Analysis of a finite volume method for a cross-diffusion model in population dynamics

The main goal of this paper is to propose a convergent finite volume method for a reactionâeuro"diffusion system with cross-diffusion. First, we sketch an existence proof for a class of cross-diffusion systems. Then the standard two-point finite volume fluxes are used in combination with a nonlinear positivity-preserving approximation of the cross-diffusion coefficients. Existence and uniqueness of the approximate solution are addressed, and it is also shown that the scheme converges to the corresponding weak solution for the studied model. Furthermore, we provide a stability analysis to study pattern-formation phenomena, and we perform two-dimensional numerical examples which exhibit formation of nonuniform spatial patterns. From the simulations it is also found that experimental rates of convergence are slightly below second order. The convergence proof uses two ingredients of interest for various applications, namely the discrete Sobolev embedding inequalities with general boundary conditions and a space-time $L^1$ compactness argument that mimics the compactness lemma due to Kruzhkov. The proofs of these results are given in the Appendix.

Integral cohomology of finite postnikov towers

Depuis le séminaire H. Cartan de 1954-55, il est bien connu que l'on peut trouver des éléments de torsion arbitrairement grande dans l'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane K(G,n) où G est un groupe abélien non trivial et n>1. L'objectif majeur de ce travail est d'étendre ce résultat à des H-espaces possédant plus d'un groupe d'homotopie non trivial. Dans le but de contrôler précisément le résultat de H. Cartan, on commence par étudier la dualité entre l'homologie et la cohomologie des espaces d'Eilenberg-MacLane 2-locaux de type fini. On parvient ainsi à raffiner quelques résultats qui découlent des calculs de H. Cartan. Le résultat principal de ce travail peut être formulé comme suit. Soit X un H-espace ne possédant que deux groupes d'homotopie non triviaux, tous deux finis et de 2-torsion. Alors X n'admet pas d'exposant pour son groupe gradué d'homologie entière réduite. On construit une large classe d'espaces pour laquelle ce résultat n'est qu'une conséquence d'une caractéristique topologique, à savoir l'existence d'un rétract faible X K(G,n) pour un certain groupe abélien G et n>1. On généralise également notre résultat principal à des espaces plus compliqués en utilisant la suite spectrale d'Eilenberg-Moore ainsi que des méthodes analytiques faisant apparaître les nombres de Betti et leur comportement asymptotique. Finalement, on conjecture que les espaces qui ne possédent qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non triviaux n'admettent pas d'exposant homologique. Ce travail contient par ailleurs la présentation de la « machine d'Eilenberg-MacLane », un programme C++ conçu pour calculer explicitement les groupes d'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane. <br/><br/>By the work of H. Cartan, it is well known that one can find elements of arbitrarilly high torsion in the integral (co)homology groups of an Eilenberg-MacLane space K(G,n), where G is a non-trivial abelian group and n>1. The main goal of this work is to extend this result to H-spaces having more than one non-trivial homotopy groups. In order to have an accurate hold on H. Cartan's result, we start by studying the duality between homology and cohomology of 2-local Eilenberg-MacLane spaces of finite type. This leads us to some improvements of H. Cartan's methods in this particular case. Our main result can be stated as follows. Let X be an H-space with two non-vanishing finite 2-torsion homotopy groups. Then X does not admit any exponent for its reduced integral graded (co)homology group. We construct a wide class of examples for which this result is a simple consequence of a topological feature, namely the existence of a weak retract X K(G,n) for some abelian group G and n>1. We also generalize our main result to more complicated stable two stage Postnikov systems, using the Eilenberg-Moore spectral sequence and analytic methods involving Betti numbers and their asymptotic behaviour. Finally, we investigate some guesses on the non-existence of homology exponents for finite Postnikov towers. We conjecture that Postnikov pieces do not admit any (co)homology exponent. This work also includes the presentation of the "Eilenberg-MacLane machine", a C++ program designed to compute explicitely all integral homology groups of Eilenberg-MacLane spaces. <br/><br/>Il est toujours difficile pour un mathématicien de parler de son travail. La difficulté réside dans le fait que les objets qu'il étudie sont abstraits. On rencontre assez rarement un espace vectoriel, une catégorie abélienne ou une transformée de Laplace au coin de la rue ! Cependant, même si les objets mathématiques sont difficiles à cerner pour un non-mathématicien, les méthodes pour les étudier sont essentiellement les mêmes que celles utilisées dans les autres disciplines scientifiques. On décortique les objets complexes en