Nontwist symplectic maps in tokamaks

We review symplectic nontwist maps that we have introduced to describe Lagrangian transport properties in magnetically confined plasmas in tokamaks. These nontwist maps are suitable to describe the formation and destruction of transport barriers in the shearless region (i.e., near the curve where the twist condition does not hold). The maps can be used to investigate two kinds of problems in plasmas with non-monotonic field profiles: the first is the chaotic magnetic field line transport in plasmas with external resonant perturbations. The second problem is the chaotic particle drift motion caused by electrostatic drift waves. The presented analytical maps, derived from plasma models with equilibrium field profiles and control parameters that are commonly measured in plasma discharges, can be used to investigate long-term transport properties. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

An analysis of Taguchi's on-line quality monitoring procedure for variables based on the results of a sequence of inspections

In this paper, a procedure for the on-line process control of variables is proposed. This procedure consists of inspecting the m-th item from every m produced items and deciding, at each inspection, whether the process is out-of-control. Two sets of limits, warning (µ0 ± W) and control (µ0 ± C), are used. If the value of the monitored statistic falls beyond the control limits or if a sequence of h observations falls between the warning limits and the control limits, the production is stopped for adjustment; otherwise, production goes on. The properties of an ergodic Markov chain are used to obtain an expression for the average cost per item. The parameters (the sampling interval m, the widths of the warning, the control limits W and C(W < C), and the sequence length (h) are optimized by minimizing the cost function. A numerical example illustrates the proposed procedure.

Monte Carlo simulations of Potts glasses

A complete understanding of the glass transition isstill a challenging problem. Some researchers attributeit to the (hypothetical) occurrence of a static phasetransition, others emphasize the dynamical transitionof mode coupling-theory from an ergodic to a non ergodicstate. A class of disordered spin models has been foundwhich unifies both scenarios. One of these models isthe p-state infinite range Potts glass with p>4, whichexhibits in the thermodynamic limit both a dynamicalphase transition at a temperature T_D, and a static oneat T_0 < T_D. In this model every spins interacts withall the others, irrespective of distance. Interactionsare taken from a Gaussian distribution.In order to understand better its behavior forfinite number N of spins and the approach to thethermodynamic limit, we have performed extensive MonteCarlo simulations of the p=10 Potts glass up to N=2560.The time-dependent spin-autocorrelation function C(t)shows strong finite size effects and it does not showa plateau even for temperatures around the dynamicalcritical temperature T_D. We show that the N-andT-dependence of the relaxation time for T > T_D can beunderstood by means of a dynamical finite size scalingAnsatz.The behavior in the spin glass phase down to atemperature T=0.7 (about 60% of the transitiontemperature) is studied. Well equilibratedconfigurations are obtained with the paralleltempering method, which is also useful for properlyestablishing static properties, such as the orderparameter distribution function P(q). Evidence is givenfor the compatibility with a one step replica symmetrybreaking scenario. The study of the cumulants of theorder parameter does not permit a reliable estimation ofthe static transition temperature. The autocorrelationfunction at low T exhibits a two-step decay, and ascaling behavior typical of supercooled liquids, thetime-temperature superposition principle, is observed. Inthis region the dynamics is governed by Arrheniusrelaxations, with barriers growing like N^{1/2}.We analyzed the single spin dynamics down to temperaturesmuch lower than the dynamical transition temperature. We found strong dynamical heterogeneities, which explainthe non-exponential character of the spin autocorrelationfunction. The spins seem to relax according to dynamicalclusters. The model in three dimensions tends to acquireferromagnetic order for equal concentration of ferro-and antiferromagnetic bonds. The ordering has differentcharacteristics from the pure ferromagnet. The spinglass susceptibility behaves like chi_{SG} proportionalto 1/T in the region where a spin glass is predicted toexist in mean-field. Also the analysis of the cumulantsis consistent with the absence of spin glass orderingat finite temperature. The dynamics shows multi-scalerelaxations if a bimodal distribution of bonds isused. We propose to understand it with a model based onthe local spin configuration. This is consistent with theabsence of plateaus if Gaussian interactions are used.

