A block solver for the exponentally fitted IIPG-0 method

We consider an exponentially fitted discontinuous Galerkin method for advection dominated problems and propose a block solver for the resulting linear systems. In the case of strong advection the solver is robust with respect to the advection direction and the number of unknowns.

Accelerated Microstructure Imaging via Convex Optimization (AMICO) from diffusion MRI data.

Microstructure imaging from diffusion magnetic resonance (MR) data represents an invaluable tool to study non-invasively the morphology of tissues and to provide a biological insight into their microstructural organization. In recent years, a variety of biophysical models have been proposed to associate particular patterns observed in the measured signal with specific microstructural properties of the neuronal tissue, such as axon diameter and fiber density. Despite very appealing results showing that the estimated microstructure indices agree very well with histological examinations, existing techniques require computationally very expensive non-linear procedures to fit the models to the data which, in practice, demand the use of powerful computer clusters for large-scale applications. In this work, we present a general framework for Accelerated Microstructure Imaging via Convex Optimization (AMICO) and show how to re-formulate this class of techniques as convenient linear systems which, then, can be efficiently solved using very fast algorithms. We demonstrate this linearization of the fitting problem for two specific models, i.e. ActiveAx and NODDI, providing a very attractive alternative for parameter estimation in those techniques; however, the AMICO framework is general and flexible enough to work also for the wider space of microstructure imaging methods. Results demonstrate that AMICO represents an effective means to accelerate the fit of existing techniques drastically (up to four orders of magnitude faster) while preserving accuracy and precision in the estimated model parameters (correlation above 0.9). We believe that the availability of such ultrafast algorithms will help to accelerate the spread of microstructure imaging to larger cohorts of patients and to study a wider spectrum of neurological disorders.

Control of Structures with Cubic and Quadratic Non-Linearities with Time Delay Consideration

This paper studies the effect of time delay on the active non-linear control of dynamically loaded flexible structures. The behavior of non-linear systems under state feedback control, considering a fixed time delay for the control force, is investigated. A control method based on non-linear optimal control, using a tensorial formulation and state feedback control is used. The state equations and the control forces are expressed in polynomial form and a performance index, quadratic in both state vector and control forces, is used. General polynomial representations of the non-linear control law are obtained and implemented for control algorithms up to the fifth order. This methodology is applied to systems with quadratic and cubic non-linearities. Strongly non-linear systems are tested and the effectiveness of the control system including a delay for the application of control forces is discussed. Numerical results indicate that the adopted control algorithm can be efficient for non-linear systems, chiefly in the presence of strong non-linearities but increasing time delay reduces the efficiency of the control system. Numerical results emphasize the importance of considering time delay in the project of active structural control systems.

Substitution-Newton-Raphson method applied to the modeling of a vapour compression refrigeration system using different representations of the thermodynamic properties of R-134a

This paper gives a detailed presentation of the Substitution-Newton-Raphson method, suitable for large sparse non-linear systems. It combines the Successive Substitution method and the Newton-Raphson method in such way as to take the best advantages of both, keeping the convergence features of the Newton-Raphson with the low requirements of memory and time of the Successive Substitution schemes. The large system is solved employing few effective variables, using the greatest possible part of the model equations in substitution fashion to fix the remaining variables, but maintaining the convergence characteristics of the Newton-Raphson. The methodology is exemplified through a simple algebraic system, and applied to a simple thermodynamic, mechanical and heat transfer modeling of a single-stage vapor compression refrigeration system. Three distinct approaches for reproducing the thermodynamic properties of the refrigerant R-134a are compared: the linear interpolation from tabulated data, the use of polynomial fitted curves and the use of functions derived from the Helmholtz free energy.