composantes plus simples à étudier. On dresse la liste des propriétés des objets mathématiques, puis on les classe en formant des familles d'objets partageant un caractère commun. On cherche des façons différentes, mais équivalentes, de formuler un problème. Etc. Mon travail concerne le domaine mathématique de la topologie algébrique. Le but ultime de cette discipline est de parvenir à classifier tous les espaces topologiques en faisant usage de l'algèbre. Cette activité est comparable à celle d'un ornithologue (topologue) qui étudierait les oiseaux (les espaces topologiques) par exemple à l'aide de jumelles (l'algèbre). S'il voit un oiseau de petite taille, arboricole, chanteur et bâtisseur de nids, pourvu de pattes à quatre doigts, dont trois en avant et un, muni d'une forte griffe, en arrière, alors il en déduira à coup sûr que c'est un passereau. Il lui restera encore à déterminer si c'est un moineau, un merle ou un rossignol. Considérons ci-dessous quelques exemples d'espaces topologiques: a) un cube creux, b) une sphère et c) un tore creux (c.-à-d. une chambre à air). a) b) c) Si toute personne normalement constituée perçoit ici trois figures différentes, le topologue, lui, n'en voit que deux ! De son point de vue, le cube et la sphère ne sont pas différents puisque ils sont homéomorphes: on peut transformer l'un en l'autre de façon continue (il suffirait de souffler dans le cube pour obtenir la sphère). Par contre, la sphère et le tore ne sont pas homéomorphes: triturez la sphère de toutes les façons (sans la déchirer), jamais vous n'obtiendrez le tore. Il existe un infinité d'espaces topologiques et, contrairement à ce que l'on serait naïvement tenté de croire, déterminer si deux d'entre eux sont homéomorphes est très difficile en général. Pour essayer de résoudre ce problème, les topologues ont eu l'idée de faire intervenir l'algèbre dans leurs raisonnements. Ce fut la naissance de la théorie de l'homotopie. Il s'agit, suivant une recette bien particulière, d'associer à tout espace topologique une infinité de ce que les algébristes appellent des groupes. Les groupes ainsi obtenus sont appelés groupes d'homotopie de l'espace topologique. Les mathématiciens ont commencé par montrer que deux espaces topologiques qui sont homéomorphes (par exemple le cube et la sphère) ont les même groupes d'homotopie. On parle alors d'invariants (les groupes d'homotopie sont bien invariants relativement à des espaces topologiques qui sont homéomorphes). Par conséquent, deux espaces topologiques qui n'ont pas les mêmes groupes d'homotopie ne peuvent en aucun cas être homéomorphes. C'est là un excellent moyen de classer les espaces topologiques (pensez à l'ornithologue qui observe les pattes des oiseaux pour déterminer s'il a affaire à un passereau ou non). Mon travail porte sur les espaces topologiques qui n'ont qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non nuls. De tels espaces sont appelés des tours de Postnikov finies. On y étudie leurs groupes de cohomologie entière, une autre famille d'invariants, à l'instar des groupes d'homotopie. On mesure d'une certaine manière la taille d'un groupe de cohomologie à l'aide de la notion d'exposant; ainsi, un groupe de cohomologie possédant un exposant est relativement petit. L'un des résultats principaux de ce travail porte sur une étude de la taille des groupes de cohomologie des tours de Postnikov finies. Il s'agit du théorème suivant: un H-espace topologique 1-connexe 2-local et de type fini qui ne possède qu'un ou deux groupes d'homotopie non nuls n'a pas d'exposant pour son groupe gradué de cohomologie entière réduite. S'il fallait interpréter qualitativement ce résultat, on pourrait dire que plus un espace est petit du point de vue de la cohomologie (c.-à-d. s'il possède un exposant cohomologique), plus il est intéressant du point de vue de l'homotopie (c.-à-d. il aura plus de deux groupes d'homotopie non nuls). Il ressort de mon travail que de tels espaces sont très intéressants dans le sens où ils peuvent avoir une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Jean-Pierre Serre, médaillé Fields en 1954, a montré que toutes les sphères de dimension >1 ont une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Des espaces avec un exposant cohomologique aux sphères, il n'y a qu'un pas à franchir...

Kumar's algorithm for solving Toeplitz systems of equations over finite fields

Adaptació de l'algorisme de Kumar per resoldre sistemes d'equacions amb matrius de Toeplitz sobre els reals a cossos finits en un temps 0 (n log n).

Volcanoes of l-isogenies of elliptic curves over finite fields: the case l=3

This paper is devoted to the study of the volcanoes of l-isogenies of elliptic curves over a finite field, focusing on their height as well as on the location of curves across its different levels. The core of the paper lies on the relationship between the l-Sylow subgroup of an elliptic curve and the level of the volcano where it is placed. The particular case l = 3 is studied in detail, giving an algorithm to determine the volcano of 3-isogenies of a given elliptic curve. Experimental results are also provided.

