Nonlinear dynamics and chaotic motions in feedback-controlled two- and three-degree-of-freedom robots

The dynamics of a feedback-controlled rigid robot is most commonly described by a set of nonlinear ordinary differential equations. In this paper we analyze these equations, representing the feedback-controlled motion of two- and three-degrees-of-freedom rigid robots with revolute (R) and prismatic (P) joints in the absence of compliance, friction, and potential energy, for the possibility of chaotic motions. We first study the unforced or inertial motions of the robots, and show that when the Gaussian or Riemannian curvature of the configuration space of a robot is negative, the robot equations can exhibit chaos. If the curvature is zero or positive, then the robot equations cannot exhibit chaos. We show that among the two-degrees-of-freedom robots, the PP and the PR robot have zero Gaussian curvature while the RP and RR robots have negative Gaussian curvatures. For the three-degrees-of-freedom robots, we analyze the two well-known RRP and RRR configurations of the Stanford arm and the PUMA manipulator respectively, and derive the conditions for negative curvature and possible chaotic motions. The criteria of negative curvature cannot be used for the forced or feedback-controlled motions. For the forced motion, we resort to the well-known numerical techniques and compute chaos maps, Poincare maps, and bifurcation diagrams. Numerical results are presented for the two-degrees-of-freedom RP and RR robots, and we show that these robot equations can exhibit chaos for low controller gains and for large underestimated models. From the bifurcation diagrams, the route to chaos appears to be through period doubling.

A computational procedure to generate difference equations from differential equations

In this paper we have developed methods to compute maps from differential equations. We take two examples. First is the case of the harmonic oscillator and the second is the case of Duffing's equation. First we convert these equations to a canonical form. This is slightly nontrivial for the Duffing's equation. Then we show a method to extend these differential equations. In the second case, symbolic algebra needs to be used. Once the extensions are accomplished, various maps are generated. The Poincare sections are seen as a special case of such generated maps. Other applications are also discussed.

Renormalization of noncommutative quantum field theories

We report on a comprehensive analysis of the renormalization of noncommutative phi(4) scalar field theories on the Groenewold-Moyal plane. These scalar field theories are twisted Poincare invariant. Our main results are that these scalar field theories are renormalizable, free of UV/IR mixing, possess the same fixed points and beta-functions for the couplings as their commutative counterparts. We also argue that similar results hold true for any generic noncommutative field theory with polynomial interactions and involving only pure matter fields. A secondary aim of this work is to provide a comprehensive review of different approaches for the computation of the noncommutative S-matrix: noncommutative interaction picture and noncommutative Lehmann-Symanzik-Zimmermann formalism. DOI: 10.1103/PhysRevD.87.064014

Determinantal point processes in the plane from products of random matrices

We show that the density of eigenvalues for three classes of random matrix ensembles is determinantal. First we derive the density of eigenvalues of product of k independent n x n matrices with i.i.d. complex Gaussian entries with a few of matrices being inverted. In second example we calculate the same for (compatible) product of rectangular matrices with i.i.d. Gaussian entries and in last example we calculate for product of independent truncated unitary random matrices. We derive exact expressions for limiting expected empirical spectral distributions of above mentioned ensembles.

Rotation Numbers Of Invariant Manifolds Around Unstable Periodic Orbits For The Diamagnetic Kepler Problem

In this paper, a method to construct topological template in terms of symbolic dynamics for the diamagnetic Kepler problem is proposed. To confirm the topological template, rotation numbers of invariant manifolds around unstable periodic orbits in a phase space are taken as an object of comparison. The rotation numbers are determined from the definition and connected with symbolic sequences encoding the periodic orbits in a reduced Poincare section. Only symbolic codes with inverse ordering in the forward mapping can contribute to the rotation of invariant manifolds around the periodic orbits. By using symbolic ordering, the reduced Poincare section is constricted along stable manifolds and a topological template, which preserves the ordering of forward sequences and can be used to extract the rotation numbers, is established. The rotation numbers computed from the topological template are the same as those computed from their original definition.

Preliminary report on the energy balance for nonlinear oscillations

In this paper, a reliable technique for calculating angular frequencies of nonlinear oscillators is developed. The new algorithm offers a promising approach by constructing a Hamiltonian for the nonlinear oscillator. Some illustrative examples are given. (C) 2002 Published by Elsevier Science Ltd.

