Fractional dynamics and MDS visualization of earthquake phenomena

This paper analyses earthquake data in the perspective of dynamical systems and fractional calculus (FC). This new standpoint uses Multidimensional Scaling (MDS) as a powerful clustering and visualization tool. FC extends the concepts of integrals and derivatives to non-integer and complex orders. MDS is a technique that produces spatial or geometric representations of complex objects, such that those objects that are perceived to be similar in some sense are placed on the MDS maps forming clusters. In this study, over three million seismic occurrences, covering the period from January 1, 1904 up to March 14, 2012 are analysed. The events are characterized by their magnitude and spatiotemporal distributions and are divided into fifty groups, according to the Flinn–Engdahl (F–E) seismic regions of Earth. Several correlation indices are proposed to quantify the similarities among regions. MDS maps are proven as an intuitive and useful visual representation of the complex relationships that are present among seismic events, which may not be perceived on traditional geographic maps. Therefore, MDS constitutes a valid alternative to classic visualization tools for understanding the global behaviour of earthquakes.

On development of fractional calculus during the last fifty years

Fractional calculus generalizes integer order derivatives and integrals. During the last half century a considerable progress took place in this scientific area. This paper addresses the evolution and establishes an assertive measure of the research development.

Fractional generalization of memristor and higher order elements

Fractional calculus generalizes integer order derivatives and integrals. Memristor systems generalize the notion of electrical elements. Both concepts were shown to model important classes of phenomena. This paper goes a step further by embedding both tools in a generalization considering complex-order objects. Two complex operators leading to real-valued results are proposed. The proposed class of models generate a broad universe of elements. Several combinations of values are tested and the corresponding dynamical behavior is analyzed.

A Review of Operational Matrices and Spectral Techniques for Fractional Calculus

Recently, operational matrices were adapted for solving several kinds of fractional differential equations (FDEs). The use of numerical techniques in conjunction with operational matrices of some orthogonal polynomials, for the solution of FDEs on finite and infinite intervals, produced highly accurate solutions for such equations. This article discusses spectral techniques based on operational matrices of fractional derivatives and integrals for solving several kinds of linear and nonlinear FDEs. More precisely, we present the operational matrices of fractional derivatives and integrals, for several polynomials on bounded domains, such as the Legendre, Chebyshev, Jacobi and Bernstein polynomials, and we use them with different spectral techniques for solving the aforementioned equations on bounded domains. The operational matrices of fractional derivatives and integrals are also presented for orthogonal Laguerre and modified generalized Laguerre polynomials, and their use with numerical techniques for solving FDEs on a semi-infinite interval is discussed. Several examples are presented to illustrate the numerical and theoretical properties of various spectral techniques for solving FDEs on finite and semi-infinite intervals.

An efficient numerical scheme for solving multi-dimensional fractional optimal control problems with a quadratic performance index

The shifted Legendre orthogonal polynomials are used for the numerical solution of a new formulation for the multi-dimensional fractional optimal control problem (M-DFOCP) with a quadratic performance index. The fractional derivatives are described in the Caputo sense. The Lagrange multiplier method for the constrained extremum and the operational matrix of fractional integrals are used together with the help of the properties of the shifted Legendre orthonormal polynomials. The method reduces the M-DFOCP to a simpler problem that consists of solving a system of algebraic equations. For confirming the efficiency and accuracy of the proposed scheme, some test problems are implemented with their approximate solutions.

An application of cell-cluster theory to a rare gas crystal /|n[by] K. Westera. - 260 St. Catharines [Ont.] : Dept. of Physics, Brock University,

The Lennard-Jones Devonshire 1 (LJD) single particle theory for liquids is extended and applied to the anharmonic solid in a high temperature limit. The exact free energy for the crystal is expressed as a convergent series of terms involving larger and larger sets of contiguous particles called cell-clusters. The motions of all the particles within cell-clusters are correlated to each other and lead to non-trivial integrals of orders 3, 6, 9, ... 3N. For the first time the six dimensional integral has been calculated to high accuracy using a Lennard-Jones (6-12) pair interaction between nearest neighbours only for the f.c.c. lattice. The thermodynamic properties predicted by this model agree well with experimental results for solid Xenon.