Radial frequency stimuli and sine-wave gratings seem to be processed by distinct contrast brain mechanisms

An assumption commonly made in the study of visual perception is that the lower the contrast threshold for a given stimulus, the more sensitive and selective will be the mechanism that processes it. On the basis of this consideration, we investigated contrast thresholds for two classes of stimuli: sine-wave gratings and radial frequency stimuli (i.e., j0 targets or stimuli modulated by spherical Bessel functions). Employing a suprathreshold summation method, we measured the selectivity of spatial and radial frequency filters using either sine-wave gratings or j0 target contrast profiles at either 1 or 4 cycles per degree of visual angle (cpd), as the test frequencies. Thus, in a forced-choice trial, observers chose between a background spatial (or radial) frequency alone and the given background stimulus plus the test frequency (1 or 4 cpd sine-wave grating or radial frequency). Contrary to our expectations, the results showed elevated thresholds (i.e., inhibition) for sine-wave gratings and decreased thresholds (i.e., summation) for radial frequencies when background and test frequencies were identical. This was true for both 1- and 4-cpd test frequencies. This finding suggests that sine-wave gratings and radial frequency stimuli are processed by different quasi-linear systems, one working at low luminance and contrast level (sine-wave gratings) and the other at high luminance and contrast levels (radial frequency stimuli). We think that this interpretation is consistent with distinct foveal only and foveal-parafoveal mechanisms involving striate and/or other higher visual areas (i.e., V2 and V4).

Structural dynamics in the global pulp and paper industry

The pulp and paper industry is currently facing broad structural changes due to global shifts in demand and supply. These changes have significant impacts on national economies worldwide. Planted forests (especially eucalyptus) and recovered paper have quickly increased their importance as raw material for paper and paperboard production. Although advances in information and communication technologies could reduce the demand for communication papers, and the growth of paper consumption has indeed flattened in developed economies, particularly in North America and Western Europe, the consumption is increasing on a global scale. Moreover, the focal point of production and consumption is moving from the Western world to the rapidly growing markets of Southeast Asia. This study analyzes how the so-called megatrends (globalization, technological development, and increasing environmental awareness) affect the pulp and paper industry’s external environment, and seeks reliable ways to incorporate the impact of the megatrends on the models concerning the demand, trade, and use of paper and pulp. The study expands current research in several directions and points of view, for example, by applying and incorporating several quantitative methods and different models. As a result, the thesis makes a significant contribution to better understand and measure the impacts of structural changes on the pulp and paper industry. It also provides some managerial and policy implications.

Les modèles vectoriels et multiplicatifs avec erreurs non-négatives de séries chronologiques.

