Medidas autosemejantes en el plano, momentos y matrices de Hessenberg

La tesis MEDIDAS AUTOSEMEJANTES EN EL PLANO, MOMENTOS Y MATRICES DE HESSENBERG se enmarca entre las áreas de la teoría geométrica de la medida, la teoría de polinomios ortogonales y la teoría de operadores. La memoria aborda el estudio de medidas con soporte acotado en el plano complejo vistas con la óptica de las matrices infinitas de momentos y de Hessenberg asociadas a estas medidas que en la teoría de los polinomios ortogonales las representan. En particular se centra en el estudio de las medidas autosemejantes que son las medidas de equilibrio definidas por un sistema de funciones iteradas (SFI). Los conjuntos autosemejantes son conjuntos que tienen la propiedad geométrica de descomponerse en unión de piezas semejantes al conjunto total. Estas piezas pueden solaparse o no, cuando el solapamiento es pequeño la teoría de Hutchinson [Hut81] funciona bien, pero cuando no existen restricciones falla. El problema del solapamiento consiste en controlar la medida de este solapamiento. Un ejemplo de la complejidad de este problema se plantea con las convoluciones infinitas de distribuciones de Bernoulli, que han resultado ser un ejemplo de medidas autosemejantes en el caso real. En 1935 Jessen y A. Wintner [JW35] ya se planteaba este problema, lejos de ser sencillo ha sido estudiado durante más de setenta y cinco años y siguen sin resolverse las principales cuestiones planteadas ya por A. Garsia [Gar62] en 1962. El interés que ha despertado este problema así como la complejidad del mismo está demostrado por las numerosas publicaciones que abordan cuestiones relacionadas con este problema ver por ejemplo [JW35], [Erd39], [PS96], [Ma00], [Ma96], [Sol98], [Mat95], [PS96], [Sim05],[JKS07] [JKS11]. En el primer capítulo comenzamos introduciendo con detalle las medidas autosemejante en el plano complejo y los sistemas de funciones iteradas, así como los conceptos de la teoría de la medida necesarios para describirlos. A continuación se introducen las herramientas necesarias de teoría de polinomios ortogonales, matrices infinitas y operadores que se van a usar. En el segundo y tercer capítulo trasladamos las propiedades geométricas de las medidas autosemejantes a las matrices de momentos y de Hessenberg, respectivamente. A partir de estos resultados se describen algoritmos para calcular estas matrices a partir del SFI correspondiente. Concretamente, se obtienen fórmulas explícitas y algoritmos de aproximación para los momentos y matrices de momentos de medidas fractales, a partir de un teorema del punto fijo para las matrices. Además utilizando técnicas de la teoría de operadores, se han extendido al plano complejo los resultados que G. Mantica [Ma00, Ma96] obtenía en el caso real. Este resultado es la base para definir un algoritmo estable de aproximación de la matriz de Hessenberg asociada a una medida fractal u obtener secciones finitas exactas de matrices Hessenberg asociadas a una suma de medidas. En el último capítulo, se consideran medidas, μ, más generales y se estudia el comportamiento asintótico de los autovalores de una matriz hermitiana de momentos y su impacto en las propiedades de la medida asociada. En el resultado central se demuestra que si los polinomios asociados son densos en L2(μ) entonces necesariamente el autovalor mínimo de las secciones finitas de la matriz de momentos de la medida tiende a cero. ABSTRACT The Thesis work “Self-similar Measures on the Plane, Moments and Hessenberg Matrices” is framed among the geometric measure theory, orthogonal polynomials and operator theory. The work studies measures with compact support on the complex plane from the point of view of the associated infinite moments and Hessenberg matrices representing them in the theory of orthogonal polynomials. More precisely, it concentrates on the study of the self-similar measures that are equilibrium measures in a iterated functions system. Self-similar sets have the geometric property of being decomposable in a union of similar pieces to the complete set. These pieces can overlap. If the overlapping is small, Hutchinson’s theory [Hut81] works well, however, when it has no restrictions, the theory does not hold. The overlapping problem consists in controlling the measure of the overlap. The complexity of this problem is exemplified in the infinite convolutions of Bernoulli’s distributions, that are an example of self-similar measures in the real case. As early as 1935 [JW35], Jessen and Wintner posed this problem, that far from being simple, has been studied during more than 75 years. The main cuestiones posed by Garsia in 1962 [Gar62] remain unsolved. The interest in this problem, together with its complexity, is demonstrated by the number of publications that over the years have dealt with it. See, for example, [JW35], [Erd39], [PS96], [Ma00], [Ma96], [Sol98], [Mat95], [PS96], [Sim05], [JKS07] [JKS11]. In the first chapter, we will start with a detailed introduction to the self-similar measurements in the complex plane and to the iterated functions systems, also including the concepts of measure theory needed to describe them. Next, we introduce the necessary tools from orthogonal polynomials, infinite matrices and operators. In the second and third chapter we will translate the geometric properties of selfsimilar measures to the moments and Hessenberg matrices. From these results, we will describe algorithms to calculate these matrices from the corresponding iterated functions systems. To be precise, we obtain explicit formulas and approximation algorithms for the moments and moment matrices of fractal measures from a new fixed point theorem for matrices. Moreover, using techniques from operator theory, we extend to the complex plane the real case results obtained by Mantica [Ma00, Ma96]. This result is the base to define a stable algorithm that approximates the Hessenberg matrix associated to a fractal measure and obtains exact finite sections of Hessenberg matrices associated to a sum of measurements. In the last chapter, we consider more general measures, μ, and study the asymptotic behaviour of the eigenvalues of a hermitian matrix of moments, together with its impact on the properties of the associated measure. In the main result we demonstrate that, if the associated polynomials are dense in L2(μ), then necessarily follows that the minimum eigenvalue of the finite sections of the moments matrix goes to zero.