Exchange energy calculation of He-He with supermolecular one-matrix

Exch~nge energy of the He-He system is calculated using the one-density matrix which has been modified according to the supermolecular density formula quoted by Kolos. The exchange energy integrals are computed analytically and by the Monte Carlo method. The results obtained from both ways compared favourably,with the results obtained from the SCF program HONDO

On the path integral formulation and the evaluation of quantum statistical averages

Four problems of physical interest have been solved in this thesis using the path integral formalism. Using the trigonometric expansion method of Burton and de Borde (1955), we found the kernel for two interacting one dimensional oscillators• The result is the same as one would obtain using a normal coordinate transformation, We next introduced the method of Papadopolous (1969), which is a systematic perturbation type method specifically geared to finding the partition function Z, or equivalently, the Helmholtz free energy F, of a system of interacting oscillators. We applied this method to the next three problems considered• First, by summing the perturbation expansion, we found F for a system of N interacting Einstein oscillators^ The result obtained is the same as the usual result obtained by Shukla and Muller (1972) • Next, we found F to 0(Xi)f where A is the usual Tan Hove ordering parameter* The results obtained are the same as those of Shukla and Oowley (1971), who have used a diagrammatic procedure, and did the necessary sums in Fourier space* We performed the work in temperature space• Finally, slightly modifying the method of Papadopolous, we found the finite temperature expressions for the Debyecaller factor in Bravais lattices, to 0(AZ) and u(/K/ j,where K is the scattering vector* The high temperature limit of the expressions obtained here, are in complete agreement with the classical results of Maradudin and Flinn (1963) .

Efficient estimation using the characteristic function : theory and applications with high frequency data

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Classification analytique de systèmes différentiels linéaires déployant une singularité irrégulière de rang de Poincaré 1

Cette thèse traite de la classification analytique du déploiement de systèmes différentiels linéaires ayant une singularité irrégulière. Elle est composée de deux articles sur le sujet: le premier présente des résultats obtenus lors de l'étude de la confluence de l'équation hypergéométrique et peut être considéré comme un cas particulier du second; le deuxième contient les théorèmes et résultats principaux. Dans les deux articles, nous considérons la confluence de deux points singuliers réguliers en un point singulier irrégulier et nous étudions les conséquences de la divergence des solutions au point singulier irrégulier sur le comportement des solutions du système déployé. Pour ce faire, nous recouvrons un voisinage de l'origine (de manière ramifiée) dans l'espace du paramètre de déploiement $\epsilon$. La monodromie d'une base de solutions bien choisie est directement reliée aux matrices de Stokes déployées. Ces dernières donnent une interprétation géométrique aux matrices de Stokes, incluant le lien (existant au moins pour les cas génériques) entre la divergence des solutions à $\epsilon=0$ et la présence de solutions logarithmiques autour des points singuliers réguliers lors de la résonance. La monodromie d'intégrales premières de systèmes de Riccati correspondants est aussi interprétée en fonction des éléments des matrices de Stokes déployées. De plus, dans le second article, nous donnons le système complet d'invariants analytiques pour le déploiement de systèmes différentiels linéaires $x^2y'=A(x)y$ ayant une singularité irrégulière de rang de Poincaré $1$ à l'origine au-dessus d'un voisinage fixé $\mathbb{D}_r$ dans la variable $x$. Ce système est constitué d'une partie formelle, donnée par des polynômes, et d'une partie analytique, donnée par une classe d'équivalence de matrices de Stokes déployées. Pour chaque valeur du paramètre $\epsilon$ dans un secteur pointé à l'origine d'ouverture plus grande que $2\pi$, nous recouvrons l'espace de la variable, $\mathbb{D}_r$, avec deux secteurs et, au-dessus de chacun, nous choisissons une base de solutions du système déployé. Cette base sert à définir les matrices de Stokes déployées. Finalement, nous prouvons un théorème de réalisation des invariants qui satisfont une condition nécessaire et suffisante, identifiant ainsi l'ensemble des modules.