L'objectif du présent mémoire vise à présenter des modèles de séries chronologiques multivariés impliquant des vecteurs aléatoires dont chaque composante est non-négative. Nous considérons les modèles vMEM (modèles vectoriels et multiplicatifs avec erreurs non-négatives) présentés par Cipollini, Engle et Gallo (2006) et Cipollini et Gallo (2010). Ces modèles représentent une généralisation au cas multivarié des modèles MEM introduits par Engle (2002). Ces modèles trouvent notamment des applications avec les séries chronologiques financières. Les modèles vMEM permettent de modéliser des séries chronologiques impliquant des volumes d'actif, des durées, des variances conditionnelles, pour ne citer que ces applications. Il est également possible de faire une modélisation conjointe et d'étudier les dynamiques présentes entre les séries chronologiques formant le système étudié. Afin de modéliser des séries chronologiques multivariées à composantes non-négatives, plusieurs spécifications du terme d'erreur vectoriel ont été proposées dans la littérature. Une première approche consiste à considérer l'utilisation de vecteurs aléatoires dont la distribution du terme d'erreur est telle que chaque composante est non-négative. Cependant, trouver une distribution multivariée suffisamment souple définie sur le support positif est plutôt difficile, au moins avec les applications citées précédemment. Comme indiqué par Cipollini, Engle et Gallo (2006), un candidat possible est une distribution gamma multivariée, qui impose cependant des restrictions sévères sur les corrélations contemporaines entre les variables. Compte tenu que les possibilités sont limitées, une approche possible est d'utiliser la théorie des copules. Ainsi, selon cette approche, des distributions marginales (ou marges) peuvent être spécifiées, dont les distributions en cause ont des supports non-négatifs, et une fonction de copule permet de tenir compte de la dépendance entre les composantes. Une technique d'estimation possible est la méthode du maximum de vraisemblance. Une approche alternative est la méthode des moments généralisés (GMM). Cette dernière méthode présente l'avantage d'être semi-paramétrique dans le sens que contrairement à l'approche imposant une loi multivariée, il n'est pas nécessaire de spécifier une distribution multivariée pour le terme d'erreur. De manière générale, l'estimation des modèles vMEM est compliquée. Les algorithmes existants doivent tenir compte du grand nombre de paramètres et de la nature élaborée de la fonction de vraisemblance. Dans le cas de l'estimation par la méthode GMM, le système à résoudre nécessite également l'utilisation de solveurs pour systèmes non-linéaires. Dans ce mémoire, beaucoup d'énergies ont été consacrées à l'élaboration de code informatique (dans le langage R) pour estimer les différents paramètres du modèle. Dans le premier chapitre, nous définissons les processus stationnaires, les processus autorégressifs, les processus autorégressifs conditionnellement hétéroscédastiques (ARCH) et les processus ARCH généralisés (GARCH). Nous présentons aussi les modèles de durées ACD et les modèles MEM. Dans le deuxième chapitre, nous présentons la théorie des copules nécessaire pour notre travail, dans le cadre des modèles vectoriels et multiplicatifs avec erreurs non-négatives vMEM. Nous discutons également des méthodes possibles d'estimation. Dans le troisième chapitre, nous discutons les résultats des simulations pour plusieurs méthodes d'estimation. Dans le dernier chapitre, des applications sur des séries financières sont présentées. Le code R est fourni dans une annexe. Une conclusion complète ce mémoire.

Unfolded singularities of analytic differential equations

La thèse est composée d’un chapitre de préliminaires et de deux articles sur le sujet du déploiement de singularités d’équations différentielles ordinaires analytiques dans le plan complexe. L’article Analytic classification of families of linear differential systems unfolding a resonant irregular singularity traite le problème de l’équivalence analytique de familles paramétriques de systèmes linéaires en dimension 2 qui déploient une singularité résonante générique de rang de Poincaré 1 dont la matrice principale est composée d’un seul bloc de Jordan. La question: quand deux telles familles sontelles équivalentes au moyen d’un changement analytique de coordonnées au voisinage d’une singularité? est complètement résolue et l’espace des modules des classes d’équivalence analytiques est décrit en termes d’un ensemble d’invariants formels et d’un invariant analytique, obtenu à partir de la trace de la monodromie. Des déploiements universels sont donnés pour toutes ces singularités. Dans l’article Confluence of singularities of non-linear differential equations via Borel–Laplace transformations on cherche des solutions bornées de systèmes paramétriques des équations non-linéaires de la variété centre de dimension 1 d’une singularité col-noeud déployée dans une famille de champs vectoriels complexes. En général, un système d’ÉDO analytiques avec une singularité double possède une unique solution formelle divergente au voisinage de la singularité, à laquelle on peut associer des vraies solutions sur certains secteurs dans le plan complexe en utilisant les transformations de Borel–Laplace. L’article montre comment généraliser cette méthode et déployer les solutions sectorielles. On construit des solutions de systèmes paramétriques, avec deux singularités régulières déployant une singularité irrégulière double, qui sont bornées sur des domaines «spirals» attachés aux deux points singuliers, et qui, à la limite, convergent vers une paire de solutions sectorielles couvrant un voisinage de la singularité confluente. La méthode apporte une description unifiée pour toutes les valeurs du paramètre.