Parameterschätzung in zeitdiskreten ergodischen Markov-Prozessen am Beispiel des Cox-Ingersoll-Ross-Modells

In dieser Arbeit geht es um die Schätzung von Parametern in zeitdiskreten ergodischen Markov-Prozessen im allgemeinen und im CIR-Modell im besonderen. Beim CIR-Modell handelt es sich um eine stochastische Differentialgleichung, die von Cox, Ingersoll und Ross (1985) zur Beschreibung der Dynamik von Zinsraten vorgeschlagen wurde. Problemstellung ist die Schätzung der Parameter des Drift- und des Diffusionskoeffizienten aufgrund von äquidistanten diskreten Beobachtungen des CIR-Prozesses. Nach einer kurzen Einführung in das CIR-Modell verwenden wir die insbesondere von Bibby und Sørensen untersuchte Methode der Martingal-Schätzfunktionen und -Schätzgleichungen, um das Problem der Parameterschätzung in ergodischen Markov-Prozessen zunächst ganz allgemein zu untersuchen. Im Anschluss an Untersuchungen von Sørensen (1999) werden hinreichende Bedingungen (im Sinne von Regularitätsvoraussetzungen an die Schätzfunktion) für die Existenz, starke Konsistenz und asymptotische Normalität von Lösungen einer Martingal-Schätzgleichung angegeben. Angewandt auf den Spezialfall der Likelihood-Schätzung stellen diese Bedingungen zugleich lokal-asymptotische Normalität des Modells sicher. Ferner wird ein einfaches Kriterium für Godambe-Heyde-Optimalität von Schätzfunktionen angegeben und skizziert, wie dies in wichtigen Spezialfällen zur expliziten Konstruktion optimaler Schätzfunktionen verwendet werden kann. Die allgemeinen Resultate werden anschließend auf das diskretisierte CIR-Modell angewendet. Wir analysieren einige von Overbeck und Rydén (1997) vorgeschlagene Schätzer für den Drift- und den Diffusionskoeffizienten, welche als Lösungen quadratischer Martingal-Schätzfunktionen definiert sind, und berechnen das optimale Element in dieser Klasse. Abschließend verallgemeinern wir Ergebnisse von Overbeck und Rydén (1997), indem wir die Existenz einer stark konsistenten und asymptotisch normalen Lösung der Likelihood-Gleichung zeigen und lokal-asymptotische Normalität für das CIR-Modell ohne Einschränkungen an den Parameterraum beweisen.

Ausbreitung einer Infektion durch ein System Brownscher Bewegungen

In dieser Arbeit werden wir ein Modell untersuchen, welches die Ausbreitung einer Infektion beschreibt. Bei diesem Modell werden zunächst Partikel gemäß eines Poissonschen Punktprozesses auf der reellen Achse verteilt. Bis zu einem gewissen Punkt auf der reellen Achse sind alle Partikel von einer Infektion befallen. Während sich nicht infizierte Partikel nicht bewegen, folgen die infizierten Partikel den Pfaden von voneinander unabhängigen Brownschen Bewegungen und verbreitet die Infektion dabei an den Orten, welche sie betreten. Wenn sie dabei auf ein nicht infiziertes Partikel treffen, ist dieses von diesem Moment an auch infiziert und beginnt ebenfalls, dem Pfad einer Brownschen Bewegung zu folgen und die Infektion auszubreiten. Auf diese Art verschiebt sich nun der am weitesten rechts liegende Ort R_t, an dem die Infektion bereits verbreitet wurde. Wir werden mit Hilfe des subadditiven Ergodensatzes zeigen, dass sich dieser Ort mit linearer Geschwindigkeit fortbewegt. Ferner werden wir eine obere und eine untere Schranke für die Ausbreitungsgeschwindkeit angeben. Danach werden wir zeigen, dass der Prozess Regenerationszeiten hat, nämlich solche zufällige Zeiten, zu denen er eine Art Neustart unter speziellen Startbedingungen durchführt. Wir werden diese für eine weitere Charakterisierung der Ausbreitungsgeschwingkeit nutzen. Ferner erhalten wir durch die Regenerationszeiten auch einen Zentralen Grenzwertsatz für R_t und können zeigen, dass die Verteilung der infizierten Partikel aus Sicht des am weitesten rechts liegenden infizierten Ortes gegen eine invariante Verteilung konvergiert.

