Advances in random matrix theory, zeta functions, and sphere packing

Over four hundred years ago, Sir Walter Raleigh asked his mathematical assistant to find formulas for the number of cannonballs in regularly stacked piles. These investigations aroused the curiosity of the astronomer Johannes Kepler and led to a problem that has gone centuries without a solution: why is the familiar cannonball stack the most efficient arrangement possible? Here we discuss the solution that Hales found in 1998. Almost every part of the 282-page proof relies on long computer verifications. Random matrix theory was developed by physicists to describe the spectra of complex nuclei. In particular, the statistical fluctuations of the eigenvalues (“the energy levels”) follow certain universal laws based on symmetry types. We describe these and then discuss the remarkable appearance of these laws for zeros of the Riemann zeta function (which is the generating function for prime numbers and is the last special function from the last century that is not understood today.) Explaining this phenomenon is a central problem. These topics are distinct, so we present them separately with their own introductory remarks.

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)).

Statnote 20: non-linear regression: fitting a general polynomial curve

In some circumstances, there may be no scientific model of the relationship between X and Y that can be specified in advance and indeed the objective of the investigation may be to provide a ‘curve of best fit’ for predictive purposes. In such an example, the fitting of successive polynomials may be the best approach. There are various strategies to decide on the polynomial of best fit depending on the objectives of the investigation.

Weakly Increasing Zero-Diminishing Sequences

The following problem, suggested by Laguerre’s Theorem (1884), remains open: Characterize all real sequences {μk} k=0...∞ which have the zero-diminishing property; that is, if k=0...n, p(x) = ∑(ak x^k) is any P real polynomial, then k=0...n, p(x) = ∑(μk ak x^k) has no more real zeros than p(x). In this paper this problem is solved under the additional assumption of a weak growth condition on the sequence {μk} k=0...∞, namely lim n→∞ | μn |^(1/n) < ∞. More precisely, it is established that the real sequence {μk} k≥0 is a weakly increasing zerodiminishing sequence if and only if there exists σ ∈ {+1,−1} and an entire function n≥1, Φ(z)= be^(az) ∏(1+ x/αn), a, b ∈ R^1, b =0, αn > 0 ∀n ≥ 1, ∑(1/αn) < ∞, such that µk = (σ^k)/Φ(k), ∀k ≥ 0.

"AVO-Polynom" Recognition Algorithm

Estimates Calculating Algorithms have a long story of application to recognition problems. Furthermore they have formed a basis for algebraic recognition theory. Yet use of ECA polynomials was limited to theoretical reasoning because of complexity of their construction and optimization. The new recognition method “AVO- polynom” based upon ECA polynomial of simple structure is described.

Splines in Numerical Integration

AMS Subj. Classification: 65D07, 65D30.

Numerical Issues in Using MATLAB

Михаил Константинов, Весела Пашева, Петко Петков - Разгледани са някои числени проблеми при използването на компютърната система MATLAB в учебната дейност: пресмятане на тригонометрични функции, повдигане на матрица на степен, спектрален анализ на целочислени матрици от нисък ред и пресмятане на корените на алгебрични уравнения. Причините за възникналите числени трудности могат да се обяснят с особеностите на използваната двоичната аритметика с плаваща точка.

On a Theorem by Van Vleck Regarding Sturm Sequences

In 1900 E. B. Van Vleck proposed a very efficient method to compute the Sturm sequence of a polynomial p (x) ∈ Z[x] by triangularizing one of Sylvester’s matrices of p (x) and its derivative p′(x). That method works fine only for the case of complete sequences provided no pivots take place. In 1917, A. J. Pell and R. L. Gordon pointed out this “weakness” in Van Vleck’s theorem, rectified it but did not extend his method, so that it also works in the cases of: (a) complete Sturm sequences with pivot, and (b) incomplete Sturm sequences. Despite its importance, the Pell-Gordon Theorem for polynomials in Q[x] has been totally forgotten and, to our knowledge, it is referenced by us for the first time in the literature. In this paper we go over Van Vleck’s theorem and method, modify slightly the formula of the Pell-Gordon Theorem and present a general triangularization method, called the VanVleck-Pell-Gordon method, that correctly computes in Z[x] polynomial Sturm sequences, both complete and incomplete.

Sturm Sequences and Modified Subresultant Polynomial Remainder Sequences

ACM Computing Classification System (1998): F.2.1, G.1.5, I.1.2.