Theory of differential inequalities with appliciations to singular perturbiation problems and method of lines

During recent years, the theory of differential inequalities has been extensively used to discuss singular perturbation problems and method of lines to partial differential equations. The present thesis deals with some differential inequality theorems and their applications to singularly perturbed initial value problems, boundary value problems for ordinary differential equations in Banach space and initial boundary value problems for parabolic differential equations. The method of lines to parabolic and elliptic differential equations are also dealt The thesis is organised into nine chapters

Exploring oligo(p-phenylenevinylene) gelators as sensors and stimuli responsive materials

Gelation provides a unique medium, which often induces organization of molecules resulting in the modulation of their optical, morphological and electronic properties thereby opening a new world of fascinating materials with interesting physical properties at nano- meso- and macroscopic levels. Supramolecular gels based on linear π-systems have attracted much attention due to their inherent optical and electronic properties which find application in organic electronics, light harvesting and sensing. They exhibit reversible properties due to the dynamic nature of noncovalent forces. As a result, studies on such soft materials are currently a topic of great interest. Recently, researchers are actively involved in the development of sensors and stimuli-responsive materials based on self-assembled π-systems, which are also called smart materials. The present thesis is divided into four chapters

Design, Development and Realization of Quadratic Volterra Filters for Selected Applications

The basic concepts of digital signal processing are taught to the students in engineering and science. The focus of the course is on linear, time invariant systems. The question as to what happens when the system is governed by a quadratic or cubic equation remains unanswered in the vast majority of literature on signal processing. Light has been shed on this problem when John V Mathews and Giovanni L Sicuranza published the book Polynomial Signal Processing. This book opened up an unseen vista of polynomial systems for signal and image processing. The book presented the theory and implementations of both adaptive and non-adaptive FIR and IIR quadratic systems which offer improved performance than conventional linear systems. The theory of quadratic systems presents a pristine and virgin area of research that offers computationally intensive work. Once the area of research is selected, the next issue is the choice of the software tool to carry out the work. Conventional languages like C and C++ are easily eliminated as they are not interpreted and lack good quality plotting libraries. MATLAB is proved to be very slow and so do SCILAB and Octave. The search for a language for scientific computing that was as fast as C, but with a good quality plotting library, ended up in Python, a distant relative of LISP. It proved to be ideal for scientific computing. An account of the use of Python, its scientific computing package scipy and the plotting library pylab is given in the appendix Initially, work is focused on designing predictors that exploit the polynomial nonlinearities inherent in speech generation mechanisms. Soon, the work got diverted into medical image processing which offered more potential to exploit by the use of quadratic methods. The major focus in this area is on quadratic edge detection methods for retinal images and fingerprints as well as de-noising raw MRI signals

Preconditioner updates applied to CFD model problems

In the present paper we concentrate on solving sequences of nonsymmetric linear systems with block structure arising from compressible flow problems. We attempt to improve the solution process by sharing part of the computational effort throughout the sequence. This is achieved by application of a cheap updating technique for preconditioners which we adapted in order to be used for our applications. Tested on three benchmark compressible flow problems, the strategy speeds up the entire computation with an acceleration being particularly pronounced in phases of instationary behavior.