Simplified Finite Element Assessment of Beams With and Without Shear Deformation

This paper presents a simplified finite element (FE) methodology for solving accurately beam models with (Timoshenko) and without (Bernoulli-Euler) shear deformation. Special emphasis is made on showing how it is possible to obtain the exact solution on the nodes and a good accuracy inside the element. The proposed simplifying concept, denominated as the equivalent distributed load (EDL) of any order, is based on the use of Legendre orthogonal polynomials to approximate the original or acting load for computing the results between the nodes. The 1-span beam examples show that this is a promising procedure that allows the aim of using either one FE and an EDL of slightly higher order or by using an slightly larger number of FEs leaving the EDL in the lowest possible order assumed by definition to be equal to 4 independently of how irregular the beam is loaded.

Sur les tests lisses d'ajustement dans le context des series chronologiques

La plupart des modèles en statistique classique repose sur une hypothèse sur la distribution des données ou sur une distribution sous-jacente aux données. La validité de cette hypothèse permet de faire de l’inférence, de construire des intervalles de confiance ou encore de tester la fiabilité du modèle. La problématique des tests d’ajustement vise à s’assurer de la conformité ou de la cohérence de l’hypothèse avec les données disponibles. Dans la présente thèse, nous proposons des tests d’ajustement à la loi normale dans le cadre des séries chronologiques univariées et vectorielles. Nous nous sommes limités à une classe de séries chronologiques linéaires, à savoir les modèles autorégressifs à moyenne mobile (ARMA ou VARMA dans le cas vectoriel). Dans un premier temps, au cas univarié, nous proposons une généralisation du travail de Ducharme et Lafaye de Micheaux (2004) dans le cas où la moyenne est inconnue et estimée. Nous avons estimé les paramètres par une méthode rarement utilisée dans la littérature et pourtant asymptotiquement efficace. En effet, nous avons rigoureusement montré que l’estimateur proposé par Brockwell et Davis (1991, section 10.8) converge presque sûrement vers la vraie valeur inconnue du paramètre. De plus, nous fournissons une preuve rigoureuse de l’inversibilité de la matrice des variances et des covariances de la statistique de test à partir de certaines propriétés d’algèbre linéaire. Le résultat s’applique aussi au cas où la moyenne est supposée connue et égale à zéro. Enfin, nous proposons une méthode de sélection de la dimension de la famille d’alternatives de type AIC, et nous étudions les propriétés asymptotiques de cette méthode. L’outil proposé ici est basé sur une famille spécifique de polynômes orthogonaux, à savoir les polynômes de Legendre. Dans un second temps, dans le cas vectoriel, nous proposons un test d’ajustement pour les modèles autorégressifs à moyenne mobile avec une paramétrisation structurée. La paramétrisation structurée permet de réduire le nombre élevé de paramètres dans ces modèles ou encore de tenir compte de certaines contraintes particulières. Ce projet inclut le cas standard d’absence de paramétrisation. Le test que nous proposons s’applique à une famille quelconque de fonctions orthogonales. Nous illustrons cela dans le cas particulier des polynômes de Legendre et d’Hermite. Dans le cas particulier des polynômes d’Hermite, nous montrons que le test obtenu est invariant aux transformations affines et qu’il est en fait une généralisation de nombreux tests existants dans la littérature. Ce projet peut être vu comme une généralisation du premier dans trois directions, notamment le passage de l’univarié au multivarié ; le choix d’une famille quelconque de fonctions orthogonales ; et enfin la possibilité de spécifier des relations ou des contraintes dans la formulation VARMA. Nous avons procédé dans chacun des projets à une étude de simulation afin d’évaluer le niveau et la puissance des tests proposés ainsi que de les comparer aux tests existants. De plus des applications aux données réelles sont fournies. Nous avons appliqué les tests à la prévision de la température moyenne annuelle du globe terrestre (univarié), ainsi qu’aux données relatives au marché du travail canadien (bivarié). Ces travaux ont été exposés à plusieurs congrès (voir par exemple Tagne, Duchesne et Lafaye de Micheaux (2013a, 2013b, 2014) pour plus de détails). Un article basé sur le premier projet est également soumis dans une revue avec comité de lecture (Voir Duchesne, Lafaye de Micheaux et Tagne (2016)).

