distributed and hierarchical systems on the one hand, and the environment and occupants on the other. The review also identifies the paucity of literature and the need for a suitable methodology of linking chaos theory to mathematical models in building design and management studies. This study is broadly divided into two parts and presented in two companion papers. Part (I) reviews the current state of the chaos theory models as a starting point for establishing theories that can be effectively applied to building simulation models. Part (II) develops conceptual frameworks that approach current model methodologies from the theoretical perspective provided by chaos theory, with a focus on the key concepts and their potential to help to better understand the nonlinear dynamic nature of built environment systems. Case studies are also presented which demonstrate the potential usefulness of chaos theory driven models in a wide variety of leading areas of building research. This study distills the fundamental properties and the most relevant characteristics of chaos theory essential to building simulation scientists, initiates a dialogue and builds bridges between scientists and engineers, and stimulates future research about a wide range of issues on building environmental systems.

Integration of chaos theory and mathematical models in building simulation: Part II: Conceptual frameworks

Current mathematical models in building research have been limited in most studies to linear dynamics systems. A literature review of past studies investigating chaos theory approaches in building simulation models suggests that as a basis chaos model is valid and can handle the increasing complexity of building systems that have dynamic interactions among all the distributed and hierarchical systems on the one hand, and the environment and occupants on the other. The review also identifies the paucity of literature and the need for a suitable methodology of linking chaos theory to mathematical models in building design and management studies. This study is broadly divided into two parts and presented in two companion papers. Part (I), published in the previous issue, reviews the current state of the chaos theory models as a starting point for establishing theories that can be effectively applied to building simulation models. Part (II) develop conceptual frameworks that approach current model methodologies from the theoretical perspective provided by chaos theory, with a focus on the key concepts and their potential to help to better understand the nonlinear dynamic nature of built environment systems. Case studies are also presented which demonstrate the potential usefulness of chaos theory driven models in a wide variety of leading areas of building research. This study distills the fundamental properties and the most relevant characteristics of chaos theory essential to (1) building simulation scientists and designers (2) initiating a dialogue between scientists and engineers, and (3) stimulating future research on a wide range of issues involved in designing and managing building environmental systems.

The constrained compartmentalized knapsack problem: mathematical models and solution methods

The constrained compartmentalized knapsack problem can be seen as an extension of the constrained knapsack problem. However, the items are grouped into different classes so that the overall knapsack has to be divided into compartments, and each compartment is loaded with items from the same class. Moreover, building a compartment incurs a fixed cost and a fixed loss of the capacity in the original knapsack, and the compartments are lower and upper bounded. The objective is to maximize the total value of the items loaded in the overall knapsack minus the cost of the compartments. This problem has been formulated as an integer non-linear program, and in this paper, we reformulate the non-linear model as an integer linear master problem with a large number of variables. Some heuristics based on the solution of the restricted master problem are investigated. A new and more compact integer linear model is also presented, which can be solved by a branch-and-bound commercial solver that found most of the optimal solutions for the constrained compartmentalized knapsack problem. On the other hand, heuristics provide good solutions with low computational effort. (C) 2011 Elsevier BM. All rights reserved.

Mathematical models of generalized diffusion

We discuss in this paper equations describing processes involving non-linear and higher-order diffusion. We focus on a particular case (u(t) = 2 lambda (2)(uu(x))(x) + lambda (2)u(xxxx)), which is put into analogy with the KdV equation. A balance of nonlinearity and higher-order diffusion enables the existence of self-similar solutions, describing diffusive shocks. These shocks are continuous solutions with a discontinuous higher-order derivative at the shock front. We argue that they play a role analogous to the soliton solutions in the dispersive case. We also discuss several physical instances where such equations are relevant.