Random lattice models

This thesis deals with three different physical models, where each model involves a random component which is linked to a cubic lattice. First, a model is studied, which is used in numerical calculations of Quantum Chromodynamics.In these calculations random gauge-fields are distributed on the bonds of the lattice. The formulation of the model is fitted into the mathematical framework of ergodic operator families. We prove, that for small coupling constants, the ergodicity of the underlying probability measure is indeed ensured and that the integrated density of states of the Wilson-Dirac operator exists. The physical situations treated in the next two chapters are more similar to one another. In both cases the principle idea is to study a fermion system in a cubic crystal with impurities, that are modeled by a random potential located at the lattice sites. In the second model we apply the Hartree-Fock approximation to such a system. For the case of reduced Hartree-Fock theory at positive temperatures and a fixed chemical potential we consider the limit of an infinite system. In that case we show the existence and uniqueness of minimizers of the Hartree-Fock functional. In the third model we formulate the fermion system algebraically via C*-algebras. The question imposed here is to calculate the heat production of the system under the influence of an outer electromagnetic field. We show that the heat production corresponds exactly to what is empirically predicted by Joule's law in the regime of linear response.

Optische Experimente zur Untersuchung der Nichtgleichgewichtsdynamik kolloidaler Suspensionen

In der vorliegenden Forschungsarbeit wird die Konkurrenz von Kristallisation und Verglasung in metastabilen kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen mit dynamischer und zeitaufgelöster statischer Lichtstreuung untersucht. Durch gleichzeitige Messungen mit beiden Methoden an derselben Probe gelang es, mit hoher Genauigkeit und aussagekräftiger Statistik nachzuweisen, dass in beiden Systemklassen eine starke Korrelation der strukturellen und dynamischen Eigenschaften vorliegt und diese Korrelation zu quantifizieren. Ein zentraler Teil der Arbeit bestand in dem Aufbau einer geeigneten Lichtstreuanlage mit der erstmalig Messungen der Dynamik und der Struktur simultan an derselben nicht-ergodischen Probe durchgeführt werden konnten. Für die dynamische Lichtstreuung wurde ein Flächendetektor (CCD-Kamera) verwendet. In Kombination mit einer speziellen Detektionsoptik ermöglicht dies, die gleichzeitige Detektion von Streulicht aus unterschiedlichen Probenbereichen (Subensembles). Damit kann gleichzeitig die Dynamik in unterschiedlichen Subensembles mit einer Auflösung von 15,8x15,8µm2 untersucht werden. Die Lichtstreuanlage wurde ausführlich charakterisiert und ihre korrekte Funktionsweise mithilfe von Vergleichsmessungen an etablierten Lichtstreuanlagen bestätigt. Die zeitliche Entwicklung der Dynamik und der Struktur von metastabilen Proben wurde unterhalb, am und oberhalb des Glasübergangs quantifiziert. Dabei zeigte das untersuchte kolloidale HK-Modellsystem alle typischen Eigenschaften eines HK-Systems. Die kristallisierenden Proben zeigten das etablierte zweistufige Kristallisationsszenario mit entsprechender Kristallisationskinetik und die Glasproben zeigten das erwartete Alterungsverhalten. Bei dem zweistufigen Kristallisationsszenario kommt es zuerst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase von sogenannten Precursorn. In einer zweiten Stufe bilden sich Kristallite innerhalb dieser Precursor. Durch Vergleich zwischen kristallisierenden und verglasenden Proben konnte auch während der Verglasung die Bildung von Precursorn beobachtet werden. Die Korrelation zwischen der Anzahl an Precursorn und der Partikeldynamik legt die Vermutung nahe, dass das immer noch unverstandene Phänomen der Alterung von Gläsern mit der Bildung von Precursorn zusammenhängt. Verhinderte Kristallisation führt zu einer starken Verlangsamung der Partikeldynamik. Die Partikeldynamik einer Probe am Glasübergang zeigt, dass die Probe vor Einsetzen der Kristallisation eine glasartige Dynamik aufwies. Dies legt die Vermutung nahe, dass einkomponentige kolloidale HK-Gläser den Gleichgewichtszustand (Kristall) auf langen Zeitskalen erreichen können. Durch die Untersuchung der Partikeldynamik von metastabilen Proben in einzelnen Subensembles konnte eine heterogene Verteilung der Partikeldynamik nachgewiesen werden. Es existieren Bereiche, in denen die Partikeldynamik schneller oder langsamer ist als in anderen Bereichen. Gleichzeitig zeigen die Messungen der strukturellen Eigenschaften, dass metastabile Proben auch heterogen bezüglich ihrer Struktur sind. Mithilfe dieser Messungen konnte die zeitliche Entwicklung des Anteils an langsamen Partikeln und des Anteils an Partikeln innerhalb von Objekten höherer Ordnung (Precursor/Kristallite) bestimmt werden. Es zeigte sich eine direkte Korrelation zwischen dem Anteil an langsamen Partikeln und dem Anteil an Partikeln in Objekten höherer Ordnung. Die Untersuchung der Dynamik und der Struktur in einzelnen Subensembles lieferte einen weiteren Hinweis darauf, dass Subensembles, in denen eine stärker ausgeprägte strukturelle Ordnung vorliegt, auch bevorzugt eine langsamere Partikeldynamik aufweisen.