Faktorisierung in Schief-Polynomringen

In der Arbeit werden zunächst die wesentlichsten Fakten über Schiefpolynome wiederholt, der Fokus liegt dabei auf Shift- und q-Shift-Operatoren in Charakteristik Null. Alle für die Arithmetik mit diesen Objekten notwendigen Konzepte und Algorithmen finden sich im ersten Kapitel. Einige der zur Bestimmung von Lösungen notwendigen Daten können aus dem Newtonpolygon, einer den Operatoren zugeordneten geometrischen Figur, abgelesen werden. Die Herleitung dieser Zusammenhänge ist das Thema des zweiten Kapitels der Arbeit, wobei dies insbesondere im q-Shift-Fall in dieser Form neu ist. Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit der Bestimmung polynomieller und rationaler Lösungen dieser Operatoren, dabei folgt es im Wesentlichen der Darstellung von Mark van Hoeij. Der für die Faktorisierung von (q-)Shift Operatoren interessanteste Fall sind die sogenannten (q-)hypergeometrischen Lösungen, die direkt zu Rechtsfaktoren erster Ordnung korrespondieren. Im vierten Kapitel wird der van Hoeij-Algorithmus vom Shift- auf den q-Shift-Fall übertragen. Außerdem wird eine deutliche Verbesserung des q-Petkovsek-Algorithmus mit Hilfe der Daten des Newtonpolygons hergeleitet. Das fünfte Kapitel widmet sich der Berechnung allgemeiner Faktoren, wozu zunächst der adjungierte Operator eingeführt wird, der die Berechnung von Linksfaktoren erlaubt. Dann wird ein Algorithmus zur Berechnung von Rechtsfaktoren beliebiger Ordnung dargestellt. Für die praktische Benutzung ist dies allerdings für höhere Ordnungen unpraktikabel. Bei fast allen vorgestellten Algorithmen tritt das Lösen linearer Gleichungssysteme über rationalen Funktionenkörpern als Zwischenschritt auf. Dies ist in den meisten Computeralgebrasystemen nicht befriedigend gelöst. Aus diesem Grund wird im letzten Kapitel ein auf Evaluation und Interpolation basierender Algorithmus zur Lösung dieses Problems vorgestellt, der in allen getesteten Systemen den Standard-Algorithmen deutlich überlegen ist. Alle Algorithmen der Arbeit sind in einem MuPAD-Package implementiert, das der Arbeit beiliegt und eine komfortable Handhabung der auftretenden Objekte erlaubt. Mit diesem Paket können in MuPAD nun viele Probleme gelöst werden, für die es vorher keine Funktionen gab.

Diazafluoren-9-yliden als Bindungsmotiv für Metallfragmente in kreuzkonjugierten π-Systemen