Superintégrabilité avec séparation de variables en coordonnées polaires et intégrales du mouvement d’ordre supérieur à deux

Dans cette thèse, nous proposons de nouveaux résultats de systèmes superintégrables séparables en coordonnées polaires. Dans un premier temps, nous présentons une classification complète de tous les systèmes superintégrables séparables en coordonnées polaires qui admettent une intégrale du mouvement d'ordre trois. Des potentiels s'exprimant en terme de la sixième transcendante de Painlevé et de la fonction elliptique de Weierstrass sont présentés. Ensuite, nous introduisons une famille infinie de systèmes classiques et quantiques intégrables et exactement résolubles en coordonnées polaires. Cette famille s'exprime en terme d'un paramètre k. Le spectre d'énergie et les fonctions d'onde des systèmes quantiques sont présentés. Une conjecture postulant la superintégrabilité de ces systèmes est formulée et est vérifiée pour k=1,2,3,4. L'ordre des intégrales du mouvement proposées est 2k où k ∈ ℕ. La structure algébrique de la famille de systèmes quantiques est formulée en terme d'une algèbre cachée où le nombre de générateurs dépend du paramètre k. Une généralisation quasi-exactement résoluble et intégrable de la famille de potentiels est proposée. Finalement, les trajectoires classiques de la famille de systèmes sont calculées pour tous les cas rationnels k ∈ ℚ. Celles-ci s'expriment en terme des polynômes de Chebyshev. Les courbes associées aux trajectoires sont présentées pour les premiers cas k=1, 2, 3, 4, 1/2, 1/3 et 3/2 et les trajectoires bornées sont fermées et périodiques dans l'espace des phases. Ainsi, les résultats obtenus viennent renforcer la possible véracité de la conjecture.

Les systèmes super intégrables d’ordre trois séparables en coordonnées paraboliques

Ce mémoire est une poursuite de l’étude de la superintégrabilité classique et quantique dans un espace euclidien de dimension deux avec une intégrale du mouvement d’ordre trois. Il est constitué d’un article. Puisque les classifications de tous les Hamiltoniens séparables en coordonnées cartésiennes et polaires sont déjà complétées, nous apportons à ce tableau l’étude de ces systèmes séparables en coordonnées paraboliques. Premièrement, nous dérivons les équations déterminantes d’un système en coordonnées paraboliques et ensuite nous résolvons les équations obtenues afin de trouver les intégrales d’ordre trois pour un potentiel qui permet la séparation en coordonnées paraboliques. Finalement, nous démontrons que toutes les intégrales d’ordre trois pour les potentiels séparables en coordonnées paraboliques dans l’espace euclidien de dimension deux sont réductibles. Dans la conclusion de l’article nous analysons les différences entre les potentiels séparables en coordonnées cartésiennes et polaires d’un côté et en coordonnées paraboliques d’une autre côté. Mots clés: intégrabilité, superintégrabilité, mécanique classique, mécanique quantique, Hamiltonien, séparation de variable, commutation.

Systèmes superintégrables avec spin et intégrales du mouvement d’ordre deux

Ce mémoire est une partie d’un programme de recherche qui étudie la superintégrabilité des systèmes avec spin. Plus particulièrement, nous nous intéressons à un hamiltonien avec interaction spin-orbite en trois dimensions admettant une intégrale du mouvement qui est un polynôme matriciel d’ordre deux dans l’impulsion. Puisque nous considérons un hamiltonien invariant sous rotation et sous parité, nous classifions les intégrales du mouvement selon des multiplets irréductibles de O(3). Nous calculons le commutateur entre l’hamiltonien et un opérateur général d’ordre deux dans l’impulsion scalaire, pseudoscalaire, vecteur et pseudovecteur. Nous donnons la classification complète des systèmes admettant des intégrales du mouvement scalaire et vectorielle. Nous trouvons une condition nécessaire à remplir pour le potentiel sous forme d’une équation différentielle pour les cas pseudo-scalaire et pseudo-vectoriel. Nous utilisons la réduction par symétrie pour obtenir des solutions particulières de ces équations.