Sur les tests lisses d'ajustement dans le context des series chronologiques

La plupart des modèles en statistique classique repose sur une hypothèse sur la distribution des données ou sur une distribution sous-jacente aux données. La validité de cette hypothèse permet de faire de l’inférence, de construire des intervalles de confiance ou encore de tester la fiabilité du modèle. La problématique des tests d’ajustement vise à s’assurer de la conformité ou de la cohérence de l’hypothèse avec les données disponibles. Dans la présente thèse, nous proposons des tests d’ajustement à la loi normale dans le cadre des séries chronologiques univariées et vectorielles. Nous nous sommes limités à une classe de séries chronologiques linéaires, à savoir les modèles autorégressifs à moyenne mobile (ARMA ou VARMA dans le cas vectoriel). Dans un premier temps, au cas univarié, nous proposons une généralisation du travail de Ducharme et Lafaye de Micheaux (2004) dans le cas où la moyenne est inconnue et estimée. Nous avons estimé les paramètres par une méthode rarement utilisée dans la littérature et pourtant asymptotiquement efficace. En effet, nous avons rigoureusement montré que l’estimateur proposé par Brockwell et Davis (1991, section 10.8) converge presque sûrement vers la vraie valeur inconnue du paramètre. De plus, nous fournissons une preuve rigoureuse de l’inversibilité de la matrice des variances et des covariances de la statistique de test à partir de certaines propriétés d’algèbre linéaire. Le résultat s’applique aussi au cas où la moyenne est supposée connue et égale à zéro. Enfin, nous proposons une méthode de sélection de la dimension de la famille d’alternatives de type AIC, et nous étudions les propriétés asymptotiques de cette méthode. L’outil proposé ici est basé sur une famille spécifique de polynômes orthogonaux, à savoir les polynômes de Legendre. Dans un second temps, dans le cas vectoriel, nous proposons un test d’ajustement pour les modèles autorégressifs à moyenne mobile avec une paramétrisation structurée. La paramétrisation structurée permet de réduire le nombre élevé de paramètres dans ces modèles ou encore de tenir compte de certaines contraintes particulières. Ce projet inclut le cas standard d’absence de paramétrisation. Le test que nous proposons s’applique à une famille quelconque de fonctions orthogonales. Nous illustrons cela dans le cas particulier des polynômes de Legendre et d’Hermite. Dans le cas particulier des polynômes d’Hermite, nous montrons que le test obtenu est invariant aux transformations affines et qu’il est en fait une généralisation de nombreux tests existants dans la littérature. Ce projet peut être vu comme une généralisation du premier dans trois directions, notamment le passage de l’univarié au multivarié ; le choix d’une famille quelconque de fonctions orthogonales ; et enfin la possibilité de spécifier des relations ou des contraintes dans la formulation VARMA. Nous avons procédé dans chacun des projets à une étude de simulation afin d’évaluer le niveau et la puissance des tests proposés ainsi que de les comparer aux tests existants. De plus des applications aux données réelles sont fournies. Nous avons appliqué les tests à la prévision de la température moyenne annuelle du globe terrestre (univarié), ainsi qu’aux données relatives au marché du travail canadien (bivarié). Ces travaux ont été exposés à plusieurs congrès (voir par exemple Tagne, Duchesne et Lafaye de Micheaux (2013a, 2013b, 2014) pour plus de détails). Un article basé sur le premier projet est également soumis dans une revue avec comité de lecture (Voir Duchesne, Lafaye de Micheaux et Tagne (2016)).

