First-passage times for a marginal state driven by colored noise

The dynamical process through a marginal state (saddle point) driven by colored noise is studied. For small correlation time of the noise, the mean first-passage time and its variance are calculated using standard methods. When the correlation time of the noise is finite or large, an alternative approach, based on simple physical arguments, is proposed. It will allow us to study also the passage times of an unstable state. The theoretical predictions are tested satisfactorily by the use of computer simulations.

Theory for correlation functions of processes driven by external colored noise

We study steady-state correlation functions of nonlinear stochastic processes driven by external colored noise. We present a methodology that provides explicit expressions of correlation functions approximating simultaneously short- and long-time regimes. The non-Markov nature is reduced to an effective Markovian formulation, and the nonlinearities are treated systematically by means of double expansions in high and low frequencies. We also derive some exact expressions for the coefficients of these expansions for arbitrary noise by means of a generalization of projection-operator techniques.

Thermally-Induced Structural Transformations on Polymorphous Silicon

Polymorphous Si is a nanostructured form of hydrogenated amorphous Si that contains a small fraction of Si nanocrystals or clusters. Its thermally induced transformations such as relaxation, dehydrogenation, and crystallization have been studied by calorimetry and evolved gas analysis as a complementary technique. The observed behavior has been compared to that of conventional hydrogenated amorphous Si and amorphous Si nanoparticles. In the temperature range of our experiments (650700 C), crystallization takes place at almost the same temperature in polymorphous and in amorphous Si. In contrast, dehydrogenation processes reflect the presence of different hydrogen states. The calorimetry and evolved gas analysis thermograms clearly show that polymorphous Si shares hydrogen states of both amorphous Si and Si nanoparticles. Finally, the total energy of the main SiH group present in polymorphous Si has been quantified.

Bioinformatics-driven identification and examination of candidate genes for non-alcoholic fatty liver disease.

ObjectiveCandidate genes for non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) identified by a bioinformatics approach were examined for variant associations to quantitative traits of NAFLD-related phenotypes.Research Design and MethodsBy integrating public database text mining, trans-organism protein-protein interaction transferal, and information on liver protein expression a protein-protein interaction network was constructed and from this a smaller isolated interactome was identified. Five genes from this interactome were selected for genetic analysis. Twenty-one tag single-nucleotide polymorphisms (SNPs) which captured all common variation in these genes were genotyped in 10,196 Danes, and analyzed for association with NAFLD-related quantitative traits, type 2 diabetes (T2D), central obesity, and WHO-defined metabolic syndrome (MetS).Results273 genes were included in the protein-protein interaction analysis and EHHADH, ECHS1, HADHA, HADHB, and ACADL were selected for further examination. A total of 10 nominal statistical significant associations (P<0.05) to quantitative metabolic traits were identified. Also, the case-control study showed associations between variation in the five genes and T2D, central obesity, and MetS, respectively. Bonferroni adjustments for multiple testing negated all associations.ConclusionsUsing a bioinformatics approach we identified five candidate genes for NAFLD. However, we failed to provide evidence of associations with major effects between SNPs in these five genes and NAFLD-related quantitative traits, T2D, central obesity, and MetS.

On the Schoenberg transformations in data analysis: theory and illustrations

The class of Schoenberg transformations, embedding Euclidean distances into higher dimensional Euclidean spaces, is presented, and derived from theorems on positive definite and conditionally negative definite matrices. Original results on the arc lengths, angles and curvature of the transformations are proposed, and visualized on artificial data sets by classical multidimensional scaling. A distance-based discriminant algorithm and a robust multidimensional centroid estimate illustrate the theory, closely connected to the Gaussian kernels of Machine Learning.

Bistability driven by Gaussian colored noise: First-passage times

Herein we present a calculation of the mean first-passage time for a bistable one-dimensional system driven by Gaussian colored noise of strength D and correlation time ¿c. We obtain quantitative agreement with experimental analog-computer simulations of this system. We disagree with some of the conclusions reached by previous investigators. In particular, we demonstrate that all available approximations that lead to a state-dependent diffusion coefficient lead to the same result for small D¿c.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Energy transduction in periodically driven non-hermitian systems

We show a new mechanism to extract energy from nonequilibrium fluctuations typical of periodically driven non-Hermitian systems. The transduction of energy between the driving force and the system is revealed by an anomalous behavior of the susceptibility, leading to a diminution of the dissipated power and consequently to an improvement of the transport properties. The general framework is illustrated by the analysis of some relevant cases.

Exact solution to the mean exit time problem for free inertial processes driven by Gaussian white noise

We obtain the exact analytical expression, up to a quadrature, for the mean exit time, T(x,v), of a free inertial process driven by Gaussian white noise from a region (0,L) in space. We obtain a completely explicit expression for T(x,0) and discuss the dependence of T(x,v) as a function of the size L of the region. We develop a new method that may be used to solve other exit time problems.

Bistability driven by white shot noise

We consider mean-first-passage times and transition rates in bistable systems driven by white shot noise. We obtain closed analytical expressions, asymptotic approximations, and numerical simulations in two cases of interest: (i) jumps sizes exponentially distributed and (ii) jumps of the same size.

Harmonic oscillators driven by colored noise: crossovers, resonances and spectra

We study second-order properties of linear oscillators driven by exponentially correlated noise. We focus our attention on dynamical exponents and crossovers and also on resonance phenomena that appear when the driving noise is dichotomous. We also obtain the power spectrum and show its different behaviors according to the color of the noise.

Bistability driven by dichotomous noise

We consider mean-first-passage times and transition rates in bistable systems driven by dichotomous colored noise. We carry out an asymptotic expansion for short correlation times ¿c of the colored noise and find results that differ from those reported earlier. In particular, to retain corrections to O(¿c) we find that it is necessary to retain up to four derivatives of the potential function. We compare our asymptotic results to existing ones and also to exact ones obtained from numerical integration.

Second-order processes driven by dichotomous noise

We study free second-order processes driven by dichotomous noise. We obtain an exact differential equation for the marginal density p(x,t) of the position. It is also found that both the velocity ¿(t) and the position X(t) are Gaussian random variables for large t.