Technical Note: Dissolved organic matter fluorescence a finite mixture approach to deconvolve excitation-emission matrices

The analysis of the shape of excitation-emission matrices (EEMs) is a relevant tool for exploring the origin, transport and fate of dissolved organic matter (DOM) in aquatic ecosystems. Within this context, the decomposition of EEMs is acquiring a notable relevance. A simple mathematical algorithm that automatically deconvolves individual EEMs is described, creating new possibilities for the comparison of DOM fluorescence properties and EEMs that are very different from each other. A mixture model approach is adopted to decompose complex surfaces into sub-peaks. The laplacian operator and the Nelder-Mead optimisation algorithm are implemented to individuate and automatically locate potential peaks in the EEM landscape. The EEMs of a simple artificial mixture of fluorophores and DOM samples collected in a Mediterranean river are used to describe the model application and to illustrate a strategy that optimises the search for the optimal output.

Ecuaciones de recurrencia estocásticas en el cálculo de la prima de reaseguro Finite Risk

RESUMEN: El objetivo de este trabajo es calcular el importe de la prima pura periódica que debe cobrar el reasegurador a la cedente en un reaseguro finite risk en ambiente financiero estocástico. El problema de la convolución de las diferentes variables aleatorias que intervienen en el cálculo de la prima lo hemos solucionado simulando, por Monte-Carlo, trayectorias de siniestralidad para el reasegurador aplicando posteriormente, en cada trayectoria simulada, los criterios de decisión financieros, esperanza, varianza y desviación. En los criterios de la varianza y de la desviación proponemos utilizar una ecuación de recurrencia estocástica para evitar el problema de la dependencia que existe entre los factores de capitalización estocásticos, obteniendo la prima de reaseguro en función del nivel de aversión al riesgo del reasegurador y de la volatilidad del tipo de interés. Palabras clave: Finite risk, ambiente estocástico, ecuación de recurrencia, simulación de Monte-Carlo, prima pura periódica.

Finite Element Analysis of Electrically Excited Quartz Tuning Fork Devices

Quartz Tuning Fork (QTF)-based Scanning Probe Microscopy (SPM) is an important field of research. A suitable model for the QTF is important to obtain quantitative measurements with these devices. Analytical models have the limitation of being based on the double cantilever configuration. In this paper, we present an electromechanical finite element model of the QTF electrically excited with two free prongs. The model goes beyond the state-of-the-art of numerical simulations currently found in the literature for this QTF configuration. We present the first numerical analysis of both the electrical and mechanical behavior of QTF devices. Experimental measurements obtained with 10 units of the same model of QTF validate the finite element model with a good agreement.

Effect of partial-thickness tear on loading capacities of the supraspinatus tendon: a finite element analysis.

Partial-thickness tears of the supraspinatus tendon frequently occur at its insertion on the greater tubercule of the humerus, causing pain and reduced strength and range of motion. The goal of this work was to quantify the loss of loading capacity due to tendon tears at the insertion area. A finite element model of the supraspinatus tendon was developed using in vivo magnetic resonance images data. The tendon was represented by an anisotropic hyperelastic constitutive law identified with experimental measurements. A failure criterion was proposed and calibrated with experimental data. A partial-thickness tear was gradually increased, starting from the deep articular-sided fibres. For different values of tendon tear thickness, the tendon was mechanically loaded up to failure. The numerical model predicted a loss in loading capacity of the tendon as the tear thickness progressed. Tendon failure was more likely when the tendon tear exceeded 20%. The predictions of the model were consistent with experimental studies. Partial-thickness tears below 40% tear are sufficiently stable to persist physiotherapeutic exercises. Above 60% tear surgery should be considered to restore shoulder strength.

Impact of the Femoral Head Position on Moment Arms in Total Hip Arthroplasty: A Parametric Finite Element Study.

BACKGROUND: Although the importance of accurate femoral reconstruction to achieve a good functional outcome is well documented, quantitative data on the effects of a displacement of the femoral center of rotation on moment arms are scarce. The purpose of this study was to calculate moment arms after nonanatomical femoral reconstruction. METHODS: Finite element models of 15 patients including the pelvis, the femur, and the gluteal muscles were developed. Moment arms were calculated within the native anatomy and compared to distinct displacement of the femoral center of rotation (leg lengthening of 10 mm, loss of femoral offset of 20%, anteversion ±10°, and fixed anteversion at 15°). Calculations were performed within the range of motion observed during a normal gait cycle. RESULTS: Although with all evaluated displacements of the femoral center of rotation, the abductor moment arm remained positive, some fibers initially contributing to extension became antagonists (flexors) and vice versa. A loss of 20% of femoral offset led to an average decrease of 15% of abductor moment. Femoral lengthening and changes in femoral anteversion (±10°, fixed at 15°) led to minimal changes in abductor moment arms (maximum change of 5%). Native femoral anteversion correlated with the changes in moment arms induced by the 5 variations of reconstruction. CONCLUSION: Accurate reconstruction of offset is important to maintaining abductor moment arms, while changes of femoral rotation had minimal effects. Patients with larger native femoral anteversion appear to be more susceptible to femoral head displacements.