Modélisation du carnet d'ordres limites et prévision de séries temporelles

Le contenu de cette thèse est divisé de la façon suivante. Après un premier chapitre d’introduction, le Chapitre 2 est consacré à introduire aussi simplement que possible certaines des théories qui seront utilisées dans les deux premiers articles. Dans un premier temps, nous discuterons des points importants pour la construction de l’intégrale stochastique par rapport aux semimartingales avec paramètre spatial. Ensuite, nous décrirons les principaux résultats de la théorie de l’évaluation en monde neutre au risque et, finalement, nous donnerons une brève description d’une méthode d’optimisation connue sous le nom de dualité. Les Chapitres 3 et 4 traitent de la modélisation de l’illiquidité et font l’objet de deux articles. Le premier propose un modèle en temps continu pour la structure et le comportement du carnet d’ordres limites. Le comportement du portefeuille d’un investisseur utilisant des ordres de marché est déduit et des conditions permettant d’éliminer les possibilités d’arbitrages sont données. Grâce à la formule d’Itô généralisée il est aussi possible d’écrire la valeur du portefeuille comme une équation différentielle stochastique. Un exemple complet de modèle de marché est présenté de même qu’une méthode de calibrage. Dans le deuxième article, écrit en collaboration avec Bruno Rémillard, nous proposons un modèle similaire mais cette fois-ci en temps discret. La question de tarification des produits dérivés est étudiée et des solutions pour le prix des options européennes de vente et d’achat sont données sous forme explicite. Des conditions spécifiques à ce modèle qui permettent d’éliminer l’arbitrage sont aussi données. Grâce à la méthode duale, nous montrons qu’il est aussi possible d’écrire le prix des options européennes comme un problème d’optimisation d’une espérance sur en ensemble de mesures de probabilité. Le Chapitre 5 contient le troisième article de la thèse et porte sur un sujet différent. Dans cet article, aussi écrit en collaboration avec Bruno Rémillard, nous proposons une méthode de prévision des séries temporelles basée sur les copules multivariées. Afin de mieux comprendre le gain en performance que donne cette méthode, nous étudions à l’aide d’expériences numériques l’effet de la force et la structure de dépendance sur les prévisions. Puisque les copules permettent d’isoler la structure de dépendance et les distributions marginales, nous étudions l’impact de différentes distributions marginales sur la performance des prévisions. Finalement, nous étudions aussi l’effet des erreurs d’estimation sur la performance des prévisions. Dans tous les cas, nous comparons la performance des prévisions en utilisant des prévisions provenant d’une série bivariée et d’une série univariée, ce qui permet d’illustrer l’avantage de cette méthode. Dans un intérêt plus pratique, nous présentons une application complète sur des données financières.

STUDIES ON THE STRESS FLUCTUATIONS IN SHEARED STOKESIAN SUSPENSIONS USING CHAOS THEORY AND NONLINEAR DYNAMICS

The thesis report results obtained from a detailed analysis of the fluctuations of the rheological parameters viz. shear and normal stresses, simulated by means of the Stokesian Dynamics method, of a macroscopically homogeneous sheared suspension of neutrally buoyant non-Brownian suspension of identical spheres in the Couette gap between two parallel walls in the limit of vanishingly small Reynolds numbers using the tools of non-linear dynamics and chaos theory for a range of particle concentration and Couette gaps. The thesis used the tools of nonlinear dynamics and chaos theory viz. average mutual information, space-time separation plots, visual recurrence analysis, principal component analysis, false nearest-neighbor technique, correlation integrals, computation of Lyapunov exponents for a range of area fraction of particles and for different Couette gaps. The thesis observed that one stress component can be predicted using another stress component at the same area fraction. This implies a type of synchronization of one stress component with another stress component. This finding suggests us to further analysis of the synchronization of stress components with another stress component at the same or different area fraction of particles. The different model equations of stress components for different area fraction of particles hints at the possible existence a general formula for stress fluctuations with area fraction of particle as a parameter