Um estudo sobre polinômios matriciais

This research work aims to make a study of the algebraic theory of matrix monic polynomials, as well as the definitions, concepts and properties with respect to block eigenvalues, block eigenvectors and solvents of P(X). We investigte the main relations between the matrix polynomial and the Companion and Vandermonde matrices. We study the construction of matrix polynomials with certain solvents and the extention of the Power Method, to calculate block eigenvalues and solvents of P(X). Through the relationship between the dominant block eigenvalue of the Companion matrix and the dominant solvent of P(X) it is possible to obtain the convergence of the algorithm for the dominant solvent of the matrix polynomial. We illustrate with numerical examples for diferent cases of convergence.

Linking Parametric CAD with Adjoint Surface Sensitivities

The goal of this work is to present an efficient CAD-based adjoint process chain for calculating parametric sensitivities (derivatives of the objective function with respect to the CAD parameters) in timescales acceptable for industrial design processes. The idea is based on linking parametric design velocities (geometric sensitivities computed from the CAD model) with adjoint surface sensitivities. A CAD-based design velocity computation method has been implemented based on distances between discrete representations of perturbed geometries. This approach differs from other methods due to the fact that it works with existing commercial CAD packages (unlike most analytical approaches) and it can cope with the changes in CAD model topology and face labeling. Use of the proposed method allows computation of parametric sensitivities using adjoint data at a computational cost which scales with the number of objective functions being considered, while it is essentially independent of the number of design variables. The gradient computation is demonstrated on test cases for a Nozzle Guide Vane (NGV) model and a Turbine Rotor Blade model. The results are validated against finite difference values and good agreement is shown. This gradient information can be passed to an optimization algorithm, which will use it to update the CAD model parameters.

Three dimensional Sklyanin algebras and Gröbner bases

We consider Sklyanin algebras $S$ with 3 generators, which are quadratic algebras over a field $\K$ with $3$ generators $x,y,z$ given by $3$ relations $pxy+qyx+rzz=0$, $pyz+qzy+rxx=0$ and $pzx+qxz+ryy=0$, where $p,q,r\in\K$. this class of algebras has enjoyed much attention. In particular, using tools from algebraic geometry, Feigin, Odesskii \cite{odf}, and Artin, Tate and Van Den Bergh, showed that if at least two of the parameters $p$, $q$ and $r$ are non-zero and at least two of three numbers $p^3$, $q^3$ and $r^3$ are distinct, then $S$ is Artin--Schelter regular. More specifically, $S$ is Koszul and has the same Hilbert series as the algebra of commutative polynomials in 3 indeterminates (PHS). It has became commonly accepted that it is impossible to achieve the same objective by purely algebraic and combinatorial means like the Groebner basis technique. The main purpose of this paper is to trace the combinatorial meaning of the properties of Sklyanin algebras, such as Koszulity, PBW, PHS, Calabi-Yau, and to give a new constructive proof of the above facts due to Artin, Tate and Van Den Bergh. Further, we study a wider class of Sklyanin algebras, namely
the situation when all parameters of relations could be different. We call them generalized Sklyanin algebras. We classify up to isomorphism all generalized Sklyanin algebras with the same Hilbert series as commutative polynomials on
3 variables. We show that generalized Sklyanin algebras in general position have a Golod–Shafarevich Hilbert series (with exception of the case of field with two elements).

Instabilities in threshold-diffusion equations with delay

The introduction of delays into ordinary or partial differential equation models is well known to facilitate the production of rich dynamics ranging from periodic solutions through to spatio-temporal chaos. In this paper we consider a class of scalar partial differential equations with a delayed threshold nonlinearity which admits exact solutions for equilibria, periodic orbits and travelling waves. Importantly we show how the spectra of periodic and travelling wave solutions can be determined in terms of the zeros of a complex analytic function. Using this as a computational tool to determine stability we show that delays can have very different effects on threshold systems with negative as opposed to positive feedback. Direct numerical simulations are used to confirm our bifurcation analysis, and to probe some of the rich behaviour possible for mixed feedback.

La distribution des zéros des fonctions L

Selon la philosophie de Katz et Sarnak, la distribution des zéros des fonctions $L$ est prédite par le comportement des valeurs propres de matrices aléatoires. En particulier, le comportement des zéros près du point central révèle le type de symétrie de la famille de fonctions $L$. Une fois la symétrie identifiée, la philosophie de Katz et Sarnak conjecture que plusieurs statistiques associées aux zéros seront modélisées par les valeurs propres de matrices aléatoires du groupe correspondant. Ce mémoire étudiera la distribution des zéros près du point central de la famille des courbes elliptiques sur $\mathbb{Q}[i]$. Brumer a effectué ces calculs en 1992 sur la famille de courbes elliptiques sur $\mathbb{Q}$. Les nouvelles problématiques reliées à la généralisation de ses travaux vers un corps de nombres seront mises en évidence