Analysis of the free vibration of rectangular plates with central cut-outs using the discrete Ritz method

We present an analysis of the free vibration of plates with internal discontinuities due to central cut-outs. A numerical formulation for a basic L-shaped element which is divided into appropriate sub-domains that are dependent upon the location of the cut-out is used as the basic building element. Trial functions formed to satisfy certain boundary conditions are employed to define the transverse deflection of each sub-domain. Mathematical treatments in terms of the continuities in displacement, slope, moment, and higher derivatives between the adjacent sub-domains are enforced at the interconnecting edges. The energy functional results, from the proper assembly of the coupled strain and kinetic energy contributions of each sub-domain, are minimized via the Ritz procedure to extract the vibration frequencies and. mode shapes of the plates. The procedures are demonstrated by considering plates with central cut-outs that are subjected to two types of boundary conditions. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modeling Optical Response of Thin Films: Choice of the Refractive Index Dispersion Law

Determination of the so-called optical constants (complex refractive index N, which is usually a function of the wavelength, and physical thickness D) of thin films from experimental data is a typical inverse non-linear problem. It is still a challenge to the scientific community because of the complexity of the problem and its basic and technological significance in optics. Usually, solutions are looked for models with 3-10 parameters. Best estimates of these parameters are obtained by minimization procedures. Herein, we discuss the choice of orthogonal polynomials for the dispersion law of the thin film refractive index. We show the advantage of their use, compared to the Selmeier, Lorentz or Cauchy models.

The generating function of the generalized Fibonacci sequence

Using tools of the theory of orthogonal polynomials we obtain the generating function of the generalized Fibonacci sequence established by Petronilho for a sequence of real or complex numbers {Qn} defined by Q0 = 0, Q1 = 1, Qm = ajQm−1 + bjQm−2, m ≡ j (mod k), where k ≥ 3 is a fixed integer, and a0, a1, . . . , ak−1, b0, b1, . . . , bk−1 are 2k given real or complex numbers, with bj #0 for 0 ≤ j ≤ k−1. For this sequence some convergence proprieties are obtained.