论长期稳定性和动力稳定性

<正> 根据Lejeune-Dirichlet定理,力学系统处于静平衡情形的稳定的充要条件是系统的势能在平衡位置具有极小值。对于旋转的力学系统(机械系统或液体系统)就不象这样简单了。早在100年前Thomson和Tait就指出了旋转力学系统具有长期稳定性(secular stability)和动力稳定性(dynamiC stability)的重要差别。对于旋转液体星准稳演化过程到底按哪一种稳定性判断,是一个争论近百年的问题。在本世纪50年代以前,Thomson,Tait,Poincare,Liapounoff,Darwin,Teans和Lamb等,主张“长期稳定是真实的稳定”,“是天体演化学唯一感兴趣的稳定”。基于这种观点建立的Jeans-Darwin双星分裂理论曾

El tiempo como observable en mecánica cuántica

121 p.

Matrices doblemente estocásticas y mayorización

El proyecto tiene como objetivo el estudio de las propiedades más importantes de las matrices doblemente estocásticas y algunas aplicaciones. Se comienza analizando algunas propiedades espectrales de las matrices no negativas de las que aquellas son un caso particular y se demuestra, en particular, el Teorema de Perron-Frobenius. Posteriormente se discute en detalle la relación entre las matrices doblemente estocásticas y la mayorización de vectores reales y el importante teorema de Birkhoff. El proyecto finaliza desarrollando algunas aplicaciones de este tipo de matrices.

DEVELOPMENT AND APPLICATIONS OF TIME-DEPENDENT DENSITY MATRIX FUNCTIONAL THEORY

En esta tesis estudiamos las teorías sobre la Matriz Densidad Reducida (MDR) como un marco prometedor. Nos enfocamos sobre esta teorías desde dos aspectos: Primero, usamos algunos modelos sencillos hechos con dos partículas las cuales estan armónicamente confinadas como una base para ilustrar la utilidad de la matriz densidad. Para tales sistemas, usamos la MDR de un cuerpo para calcular algunas cantidades de interés tales como densidad de momentum. Posteriormente obtenemos los orbitales naturales y su número de ocupación para algunos de los modelos, y en uno de los casos expresamos la MDR de dos cuerpos de manera exacta en términos de la MDR de un cuerpo. También usamos el teorema diferencial del virial para establecer una descripción unificada de la familia entera de estos sistemas modelo en términos de la densidad. En la seguna parte cambiamos a casos fuera del equilibrio y analizamos la así llamada jerarquía BBGKY de ecuaciones para describir la evolución temporal de un sistema de muchos cuerpos en términos de sus MDRs (a todos los órdenes). Proveemos un exhaustivo estudio de los desafíos y problemas abiertos ligados a la truncación de tales jerarquías de ecuaciones para hacerlas aplicables. Restringimos nuestro análisis a la evolución acoplada de la MDR de uno y dos cuerpos, donde los efectos de correlación de alto orden estan embebidos dentro de la aproximación usada para cerrar las ecuaciones. Probamos que dentro de esta aproximación, el número de electrones y la energía total se conservan, sin importar la aproximación usada. Luego, demostramos que aplicando los esquemas de truncación de estado base para llevar los electrones a comportamientos indeseables y no físicos, tales como la violación e incluso la divergencia en la densidad electrónica local, tanto en regímenes correlacionados débiles y fuertes.

Talde teoria orokorrean murgilduz

Hasteko, lehenengo Kapituluan Talde Teoriako oinarrizko kontzeptuak gogoratuko dira. Baita, garrantzi handia duen finituki sortuak diren talde abeldarren egitura teorema estudiatuko da. Memoria honen Bigarren Kapituluan, Sylow-en Teoremen ezagutza aztertuko da eta Sylow-en Teoremen ondorio interesgarri bat guztiz garatuta aurkeztuko da, aplikazio gisa. Orain, Hirugarren Kapituluan guretzat guztiz berria den gai bat aztertuko da: talde nilpotenteak, hain zuzen ere. Azkenik, lanaren Laugarren Kapitulua hiru zatitan banatuko da: alde batetik, talde ebazgarrien oinarriak, Pi-taldeak eta bukatzeko, talde ebazgarri finituen Hall-en Pi-azpitaldeak.

Zurruntasun-indar metodoaren analisia eta bere aplikazioa laminatu konpositetan

165 p.