In der vorliegenden Dissertation wurden kreuzkonjugierte organische Verbindungen basierend auf Diazafluorenmethyliden- sowie Dipyridylmethyliden-Bausteinen synthetisiert, die zum einen photoredoxaktive Metallfragmente komplexieren können und zum anderen erweiterte π-konjugierte Pfade auf der Grundlage von Alkineinheiten ermöglichen. Das kreuzkonjugierte Motiv wurde über die Kupplung von Alkineinheiten an halogenierte Methyliden-Einheiten, den so genannten Dibromolefinen, zugänglich gemacht. Zur Synthese von Dibromolefinen wurden verschiedene Methoden untersucht. Literaturbekannte Methoden wie die Wittig-Reaktion und ihre Modifikationen sowie die Corey-Fuchs-Reaktion konnten für die Diazafluoreneinheit nicht erfolgreich angewendet werden. Bei einer mikrowellenunterstützten Reaktion konnte sowohl ausgehend von Diazafluoren-9-on als auch von Di-2-pyridylketon eine Dibromolefinierung (55 % und 65 %) erreicht werden. Die Eignung der Mikrowellenstrahlung für Dibromolefinierungsreaktionen nach Corey und Fuchs wurde weiterhin an verschiedenen Aldehyden und Ketonen untersucht. In den meisten Fällen konnten gute bis sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Durch die erfolgreiche Synthese von Dibromolefinen über Mikrowellensynthese wurde die Realisierung von diversen π-konjugierten Systemen möglich. Dies erfolgte exemplarisch durch die Kupplung der Alkine 5-Ethinyl-2,2’-bipyridin, 1-(Ferrocenylethinyl)-4-(ethinyl)benzol, Tri(tolyl)propin sowie der TIPS- und TMS-Acetylene. Neben der Vielfalt an Möglichkeiten zur Funktionalisierung von Dipyridyl- und Diazafluorenbausteinen zeigte sich zudem, dass sogar räumlich anspruchsvolle Verbindungen wie die geminale angeordneten voluminösen Tri(tolyl)propinyl-Substituenten an der Doppelbindung erfolgreich synthetisiert werden können. Die Koordinationseigenschaften der neu synthetisierten Verbindungen konnten durch Umsetzungen der Diazafluoren- und Dipyridylverbindungen mit PdCl2 und [RuCl2(bpy)2] erfolgreich gezeigt werden. Im Hinblick auf die Herstellung von Funktionsmaterialien eignen sich die Endiin-Strukturmotive aufgrund von diversen Variationsmöglichkeiten wie Koordination von Übergangsmetallen sowie Funktionalisierung der Peripherie gut. Dadurch können die elektronischen Eigenschaften wie die Absorption oder elektrochemische Potentiale der Verbindungen modifiziert werden. Die UV/Vis-Spektren der neu synthetisierten Verbindungen zeigen, dass Absorptionen in längerwelligen Bereichen durch Verlängerung des Konjugationspfades gesteuert werden können. Zudem lassen sich weitere photophysikalische Eigenschaften wie MC-, LC-, LMCT- oder MLCT-Übergänge durch Koordination von Metallen generieren. Die elektrochemischen Potentiale der Dipyridyl- und Diazafluorenbausteine konnten durch Anbindung von verschiedenen Substituenten beeinflusst werden. Es zeigte sich, dass sich die Reduktionswellen im Vergleich zu denen der Ketone zu niedrigeren Potentialen verschieben, wenn Alkine an die Dipyridylmethyliden- und Diazafluorenmethyliden-Bausteine geknüpft wurden. Zudem konnte beobachtet werden, dass die Signale nicht immer reversibel sind. Insbesondere die Dipyridylverbindungen zeichneten sich durch irreversible Reduktionswellen aus. Die Realisierung von π-konjugierten Systemen gelang auch mit cyclischen kohlenstoffbasierten Verbindungen. Über das separat synthetisierte 2,2’-Diethinyltolan konnte eine cyclische Verbindung, ein dehydroannulen-radialenisches System, erfolgreich hergestellt werden. Die Koordination von redoxaktiven Metallzentren wie [Ru(bpy)2] konnte für diese Verbindung ebenfalls erfolgreich gezeigt werden. Die elektronische Wechselwirkung zwischen dem Metallzentrum und dem dehydroannulenischen System könnte sowohl über theoretische Methoden (zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie) als auch experimentell wie z. B. über transiente Absorptionsspektroskopie untersucht werden. Diese zukünftig durchzuführenden Untersuchungen können Aufschluss über die Ladungstransferraten und -dauer geben. Im Hinblick auf die Realisierung von Modellverbindungen für molekulare Drähte wurden lineare Systeme basierend auf der Diazafluoreneinheit synthetisiert. Zur Synthese von derartigen Systemen war es zunächst notwendig, die Dibromolefine unsymmetrisch zu alkinylieren. Die unsymmetrische Substitution gestaltete sich als Herausforderung, da eine Einfachkupplung mit einem Acetylen nicht möglich war. In den meisten Fällen wurden zweifach substituierte Spezies mit den identischen Alkinen erhalten. Die besten Ausbeuten konnten durch die konsekutive Zugabe von TIPS-Acetylen und darauffolgend TMS-Acetylen in die Reaktionsmischung erhalten werden. Offenbar spielt der räumliche Anspruch des Erstsubstituenten in diesem Zusammenhang eine Rolle. Die selektive Entschützung der unterschiedlich silylierten Verbindungen erfolgte mit K2CO3 in MeOH/THF (1:1). Die oxidative Homokupplungsreaktion erfolgte ohne Isolierung der entschützten Spezies, da diese instabil ist und zur Polymerisation neigt. Aufgrund der Instabilität der entschützten Spezies sowie möglichen Nebenreaktionen waren die Ausbeuten sowohl bei der TIPS-geschützten Verbindung als auch bei der TTP-geschützten Verbindung gering. Versuche, lineare Systeme von dipyridylbasierten Verbindungen zu erhalten, schlugen fehl. Die π-konjugierten Systeme lassen aufgrund der effektiven Überlappung der beteiligten π-Orbitale hohe Ladungsträgermobilitäten vermuten. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten Verbindungen könnten mit Schwefelverbindungen die Anbindung an Elektroden zulassen, worüber die Leitfähigkeiten der Verbindungen gemessen werden könnten.

Exercise sheet 3

Exercises and solutions in LaTex