Study of spin polarized nuclear matter and finite nuclei with finite range simple effective interaction

The properties of spin polarized pure neutron matter and symmetric nuclear matter are studied using the finite range simple effective interaction, upon its parametrization revisited. Out of the total twelve parameters involved, we now determine ten of them from nuclear matter, against the nine parameters in our earlier calculation, as required in order to have predictions in both spin polarized nuclear matter and finite nuclei in unique manner being free from uncertainty found using the earlier parametrization. The information on the effective mass splitting in polarized neutron matter of the microscopic calculations is used to constrain the one more parameter, that was earlier determined from finite nucleus, and in doing so the quality of the description of finite nuclei is not compromised. The interaction with the new set of parameters is used to study the possibilities of ferromagnetic and antiferromagnetic transitions in completely polarized symmetric nuclear matter. Emphasis is given to analyze the results analytically, as far as possible, to elucidate the role of the interaction parameters involved in the predictions.

Reaseguro Finite Risk en ambiente financiero estocástico

Una de las características del reaseguro finite risk es la existencia de una cuenta de experiencia, que está formada por las primas que cobra el reasegurador, junto con su rendimiento financiero,y su finalidad es financiar los siniestros que éste ha de satisfacer a la cedente en el plazo establecido. El objetivo de este trabajo es diseñar un modelo que permita determinar el saldo estimado o reserva que debe de tener en cada periodo anual la cuenta de experiencia para garantizar su solvencia dinámica, teniendo en cuenta la experiencia de siniestralidad de la cartera del reasegurador y de cada cedente. Para el cálculo de la prima de reaseguro y del saldo de la cuenta de experiencia se asumirá ambiente financiero estocástico, de modo que la prima de reaseguro dependerá también de otros parámetros como la volatilidad del tipo de interés o de la aversión al riesgo.

Finite-temperature T matrix in a real-time formalism

A generalized off-shell unitarity relation for the two-body scattering T matrix in a many-body medium at finite temperature is derived, through a consistent real-time perturbation expansion by means of Feynman diagrams. We comment on perturbation schemes at finite temperature in connection with an erroneous formulation of the Dyson equation in a paper recently published.

Development of beam and plate finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation

The focus of this dissertation is to develop finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation. The absolute nodal coordinate formulation is a nonlinear finite element formulation, which is introduced for special requirements in the field of flexible multibody dynamics. In this formulation, a special definition for the rotation of elements is employed to ensure the formulation will not suffer from singularities due to large rotations. The absolute nodal coordinate formulation can be used for analyzing the dynamics of beam, plate and shell type structures. The improvements of the formulation are mainly concentrated towards the description of transverse shear deformation. Additionally, the formulation is verified by using conventional iso-parametric solid finite element and geometrically exact beam theory. Previous claims about especially high eigenfrequencies are studied by introducing beam elements based on the absolute nodal coordinate formulation in the framework of the large rotation vector approach. Additionally, the same high eigenfrequency problem is studied by using constraints for transverse deformation. It was determined that the improvements for shear deformation in the transverse direction lead to clear improvements in computational efficiency. This was especially true when comparative stress must be defined, for example when using elasto-plastic material. Furthermore, the developed plate element can be used to avoid certain numerical problems, such as shear and curvature lockings. In addition, it was shown that when compared to conventional solid elements, or elements based on nonlinear beam theory, elements based on the absolute nodal coordinate formulation do not lead to an especially stiff system for the equations of motion.

Geometric nonlinear dynamic analysis of plates and shells using eight-node hexahedral finite elements with reduced integration

This work presents a geometric nonlinear dynamic analysis of plates and shells using eight-node hexahedral isoparametric elements. The main features of the present formulation are: (a) the element matrices are obtained using reduced integrations with hourglass control; (b) an explicit Taylor-Galerkin scheme is used to carry out the dynamic analysis, solving the corresponding equations of motion in terms of velocity components; (c) the Truesdell stress rate tensor is used; (d) the vector processor facilities existing in modern supercomputers were used. The results obtained are comparable with previous solutions in terms of accuracy and computational performance.