Processi markoviani nascosti

We introduce the notation of Markov chains and their properties, and give the definition of ergodic, irreducible and aperiodic chains with correspective examples. Then, the definition of hidden Markov models is given and their characteristics are examined. We formulate three basic problems regarding the hidden Markov models and discuss the solution of two of them - the Viterbi algorithm and the forward-backward algorithm.

Fixed-Width Output Analysis for Markov Chain Monte Carlo

Markov chain Monte Carlo is a method of producing a correlated sample in order to estimate features of a complicated target distribution via simple ergodic averages. A fundamental question in MCMC applications is when should the sampling stop? That is, when are the ergodic averages good estimates of the desired quantities? We consider a method that stops the MCMC sampling the first time the width of a confidence interval based on the ergodic averages is less than a user-specified value. Hence calculating Monte Carlo standard errors is a critical step in assessing the output of the simulation. In particular, we consider the regenerative simulation and batch means methods of estimating the variance of the asymptotic normal distribution. We describe sufficient conditions for the strong consistency and asymptotic normality of both methods and investigate their finite sample properties in a variety of examples.

Exact moment calculations for genetic models with migration, mutation, and drift

Using properties of moment stationarity we develop exact expressions for the mean and covariance of allele frequencies at a single locus for a set of populations subject to drift, mutation, and migration. Some general results can be obtained even for arbitrary mutation and migration matrices, for example: (1) Under quite general conditions, the mean vector depends only on mutation rates, not on migration rates or the number of populations. (2) Allele frequencies covary among all pairs of populations connected by migration. As a result, the drift, mutation, migration process is not ergodic when any finite number of populations is exchanging genes. in addition, we provide closed form expressions for the mean and covariance of allele frequencies in Wright's finite-island model of migration under several simple models of mutation, and we show that the correlation in allele frequencies among populations can be very large for realistic rates of mutation unless an enormous number of populations are exchanging genes. As a result, the traditional diffusion approximation provides a poor approximation of the stationary distribution of allele frequencies among populations. Finally, we discuss some implications of our results for measures of population structure based on Wright's F-statistics.

A derivation of thermodynamic principles

A detailed macroscopic description as in continuum mechanics, and just the concept of microstate,have been used to derive thermodynamics from mechanics. In opposition to statistical physics, the derivation lays emphasis on a definite prescription for macrostates (and non-equilibrium entropy), and uses basic features of the macrostate concept: complementary descriptions, involving either conservative and additive quantities or densities;scale-free character; reference to finite velocities and regions distant in space, thus introducing time indirectly. On the other hand, the derivation keeps the particle substratum (limit of number of particles N taken at fixed densities), and makes no ergodic-type considerations.

Correlation Dimension of Complex Networks

We propose a new measure to characterize the dimension of complex networks based on the ergodic theory of dynamical systems. This measure is derived from the correlation sum of a trajectory generated by a random walker navigating the network, and extends the classical Grassberger-Procaccia algorithm to the context of complex networks. The method is validated with reliable results for both synthetic networks and real-world networks such as the world air-transportation network or urban networks, and provides a computationally fast way for estimating the dimensionality of networks which only relies on the local information provided by the walkers.

The vibrational energy flow transition in organic molecules: Theory meets experiment

Most large dynamical systems are thought to have ergodic dynamics, whereas small systems may not have free interchange of energy between degrees of freedom. This assumption is made in many areas of chemistry and physics, ranging from nuclei to reacting molecules and on to quantum dots. We examine the transition to facile vibrational energy flow in a large set of organic molecules as molecular size is increased. Both analytical and computational results based on local random matrix models describe the transition to unrestricted vibrational energy flow in these molecules. In particular, the models connect the number of states participating in intramolecular energy flow to simple molecular properties such as the molecular size and the distribution of vibrational frequencies. The transition itself is governed by a local anharmonic coupling strength and a local state density. The theoretical results for the transition characteristics compare well with those implied by experimental measurements using IR fluorescence spectroscopy of dilution factors reported by Stewart and McDonald [Stewart, G. M. & McDonald, J. D. (1983) J. Chem. Phys. 78, 3907–3915].