Redução de dimensionalidade em equilíbrio de fases fluidas

Atualmente, existem modelos matemáticos capazes de preverem acuradamente as relações entre propriedades de estado; e esta tarefa é extremamente importante no contexto da Engenharia Química, uma vez que estes modelos podem ser empregados para avaliar a performance de processos químicos. Ademais, eles são de fundamental importância para a simulação de reservatórios de petróleo e processos de separação. Estes modelos são conhecidos como equações de estado, e podem ser usados em problemas de equilíbrios de fases, principalmente em equilíbrios líquido-vapor. Recentemente, um teorema matemático foi formulado (Teorema de Redução), fornecendo as condições para a redução de dimensionalidade de problemas de equilíbrios de fases para misturas multicomponentes descritas por equações de estado cúbicas e regras de mistura e combinação clássicas. Este teorema mostra como para uma classe bem definidade de modelos termodinâmicos (equações de estado cúbicas e regras de mistura clássicas), pode-se reduzir a dimensão de vários problemas de equilíbrios de fases. Este método é muito vantajoso para misturas com muitos componentes, promovendo uma redução significativa no tempo de computação e produzindo resultados acurados. Neste trabalho, apresentamos alguns experimentos numéricos com misturas-testes usando a técnica de redução para obter pressões de ponto de orvalho sob especificação de temperaturas.

Ecuaciones integrales en el contexto de espacios de Hilbert

Las ideas básicas de la teoría de los espacios de Hilbert tienen como origen diversos problemas del análisis funcional, entre los cuales podemos citar los relativos a ciertas ecuaciones integrales lineales. Concretamente, un precedente de los métodos de la teoría espectral de operadores fue precisamente el enfoque de I. Fredholm de resolución de ciertas ecuaciones integrales mediante la teoría de matrices y determinantes infinitos utilizando el método de coeficientes indeterminados. Imitando la técnica de von Koch para desarrollar determinantes infinitos, Fredholm desarrolló su famoso teorema de alternativa en la resolución de las ecuaciones que llevan su nombre. Algunos tipos de ecuaciones integrales lineales están relacionados con operadores acotados completamente continuos y la teoría espectral para esta clase de operadores se podrá aplicar en la resolución de estas ecuaciones. En esta memoria se estudian distintos aspectos de estas y otras ecuaciones integrales. En el capítulo 1 se definen los conceptos básicos necesarios para el seguimiento de la misma, como es la de operador lineal y sus propiedades. Se distingue una clase importante de operadores, los compactos. Y se demuestra que todo operador integral pertenece a esta clase de operadores. En los capítulos 2 y 3 se introduce el concepto de ecuación integral, diferenciando las de Fredholm de las de Volterra, y se estudian diferentes técnicas de resolución de dichas ecuaciones, como son el teorema de alternativa, el teorema espectral para operadores compactos y autoadjuntos, ecuaciones integrales con núcleos degenerados y resolución por el método de aproximaciones sucesivas. Para finalizar, en el apéndice se resuelven algunos ejercicios utilizando los diferentes métodos estudiados.

A função e natureza das convenções e hipóteses segundo o convencionalismo francês da virada do século XIX para o XX: relações entre ciência e metafísica nas obras de Henri Poincaré, Pierre Duhem e Édouard Le Roy

Nesse trabalho apresentamos a função e determinamos a natureza das convenções e hipóteses para os fundamentos científicos segundo a corrente convencionalista que surgiu na França na virada do século XIX para o XX, composta por Henri Poincaré, Pierre Duhem e Édouard Le Roy. Além disso, analisamos a relação que as convenções e hipóteses podem estabelecer com teses metafísicas através dos critérios utilizados pelos cientistas para determinar a preferência por certas teorias. Para isso, promovemos uma interpretação imanente das obras publicadas entre 1891 e 1905. Como resultado, revelamos que os autores, apesar de serem classificados como pertencentes a uma mesma corrente, não possuem apenas posições comuns, mas também divergências. Poincaré e Le Roy concordam que as convenções geométricas são escolhidas de acordo com o critério de conveniência. Contudo, eles discordam sobre o valor que a conveniência agrega ao conhecimento científico. Em relação aos fenômenos naturais, os três autores concordam que a realidade não pode ser descrita univocamente por um mesmo conjunto de convenções e hipóteses. Porém, Poincaré e Duhem acreditam que há critérios que tornam umas teorias mais satisfatórias que outras. Analisamos os critérios experimentais, racionais e axiológicos que justificam a satisfação dos cientistas com certas teorias e apontamos como estes critérios se relacionam com a metafísica. Concluímos que os convencionalistas, mesmo que cautelosamente e de modo implícito, buscaram se aproximar da metafísica com o intuito de justificar a própria atividade científica.