BASIC HYPERGEOMETRIC FUNCTIONS and ORTHOGONAL LAURENT POLYNOMIALS

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Random regression models to estimate genetic parameters for milk production of Guzerat cows using orthogonal Legendre polynomials

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

Development of Shape Descriptors Based on Legendre Polynomials and Content-Based Retrieval of Scoliosis Images

The wealth of information available freely on the web and medical image databases poses a major problem for the end users: how to find the information needed? Content –Based Image Retrieval is the obvious solution.A standard called MPEG-7 was evolved to address the interoperability issues of content-based search.The work presented in this thesis mainly concentrates on developing new shape descriptors and a framework for content – based retrieval of scoliosis images.New region-based and contour based shape descriptor is developed based on orthogonal Legendre polymomials.A novel system for indexing and retrieval of digital spine radiographs with scoliosis is presented.

Convexity of the extreme zeros of Gegenbauer and Laguerre polynomials

Let C-n(lambda)(x), n = 0, 1,..., lambda > -1/2, be the ultraspherical (Gegenbauer) polynomials, orthogonal. in (-1, 1) with respect to the weight function (1 - x(2))(lambda-1/2). Denote by X-nk(lambda), k = 1,....,n, the zeros of C-n(lambda)(x) enumerated in decreasing order. In this short note, we prove that, for any n is an element of N, the product (lambda + 1)(3/2)x(n1)(lambda) is a convex function of lambda if lambda greater than or equal to 0. The result is applied to obtain some inequalities for the largest zeros of C-n(lambda)(x). If X-nk(alpha), k = 1,...,n, are the zeros of Laguerre polynomial L-n(alpha)(x), also enumerated in decreasing order, we prove that x(n1)(lambda)/(alpha + 1) is a convex function of alpha for alpha > - 1. (C) 2002 Published by Elsevier B.V. B.V.

Laguerre polynomials as Jensen polynomials of Laguerre-Polya entire functions

We prove that the only Jensen polynomials associated with an entire function in the Laguerre-Polya class that are orthogonal are the Laguerre polynomials. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Chebyshev-Laurent polynomials and weighted approximation

Let (a, b) subset of (0, infinity) and for any positive integer n, let S-n be the Chebyshev space in [a, b] defined by S-n:= span{x(-n/2+k),k= 0,...,n}. The unique (up to a constant factor) function tau(n) is an element of S-n, which satisfies the orthogonality relation S(a)(b)tau(n)(x)q(x) (x(b - x)(x - a))(-1/2) dx = 0 for any q is an element of Sn-1, is said to be the orthogonal Chebyshev S-n-polynomials. This paper is an attempt to exibit some interesting properties of the orthogonal Chebyshev S-n-polynomials and to demonstrate their importance to the problem of approximation by S-n-polynomials. A simple proof of a Jackson-type theorem is given and the Lagrange interpolation problem by functions from S-n is discussed. It is shown also that tau(n) obeys an extremal property in L-q, 1 less than or equal to q less than or equal to infinity. Natural analogues of some inequalities for algebraic polynomials, which we expect to hold for the S-n-pelynomials, are conjectured.

Random regression models using Legendre polynomials or linear splines for test-day milk yield of dairy Gyr (Bos indicus) cattle

Studies investigating the use of random regression models for genetic evaluation of milk production in Zebu cattle are scarce. In this study, 59,744 test-day milk yield records from 7,810 first lactations of purebred dairy Gyr (Bos indicus) and crossbred (dairy Gyr × Holstein) cows were used to compare random regression models in which additive genetic and permanent environmental effects were modeled using orthogonal Legendre polynomials or linear spline functions. Residual variances were modeled considering 1, 5, or 10 classes of days in milk. Five classes fitted the changes in residual variances over the lactation adequately and were used for model comparison. The model that fitted linear spline functions with 6 knots provided the lowest sum of residual variances across lactation. On the other hand, according to the deviance information criterion (DIC) and Bayesian information criterion (BIC), a model using third-order and fourth-order Legendre polynomials for additive genetic and permanent environmental effects, respectively, provided the best fit. However, the high rank correlation (0.998) between this model and that applying third-order Legendre polynomials for additive genetic and permanent environmental effects, indicates that, in practice, the same bulls would be selected by both models. The last model, which is less parameterized, is a parsimonious option for fitting dairy Gyr breed test-day milk yield records. © 2013 American Dairy Science Association.